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 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.