Spannungsteiler zur Spannungsstabilisierung

Jeder Elektronik-Einsteiger wird sich irgendwann mit einem Spannungsteiler (Reihenschaltung aus Widerständen) beschäftigen. Insbesondere der bastelwütige Schüler oder Azubi wird sich dann mit dem Gedanken auseinandersetzen, dass sich der Spannungsteiler gut dazu eignen müsste, um eine große Spannung in eine kleinere Spannung "herunterzuteilen", um diese dann als Spannungsquelle für eine andere Schaltung zu betreiben.
Der kundige Elektronik-Praktiker wird bei diesem Gedanken die Hände über dem Kopf zusammenschlagen. Nein, das sei hier gesagt, der Spannungsteiler aus zwei oder mehr Widerständen eignet sich nicht um daraus eine stabile Spannungsversorgung zu bauen.

Warum eignet sich ein Spannungsteiler nicht zur Erzeugung einer kleineren Spannung?

Die folgenden Überlegungen sind theoretischer Natur und basieren auf mathematischen Berechnungen. Mathematik deshalb, weil sich dadurch sehr leicht darstellen lässt, was in einer Spannungsteiler-Schaltung vor sich geht.

Gegeben sei eine Gesamtspannung von 9V. Das entspricht der Ausgangsspannung einer 9V-Blockbatterie. Es kann durchaus sein, dass ein Elektronik-Einsteiger eine solche Batterie für seine ersten Bastelversuche verwendet. Gegeben sei auch eine Spannung von 5V, die der Betriebsspannung und Spannungspegel der TTL-Schaltkreise entspricht. Ziel ist es, aus einer Spannung von 9V eine Spannung von 5V zu machen.

An dieser Stelle ist es noch relativ einfach zu bewerkstelligen. Man nimmt zwei Widerstände und wählt deren Werte so, dass sich die Gesamtspannung von 9V in 4V und 5V aufteilt. Machen wir es uns einfach und nehmen einen 400 Ohm und einen 500 Ohm Widerstand. Nach dem Gesetz der Reihenschaltung teilt sich die Gesamtspannung U_ges an den beiden Teilwiderständen R₁ und R₂ auf. Die Spannungen verhalten sich wie die dazugehörigen Widerstände. Am größten Widerstand fällt der größte Teil der Gesamtspannung ab. Am kleinsten Widerstand fällt der kleinere Teil der Gesamtspannung ab.

Das bedeutet:

• R₁ = 400 Ohm / U₁ = 4 V
• R₂ = 500 Ohm / U₂ = 5 V

Leider ist es so, dass es diese Widerstände mit den Werten 400 und 500 Ohm nicht gibt. Um doch diese Werte zu erreichen, müsste man aus einzelnen Widerständen eine Kette bilden und die Spannung von 5V an der richtigen Stelle abgreifen. Es ist also etwas Handarbeit notwendig.
Nehmen wir aber an, dass wir die Widerstandswerte mit zwei einstellbaren Widerständen (Potentiometer mit jeweils 1 kOhm) erzeugt haben.

So, nun haben wir es tatsächlich geschafft die gewünschte Spannung einzustellen. Doch Spannung allein reicht nicht aus. Diese Spannung soll uns einen Strom liefern. Das bedeutet, wir müssen uns die Frage stellen, wie viel Strom die nachfolgende Schaltung verbraucht. Mit dieser Frage muss sich jeder beschäftigen, der eine Schaltung mit Strom versorgen will. Kann die stromversorgende Schaltung nicht genug Strom liefern, dann wird die stromverbrauchende Schaltung niemals funktionieren.

Wir nehmen einfach mal an, dass die stromverbrauchende Schaltung 50 mA verbraucht. Um die Darstellung und weiteren Berechnungen zu vereinfachen, reduzieren wir die stromverbrauchende Schaltung auf einen Widerstand.

Die stromverbrauchende Schaltung hat also einen Ersatzwiderstand von 100 Ohm.

Schaut man sich den belasteten Spannungsteiler genauer an, dann sieht man eine gemischte Schaltung. Also eine Parallelschaltung von zwei Widerständen, die wiederum mit einem weiteren Widerstand in Reihe geschaltet sind.
Das bedeutet, die Schaltung wird von einer Reihenschaltung zu einer gemischten Schaltung aus Parallelschaltung (R₂ || R_L) und Reihenschaltung (R₁ + (R₂ || R_L)).
Das hat folgende Konsequenzen: Der unbelastete Spannungsteiler wird belastet. Und damit verändert sich die gesamte Spannungs- und Stromverteilung innerhalb der Schaltung. Die vorherigen Berechnungen sind damit hinfällig.
Der Strom I₁ fließt nicht mehr nur durch den Widerstand R₂. Der Strom I₁ teilt sich in I₂ (durch R₂) und I_L (durch R_L) auf.

Was bedeutet das für die Spannungsverhältnisse an den Widerständen R₁ und R₂||R_L? Sie verändern sich. Wenn jetzt der Widerstandswert R_L sich ständig verändert, dann verändern sich auch die Spannungsverhältnisse. In einer Schaltung, in der nicht nur eine LED zum Leuchten gebracht wird, ist das normal.

Das bedeutet: Der Spannungsteiler ist für die Stromversorgung ungeeignet.

Doch so einfach gibt sich der engagierte Elektronik-Bastler nicht zufrieden. Irgendwie muss es doch gehen.

Bedingungen für den Einsatz eines Spannungsteiler als Spannungsversorger

• Die Gesamtspannung von 9V muss exakt und stabil sein. Da bei abnehmender Kapazität der Batterie die Spannung kleiner wird, hat das auf die Dimensionierung des Spannungsteilers fatale Auswirkungen. Statt einer Batterie nimmt man ein Festspannungsnetzteil.
• Die echten Widerstände der berechneten Widerstandswerte dürfen keinerlei Toleranz aufweisen, weil sonst die berechneten Spannungs- und Stromwerte nicht eingehalten werden können. Die Folge ist, dass die Spannungs- bzw. Stromversorgung der nachfolgenden Schaltung nicht mehr Aufrecht erhalten werden kann.
• Der Laststrom, den die nachfolgende Schaltung zieht, muss immer gleich sein. Der Strom darf niemals schwanken.

Diese Bedingungen in der Realität einhalten zu wollen, wäre das gleiche, wie wenn man versuchen würde zwei Kugeln übereinander zu legen.

Spannungsstabilisierung mit einem Spannungsteiler ist absoluter Unfug. Die Bedingungen, die für den Spannungsteiler gefordert sind, sind zu hoch. Es ist kaum möglich sie einzuhalten. Kaum eine Schaltung lässt sich so entwickeln, dass sie immer exakt den gleichen Strom zieht. Wegen thermischer Änderungen kommt es immer auch zu Strom- und Spannungsänderungen innerhalb einer Schaltung. Insbesondere dann, wenn Halbleiterbauteile verschaltet sind.

Was ist die Aufgabe eines Spannungsteilers?

In der Regel braucht man einen Spannungsteiler, um ein bestimmtes Spannungspotential herzustellen, das unterhalb der Betriebsspannung liegt. Wenn man jetzt die geteilte Spannung abgreift und der nachfolgende Schaltungsteil sehr niederohmig ist (kleiner Widerstand), dann fließt dort ein Strom I_L. Und somit verändert sich auch das Spannungsverhältnis an den Widerständen R₁ und R₂. Da wir aber eigentlich ein festes Spannungspotential haben wollen, haben wir ein Problem. Das löst man dadurch, dass die Schaltung, die dem Spannungsteiler folgt, immer so dimensioniert, dass sie eingangsseitig hochohmig ist. Ein großer Widerstand bedeutet ein kleiner Strom. Und dadurch verändern sich auch die Spannungsverhältnisse kaum.

• Arbeitspunkteinstellung mit Basis-Spannungsteiler