Niederohmig <=> Hochohmig: Was ist damit gemeint?

Niederohmig und hochohmig sind ständig benutzte Begriffe bei der Auslegung oder Besprechung elektronischer Schaltungen.

Gemeint ist damit ganz allgemein, dass der Innenwiderstand der benannten Schaltungkomponente niedrig (niederohmig) oder hoch (hochohmig) ist.

Vielleicht verklart dieses Beispiel die obige allgemeine Erklärung:

SpannungsteilerEin symmetrischer Spannungsteiler halbiert die Speisespannung 10 V auf Ua = 5 V. Dabei fließt ein Strom von 1,04 mA.

Durch den Pfeil I wird jetzt ein (Stör-) Strom in die Mitte des Spannungsteilers hineingeschickt. Was passiert mit Ua?

Fangen wir mal von "unten" an, d. h. der Strom I ist für den Start der Überlegungen sehr klein:

I Ua Abweichung von I = 0 Abw. in Prozent
1 µA 5 V + 0,00235 V = 5,00235 V 0,00235 V 0,047 %
10 µA 5 V + 0,02350 V = 5,02350 V 0,02350 V 0,470 %
100 µA 5 V + 0,23500 V = 5,23500 V 0,23500 V 4,700 %
1 mA 5 V + 2,35000 V = 7,35000 V 2,35000 V 47,000 %

Hier der Spannungsverlauf von Ua (=V[mitte]) links doppeltlogarithmisch und rechts linear dargestellt. Nur die Betrachtung in der Darstellung der logarithmischen Skalen lässt etwas sinnvolles erkennen.

Wie man sieht verzieht der zufließende Strom die Mittenspannung des Spannungsteilers. Bei 10 µA, das ist 1 % des Ruhestroms, ist die bewertete Differenz zum unbelasteten Spannugsteiler 0,5 %, bei 100 µA sind wir schon mit 4,7 % Differenz dabei. Das kann bei empfindlichen Schaltungsaufgaben schon sehr viel sein. Sagt man sich dann, dass 1 % Verzug maximal zulässig ist, dann muss der Ruhestrom durch R1 und R2 fünfzig mal größer sein als der maximale (Stör-) Strom I.

Bisher wurde nicht gesagt, wo denn der Strom I überhaupt herkommt. Man kann sich die Stromquelle als Parallelwiderstand zum oberen 4k7 Widerstand vorstellen. Es ist ganz logisch: 1/50 des Stroms bedeutet den 50-fachen Widerstand: 235k gibt's nicht als Standardwert, also werden 220k benutzt.
Setzt man jetzt diese 220k ins Verhältnis zu den 4k7 des Spannungsteilers, dann sind die 4k7 relativ klein gegenüber den 220k: Man sagt dann, dass der Spannungsteiler niederohmig gegenüber der parallel liegenden Stromquelle ist. Die Wirkung ist immer: Die niederohmig eingestellte Spannung ist (fast) konstant gegenüber kleinen Störströmen, die aus Quellen mit hohem Widerstand kommen. Diese nennt man dann hochohmig. Umgekehrt können auch Stormverbraucher an der Mitte des Spannungsteilers ziehen. Ist dieser Strom sehr klein, wie z.B. in einen Eingang eines OPVs, dann wirkt das so, als ob ein sehr großer Widerstand parallel zu einem der beiden Spannungsteilerwiderstände liegt: Der Eingang verhält sich also sehr hochohmig. Und wieder merkt man: Die Bezeichnung hoch- oder niederohmig ist eine relative Bezeichnung. Es wird von dem einen Niveau immer auf das andere geschaut  Und nur dann, wenn die Differenzen groß sind, benutzt man diese Begriffe.

Macht man in der Vorstellung die 4k7 noch kleiner, so wird der Strom durch den Spannungsteiler immer größer. Der Innenwiderstand der Ua liefernden Spannungsquelle wird immer geringer und die Spannung Ua deshalb immer stabiler gegen Störströme wie I. Und die wirklich stabile Spannung Ua erreichte man dann, wenn man die beiden Widerstände und damit Innenwiderstand zu 0 denkt: Dann kann ein Strom keinen Spannungsabfall in der Spannungsquelle hervorrufen und deshalb haben ideale Spannungsquellen einen Innenwiderstand von 0 Ohm!

Gibt's das wirklich?

SpannungsFolger
Ja, weitgehend mit diesem Spannungsfolger: Ua = Ue!. Wie man sieht ist der nichtinvertierende Eingang als Referenz an den Spannungsteiler R1 - R2 angeschlossen. Dieser wird nur mit dem verschwindend geringen Eingangsstrom Ir belastet und sieht selbst bei Werten im 100k-Bereich niederohmig gegenüber dem Eingangswiderstand des OPVs aus. Der Ausgang ist mit dem invertierenden Eingang direkt verbunden. Jede kleine Spannungsänderung am Ausgang, die durch wechselnde Werte von I hervorgerufen werden könnte, bewirkt am invertierenden Eingang eine Korrektur dieser Abweichung. Diese Regelung läuft hervorragend. Der Ausgangsstrom I kann natürlich positiv oder negativ sein. Der Ausgang verhält sich extrem niederohmig. Der virtuelle Innenwiderstand ist innerhalb der für den OPV zulässigen Ausgangsströme sehr nahe an 0 Ohm. Geht der Strom über die zulässigen Werte für "Sourcen" und "Sinken" hinaus, so spricht die interne Kurzschlusssicherung an und es ist mit dem Niederohmig sofort zu Ende, oder einer der beiden Ausgangstransistoren brennt durch, der OPV is kaputt,

In vielen Schaltungen mit Operationsverstärkern wird man einen so beschalteten OPV finden, der am Ausgang eine "Hilfsmasse" oder ein anderes stabiles Spannungsniveau bereitstellt. Sind R1 und R2 identisch, dann ist Ua genau die halbe Speisespannung.


Und schon sind wir bei der ersten Schaltungskombination angelangt. Der linke Teil ist der oben eingeführte Spannungsfolger, der das Ausgangpotenzial niederohmig bereit stellt. An dieses ist der Fußpunkt R des nichtinvertierenden Verstärkers gelegt. Grund: Durch Spannungsteiler R3 - R4 fließt Strom. Egal wie viel und in welche Richtung, der Ausgang Uar wird die Spannung, eingestellt durch R1- R2, halten. Die Eingangsspannung Ue wird als Differenz zu Uar interpretiert



Version: 1.06  Copyright: Rolf Süßbrich, Dortmund,  29. 03. 2016