De spanningsdeler: hoe twee weerstanden een spanning verdelen
De spanningsdeler is na de wet van Ohm waarschijnlijk de meest gebruikte schakeling in de elektronica. Twee weerstanden in serie verdelen een ingangsspanning in een kleinere uitgangsspanning. Eenvoudig, maar er zit een belangrijke valkuil in: zodra je de uitgang belast, klopt de berekening niet meer.
Wie een sensor uitleest, een referentiespanning maakt of een signaal verzwakt, komt vroeg of laat bij de spanningsdeler uit. De schakeling bestaat uit twee weerstanden in serie tussen de voedingsspanning en massa. De uitgang neem je af op het punt tussen beide weerstanden. Omdat door beide weerstanden dezelfde stroom loopt, verdeelt de spanning zich precies in verhouding tot de weerstandswaarden. Onze spanningsdelercalculator rekent het resultaat direct uit; hieronder zie je waar de formule vandaan komt.
De formule
De uitgangsspanning van een onbelaste spanningsdeler hangt alleen af van de ingangsspanning en de verhouding van de twee weerstanden. Met R1 aan de bovenkant (richting de voeding) en R2 aan de onderkant (richting massa) geldt:
Vuit = Vin x R2 / (R1 + R2)
De redenering erachter volgt rechtstreeks uit de wet van Ohm. Door de serieschakeling loopt overal dezelfde stroom: I = Vin / (R1 + R2). De spanning over R2 is dan I x R2, en als je de stroom invult krijg je precies de formule hierboven. De uitgangsspanning is dus altijd kleiner dan de ingangsspanning, want R2 is maar een deel van de totale weerstand.
Een uitgewerkt voorbeeld
Stel je hebt 12 volt en je wilt daar ongeveer 5 volt uit halen. Kies R1 = 1,4 kiloohm en R2 = 1 kiloohm. Dan wordt Vuit = 12 x 1000 / (1400 + 1000) = 12 x 1000 / 2400 = 5,0 volt. Wil je een andere verhouding, dan schuif je gewoon met de waarden: hoe groter R2 ten opzichte van R1, hoe dichter de uitgang bij de ingangsspanning komt. Met twee gelijke weerstanden krijg je exact de helft.
De grote valkuil: het belastingseffect
De formule geldt alleen zolang er geen stroom uit het middelpunt wordt getrokken. Sluit je er een belasting op aan, dan staat die belasting in feite parallel aan R2. De effectieve onderste weerstand wordt daardoor kleiner, en de uitgangsspanning zakt in. Hoe zwaarder de belasting (hoe lager haar weerstand), hoe groter de afwijking. Een spanningsdeler is daarom prima voor een hoogohmige ingang, zoals de ADC-ingang van een microcontroller, maar ongeschikt om er een echte belasting mee te voeden.
De vuistregel luidt: kies de delerweerstanden zo dat de stroom door de deler ruim groter is dan de stroom die de belasting trekt. Vaak houdt men minstens een factor tien aan. Wil je toch vermogen leveren, gebruik dan geen deler maar een echte spanningsregelaar.
Verwante schakelingen
De spanningsdeler heeft een tegenhanger voor stroom: de stroomdeler, waarbij twee parallelle weerstanden een stroom verdelen. En zodra je weerstanden combineert, helpt het om eerst de vervangingswaarde te bepalen met de serie- en parallelcalculator. Samen vormen deze drie de basis van vrijwel elk passief netwerk.
Veelgemaakte fouten
- De uitgang belasten alsof het een voeding is. Een deler levert geen vermogen; bij belasting zakt de spanning in.
- R1 en R2 verwisselen. R2 is de weerstand waarover je de uitgang meet (richting massa). Verwissel je ze, dan krijg je de verkeerde verhouding.
- Te hoge weerstanden kiezen. Heel hoge waarden maken de deler gevoelig voor ruis en voor de ingangsweerstand van wat je erop aansluit.
Met de formule Vuit = Vin x R2/(R1+R2) en een oog voor het belastingseffect bouw je betrouwbare delers. Reken je waarden snel door met de spanningsdelercalculator.