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Spannungs- und Strommessungen

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Bild 1: Spannungsmessung

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Bild 1: Spannungsmessung

Spannungs- und Strommessungen

Bei der Messung von einer Spannung oder einem Strom wird die zu messene Größe in ein Verhältnis zur jeweiligen Maßeinheit umgeformt. Die Spannung wird somit als ein Vielfaches (oder auch nur Bruchteile von) einem Volt angezeigt. Strom wird in Ampere gemessen.

Spannungsmessung

Bei einer Spannungsmessung wird das Messgerät parallel zu einer Last (zum Beispiel einem Widerstand) oder einer Spannungsquelle geschaltet. Damit jetzt das Messgerät diese Messung nicht unnötig verfälscht, sollte der Innenwiderstand des Messgerätes möglichst hoch sein. Denn das Messgerät liegt nun parallel zum Widerstand und zieht ebenfalls etwas Strom. Für die Spannungsquelle bedeutet das, dass sie mit dem Gesamtstrom (Widerstand und Messgerät) belastet wird und damit sich, wenn auch manchmal nur geringfügig, der Spannungswert ändert.

In der Praxis gilt, dass je kleiner die zu messene Spannung ist, desto größer ist der verfälschende Einfluss des Messgerätes.

Bei bestimmten Spannungswerten die gemessen werden, ist die Messgenauigkeit jedoch zweitrangig. Das gilt meist für Betriebsspannungen: zum Beispiel ist es der Elektronik egal, ob statt 5 Volt Betriebsspannung nur 4,95 oder 5,05 Volt anliegen. Jedoch gibt es auch Spannungen die möglichst genau eingeregelt werden müssen. Das gilt besonders für Referenzspannungen zum Beispiel bei Analog-/Digitalwandlern, die möglichst bis auf ein Tausendstel Volt genau eingeregelt werden sollen.

Bei älteren, analogen Messgeräten muss beachtet werden, dass der Messbereich für das erwartete Ergebnis korrekt ausgewählt wird. Bei unbekannten Spannungen muss mit dem größten Messbereich begonnen werden und dieser so lange verringert werden, bis die analoge Anzeige bis etwa 2/3 des Vollausschlages zeigt. Erst jetzt ist das Messergebnis genau!

Messbuchsen für Spannungen

Bild 2: Das R&S® Scope Rider ist ein handliches Oszilloskop mit direkter Messmöglichkeit von Strom, Spannungen und Widerständen.
(Mit freundlicher Genehmigung von Rohde & Schwarz)

Messbuchsen für Spannungen

Bild 2: Das R&S® Scope Rider ist ein handliches Oszilloskop mit direkter Messmöglichkeit von Strom, Spannungen und Widerständen.
(Mit freundlicher Genehmigung von Rohde & Schwarz)

Moderne Messgeräte haben meist eine digitale Anzeige des Messergebnisses. Sie schalten auch automatisch den Messbereich um, wenn die zu messende Spannung das erfordert. Das ist zwar bequem, hat aber auch einen Nachteil: selbst wenn an dem Messpunkt gar keine Spannung anliegen sollte, zeigt dann das Messgerät irgendetwas an: meist eine durch kleinste Kriechströme verursachte Spannung im unteren Millivoltbereich. Leider ist oft auch das Symbol, was den Messbereich (mV) anzeigt, sehr klein. Man sollte also schon genau hinschauen, was das Messgerät anzeigt.

Spannungsmessung mit einem Oszilloskop

Jedes Oszilloskop ist auch geeignet, direkt auf dem Bildschirm Gleich- oder Wechselspannungen zu messen. Das Oszilloskop muss in den Modus geschaltet werden, bei welchem auch Gleichspannungen angezeigt werden. Dazu wird ein passender Maßstab gewählt, bei welchem diese Gleichspannung eine waagerechte Linie auf dem Bildschirm zeichnet. Der Maßstab (zum Beispiel 1 Volt pro Teilstrich) ist dann das Maß für die Größe der Spannung: 5 Teilstriche sind dann genau 5 Volt. Bei der Messung von Wechselspannung misst man so aber die Spitzenspannung US. Die effektive Spannung Ueff müsste dann errechnet werden. Für eine Sinusspannung gilt als Näherung:

Ueff ≈ 0,707· US (1)

Es gibt auch multifunktionale Messgeräte, die zum Beispiel den im Gerät ohnehin nötigen Analog-/Digitalwandler auch zur direkten Spannungsmessung einsetzen können (Siehe Bild 2). Das ist sehr praktisch, weil wenn mit dem Messgerät zum Beispiel an dem Drehtisch einer Radarantenne auf einem hohen Turm gemessen wird, dann erspart man sich möglicherweise das Herunterklettern um ein weiteres Messgerät zu holen.

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Bild 3: Strommessung

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Bild 3: Strommessung

Strommessungen

Bei einer Strommessung wird das Messgerät meist seriell in den Stromkreis geschaltet. Das heißt, der Stromkreis wird geöffnet und an dieser Stelle das Messgerät eingefügt. Hier sollte das Messgerät einen möglichst kleinen Innenwiderstand aufweisen, um den Gesamtwiderstand möglichst wenig zu beeinflussen, das heißt, um das Messergebnis nicht zu verfälschen.

Meist wird deshalb im Messgerät ein extrem kleiner serieller Messwiderstand verwendet. Das Messgerät misst dann eigentlich nur den über diesem kleinen Widerstand abfallende Spannung und rechnet das Ergebnis nach dem Ohmschen Gesetz in einen Strom um.

Für sehr große Ströme kann auch ein anderes Messprinzip verwendet werden: die so genannte Stromzange. Sie misst den Strom auch nur indirekt, denn sie misst eigentlich das durch den Stromfluss im Leiter entstehende magnetische Feld und rechnet das in eine Stromstärke um. Sie kann aber nur dann verwendet werden, wenn ein einzelner Leiter mit der Zange umfasst werden kann. Ein mehradriges Kabel verursacht eine Fehlmessung.

Widerstandsmessungen

Einen Ohmschen Widerstand zu messen ist eine Fähigkeit der meisten Multimeter. Es gibt dafür zwei Messmöglichkeiten:

  1. Der Widerstand wird mit einem konstanten Strom bekannter Größe aus einer Konstantstromquelle belastet. Das Messergebnis ist proportional dem Spannungsabfall über dem Widerstand (wie im Bild 1 gezeigt). Daraus kann die Größe des Widerstandes berechnet werden.
  2. Der Widerstand wird mit einer konstanten, geregelten Spannung bekannter Größe belastet. Das Messergebnis ist proportional dem Strom durch den Widerstand (wie im Bild 3 gezeigt). Daraus kann die Größe des Widerstandes berechnet werden.
Kapazitätsmessungen

Eigentlich ist diese Messung wie bei der Widerstandsmessung, nur dass statt des Gleichstroms ein Wechselstrom mit bekannter Frequenz verwendet wird. Es wird also der sogenannte Blindwiderstand (Wechselstromwiderstand) des Kondensators gemessen und daraus mit der bekannten Frequenz seine Kapazität berechnet.

Das mit einem Multimeter zu machen, ist allerdings eher eine Schätzung denn eine Messung.