Messgeräte
Zur absoluten Grundausstattung eines Elektronikbastlers gehört ein Voltmeter, mit dem man elektrische Spannungen messen kann, und ein Amperemeter, mit dem man den Strom misst. In der Regel wird man sich für ein sogenanntes Multimeter entscheiden, welches beides und vielleicht noch mehr kann. Es sollte Gleich- und Wechselspannungen messen können und viele verschiedene Messbereiche haben, um möglichst universell einsetzbar zu sein. Die meisten Geräte können außerdem Widerstände und eventuell Kapazitäten messen oder auch Dioden und Transistoren testen. Heute wird man sich für ein digitales Gerät entscheiden. Sie sind klein, leicht, relativ robust und der Innenwiderstand ist normalerweise vom Messbereich unabhängig. Warum das eine Rolle spielt, werden wir noch sehen.
Die Vorgänger sind Drehspulinstrumente mit Zeigeranzeige. Sie mussten vorsichtig behandelt werden, da Messwerk und Zeiger sehr empfindlich gegen mechanische Beanspruchung sind. Zudem müssen viele Geräte gerade auf einer ebenen Unterlage stehen, um richtige Werte zu liefern. Durch falsche Polung an den Anschlüssen kann das Gerät beschädigt werden. Digitale Geräte zeigen das einfach durch ein Minuszeichen an. Aber Zeigermessgeräte haben nicht nur Nachteile, weshalb ich mein altes Drehspulinstrument immer mal wieder benutze. Im Gegensatz zum Digitalmultimeter kann es Ströme und Spannungen ohne zusätzliche Energiequelle messen. Nur für Widerstandsmessungen braucht es eine Batterie. Ändern sich die Messwerte sehr schnell, ist eine Digitalanzeige schwerer ablesbar. Der Bewegung eines Zeigers kann man mit den Augen viel besser folgen.
Eine wichtige Regel beim Umgang mit solchen Geräten ist, immer mit dem höchsten Messbereich zu beginnen und dann schrittweise herunterzuschalten, bis eine brauchbare Anzeige erscheint. So verhindert man, dass die Geräte eventuell Rauchzeichen geben und sich auf die Art verabschieden. Eine Lösung dafür sind Messgeräte mit automatischer Messbereichswahl, die selbst immer den optimalen Messbereich auswählen. Man muss nur aufpassen, die absoluten Grenzwerte nicht zu überschreiten.
Bei Wechselspannungen und -strömen wird der Effektivwert angezeigt. Bei der Dimensionierung von Schaltungen ist zu beachten, dass der Spitzenwert von Strom und Spannung um den Faktor $\sqrt{2}$ höher liegt.
Bei Spannungen über 60V ist besondere Vorsicht geboten. Keine spannungsführenden Teile berühren und nur gut isolierte Messleitungen und -spitzen verwenden!
Spannung messen
Um die Spannung über einem Widerstand zu messen, wird das Voltmeter einfach parallel dazu angeschlossen. Das bleibt aber nicht ohne Folgen. Damit das Messgerät etwas anzeigen kann, muss ein kleiner Strom durch das Gerät fließen. Dadurch wird die Messung verfälscht. Das Messgerät besitzt einen endlichen Innenwiderstand, der jetzt parallel zum Messobjekt liegt. Bei der Spannungsmessung sollte der Innenwiderstand möglichst groß sein, damit der Fehler gering bleibt.
Ohne das Messgerät verteilt sich die Spannung über den Widerständen in der Abbildung entsprechend der Spannungsteilerregel proportional zu den Widerstandswerten. $$U_2 = \frac {R_2}{R_1} \cdot U_1 = \frac {R_2}{R_1} \cdot (U_{ges} - U_2) = \frac {R_2 \cdot U_{ges}}{R_1 + R_2}$$ Während der Messung liegt der Innenwiderstand des Voltmeters parallel zum Widerstand R2, wodurch der Gesamtwiderstand verringert wird. Die gemessene Spannung U2 ist also geringer, als der echte Wert. $$U_2 = \frac {(R_2 \| R_i) \cdot U_{ges}}{R_1 + (R_2 \| R_i)}$$ Der Messfehler wird um so größer, je dichter die Werte von R2 und der Innenwiderstand des Messgerätes beieinander liegen. Der Fehler kann nur vernachlässigt werden, wenn die Schaltung, an der gemessen wird, niederohmig und der Innenwiderstand des Voltmeters sehr hochohmig ist. Je hochohmiger die Schaltung ist, an der man misst, um so weniger kann man den Messwerten trauen. Im unten verlinkten Video habe ich eine Methode entwickelt, wie man aus zwei falschen Messwerten an hochohmigen Widerständen auf den richtigen Wert schließen kann.
Ströme messen
Um den Strom zu messen, müssen wir den Stromkreis auftrennen und das Amperemeter in Reihe schalten. Ausgenommen davon sind nur sogenannte Zangenamperemeter, die um die Leitung gelegt werden und das Magnetfeld messen, welches durch den Strom entsteht. Ein Amperemeter sollte idealerweise einen Innenwiderstand von 0Ω haben, um die Verhältnisse im Stromkreis nicht zu beeinflussen, aber auch das ist technisch leider nicht möglich. Das Amperemeter bildet mit dem Widerstand des zu messenden Stromkreises einen Spannungsteiler. Der Gesamtwiderstand erhöht sich und der gemessene Strom ist deshalb geringer, als ohne Messgerät.
$$I_{gemessen} = \frac {I_{real} \cdot R}{R + R_i}$$ Auch hier hängt der Messfehler wieder vom Verhältnis des Innenwiderstands des Messgerätes und der zu messenden Schaltung ab. Nur wenn beide Werte weit auseinander liegen, kann der durch die Messung verursachte Fehler vernachlässigt werden. Strommessungen sind also besonders kritisch bei sehr niederohmigen Schaltungen.
Zwei Messungen zugleich
Stromrichtige Messung
Betrachten wir mal den Messfehler bei gleichzeitiger Strom- und Spannungsmessung, zum Beispiel, um dadurch den Wert eines unbekannten Widerstandes zu ermitteln. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten, wie Volt- und Amperemeter in den Stromkreis eingebunden werden können. Die erste Abbildung zeigt die sogenannte stromrichtige Messung. Durch das Amperemeter fließt genau der gleiche Strom, wie durch den Widerstand. Die Spannung am Voltmeter entspricht allerdings nicht genau der Spannung am Widerstand, denn es kommt der Spannungsabfall über dem Strommesser dazu. Der aus den Messwerten berechnete Widerstand ist auch wieder mit einem Fehler behaftet.
Der Begriff stromrichtige Messung ist etwas irreführend. Das Amperemeter zeigt zwar den genauen Strom durch den Widerstand während der Messung an. Der ist aber geringer, als er ohne die Messung wäre. Also eigentlich wird doch nicht der richtige Strom angezeigt.
Spannungsrichtige Messung
Bei der spannungsrichtigen Messmethode liegt das Voltmeter parallel zum Widerstand und zeigt deshalb genau die am Widerstand anliegende Spannung an. Durch das Amperemeter fließt zusätzlich zum Strom durch den Widerstand auch der Strom, der durch den Innenwiderstand des Spannungsmessers fließt. Es zeigt also zu viel an. Aber auch hier ist der Begriff spannungsrichtig wieder mit Vorsicht zu genießen. Die echte Spannung am Widerstand ohne die Messgeräte entspricht nicht dem Messwert. Während der Messung fällt über dem Amperemeter ein Teil der angelegten Spannung ab.
Es bleibt dabei, jede Messung verursacht einen Fehler. Um diesen kleinzuhalten, sollte man an hochohmigen Schaltungen die stromrichtige und an niederohmigen Schaltungen die spannungsrichtige Schaltung anwenden.