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1.1.8 Spannung messen

Erstellt ab Sommer 2004

 

Die elektrische Spannung ist vergleichbar mit dem Druck in einer Wasserleitung, wenn Du den elektrischen Strom mit Wasserfluss vergleichst:

Je höher der Druck (Spannung), desto höher der Wasserfluss (Strom) bei gleichbleibendem Widerstand (Rohrdurchmesser).


Um eine elektrische Spannung zu messen, benötigen wir ein Messgerät mit passendem Messbereich. Es ist ja klar, dass ein Messgerät Schaden nehmen könnte, wenn es z.B. auf 200mV eingestellt ist, wir aber 50 Volt messen wollten. Der Messbereich darf also nicht kleiner als die zu erwartende Spannung sein.

Da ein digitlales Multimeter Stand der Technik ist, wollen wir auch eins von dieser Sorte betrachten:








1 = Display (Anzeige). Hier wird alles angzeigt.

2 = Messbereichssteller. Hier wird der zu nutzende Messbereich eingestellt.

3 = 10 Ampere Buchse. Für Ströme größer als 200mA.

4 = 200mA Buchse. Für Ströme kleiner als 200mA.

5 = COM Buchse. allgemeine Massebuchse. (Minus).

6 = V-Ohm Buchse. Buchse zur Spannungs- bzw. Widerstandsmessung.














In diesem Artikel betrachten wir nur Gleichspannung und diese auch nur bei 9 Volt. Schalten wir doch einmal zwei Flachbatterien in Reihe:


Das ergibt dann 9 Volt, weil sich die Spannungen der Batterien addieren. Für die ersten Messungen brauchen wir keinen Verbraucher (Glühlämpchen),  weil die Spannung an den Polen der Batterien immer da ist, solange sie nicht verbraucht sind. Selbst ganz leere Batterien haben im Leerlauf, also ohne angeschlossenen Verbraucher, eine Restspannung. Viele Leute meinen irrtümlich, die Batterie sei noch voll, wenn sie diese Spannung falsch messen.

Nun aber zu unserer ersten Messung:

 


Nimm Dein Mutltimeter und verbinde die schwarze Leitung mit der "COM"-Buchse. Die rote Leitung steckst Du in die Buchse "V-Ohm". Jetzt musst Du noch den richtigen Messbereich wählen. Du weißt, dass Du es ungefähr mit 9 Volt zu tun hast, also wähle am besten den Spannungsbereich "20 Volt". Hierbei musst Du darauf achten, auch die richtige Spannungsart einzustellen, nämlich Gleichspannung.

Meistens ist dieser Bereich mit diesem Symbol gekennzeichnet:


Wenn das Messgerät jetzt nicht sowieso schon eingeschaltet ist, kannst Du es jetzt einschalten. Du kannst kannst nun gleich überprüfen, ob 2 in Reihe geschaltete Flachbatterien auch tatsächlich 9 Volt ergeben:


Dabei ist zu beachten, dass die "COM"-Buchse stets auf das niedrigere Spannungspotential gehört. In diesem Beispiel gehört das schwarze Kabel also an Minus.

Was ist eigentlich ein Spannungspotential (Spannungspotenzial) ?


Nun, das ist eine Spannungshöhe, die auf ein bestimmtes Niveau bezogen ist. Machen wir doch gleich mal zwei Messungen hintereinander:

 

Unser Bezugspunkt war hier jedesmal "0 Volt" (Punkt 3 / schwarzes Kabel).


Wir haben also die Spannungspotentiale "bezogen auf 0 Volt" gemessen. Messung 1 war 4,5 Volt, Messung 2 war 9 Volt. Somit haben die Messpunkte 1 und 2 einen Potentialunterschied von 4,5 Volt.

Hmmm...  Das kann ja jeder behaupten, also solltest Du es nachmessen.

 





Aha! Stimmt also.


Unser Potentialunterschied der Punkte 1 und 2, bezogen auf "Masse", ist also etwa 4,5 Volt.

Dabei ist noch zu erkennen, dass Punkt 1 etwas "negativer" als als Punkt 2 ist, bzw. Punkt 2 ist "positiver" als Punkt 1. Also gehört unser schwarzes Kabel ("COM-Kabel") wohin?

Richtig: An Punkt 1.







Was passiert denn jetzt, wenn wir das nicht beachten und das schwarze Kabel an Punkt 2 anschließen? Ergebnis: Das Messgerät bleibt heile und zeigt einen negativen Messwert an.

Es erscheint ein Minuszeichen auf der Anzeige.

Beachte also: Eine negative Spannung im Display bedeutet stets, dass die COM-Buchse positiver als die V-A-Buchse ist. Die COM-Buchse hätte also bei einem Minuszeichen in der Anzeige das höhere Spannungspotetial. Oder andersherum gesagt: Bei einem Minuszeichen in der Anzeige ist die V-A-Buchse negativer als die COM-Buchse.

Aha. Das ist interessant. Daraus entwickeln wir jetzt einen kleinen Versuch als Brettschaltung:

Material:

  • Reißbrettstifte
  • Brettchen
  • 2 Stück Potentiometer 10k Ohm
  • etwas Kupferdraht
  • Lötkolben
  • Lötzinn
  • Digitalmultimeter
  • Krokodilstrippen

Zunächst versehen wir die Füßchen der Potis mit kurzen Kupferdrähten, damit wir sie besser auf das Brettchen löten können. Jetzt drücken wir 6 Reißbrettstifte in das Brettchen und verzinnen sie. Danach löten wir 1 Poti auf die linken Reißzwecken.

Jetzt kannst Du den ersten Versuch machen.

 

Versuch 1:



Klemme das Multimeter wie auf dem Bild an und drehe an dem Potiknopf. Du kannst jetzt beobachten, wie sich der Messwert entsprechend der Einstellung des Potiknopfes verändert. Du kannst also das Spannungspotential (bezogen auf Masse) an Punkt 2 von Betriebsspannung 9 Volt bis auf 0 Volt verschieben.


Versuch 2:






Das funktioniert genau so gut an den Punkten 1 und 2, nur dass hier das Bezugspotential +Ub (9Volt an Punkt 1) ist.










Jetzt montierst Du das zweite Poti an die anderen 3 Reißbrettstifte. Für die folgenden Versuche schaltest Du alles folgendermaßen zusammen:







So sieht die Versuchsschaltung aus.



















Nun stellst Du  am Punkt 2 (Poti 1) eine Spannung von 2  Volt, bezogen auf Masse ein.














Und am Punkt 5 eine Spannung von 5 Volt bezogen auf Masse.












Welche Richtung und welche Höhe hat nun die spannung 2 - 5 ?

 

Nun messen wir nach.

 




Aha! Ziemlich genau 3 Volt. Es besteht also ein Potentialunterschied zwischen Punkt 5 und Punkt 2 von 3 Volt in Richtung Punkt 2:

Aber nanu?

Diese Spannung hat ja gar keinen gemeinsamen Bezugpunkt wie die anderen beiden Spannungen?






Genau richtig ...

 





Diese Spannung ist "potentialfrei". Sozusagen eine "schwebende Spannung". Wenn wir nämlich links 4 Volt einstellen würden und rechts 7 Volt.














Dann käme dabei genau dieselbe  Spannung zwischen 2 und 5 heraus wie im vorherigen Versuch, obwohl sich die anderen Spannungen verändert haben. Wir erhalten wieder die 3 Volt.












Die Spannung 5-2 ist also immer die Differenzsspannung der anderen beiden Spannungen. Die besprochene Anordnung wird oft auch anders gezeichnet und nennt sich dann

"Wheatstone'sche Messbrücke".




Nehmen wir an, wir hätten eine bestimmte Lichtstärke, die auf den LDR1 (Fotowiderstand) trifft, so können wir die Brücke mit P1 so abgleichen, dass die Spannung zwischen den Punkten 1 und 2 gerade 0  Volt ist.

Wenn sich nun das Licht in der Intensität verändert (heller und dunkler wird), so ist die Spannung zwischen den Punkten 1 und 2 ein Maß für die Helligkeitsänderung. Sie gibt sogar die Richtung der Lichtänderung an. Das Interessante daran ist, dass man die Brücke bei jeder Ausgangslichtstärke "nullen" kann.




Dieses Beispiel können wir nun in eine kleine Schaltung mit Transistoren überführen:



Zunächst belichten wir den lichtempfindlichen Widerstand LDR1 mit der "Standard-Lichtstärke". Danach gleichen wir die Messbrücke mit dem Poti P1 auf Null ab, so dass beide LEDs dunkel sind. Wenn sich die Lichtstärke jetzt ändert, wird das an den LEDs angezeigt. Wir sehen sowohl die Änderung als auch die "Richtung" der Änderung (heller oder dunkler).

Es wird also die Differenz der beiden Spannungen verstärkt. So etwas nennt man "Differenzverstärker".


Solch eine Messbrücke hat noch eine ganze Reihe anderer Vorteile, aber hier ging es ja nur um das Messen von Spannungen.

Viel Spaß beim Messen,



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