Spannungen messen

Wir haben bisher auf das Messen elektrischer Größen wie Strom und Spannung verzichtet. Dennoch haben wir ein gewisses Verständnis für die Zusammenhänge in elektronischen Schaltungen erworben. Um Zusammenhänge in der Elektronik beurteilen zu können, ist es jedoch unerlässlich, elektrische Größen zu messen. In der Digitaltechnik ist das einfach: LEDs reichen aus, um den Zustand 0 oder 1 zu bestimmen. In der Analogtechnik kommen wir um ein Messgerät nicht herum.

Wir beginnen mit der Messung von Spannungen. Das hat folgende Gründe:

• Wir messen aber zunächst nur Spannungen bis 24V.

Welches Messgerät?

Wer noch kein Messgerät hat, sollte sich jetzt eines anschaffen.

Am besten eignet sich ein Multimeter, das Spannungen, Ströme und Widerstände messen kann.

Beim Messen können immer wieder Fehler passieren. Diese können fatale Folgen haben. Das Messgerät sollte uns helfen, Fehler zu vermeiden.

Der häufigste und fatalste Fehler ist das Messen von Spannungen im Strommessbereich. Wenn beim Umschalten des Messgerätes leicht auf Strommessung umgeschaltet werden kann, ist eine Beschädigung des Messgerätes oder der Schaltung vorprogrammiert.

Deshalb ist es wichtig, ein Gerät zu verwenden, das dies nicht versehentlich zulässt.

• Wir benötigen ein Gerät mit mindestens drei, besser vier Messbuchsen.

• In Messgeräte für Einsteiger ist beschrieben, welche Geräte für Einsteiger geeignet sind.

• Dazu gehören auch geeignete Messleitungen und Prüfspitzen.

Wir messen Spannungen

Wir messen einfach die Schaltungen aus dem Praktikum Reihenschaltung nach.

Messgerät vorbereiten

• Wir verwenden die Buchsen für Spannungsmessung COM = schwarz und VΩ = rot.

• Die schwarze Messleitung ist Plus, die rote Messleitung ist Minus.

Messung vorbereiten

Oft brauchen wir die Messwerte später. Deshalb legen wir Papier und Bleistift bereit.

In unserem Fall sollten wir unsere Messungen ausführlich protokollieren.

Messung durchführen

• Schwarz an Minus, Rot an Plus der Stromversorgung (Batterie, USB-Powerbank, Netzgerät) anschließen.

• Der Wert 4,xx wird angezeigt. Der genaue Wert hängt von der Batterie oder dem Netzgerät ab. Es kann vorkommen, dass die letzte Stelle schwankt.

• Wir notieren den Wert: U_bat =

• Wenn wir die Messleitungen vertauschen, zeigt das Gerät -4,xx an. Richtig, wir messen die umgekehrte Polarität.

• Schwarz an Minus, Rot an die Kathode von LED1: Der Wert sollte 0,00 sein.

• Rot an Anode von LED1: Der Wert sollte zwischen 1,7V und 3,3V liegen. Er hängt von der Farbe der LED1 ab. Bei einer roten LED1 ist es etwa 1,8V. Wir notieren den Wert U_led.

• Wir messen die Spannung am Widerstand R₁. Schwarz an den Anschluss, der mit der LED1 verbunden ist, und Rot an Plus der Batterie. Wir notieren den Wert U₁.

• Wir rechnen nach: ist

      U1 + Uled =? Ubat

• Wer Glück hat, bei dem stimmt die Summe mit der Batteriespannung überein. Wenn nicht: Willkommen in der Praxis. Die Theorie stimmt nicht? Doch, aber unser Messgerät nicht. So genau es auch sein mag, ganz genau ist es nie.

Genauigkeit des Messgeräts

Sie ist in der Bedienungsanleitung (meistens am Ende) angegeben. Dort steht z.B. 0,5% ±2 Digit. Die ±2 Digit bedeuten, dass der Wert an der letzten Stelle noch um 2 nach oben oder unten abweichen kann.

Beispiel

Gerät mit 4 Stellen und 0,5% ±2 Digit

• Bei 10V sind es ±0,05V, also 9,95V bis 10,15V
  wegen der ±2 Digit gar 9,93V bis 10,17V

• Die vier angezeigten Stellen sind also eigentlich überflüssig.

• In Analog und Digital wird erklärt, warum.

3.

Messung der Spannungen in Schaltung 2

• Sie ist ähnlich wie in Schaltung 2. Stimmt jetzt die Summe der Spannungen?

4.

Messung der Spannungen in Schaltung 3

• Die Spannung an der LED3 sollte der Batteriespannung entsprechen.

5.

Messung der Spannungen in Schaltung 4

• Die Spannung an LED4 ist etwas niedriger als in Schaltung 1.

• Die Spannung an R₄ und R₅ sollte gleich sein. Fasst. Die Abweichung liegt nicht am Messgerät, sondern daran, dass R₄ und R₅ nicht genau gleich sind.

6.

Messung der Spannungen in Schaltung 5

• Wie hoch sind die Spannungen an den LEDs? Die Spannung an der grünen LED sollte höher sein als an der roten.

• Die Summe der Spannungen an den LEDs und dem Widerstand sollte die Batteriespannung ergeben.

7.

Messung der Spannungen in Schaltung 6

• An welchem Bauelement fällt die gesamte Batteriespannung ab?

Regeln für Spannung messen

• Spannung wird immer parallel zu den Anschlüssen des Bauelements gemessen.

• Der schwarze Anschluss liegt an Minus, der rote an Plus.

• Bei negativem Anzeigewert können die Anschlüsse vertauscht sein.

• Die Schaltung muss nicht verändert werden.

• Die Messwerte sind nie ganz genau. Die Abweichung hängt von der Genauigkeit des Messgeräts ab.

Ströme bestimmen

Formeln ?

Wir wenden hier einige Formeln an, die nicht näher erläutert werden.

• Sie werden im Praktikum Spannung und Strom eingehender behandelt.

• Hier werden wir mit unseren Messungen belegen, dass sie korrekt sind.

• Natürlich nur im Rahmen der Genauigkeit der Messgeräte und Bauelemente.

Wie wir im Praktikum Ströme messen sehen werden, ist das Messen von Strömen nicht so einfach wie das Messen von Spannungen. Aber wir können Ströme berechnen.

In Schaltung 1 haben wir z.B. die Spannung U₁ am Widerstand R₁ mit 1,7V bestimmt. Der Widerstand R₁ ist 1kΩ. Mit

I1 = U1 / R1
I1 = 1,7V / 1kΩ
I1 = 1,7V / 1000Ω
I1 = 0,0017A
I1 = 1,7mA

können wir den Strom durch R₁ berechnen. Oben wurde dies ausführlich beschrieben. Letztlich war es ganz einfach: Der Strom in mA entspricht der Spannung in Volt am 1kΩ Widerstand.

So simpel ist es auch wieder nicht.
Die Regel Spannung in Volt entspricht Strom in mA, trifft nur für den Widerstandswert 1kΩ zu. Oben stand schließlich:

I1 = U1 / R1

Wir müssen dividieren!

Aber eines können wir mitnehmen:
Wenn wir die Spannung in Volt einsetzen und den Widerstand in kΩ, ergibt sich der Strom in mA:

I1 = U1 / R1
I1 = 1,7V / 1kΩ
I1 = 1,7mA

Wer sich unsicher fühlt, benutzt einfach das Tool [../../../Tools/To-Ohm.niki[Ohm]]. Damit kann der Strom durch beliebige Widerstände aus dem Spannungsabfall berechnet werden.

Regeln für die Strommessung

• Wenn die Spannung an einem Widerstand gemessen wurde, kann der Strom durch den Widerstand mit

   I = U / R

bestimmt werden.

• Wird die Spannung in Volt (V) und der Widerstand im Ohm (Ω) eingesetzt, ergibt sich der Strom in Ampere (A).

• Wird die Spannung in Volt (V) und der Widerstand im Kiloohm (kΩ) eingesetzt, ergibt sich der Strom in Milliampere (mA).