Spannungsteiler und Potentiometer
Worum geht es?
Die Reihenschaltung teilt die Quellenspannung im Verhältnis der Widerstände: eine Beobachtung, die sich zum Werkzeug machen lässt. Greift man die über einem der beiden Widerstände ab, hat man einen Spannungsteiler: Aus festen werden zum Beispiel . Ein Potentiometer macht das Teilerverhältnis mit einem Schleifkontakt stufenlos einstellbar, so funktionieren Lautstärkeregler und Dimmer-Eingänge.
Warum macht man dieses Experiment?
Der Spannungsteiler ist eine der meistverbauten Grundschaltungen überhaupt: Sensoren, Lautstärkeregler, Messbereichserweiterungen, Referenzspannungen. Zugleich lehrt er eine Lektion, die über die Elektrizitätslehre hinausreicht: Eine Formel gilt nur unter ihren Voraussetzungen. Die Teilerformel setzt voraus, dass am Abgriff (fast) kein Strom entnommen wird, und der Versuch zeigt messbar, wie die Ausgangsspannung einbricht, sobald eine Last angeschlossen wird.
Die physikalische Idee
Durch die unverzweigte Reihenschaltung fließt ein gemeinsamer Strom; die über jedem Widerstand ist diesem Widerstand proportional. Der Abgriff über liefert also den Bruchteil der Quellenspannung. Beim Potentiometer ersetzt eine Widerstandsbahn mit Schleifer die zwei Festwiderstände: Die Schleiferposition wählt das Teilerverhältnis kontinuierlich zwischen 0 und 1.
Benötigtes Vorwissen
Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.
Wissenschaftliche Einordnung
Spannungsteiler gehören seit den Anfängen der Messtechnik zum Handwerkszeug; Johann Christian Poggendorff nutzte die Kompensationsmethode mit Teilerschaltungen schon im 19. Jahrhundert für Präzisionsmessungen. In fast jedem modernen Gerät arbeiten Teiler an Sensoreingängen.
Versuchsziel
Was möchtest du untersuchen?
Aktuelles Versuchsziel
Spannungsteiler untersuchen
Prüfe die Teilerformel: Liefert der Teiler aus und an tatsächlich die vorhergesagten am Abgriff?
Gemessen
- — Quellenspannung (in )
Eingangsgröße des Teilers.
- — Ausgangsspannung (Abgriff) (in )
Die geteilte Spannung; sie wird mit der Formelvorhersage verglichen.
Bekannt
- — Teilerwiderstände (in )
Bestimmen das Teilerverhältnis; hier 400 Ω und 200 Ω.
Der Weg von der Messung zum Ergebnis:
Für diese Zielsetzung brauchst du:
- Die zu prüfende Teilerformel: Sie sagt die Abgriffspannung aus den Bauteilwerten vorher.Zur Formelsammlung
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Baue den Spannungsteiler aus (oben) und (unten) an auf. Sage die Abgriffspannung mit der Teilerformel vorher und prüfe die Vorhersage durch Messung.
2Vorbetrachtung
Die Teilerformel entsteht aus der Reihenschaltung
Durch die unverzweigte Reihenschaltung fließt überall derselbe Strom. Er ergibt sich aus Quellenspannung und :
Die Ausgangsspannung ist der Spannungsabfall an , also Strom mal Widerstand:
Einsetzen des Stroms liefert die Teilerformel. Der Strom kürzt sich als Zwischengröße heraus, übrig bleibt das reine Widerstandsverhältnis:
Vorhersage für unsere Werte: . Wichtig: Im Nenner steht die Summe beider Widerstände, im Zähler der Widerstand, über dem abgegriffen wird.
3Geräte / Stoffe
Grundbestand ohne Last: Am Abgriff hängt nur das hochohmige Voltmeter, die Formelvoraussetzung (unbelasteter Teiler) ist damit erfüllt.
Netzgerät (12 V Gleichspannung)
Feste Quellenspannung, aus der kleinere abgeleitet werden.
Festwiderstände 400 Ω und 200 Ω
Bilden den festen Spannungsteiler mit dem Sollverhältnis 1 : 3 am Abgriff.
Drehpotentiometer (1 kΩ)
Widerstandsbahn mit Schleifkontakt: stufenlos einstellbares Teilerverhältnis.
Lastwiderstand 200 Ω
Simuliert einen Verbraucher am Abgriff (Belastungstest).
Voltmeter
Misst die Ausgangsspannung des Teilers.
4Skizze des Versuchsaufbaus
Schaltplan: und in Reihe an der Quelle; der Abgriff liegt zwischen den Widerständen, das Voltmeter zwischen Abgriff und unterem Quellenanschluss (also über ).
Aufbau Teil 1: Reihenschaltung aus und an ; das Voltmeter misst die Ausgangsspannung über . Aufbau Teil 2: Drehpotentiometer (z. B. ) an derselben Quelle; das Voltmeter misst zwischen Schleifer und einem Bahnende. Für den Belastungstest wird zusätzlich ein Lastwiderstand parallel zum Abgriff geschaltet.
5Durchführung
Schritt 1: Teiler aufbauen, Quellenspannung messen und auf einstellen.
Schritt 2: Abgriffspannung messen.
Schritt 3: Zur Kontrolle die Widerstände tauschen (Abgriff jetzt über ) und erneut messen: Die Formel sagt dann vorher.
6Beobachtung
| Abgriff über | Formelvorhersage | Messwert |
|---|---|---|
| (getauscht) |
Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.
7Auswertung
Beide Messungen treffen die Vorhersage: Die Teilerformel ist bestätigt. Der Tausch-Test ist dabei mehr als eine Wiederholung: Er prüft, dass wirklich das Widerstandsverhältnis die Ausgangsspannung bestimmt und nicht etwa die Bauteilreihenfolge zufällig passte. Beide Abgriffe zusammen ergeben , die Spannungsregel der Reihenschaltung als Querkontrolle.
8Fazit
Der unbelastete Spannungsteiler folgt der Teilerformel exakt: am 200-Ω-Abgriff, nach dem Tausch. Aus einer festen Quelle lassen sich damit beliebige Teilspannungen ableiten, solange keine Last zieht.
9Fehlerbetrachtung
Die Hauptfehlerquellen sind die Bauteiltoleranzen und, prinzipiell, das Voltmeter selbst als minimale Last:
Voltmeter als unbemerkte Lasteher systematisch
- Ursache
Auch das Voltmeter zieht einen winzigen Strom; es liegt parallel zu .
- Auswirkung
Bei gegen Geräte-Innenwiderstände im Megaohm-Bereich ist der Effekt kleiner als ein Zehntel Promille, unsichtbar. Bei hochohmigen Teilern (Megaohm-Bereich) würde genau dieser Effekt die Messung dominieren.
- Verbesserung
Teilerwiderstände klein gegen den Voltmeter-Innenwiderstand wählen.
Bauteiltoleranzeneher systematisch
- Ursache
Die Nennwerte gelten nur bis auf die Toleranz (typisch 5 %).
- Auswirkung
Das reale Teilerverhältnis weicht entsprechend ab; einige Zehntelvolt Abweichung sind normal.
- Verbesserung
Widerstände vorab ausmessen und mit den Messwerten vorhersagen.
Das Wichtigste
- Teilerformel
Unbelastet gilt : Der Abgriff liefert den Bruchteil, den am hat.
- Potentiometer
Ein Spannungsteiler mit verschiebbarem Abgriff: Das Teilerverhältnis ist stufenlos zwischen 0 und 1 einstellbar.
- Belastung
Ein Verbraucher am Abgriff liegt parallel zu und verkleinert den unteren Teilwiderstand: Die Ausgangsspannung sinkt unter den Formelwert. Die Teilerformel gilt nur für vernachlässigbare Belastung.
- Faustregel
Damit der Einbruch klein bleibt, sollte der Lastwiderstand groß gegen sein (mindestens das Zehnfache).