Spannungen messen? Das ist aber doch nun wirklich ganz einfach - - oder?
Ja und nein!
Beispiele für ja:
In meinem Werkzeugkoffer speziell für Elektroarbeiten (nur die groben!) liegt ein Fluke 7-300 für die Messung von Gleich- und Wechselspannungen, sowie Durchgang und Widerstand. Es hat nur einen Schalter On/Off. Wenn ich das Gerät einschalte und die Meßspitzen an etwas mehr oder weniger elektrisches halte, findet das Gerät selbsttätig heraus, was es da messen kann (s. o.) und entscheidet sich für die richtige Meßart und den richtigen Meßbereich. Stellt es eine Spannung im Bereich der Netzspannung fest, so reduziert es die Eingangsimpedanz auf bis zu (sehr niedrige) 2kΩ, damit man zwischen einer tatsächlichen Spannung und einer Phantomspannung aufgrund von Einkopplungen unterscheiden kann. *)
Natürlich sind die Eingänge gemäß CAT III 300V gesichert.
Will ich mit einem üblichen DMM die Spannung einer Batterie oder eines Akkus messen, schalte ich das Gerät auf V= und überlasse die Auswahl des Messbereichs entweder dem Instrument (AUTO) oder wähle den passenden Messbereich selbst (MAN). Die schwarze Prüfspitze wird an den - Pol gehalten, die rote Spitze dementsprechend an den + Pol.
Einfacher geht es wohl kaum.
Beispiel für nein:
Vor vielen Jahren hatte sich ein durchaus erfahrener Kollege fast eine Woche damit abgemüht, an einem Prozeßrechner hochgenaue Justagen im Mikrovolt-Bereich durchzuführen. Nachdem das einfach nicht klappte, wurde ich zur Unterstützung hingeschickt und nach wenigen Stunden war die Sache erledigt. Was war geschehen? Im Meßaufbau hatte er gleich zu Anfang eine winzig erscheinende, aber entscheidende "Kleinigkeit" - eine Masse-Brücke - übersehen und wegen der Einstreuungen in den Aufbau konnte er damit unmöglich zu einem korrekten Resultat kommen. Erst ein neuer Aufbau von Grund auf half, die Ursache zu erkennen.
Aber auch an Taschenlampen gibt es Messungen, die nicht wirklich einfach sind, wie später noch gezeigt wird.
Wir wollen uns hier ausschließlich mit dem Messen von Spannungen beschäftigen, wie sie im Bereich von Taschenlampen vorkommen. Und dabei geht es obendrein hauptsächlich um Gleichspannungen, was die Sache schon ziemlich erleichtert.
Man kann messen, welche Spannung eine Quelle (z.B. Batterie, Akku, Labornetzgerät) abgibt, oder welche Spannung an einem beliebigen Bauteil in einem geschlossenen Stromkreis bei gegebenem Strom abfällt.
Spannungen werden heute hauptsächlich mit einem Digital Multimeter gemessen, das hierfür eigentlich immer zumindest die wichtigsten Meßarten V= und V~ zur Verfügung stellt, die man normalerweise von Hand auswählen muss. Der passende Messbereich wird entweder automatisch oder von Hand gewählt.
Der Eingangswiderstand eines digitalen Voltmeters liegt üblicherweise im Bereich von etwa 1 bis 10MΩ, kann aber auch sehr viel höher sein. Bei Sonderanwendungen sind gelegentlich auch besonders niedrige Eingangswiderstände erforderlich. Im Normalfall ist der Eingangswiderstand aber so hoch, daß die Spannungsquelle mit ihrem relativ niedrigen Innenwiderstand so gut wie nicht belastet wird und so durch die Messung keine nennenswerte Verfälschung auftritt.
Es gibt keine genaue Messung!
Klingt nicht sonderlich ermutigend, ist aber so. Dafür gibt es mehrere unterschiedliche Gründe. Wenn wir uns genauer ansehen, wie es ist und warum das so ist, lernen wir, eine Messung besser zu einzuschätzen.
Ein digitales Messinstrument hat konstruktionsbedingt eine begrenzte Auflösung, im Bereich preiswerter Geräte meist 2000 Digits (von 0 bis 1999). Das Mastech MS8229 hat eine Auflösung von 4000 Digits, schon etwas besser. Das geht in verschiedenen Abstufungen so weiter bis zur höchsten mir bekannten Auflösung bei einem Hand-Multimeter von 1.200.000 Digits. Eine so riesige Auflösung ist allerdings auch nur für spezielle Messungen wünschenswert und ansonsten fast eher lästig. (Meinen Taschenrechner, der sich bis auf neun Nachkommastellen einstellen lässt, benutze ich wegen der Übersichtlichkeit meistens mit nur zwei Nachkommastellen. Er hat allerdings den Vorteil, daß bei eingeschalteter kaufmännischer Rundung die letzte angezeigte Stelle um eins erhöht wird, wenn die nachfolgende (abgewürgte) Stelle den Wert 5 oder höher hat. Das habe ich bisher leider noch bei keinem DMM bemerkt.) Jetzt wissen wir also schon, daß die Messung schon allein dadurch ungenauer wird, daß hinter der letzten angezeigten Stelle alles rücksichtslos abgeschnitten wird. Ein zweieinhalbstelliges Voltmeter mit nur einer Nachkommastelle, wie es speziell zur Anzeige der Bordspannung im Auto hergestellt wird und dort mit der Anzeige 12,8V hinreichend genau ist, wäre mir mit der Anzeige 4,2V bei der Ladeschlußspannung eines LiIon-Akkus zu ungenau: das könnten ja auch 4,299999V sein! *)
Wie jedes Messgerät, so hat auch ein DVM Toleranzen, in deren Grenzen der Messwert liegen sollte. Diese Toleranzen (+-) werden unterschiedlich angegeben, z.B.: 0,7% (von was?), 0,7% v. MW (vom Meßwert), 0,5% v. MB (vom Meßbereich), 0,6% v. MW + 0,3% v. MB (also von beiden) und manchmal noch zusätzlich D, eine Anzahl von Digits zwischen einem und einigen Dutzend, um die der angezeigte Messwert zusätzlich noch abweichen kann. Ich gehe gewöhnlich davon aus, dass die letzte angezeigte Stelle sowieso nicht stimmt und die vorletzte Stelle mehr oder weniger zweifelhaft ist. Also bei der Einstellung kritischer Spannungen vorsichtshalber lieber zu niedrigeren Werten tendieren. Daß auch die Raumtemperatur einen gewissen Einfluss auf die Messgenauigkeit hat, möchte ich an dieser Stelle unberücksichtigt lassen.
Die Messung von reiner Gleichspannung ( = oder DC), das heißt, diese darf nicht gepulst (z.B. PWM) oder von einer wie auch immer gearteten Wechselspannung überlagert sein, ist hier die leichtere Übung. Der angezeigte Wert ist im allgemeinen recht zuverlässig.
Die Messung einer Wechselspannung mit einer sauberen Sinuskurve (kommt allerdings bei Taschenlampen wohl kaum vor) ist auch kein Problem. Das liegt daran, dass Meßgeräte, die preislich nicht mit dem WAF kollidieren, nur den "einfachen" Effektivwert der Spannung anzeigen. Sollen Wechselspannungen mit anderer Kurvenform gemessen werden, so muss das Gerät die TRMS Messung beherrschen (beim Effektivwert mit erklärt). Wenn ein Gerät für TRMS ausgelegt ist, kommt es noch darauf an, bis zu welchem Crestfaktor - auch Scheitelfaktor genannt - diese Messungen durchgeführt werden können beziehungsweise wie bei steigendem Crestfaktor die Genauigkeit abnimmt. Die Geräte-Angaben für den Crestfaktor habe ich von etwa 3 bis 10 gesehen.
Da man in geschlossenen Taschenlampen so schlecht messen kann, habe ich mir zum Experimentieren ein Driver Board SKU 7612 (das mit fünf Modi war vergriffen) und einen Emitter SKU 11022 mit Cree Q5 WC von DX kommen lassen. Da wird es mit dem Messen von Spannungen schon reichlich knifflig.
Zur Meß-Anordnung: Stromversorgung - damit es nicht zu grell wird - eine RCR123 mit 3 V samt Halter, oben genannte Komponenten von DX, Taster zum Unterbrechen des Stromkreises, Laptop und USB-Scope inklusive Multimeter Funktionen. Für Vergleichsmessungen wurden benutzt je ein Multimeter (ohne Label) C-122, Mastech MS8229, Metrix MTX 3282 und ein Gossen Metrawatt MetraHit 30M. Für die Messung war der mittlere Helligkeitswert eingestellt.
Man sieht eine gepulste Spannung, deren niedrigster Wert nicht ganz bis auf 0 V zurückgeht. Das MS8229 zeigt bei Einstellung auf V= den Mittelwert mit 1,701V recht genau an. Diese Spannung hilft aber m. E. nicht wirklich weiter, denn zur Leistungsberechnung wird wohl eher der Echteffektivwert herangezogen werden müssen. Die Spannung am Emitter (Vf) ist die angezeigte Maximumspannung. Diese Spannung konnte von den Handmultimetern ausschließlich das Metrix in der schon etwas ausgefallenen Einstellung Volt AC+DC Peak+ anzeigen.
Sicher gibt es noch einige andere Probleme bei der Spannungsmessung, die hier beschrieben werden sollten - nur fällt mir im Augenblicke keines mehr ein. Glücklicherweise lässt sich ein Post jedoch editieren, also steht einer Erweiterung nichts im Wege.
Wulf
*) Für diesen speziellen Zweck optimal, für übliche Anwendungen jedoch MIST.
< Messen: Licht > < Messen: Temperatur > < Messen: Strom > (soll noch kommen)
Ja und nein!
Beispiele für ja:
In meinem Werkzeugkoffer speziell für Elektroarbeiten (nur die groben!) liegt ein Fluke 7-300 für die Messung von Gleich- und Wechselspannungen, sowie Durchgang und Widerstand. Es hat nur einen Schalter On/Off. Wenn ich das Gerät einschalte und die Meßspitzen an etwas mehr oder weniger elektrisches halte, findet das Gerät selbsttätig heraus, was es da messen kann (s. o.) und entscheidet sich für die richtige Meßart und den richtigen Meßbereich. Stellt es eine Spannung im Bereich der Netzspannung fest, so reduziert es die Eingangsimpedanz auf bis zu (sehr niedrige) 2kΩ, damit man zwischen einer tatsächlichen Spannung und einer Phantomspannung aufgrund von Einkopplungen unterscheiden kann. *)
Natürlich sind die Eingänge gemäß CAT III 300V gesichert.
Will ich mit einem üblichen DMM die Spannung einer Batterie oder eines Akkus messen, schalte ich das Gerät auf V= und überlasse die Auswahl des Messbereichs entweder dem Instrument (AUTO) oder wähle den passenden Messbereich selbst (MAN). Die schwarze Prüfspitze wird an den - Pol gehalten, die rote Spitze dementsprechend an den + Pol.
Einfacher geht es wohl kaum.
Beispiel für nein:
Vor vielen Jahren hatte sich ein durchaus erfahrener Kollege fast eine Woche damit abgemüht, an einem Prozeßrechner hochgenaue Justagen im Mikrovolt-Bereich durchzuführen. Nachdem das einfach nicht klappte, wurde ich zur Unterstützung hingeschickt und nach wenigen Stunden war die Sache erledigt. Was war geschehen? Im Meßaufbau hatte er gleich zu Anfang eine winzig erscheinende, aber entscheidende "Kleinigkeit" - eine Masse-Brücke - übersehen und wegen der Einstreuungen in den Aufbau konnte er damit unmöglich zu einem korrekten Resultat kommen. Erst ein neuer Aufbau von Grund auf half, die Ursache zu erkennen.
Aber auch an Taschenlampen gibt es Messungen, die nicht wirklich einfach sind, wie später noch gezeigt wird.
Wir wollen uns hier ausschließlich mit dem Messen von Spannungen beschäftigen, wie sie im Bereich von Taschenlampen vorkommen. Und dabei geht es obendrein hauptsächlich um Gleichspannungen, was die Sache schon ziemlich erleichtert.
Man kann messen, welche Spannung eine Quelle (z.B. Batterie, Akku, Labornetzgerät) abgibt, oder welche Spannung an einem beliebigen Bauteil in einem geschlossenen Stromkreis bei gegebenem Strom abfällt.
Spannungen werden heute hauptsächlich mit einem Digital Multimeter gemessen, das hierfür eigentlich immer zumindest die wichtigsten Meßarten V= und V~ zur Verfügung stellt, die man normalerweise von Hand auswählen muss. Der passende Messbereich wird entweder automatisch oder von Hand gewählt.
Der Eingangswiderstand eines digitalen Voltmeters liegt üblicherweise im Bereich von etwa 1 bis 10MΩ, kann aber auch sehr viel höher sein. Bei Sonderanwendungen sind gelegentlich auch besonders niedrige Eingangswiderstände erforderlich. Im Normalfall ist der Eingangswiderstand aber so hoch, daß die Spannungsquelle mit ihrem relativ niedrigen Innenwiderstand so gut wie nicht belastet wird und so durch die Messung keine nennenswerte Verfälschung auftritt.
Es gibt keine genaue Messung!
Klingt nicht sonderlich ermutigend, ist aber so. Dafür gibt es mehrere unterschiedliche Gründe. Wenn wir uns genauer ansehen, wie es ist und warum das so ist, lernen wir, eine Messung besser zu einzuschätzen.
Ein digitales Messinstrument hat konstruktionsbedingt eine begrenzte Auflösung, im Bereich preiswerter Geräte meist 2000 Digits (von 0 bis 1999). Das Mastech MS8229 hat eine Auflösung von 4000 Digits, schon etwas besser. Das geht in verschiedenen Abstufungen so weiter bis zur höchsten mir bekannten Auflösung bei einem Hand-Multimeter von 1.200.000 Digits. Eine so riesige Auflösung ist allerdings auch nur für spezielle Messungen wünschenswert und ansonsten fast eher lästig. (Meinen Taschenrechner, der sich bis auf neun Nachkommastellen einstellen lässt, benutze ich wegen der Übersichtlichkeit meistens mit nur zwei Nachkommastellen. Er hat allerdings den Vorteil, daß bei eingeschalteter kaufmännischer Rundung die letzte angezeigte Stelle um eins erhöht wird, wenn die nachfolgende (abgewürgte) Stelle den Wert 5 oder höher hat. Das habe ich bisher leider noch bei keinem DMM bemerkt.) Jetzt wissen wir also schon, daß die Messung schon allein dadurch ungenauer wird, daß hinter der letzten angezeigten Stelle alles rücksichtslos abgeschnitten wird. Ein zweieinhalbstelliges Voltmeter mit nur einer Nachkommastelle, wie es speziell zur Anzeige der Bordspannung im Auto hergestellt wird und dort mit der Anzeige 12,8V hinreichend genau ist, wäre mir mit der Anzeige 4,2V bei der Ladeschlußspannung eines LiIon-Akkus zu ungenau: das könnten ja auch 4,299999V sein! *)
Wie jedes Messgerät, so hat auch ein DVM Toleranzen, in deren Grenzen der Messwert liegen sollte. Diese Toleranzen (+-) werden unterschiedlich angegeben, z.B.: 0,7% (von was?), 0,7% v. MW (vom Meßwert), 0,5% v. MB (vom Meßbereich), 0,6% v. MW + 0,3% v. MB (also von beiden) und manchmal noch zusätzlich D, eine Anzahl von Digits zwischen einem und einigen Dutzend, um die der angezeigte Messwert zusätzlich noch abweichen kann. Ich gehe gewöhnlich davon aus, dass die letzte angezeigte Stelle sowieso nicht stimmt und die vorletzte Stelle mehr oder weniger zweifelhaft ist. Also bei der Einstellung kritischer Spannungen vorsichtshalber lieber zu niedrigeren Werten tendieren. Daß auch die Raumtemperatur einen gewissen Einfluss auf die Messgenauigkeit hat, möchte ich an dieser Stelle unberücksichtigt lassen.
Die Messung von reiner Gleichspannung ( = oder DC), das heißt, diese darf nicht gepulst (z.B. PWM) oder von einer wie auch immer gearteten Wechselspannung überlagert sein, ist hier die leichtere Übung. Der angezeigte Wert ist im allgemeinen recht zuverlässig.
Die Messung einer Wechselspannung mit einer sauberen Sinuskurve (kommt allerdings bei Taschenlampen wohl kaum vor) ist auch kein Problem. Das liegt daran, dass Meßgeräte, die preislich nicht mit dem WAF kollidieren, nur den "einfachen" Effektivwert der Spannung anzeigen. Sollen Wechselspannungen mit anderer Kurvenform gemessen werden, so muss das Gerät die TRMS Messung beherrschen (beim Effektivwert mit erklärt). Wenn ein Gerät für TRMS ausgelegt ist, kommt es noch darauf an, bis zu welchem Crestfaktor - auch Scheitelfaktor genannt - diese Messungen durchgeführt werden können beziehungsweise wie bei steigendem Crestfaktor die Genauigkeit abnimmt. Die Geräte-Angaben für den Crestfaktor habe ich von etwa 3 bis 10 gesehen.
Da man in geschlossenen Taschenlampen so schlecht messen kann, habe ich mir zum Experimentieren ein Driver Board SKU 7612 (das mit fünf Modi war vergriffen) und einen Emitter SKU 11022 mit Cree Q5 WC von DX kommen lassen. Da wird es mit dem Messen von Spannungen schon reichlich knifflig.
Zur Meß-Anordnung: Stromversorgung - damit es nicht zu grell wird - eine RCR123 mit 3 V samt Halter, oben genannte Komponenten von DX, Taster zum Unterbrechen des Stromkreises, Laptop und USB-Scope inklusive Multimeter Funktionen. Für Vergleichsmessungen wurden benutzt je ein Multimeter (ohne Label) C-122, Mastech MS8229, Metrix MTX 3282 und ein Gossen Metrawatt MetraHit 30M. Für die Messung war der mittlere Helligkeitswert eingestellt.
Man sieht eine gepulste Spannung, deren niedrigster Wert nicht ganz bis auf 0 V zurückgeht. Das MS8229 zeigt bei Einstellung auf V= den Mittelwert mit 1,701V recht genau an. Diese Spannung hilft aber m. E. nicht wirklich weiter, denn zur Leistungsberechnung wird wohl eher der Echteffektivwert herangezogen werden müssen. Die Spannung am Emitter (Vf) ist die angezeigte Maximumspannung. Diese Spannung konnte von den Handmultimetern ausschließlich das Metrix in der schon etwas ausgefallenen Einstellung Volt AC+DC Peak+ anzeigen.
Sicher gibt es noch einige andere Probleme bei der Spannungsmessung, die hier beschrieben werden sollten - nur fällt mir im Augenblicke keines mehr ein. Glücklicherweise lässt sich ein Post jedoch editieren, also steht einer Erweiterung nichts im Wege.
Wulf
*) Für diesen speziellen Zweck optimal, für übliche Anwendungen jedoch MIST.
< Messen: Licht > < Messen: Temperatur > < Messen: Strom > (soll noch kommen)
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