Grundlagen der Elektrotechnik

Inhaltsverzeichnis

 

4 Elektrische Grundgrößen

4.6 Die Messung elektrischer Grundgrößen

Für die Messung von Strom, Spannung und Widerstand werden sogenannte Multimeter verwendet. Das Wort „Multi“ deutet darauf hin, dass mit einem Multimeter unterschiedliche Messgrößen erfasst werden können. Diese sind über einen Drehschalter am Multimeter wählbar, mit dem zusätzlich der maximale Messbereich für eine Messgröße eingestellt werden kann. Für die Messung der verschiedenen Größen gibt es unterschiedliche Eingangsbuchsen. Um die Zahl der benötigten Buchsen zu reduzieren, wird eine gemeinsame Masse-Buchse (COM → Common = gemeinsame Leitung) für alle Messgrößen verwendet.

Es gibt analoge (Zeigerinstrumente) und digitale Multimeter. Sehr einfache digitale Multimeter sind heute aufgrund der Verwendung von hochintegrierten Halbleiterbauelementen wesentlich preiswerter als analoge Geräte. Allerdings ist die Messgenauigkeit nicht sehr hoch und das Messen hoher Ströme von z. B. 10 A ist nur für einen kurzen Zeitraum von ca. 10 s erlaubt. Professionelle digitale Multimeter besitzen eine hohe Genauigkeit sowie eine große Strom- und Spannungsfestigkeit.

Moderne digitale Multimeter können zusätzlich Temperaturen, Kapazitäten oder Induktivitäten messen. Über eine Hold-Taste kann der aktuelle Messwert festgehalten werden. Der zeitliche Verlauf einer Spannung lässt sich mit einem internen Speicher aufzeichnen und über die USB-Schnittstelle am Computer-Monitor oder Drucker ausgeben (Bild 30).

Es gibt vollautomatische Multimeter mit lediglich zwei Eingangsbuchsen, die nach Auswahl der Messgröße über eine Taste selbstständig den geeigneten Messbereich (Auto Range) wählen.

Analoges und digitale Multimeter
Bild 30: Analoges (links) und digitale Multimeter. Rechts mit Messspeicher und Grafikdisplay [5].

Für alle Multimeter gilt: Es kann nur jeweils eine elektrotechnische Größe gemessen werden. Daher gibt es in den Stromlaufplänen unterschiedliche Symbole für die Messung der elektrotechnischen Grundgrößen (Bild 31). Sollen gleichzeitig unterschiedliche Größen eines Stromkreises (z. B. Strom und Spannung) gemessen werden, werden mehrere Messgeräte benötigt.

Symbole für Messgeräte
Bild 31: Messgerätesymbole

 

Im Folgenden werden die unterschiedlichen Betriebsarten eines Multimeters als Strom-, Spannungs- und Widerstandsmessgerät erläutert.

 

4.6.1 Strommessung

Um die Größe eines Stromes ermitteln zu können, müssen sich die Ladungsträger durch das Messgerät hindurch bewegen. Es ist daher erforderlich, den Stromkreis aufzutrennen und anschließend über die beiden Pole des Amperemeters wieder zu schließen (Bild 32).

Prinzip der Strommessung mit dem Amperemeter
Bild 32: Prinzip der Strommessung mit dem Amperemeter

Damit die Strommessung nicht verfälscht wird, darf das Messgerät den fließenden Strom nicht hemmen. Der Widerstand sollte idealerweise 0 Ω betragen. In der Praxis muss das Amperemeter aber einen kleinen Innenwiderstand besitzen, damit der Strom an ihm einen Spannungsfall verursachen kann. Die Auswerteelektronik benötigt diese zum Strom proportionale Spannung, um sie mit einer Referenzspannung vergleichen und das Messergebnis bestimmen zu können. Der Innenwiderstand beträgt bei einem guten Multimeter ca. 2 Ω.

Der Innenwiderstand eines Amperemeters muss so klein wie möglich sein.

Für die Strommessung muss der Stromkreis aufgetrennt und der Strom durch das Amperemeter geleitet werden.

Das Amperemeter wird so angeschlossen, dass an der roten Ampere-Buchse („+“-Pol) der Strom in das Messgerät eintritt und an der schwarzen COM-Buchse („–“-Pol) der Strom das Gerät wieder verlässt.

Ist der Stromweg nur sehr schwer aufzutrennen, kann der Strom mit Hilfe einer Stromzange (Bild 33) auch indirekt über die Stärke des Magnetfeldes gemessen werden, welches immer dann entsteht, wenn ein Strom durch einen Leiter fließt. Mit der Stromzange wird dazu der Leiter umklammert, dessen Strom gemessen werden soll.

Multimeter mit Stromzange für die Strommessung
Bild 33: Multimeter mit Stromzange für die Strommessung [6]

 

4.6.2 Spannungsmessung

Die Spannungsmessung ist nur dort möglich, wo es zwei unterschiedliche Potenziale und somit eine Potenzialdifferenz gibt. Zwischen diesen unterschiedlichen Potenzialen darf das Voltmeter keinen Stromfluss verursachen, der einen Ladungsträgerausgleich und somit eine Verringerung der Spannung bewirken könnte. Idealerweise muss der Innenwiderstand des Voltmeters daher unendlich hoch sein (Bild 34).

Prinzip der Spannungsmessung mit einem Voltmeter
Bild 34: Prinzip der Spannungsmessung mit einem Voltmeter

Da aber auch hier eine elektrische Spannung für die Auswertung benötigt wird, hat der Innenwiderstand des Spannungsmessers einen endlichen Wert. Er liegt bei einem besseren Multimeter bei mindestens 10 MΩ. Es fließt ein sehr geringer Strom, der an dem sehr hohen Innenwiderstand eine kleine Spannung erzeugt, die wiederum mit einem Referenzwert verglichen und ausgewertet wird.

Für die Spannungsmessung ist ein Auftrennen des Stromkreises nicht erforderlich. Die beiden Eingangsbuchsen des Messgerätes müssen lediglich an die unterschiedlichen Potenziale angeschlossen werden. Das positive Potenzial an die Volt-Buchse („+“-Pol) und das negative Potenzial an die COM-Buchse („–“-Pol). Ein Voltmeter ist also immer parallel zur messenden Spannung (Potenzialdifferenz) anzuschließen.

Der Innenwiderstand eines Voltmeters muss so groß wie möglich sein.

Für die Spannungsmessung muss das Voltmeter immer parallel zur „Spannungsquelle“ angeschlossen werden.

 

4.6.3 Widerstandsmessung

Die Messung eines Widerstandswertes kann nicht direkt, sondern nur indirekt über eine Strom- und Spannungsmessung mit anschließender Berechnung des Widerstandswertes erfolgen. Im Abschnitt 4.5 Elektrischer Widerstand wurden auf diese Weise die Betriebswiderstände eines Bügeleisens und Radios ermittelt.

Wenn aber z. B. der reale Widerstandwert eines 15 kΩ-Widerstandes der E12-Reihe mit einer Toleranz von 10 % bestimmt werden soll, muss der Widerstand Teil eines geschlossenen Stromkreises werden, denn nur dann kann ein messbarer Strom I fließen.

Prinzip der Widerstandandsmessung mit einem Ohmmeter
Bild 35: Prinzip der Widerstandsmessung mit einem Ohmmeter

Da ohne Spannungsquelle in einem Stromkreis kein Stromfluss entstehen kann, besitzt jedes Ohmmeter eine interne Batterie als Spannungsquelle U, die den zu messenden Widerstand versorgt und einen Stromfluss durch ihn verursacht (Bild 35). Die Höhe des Stromes wird – wie beim Amperemeter – indirekt als Messspannung UM an dem Messgeräteinnenwiderstand Ri erfasst. Die Größe des internen Widerstandes ist vom eingestellten Messbereich abhängig. In unserem Beispiel sollte er einen Wert im kΩ-Bereich besitzen.

Der fließende Strom erzeugt am zu messenden Widerstand eine Spannung UR. Sie ist die zweite notwendige Messgröße zur Berechnung des Widerstandswertes. Das Ohmmeter kann diese Spannung nicht direkt messen, weil sie außerhalb des Messgerätes entsteht. Es bestimmt daher die aktuelle Batteriespannung U (über die Masseverbindungen und dem linken Anschluss an Ri) und zieht davon die Spannung am Messgeräteinnenwiderstand UM ab. Die Differenz der beiden Spannungen ist UR. Aus der Spannung UR und der zum Strom proportionalen Spannung UM berechnet die Auswerteelektronik dann den Widerstandswert.

Wenn sich die beiden Prüfspitzen des Messgerätes direkt berühren, muss das Ohmmeter einen Widerstandswert von 0 Ω anzeigen. Bei Zeigerinstrumenten entspricht das dem Vollausschlag. Der 0 Ω-Wert befindet sich daher am rechten Ende und der Wert für einen unendlich hohen Widerstand am Anfang der Messgeräteskala (Bild 36 a). Für den Vollausschlag des Messgerätes wird ein hoher Strom benötigt, der aber nur bei kleinen Widerständen fließen kann.

Zeigerinstrumente müssen vor der Widerstandsmessung mit einem separaten Justagerädchen abgeglichen werden, so dass der Zeiger auf exakt 0 Ω steht, wenn sich die beiden Prüfspitzen direkt berühren (Bild 36 b).

Ohm-Skala und Justage
Bild 36: Ohm-Skala (a) und Justage (b) beim analogen Messgerät [7]

Um fehlerhafte Messungen zu vermeiden, sollte vor Beginn der Messung der aktuelle Ladestand der Batterie überprüft werden. Dafür gibt es im Multimeter meist eine zusätzliche Schalterstellung oder eine separate Prüftaste.

Das Gleiche gilt bei digitalen Multimetern unabhängig von der zu erfassenden Messgröße, weil die interne Batterie auch die Speisung der Auswerteelektronik übernehmen muss. Eine zu schwache Batterie führt daher auch zu falschen Messergebnissen bei der Strom- und Spannungsmessung.

Mit einem Ohmmeter kann der Widerstand eines einzelnen Bauelementes innerhalb einer elektronischen Schaltung nicht gemessen werden, weil zu diesem Bauelement in der Regel über die Verdrahtung weitere Bauelemente in Reihe und/oder parallel geschaltet sind und sich somit ein falscher Messwert ergibt. Außerdem beeinflusst eine evtl. am Bauelement liegende Spannung die Messung und kann im Messgerät einen Schaden verursachen. Daher gilt:

Widerstandsmessungen an Bauelementen in einer elektronischen Schaltung dürfen nur im spannungsfreien Zustand der Schaltung vorgenommen werden.

Um keine fehlerhaften Messergebnisse durch andere Bauelemente in der Schaltung zu erhalten, müssen vor der Messung einige Anschlussbeine oder das komplette Bauelement ausgelötet werden.

Für die Überprüfung eines Standard-Kohleschichtwiderstandes reicht es z. B. aus, ein Anschlussbein auszulöten (Bild 37).

Widerstandsmessung in Schaltung
Bild 37: Richtige Widerstandsmessung in einer elektronischen Schaltung

Manchmal ist es allerdings einfacher den Wert eines Widerstandes in einer elektronischen Schaltung indirekt über die Strom- und Spannungsmessung zu ermitteln. Das setzt voraus, dass der Strom durch den Widerstand entweder durch Auftrennen des Stromkreises, oder über eine Stromzange gemessen werden kann.

 

 

4.6.4 Videoclip „Anleitung Multimeter“

Das leicht verständliche englischsprachige Internetvideo [8] erklärt auf einfache Weise die Bedienung des Multimeters.

 


 


 

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