Grundlagen zu Spannung & Strom; Einsatz des Multimeters

1. Lernziele

• Fähigkeit: Aufbau von einfachen Widerstandsnetzwerken auf einem Breadboard anhand von Schaltplänen.

• Fähigkeit: Strom- und Spannungsmessung mit einem Multimeter durchführen.

• Verständnis: Wie verhalten sich Spannung und Strom in einer Reihenschaltung, wie in einer Parallelschaltung?

2. Grundlagen

2.1. Breadboard / Steckplatine

Ein Breadboard ist ein nützliches Werkzeug zum Basteln und Prototyping, da es den schnellen Aufbau elektronischer Schaltungen ohne Löten ermöglicht und frei wiederverwendbar ist. Die verzinnten Federkontakte in den Löchern des Breadboards sorgen einerseits für elektrischen Kontakt mit dem Bauteil, andererseits fixieren sie das Bauteil. Die Löcher sind nach einem bestimmten Muster miteinander verbunden, wodurch die Verschaltung verschiedener Bauteile ohne Löten ermöglicht wird.

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Meist hat ein Breadboard “Power Columns” (hier + und -) und zwischen diesen einen Arbeitsbereich für die Platzierung von Komponenten. Die äußeren Spalten werden typischerweise für die Leistungsversorgung verwendet, während der innere Bereich zur Verbindung der Komponenten genutzt wird. Die Löcher im Arbeitsbereich sind dabei im inneren horizontal verbunden, die Power Columns vertikal.

2.2. Multimeter

Ein Multimeter ist eines der grundlegendsten Messgeräte in der Elektrotechnik. Es verbindet drei essentielle Funktionen:

1. Voltmeter, also Spannungsmessung

2. Ohmmeter, also Widerstandsmessung

3. Ammeter, also Strommessung

Multimeter gibt es in verschiedenen Ausführungen, von grundlegenden Geräten ab ca. 5€, bis hin zu hochgenauen Modellen für die Laboranwendung für weit über 1000€. Das WorkINGLab verfügt über gute Einsteigermodelle, die etwa 30€ kosten.

Die wichtigsten Komponenten für die Verwendung eines Multimeters sind:

• Display: hier werden die Messwerte angezeigt.

• Drehschalter (“Selection knob”): hier wird eingestellt, was gemessen werden soll.

• Anschlüsse (“Probes”): Hier werden die Messspitzen angeschlossen. Je nach Multimeter können sich diese Anschlüsse unterscheiden, mindestens gibt es jedoch einen “COM” oder “-” Anschluss, einen Port zur Strommessung sowie einen zur Spannungsmessung.

• Messspitzen (“Probes”): Die zwei Messspitzen unterscheiden sich nur in ihrer Farbe, nach Konvention verbindet man jedoch die schwarze Messspitze mit dem “COM”-Anschluss und die rote mit dem entsprechenden Messanschluss.

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Die verschiedenen Symbole auf dem Multimeter sind in folgender Tabelle zusammengefasst.

2.2.1. Spannungsmessung

Mit einem Multimeter können sowohl Gleich- als auch Wechselspannungen gemessen werden. Dies kann, je nach Multimeter, über den Drehknopf oder zusätzliche Knöpfe eingestellt werden. Einige Multimeter erfordern zudem die Einstellung eines Spannungsbereiches.

Zur Messung einer Spannung befolgen Sie folgende Schritte:

1. Verbinden Sie den Stecker der schwarzen Messspitze mit dem “COM”-Anschluss.

2. Verbinden Sie den Stecker der roten Messspitze mit dem “V” Anschluss.

3. Stellen Sie mit dem Drehknopf die Spannungsmessung ein, wählen Sie, wenn nötig, den Spannungsbereich.

4. Wählen Sie zwischen DC und AC den passenden Modus aus.

5. Kontaktieren Sie mit der roten Messspitze die positive Seite Ihrer zu messenden Komponente.

6. Kontaktieren Sie mit der schwarzen Messspitze die negative Seite der Komponente. Falls nicht klar ist, welche Seite positiv und welche negativ ist, keine Sorge! Die Messung der Spannung wird durch die Richtung nicht beeinflusst, nur das Vorzeichen.

7. Lesen Sie den Wert der Spannung am Display ab. Achten Sie dabei auch auf die Einheit!

2.2.2. Strommessung

Während Multimeter bei der Spannungsmessung häufig eine automatische Bereichsanpassung vornehmen können, ist dies bei der Strommessung meist nicht möglich. Häufig wird der messbare Strombereich zusätzlich zur Einstellung am Drehknopf durch zwei verschiedene Strommessanschlüsse ergänzt. Die Genauigkeit der Strommessung ist umso höher, je näher die gemessene Stromstärke an der Bereichsgrenze liegt.

Wenn Sie unsicher sind, in welchem Bereich die zu messende Stromstärke liegt, starten Sie mit dem größten Messbereich und verkleinern Sie ihn, wenn nötig.

Befolgen Sie folgende Schritte, um einen Strom durch eine Komponente zu messen:

1. Verbinden Sie den Stecker der schwarzen Messspitze mit dem “COM”-Anschluss.

2. Verbinden Sie den Stecker der roten Messspitze mit einem der Strommessanschlüsse, je nach Bereich des zu messenden Stroms.

3. Stellen Sie mit dem Drehknopf den gewünschten Strommessbereich ein.

4. Stellen Sie ein, ob sie AC oder DC messen.

5. Öffnen Sie den Stromkreis an der Stelle, an der Sie den Strom messen wollen. Trennen Sie also z.B. die Verbindung zwischen einem Widerstand und dem Breadboard oder entfernen Sie die Steckverbindung zur Quelle.

6. Verbinden Sie die rote Messspitze mit einem der soeben offengelegten Kontakte (nach Vorzeichenkonvention mit dem positiven Pol)

7. Verbinden Sie die schwarze Messspitze mit dem anderen Kontakt, sodass der Stromkreis nun durch das Multimeter geschlossen ist.

8. Lesen Sie den Messwert vom Display ab.

2.2.3. Widerstandsmessung

Für die Widerstandsmessung müssen dieselben Schritte unternommen werden, wie für die Spannungsmessung. Einzig die Einstellung am Multimeter muss zu Ω geändert werden.

2.2.4. Durchgangsprüfung

Die meisten Multimeter haben eine Durchgangsprüfungsfunktion. Mit dieser können zum Beispiel fehlerhafte Kabel oder kurzschlüsse auf einer Platine gefunden werden.

Für die Durchgangsprüfung befolgen Sie diese Schritte:

1. Verbinden Sie den Stecker der schwarzen Messspitze mit dem “COM”-Anschluss.

2. Verbinden Sie den Stecker der roten Messspitze mit dem Anschluss für die Spannungsmessung (hier sollte sich ein Lautsprecher-Piktogramm befinden)

3. Wählen Sie mit dem Drehknopf die Durchgangsmessung aus, auch hier sollte sich ein Lautsprecher-Piktogramm befinden.

4. Prüfen Sie die Einstellung des Multimeters, indem Sie die beiden Messspitzen miteinander berühren. Ist die Durchgangsmessung korrekt eingestellt, ertönt ein Piep-Ton.

5. Schalten Sie die Leistungsversorgung Ihres Systems ab.

6. Kontaktieren Sie mit den Messspitzen zwei Punkte in Ihrem System, zwischen denen Sie einen Durchgang prüfen wollen.

7. Wenn der Piep-Ton ertönt, besteht zwischen den kontaktierten Punkten eine elektrisch leitfähige Verbindung.

2.2.5. Zusammenfassung

3. Versuche

Für die Durchführung der Versuche benötigen Sie folgende Komponenten:

• Labornetzteil

• Multimeter

• Breadboard

• Anschlusskabel zur Spannungsversorgung

• 5x Xohm Widerstände

• 5x Xohm Widerstände

3.1. Vergleich Reihenschaltung / Parallelschaltung

1. Bauen Sie auf ihrem Breadboard zunächst Schaltung 1 auf.

   1. Wie groß ist die Spannung, die über den Widerstand abfällt?

   2. Wie groß ist der Strom, der durch den Widerstand fließt?

2. Betrachten Sie nun Schaltung 2 (Reihenschaltung), was erwarten Sie?

   1. Ist die Spannung über die einzelnen Widerstände größer oder kleiner, als in Schaltung 1?

   2. Ist der Strom durch die Widerstände größer oder kleiner, als in Schaltung 1?

   3. Überprüfen Sie ihre Erwartungen und erklären Sie Ihre Beobachtungen.

3. Was erwarten Sie in der Parallelschaltung?

   1. Ist die Spannung über die einzelnen Widerstände größer oder kleiner, als in Schaltung 1?

   2. Ist der Strom durch die Widerstände größer oder kleiner, als in Schaltung 1?

   3. Welcher Strom wird von der Quelle bereitgestellt?

4. Verallgemeinern Sie Ihre Beobachtungen.

5. Bauen Sie nun Schaltung 4 auf.

   1. Über welchen Widerstand erwarten Sie den größeren Spannungsabfall?

   2. Ändert sich der von der Quelle bereitgestellte Strom?

   3. Überprüfen Sie Ihre Erwartungen.

6. Welche Effekte erwarten Sie bei Schaltung 5?

   1. Durch welchen Widerstand erwarten Sie einen größeren Strom?

   2. Ändert sich der von der Quelle bereitgestellte Strom?

   3. Überprüfen Sie Ihre Erwartungen.

3.2. Widerstandsnetzwerke

1. Erweitern Sie Schaltung 3 um einen weiteren Widerstand (Schaltung 4).

   1. Welchen Spannungsabfall erwarten Sie über diesen Widerstand?

   2. Welchen Strom erwarten Sie durch diesen Widerstand?

   3. Überprüfen Sie Ihre Erwartungen.

   4. Verallgemeinern Sie die Beobachtungen.

2. Betrachten Sie nun Schaltung 7.

   1. Warum lassen sich Ströme und Spannungen nicht direkt mit den Kirchhoffschen Regeln bestimmen?

   2. Wie viele Strom- und Spannungsmessungen benötigen Sie, um bei unbekannten Widerstandswerten alle Ströme und Spannungen zu bestimmen?

   3. Bestimmen Sie alle Ströme und Spannungen.

3.3. Reale Widerstände

1. Schließen sie erneut einen Widerstand direkt an die Quelle an (Schaltung 8).

2. Bestimmen Sie mittels Strom- und Spannungsmessung den Widerstand. Entspricht er dem angegebenen Wert?

3. Führen Sie dieselbe Messung für unterschiedliche Einstellungen der Quelle durch, z.B. von 1V - 10V in 1V-Schritten.

   1. Zeichnen Sie die Messwerte in ein U/I Diagramm ein.

   2. Lässt sich eine Gerade durch die Messwerte legen?