Spannungsteiler berechnen für Mikrocontroller

Spannungsteiler sind sehr wichtige Schaltungen in sehr vielen elektronischen Schaltungen. Hauptsächlich werden Spannungsteiler für die Spannungsanpassung, Pegelwandlung oder auch Dämpfung verwendet. In diesem Artikel geht es kurz allgemein um den Spannungsteiler, speziell aber um die Verwendung von Spannungsteilern an Mikrocontrollern.

Wozu Spannungsteiler an Arduino & CO?

Am meisten wird der Spannungsteiler als Spannungsanpassung vor einem analogen Eingang geschaltet. Denn man kann mit den Mikrocontrollern Spannungen analog je nach Prozessortyp von 0-5 Volt oder 0-3,3 Volt messen. Nehmen wir an, wir haben aber eine kleine Photovoltaikanlage oder Batterie, wo wir eine Betriebsspannung von 12 oder 24 Volt haben und diese gerne mit einem Arduino messen wollen. Da der Arduino analog nur bis 5 Volt messen kann und alle darüberliegenden Spannung für das Board gefährlich sind, benötigen wir einen Spannungsreduzierer bzw. Spannungsteiler. Wenn dieser Spannungsteiler richtig berechnet wurde, kann man die 12 Volt auf 5 Volt reduzieren. Hat die Spannungsquelle 12 Volt, so liegen am Mikrocontroller 5 Volt an. Hat man an der Spannungsquelle dann nur mehr 6 Volt, so liegen am Arduino nur mehr 2,5 Volt an. Und schon hat man sich mit zwei Widerständen einen Voltmeter für höhere Spannungsbereiche gebaut.

Wie funktioniert der Spannungsteiler?

Der Spannungsteiler besteht aus zwei in Serie geschalteten Widerständen. Am Anfang und Ende der Reihenschaltung wird die Eingangsspannung (positiver und negativer Pol) angeschlossen. In der Mitte von der Schaltung, zwischen den Widerständen wird dann die reduzierte Ausgangsspannung abgegriffen. Neben den negativen Pol befindet sich der Widerstand R2, neben den positiven Pol der Widerstand R1. Wird an ein Potentiometer eine Spannung angelegt, so kann über den dritten Pin auch die reduzierte Spannung abgegriffen werden und man hat dadurch einen veränderbaren Spannungsteiler. Auf Wikipedia findet man hier sehr viele zusätzliche Informationen über den genauen Aufbau und Stromfluss.

Wie wird der Spannungsteiler dimensioniert?

Um einen Spannungsteiler bzw. R2 berechnen zu können, muss der Wert von R1 bekannt sein. Möchte man die Ausgangsspannung genau um die hälfte der Eingangsspannung reduzieren, so müssen beide Widerstände exakt den gleichen Wert haben. Als Beispiel: 12 Volt sollen auf 6 Volt reduziert werden, so können R1 und R2 jeweils einen Widerstand von 10 Kiloohm haben. Bei allen anderen Spannungen muss R2 entsprechend berechnet werden. Wenn man einen Wert für R1 bestimmt, dann sollte man den Widerstand immer hochohmig wählen, da es bei sehr kleinen Widerständen zu sehr hohen strömen kommt, und das will man gerade bei Mikrocontroller-Projekten sehr vermeiden. Allerdings kann es bei sehr hochohmigen Widerständen vorkommen, dass der Lastwiderstand die Spannung im Spannungsteiler zu sehr beeinflusst. Gängige Widerstände für R1 sind: 1K, 4,7K, 10K, 15K oder 20K. Entsprechend in Abhängigkeit der gewünschten Spannungen errechnet sich dann der R2.

Wie wird der Spannungsteiler berechnet?

Für den Spannungsteiler gibt es eine bestimmte Formel. Neben der gewünschten Ausgangsspannung (Uo) muss auch die Eingangsspannung (Ui) bekannt sein und der Teilwiderstand R2 ausgewählt sein. Anschließend wird über die Formel der Teilwiderstand R1 berechnet. In der Regel wird dann der nächst größere verfügbare Widerstand der E-Reihe ausgewählt und in die Schaltung eingesetzt. Das nachfolgende Bild zeigt die Formel und deren Umstellung nach den gesuchten Teilwiderstand R1. Rechenbeispiel: Die Eingangsspannung beträgt dafür 12 Volt, die gewünschte Ausgangsspannung beträgt 5 Volt. Der bekannte Teilwiderstand R2 beträgt 10 Kiloohm (10 000 Ohm). Berechnet wird der zweite gesuchte Teilwiderstand R1.

Unbelasteter Spannungsteiler Formel und Rechenbeispiel

Spannungsteiler Rechentool

Mit dem Spannungsteiler Rechner können die Teilwiderstände online berechnet werden. Neben der Eingangs- und Ausgangsspannung muss auch der Teilwiderstand R2 bekannt sein. Alle Spannungen werden in Volt eingeben, der Widerstandswert für R2 in Ohm.


Trulli


Tabelle für Mikrocontroller

Die nachfolgende Tabelle beinhaltetet gängige Spannungsteiler-Werte für 3,3 und 5 Volt Eingänge. Mit diesen Spannungsteilern können höhere Spannungen auf die entsprechende Maximalspannung des Controllers reduziert werden.


Spannungsteiler für 3,3 Volt Output

Eingang Ausgang R2 R1
5V 3,3V 3,3K 1,8K
9V 3,3V 3,3K 5,8K
12V 3,3V 15K 39K
24 3,3V 2,7K 18K

Spannungsteiler für 5 Volt Output

Eingang Ausgang R2 R1
9V 5V 4,7K 3,9K
12V 5V 8,2K 12K
24V 5V 10K 39K

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