Mess- und Prüfschaltungen

Spannungsmessung

Zur Spannungsmessung werden Spannungs-Messgeräte (“Voltmeter”) verwendet; diese gibt es sowohl in analoger wie auch in digitaler Bauweise. Auch gewöhnliche Multimeter können als Spannungs-Messgeräte verwendet werden, indem der Drehschalter je nach Bedarf auf Gleichspannungs- beziehungsweise Wechselspannung gestellt wird.

Kontaktiert man in einem eingeschalteten Stromkreis mit den beiden Prüfspitzen zwei Anschlüsse eines Bauteils, so bildet der Innenwiderstand des Voltmeters und das Bauteil eine Parallelschaltung zweier Widerstände. Die beiden am Voltmeter und am Bauteil anliegenden Spannungen sind in diesem Fall gleich.

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Schaltung zur Messung von Spannungen mittels eines Voltmeters.

Der durch die Messung entstehende Messfehler ist umso kleiner, je höher der Innenwiderstand des Voltmeters ist; Voltmeter besitzen daher stets einen sehr hohen elektrischen Widerstand.

Messbereichserweiterung

Bei analogen Voltmetern ist der Messbereich prinzipiell durch das Ende der Skala begrenzt; liegt eine größere Spannung am Messgerät an, so kann einerseits der Zeiger des Messgeräts nicht weiter ausschlagen, andererseits sogar das Messgerät beschädigt werden. Um den Messbereich nach oben zu erweitern, muss man durch eine geeignete Schaltung erreichen, dass nur ein Teil der zu messenden Spannung am Voltmeter anliegt.

Dies kann erreicht werden, indem man das Voltmeter mit einem in Reihe geschalteten Vorwiderstand kombiniert. Hat ein Voltmeter mit einem Messbereich von \unit[50]{mV} beispielsweise einen Innenwiderstand von \unit[100]{\Omega}, so bewirkt ein Vorwiderstand mit einer Größe von \unit[900]{\Omega}, dass nur noch 1/10 der Spannung am Voltmeter abfällt. Der Messbereich wird somit um den Faktor 10 erhöht, so dass mit dem Voltmeter nun Spannungen bis zu \unit[500]{mV} gemessen werden können.

Der Messbereich-Erweiterung sind nach oben hin kaum Grenzen gesetzt. Hat der Vorwiderstand im obigen Beispiel den Wert \unit[99\,900]{\Omega}, so beträgt der Gesamtwiderstand \unit[100\,000]{\Omega}, und nur 1/1000 der anliegenden Spannung fällt am Voltmeter ab. Entsprechend kann eine 1000-fach höhere Spannung, also maximal \unit[50]{V} gemessen werden.

Bei Digital-Messgeräten erfolgt die Messung elektronisch und wird auf einem Display digital angezeigt. Das Problem der Messfehler sowie das Prinzip der Messbereich-Erweiterung ist allerdings bei analogen sowie digitalen Messgeräten identisch.

Strommessung

Zur Strommessung werden Strom-Messgeräte (“Amperemeter”) verwendet; auch diese gibt es sowohl in analoger wie auch in digitaler Bauweise. Gewöhnliche Multimeter können ebenfalls als Strom-Messgeräte verwendet werden, indem man den Drehschalter auf Strommessung einstellt.

Zur Strommessung muss das Amperemeter in Reihe mit dem zu messenden Bauteil geschaltet werden.[1] Der Innenwiderstand des Amperemeters und das Bauteil bilden in diesem Fall eine Reihenschaltung zweier Widerstände. Durch das Amperemeter und das Bauteil muss somit der gleiche Strom hindurch fließen.

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Schaltung zur Messung von Stromstärken mittels eines Amperemeters.

Der durch die Messung entstehende Messfehler ist umso kleiner, je kleiner der Innenwiderstand des Amperemeters ist; Amperemeter besitzen daher stets einen sehr geringen elektrischen Widerstand.

Messbereichserweiterung

Bei analogen Amperemetern ist der Messbereich ebenfalls durch das Ende der Skala begrenzt; fließt ein größerer Strom durch das Messgerät, so kann wiederum der Zeiger des Messgeräts nicht weiter ausschlagen beziehungsweise sogar das Messgerät beschädigt werden. Um den Messbereich nach oben zu erweitern, muss auch in diesem Fall erreicht werden, dass nur ein Teil des zu messenden Stroms durch das Amperemeter fließt.

Dies ist möglich, wenn das Amperemeter mit einem parallel geschalteten Widerstand kombiniert wird. Hat ein Amperemeter mit einem Messbereich von \unit[50]{mA} beispielsweise einen Innenwiderstand von \unit[10]{\Omega}, so bewirkt ein parallel geschalteter Widerstand mit ebenfalls \unit[10]{\Omega}, dass nur noch die Hälfte des Stroms durch das Amperemeter fließt. Der Messbereich wird somit um den Faktor 2 erweitert, so dass mit dem Amperemeter nun Stromstärken bis zu \unit[500]{mA} gemessen werden können.

Der Messbereich-Erweiterung von Amperemetern sind nach oben hin ebenfalls kaum Grenzen gesetzt. Üblicherweise sind die Parallel-Widerstände bereits im Amperemeter eingebaut und können durch einen Drehschalter zugeschaltet werden.

Widerstandsmessung

Die Größe eines Widerstands gemäß des Ohmschen Gesetzes R = \frac{U}{I} bestimmt werden, wenn bekannt ist, welche Spannung U am Widerstand anliegt und welche Stromstärke I dabei durch den Widerstand fließt.

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Schaltung zur Messung von Widerständen mittels eines Volt- und eines Amperemeters.

Die Bestimmung des Widerstands eines Bauteils nach dieser Methode setzt also eine Strom- sowie eine Spannungsmessung voraus. Dabei gibt es, wie in der obigen Abbildung angedeutet, prinzipiell zwei Möglichkeiten: Bei Variante 1 zeigt das Voltmeter einen zu hohen Wert an (“Spannungsfehler-Schaltung”), denn ein Teil der am Voltmeter anliegenden Spannung fällt am Innenwiderstand des Amperemeters ab. Bei der Variante 2 zeigt das Amperemeter einen zu hohen Wert an (“Stromfehler-Schaltung”), denn ein Teil des durch das Amperemeter fließenden Stroms fließt anschließend durch das Voltmeter.

Der Widerstand eines Bauteils kann auch mit nur einem einzelnen Messgerät bestimmt werden, sofern die anliegende Spannung bekannt ist. Eine derartige Messung setzt voraus, dass das zu messende Bauteil ausgebaut ist oder zumindest der Stromkreis, welcher das Bauteil umgibt, nicht geschlossen ist. Das Messgerät, meist ein Multimeter, kann dann selbst als Spannungsquelle mit bekanntem Spannungswert dienen, sofern darin eine Batterie verbaut ist. Die Widerstandsmessung entspricht damit einer Messung der Stromstärke, jedoch mit einer entsprechend angepassten Skala.

Die Wheatstonesche Messbrücke

Eine weitere Möglichkeit der Widerstandsmessung besteht in der Verwendung einer nach Charles Wheatstone benannten “Wheatstoneschen Messbrücke”. Eine solche ist folgendermaßen aufgebaut:

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Schaltung einer Wheatstoneschen Brücke zur Widerstandsmessung mittels eines Amperemeters.

  • Der zu messende Widerstand R_1 ist mit einem bekannten Widerstand R_2 in Reihe geschaltet.
  • Parallel dazu wird ein regelbarer Widerstand (Potentiometer) mit verschiebbarem Stromabnehmer angebracht; Durch diesen wird der Gesamtwiderstand des Potentiometers in zwei (zueinander in Reihe liegenden) Teilwiderstände R_3 und R_4 aufgeteilt, wobei über die Position des Stromabnehmers das Verhältnis dieser beiden Widerstände eingestellt werden kann.
  • Zwischen dem Stromabnehmer und den zwei Widerständen R_1 und R_2 wird ein empfindliches Amperemeter eingebaut.

Zur Messung des Widerstands nach dieser Methode wird der Stromabnehmer so lange hin- und hergeschoben, bis das Amperemeter keine Stromfluss mehr anzeigt. In dieser Position wird die an der Wheatstoneschen Messbrücke anliegende Spannung innerhalb der beiden Stromzweigen (R_1 und R_2 beziehungsweise R_3 und R_4) im gleichen Verhältnis geteilt. In diesem Fall gilt also:

\frac{R_1}{R_2} = \frac{R_3}{R_4}

Da R_2 bekannt ist und das Verhältnis von R_3 zu R_4 mit Hilfe einer am Potentiometer anliegenden Skala abgelesen werden kann, lässt sich der gesuchte Widerstand R_1 unmittelbar mit Hilfe des obigen Widerstandsverhältnisses bestimmen:

R_1 =\frac{R_3}{R_4} \cdot R_2

Da das Potentiometer letztlich aus einem zu einer langen Spule aufgewickelten Widerstandsdraht besteht und der Widerstand eines homogenen Leiters direkt proportional zu dessen Länge ist, ist das Zahlenverhältnis der Widerstände R_3 : R_4 identisch mit dem Verhältnis l_3 : l_4 der beiden Spulenlängen links und rechts vom Stromabnehmer. Als Skala am Potentiometer genügt folglich eine einfache Millimeter-Skala.


Anmerkungen:

[1]Die Reihenschaltung eines Amperemeters mit einem bereits in einem Stromkreis verbauten Bauteil ist nicht immer einfach; beispielsweise kann bei fertig gelöteten Platinen kein weiteres Bauteil eingefügt werden. Es ist jedoch möglich, zunächst die am Bauteil anliegende Spannung zu messen, den Stromkreis zu unterbrechen, und mittels eines externen regelbaren Netzgerätes einen Stromkreis aus Netzgerät, Bauteil und Amperemeter herzustellen.