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.
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 beispielsweise einen Innenwiderstand von
, so bewirkt ein Vorwiderstand mit einer Größe von
, dass nur noch
der Spannung am Voltmeter
abfällt. Der Messbereich wird somit um den Faktor
erhöht, so dass
mit dem Voltmeter nun Spannungen bis zu
gemessen werden
können.
Der Messbereich-Erweiterung sind nach oben hin kaum Grenzen gesetzt. Hat der
Vorwiderstand im obigen Beispiel den Wert , so
beträgt der Gesamtwiderstand
, und nur
der anliegenden Spannung fällt am Voltmeter ab. Entsprechend kann
eine
-fach höhere Spannung, also maximal
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.
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
beispielsweise einen Innenwiderstand von
, so bewirkt ein parallel geschalteter Widerstand mit
ebenfalls
, dass nur noch die Hälfte des Stroms durch
das Amperemeter fließt. Der Messbereich wird somit um den Faktor
erweitert, so dass mit dem Amperemeter nun Stromstärken bis zu
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
bestimmt werden, wenn bekannt ist, welche Spannung
am Widerstand anliegt und welche Stromstärke
dabei durch den
Widerstand fließt.
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
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
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:
- Der zu messende Widerstand
ist mit einem bekannten Widerstand
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
und
aufgeteilt, wobei über die Position des Stromabnehmers das Verhältnis dieser beiden Widerstände eingestellt werden kann.
- Zwischen dem Stromabnehmer und den zwei Widerständen
und
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 ( und
beziehungsweise
und
im gleichen Verhältnis geteilt. In diesem Fall gilt
also:
Da bekannt ist und das Verhältnis von
zu
mit
Hilfe einer am Potentiometer anliegenden Skala abgelesen werden kann, lässt sich
der gesuchte Widerstand
unmittelbar mit Hilfe des obigen
Widerstandsverhältnisses bestimmen:
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
identisch mit dem Verhältnis
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. |