Wie misst man Strom und Spannung?
Strom und Spannung sind die fundamentalen Kenngrößen eines jeden elektrischen Schaltkreises. Ohne Kenntnis dieser Messgrößen wäre es nicht möglich Smartphones, Fernseher oder auch Kühlschränke herzustellen. Genau aus diesem Grund wollen wir heut zu den Grundlagen der Elektrotechnik zurückkehren und Ihnen erklären, wie Sie Strom- und Spannungsmessungen durchführen.
Die Grundlagen – Parallel- und Reihenschaltung
In der Elektrotechnik gibt es zwei Arten von Schaltungen: Parallel- und Reihenschaltungen. Diese beiden Schaltungstypen können Sie hier sehen:
Parallel (links) – und Reihenschaltung (recht)
Sie werden sich nun natürlich fragen: Was unterscheidet Parallel- und Reihenschaltung und warum ist das wichtig für die Strom- und Spannungsmessung?
In der Reihenschaltung sind zwei Bauteile (in unserem Fall zwei Lämpchen) nacheinander an den Stromkreis angeschlossen. Die Reihenschaltung hat die Eigenschaft, dass überall derselbe Strom fließt, egal an welchem Punkt Sie messen. Dies kann man sich wie eine Wasserleitung vorstellen: Fließt an einem Ende Wasser in die Leitung, muss am anderen Ende gleich viel Wasser wieder hinausfließen. Auch in der Wasserleitung herrscht überall derselbe Wasserfluss.
Die elektrische Spannung ist jedoch nicht überall in der Reihenschaltung gleich. Beim ersten Lämpchen geht ein Teil der Spannung verloren (man nennt dies einen Spannungsabfall), beim zweiten Lämpchen geht ein weiterer Teil der Spannung verloren. Umso mehr Bauteile man in Reihe schaltet, umso weniger Spannung bleibt für das letzte Bauteil übrig.
Im Unterschied dazu, ist in einer Parallelschaltung der Spannungsabfall an allen Bauteilen gleich groß. Grund dafür ist die Anordnung der Bauteile: Diese liegen nebeneinander und nicht hintereinander. Dies bedeutet aber auch, dass der Strom nicht im ganzen Stromkreis derselbe ist. Hier hilft wieder die Analogie zur Wasserleitung. Teilt sich die Wasserleitung in zwei kleinere Rohre auf, so fließt durch jedes Rohr nur ein Teil des ursprünglichen Gesamtstroms.
Nun haben wir Sie aber lange genug mit den Grundlagen geplagt. Wie funktioniert also Strom- und Spannungsmessung?
Die Strommessung
Zur Messung von Strom und Spannung gibt es sogenannte Ampere- und Voltmeter. Geräte die sowohl Strom als auch Spannung (und meist noch andere Messgrößen) messen können, nennt man Multimeter oder Power Analyzer.
Will man nun eine Strommessung durchführen, schließt man das Amperemeter wie in einer Reihenschaltung an den Stromkries an. Warum Reihenschaltung? Weil nur dann, wie oben erklärt, derselbe Strom durch Amperemeter und Bauteil fließt. Würde man das Amperemeter parallel zum Bauteil schalten, würde man einen anderen Strom messen.
Gleichzeitig muss ein Amperemeter einen sehr niedrigen Innenwiderstand haben. Durch diesen niedrigen Innenwiderstand beeinflusst das Messgerät den Stromkreis kaum. Wäre der Innenwiderstand groß, so würde (nach dem Ohm’schen Gesetz) auch weniger Strom im Stromkreis fließen. Die Messung würde in diesem Fall das System beeinflussen. Der niedrige Innenwiderstand ist aber auch ein zusätzlicher Grund, warum ein Amperemeter nicht parallel geschalten werden sollte. Tut man dies, würde ein sehr hoher Strom durch das Amperemeter fließen. Dieser Strom würde den Überstromschutz des Amperemeters auslösen und die entsprechende Sicherung im Gerät würde durchbrennen. Geschieht dies, muss man die Sicherung im Messgerät austauschen, um die Funktionsfähigkeit wieder herzustellen.
Amperemeter im Stromkreis
Nicht immer kann aber ein Stromkreis aufgetrennt werden, um ein Amperemeter darin einzubauen. In diesen Fällen ist eine indirekte Strommessung vorteilhaft. Dabei misst man nicht den Strom selbst, sondern Begleiteffekte des Stromflusses. Daraus kann man dann rechnerisch auf den elektrischen Strom zurückschließen. Ein Beispiel für eine indirekte Strommessung bildet die Stromzange. Diese misst das durch den Strom produzierte Magnetfeld und berechnet daraus den Stromfluss im Leiter. Einen Blogpost zu Stromzangen finden Sie hier.
Die Spannungsmessung
Die Spannungsmessung funktioniert genau umgekehrt zu Strommessung. Ein Spannungsmessgerät (Voltmeter) schließt man parallel zu dem Bauteil an, bei welchem man den Spannungsabfall messen möchte. Parallel daher, da in einer Parallelschaltung in beiden Zweigen dieselbe Spannung vorherrscht. Auch in diesem Fall kann man darüber nachdenken, was bei einem falschen Einbau des Messgerätes, z.B. in Reihenschaltung, geschieht. In diesem Fall würde eine Spannung am Messgerät selbst abfallen und das Messergebnis wäre falsch.
Ein Voltmeter muss zur akkuraten Spannungsmessung einen sehr hohen Innenwiderstand besitzen. Dieser Widerstand sollte am besten viel höher sein als der Widerstand des Bauteils, über welchem man den Spannungsabfall messen will. Dies ist nötig, da sich ansonsten der Stromfluss im Schaltkreis und dadurch der Spannungsabfall am Bauteil verändern würde. Das Voltmeter würde also in diesem Falle direkten Einfluss auf den Stromkreis nehmen.
Voltmeter im Stromkreis
Eine indirekte Messung von Strom ist durchaus möglich und auch gebräuchlich, es gibt aber keine Möglichkeit zur indirekten Spannungsmessung. Es ist jedoch möglich, mittels Elektrometer und ähnlichen Messgeräten berührungslos die Spannung zu messen. In der Elektrotechnik findet dieses Vorgehen aber kaum Anwendung.
Strom- und Spannungsmessung mit höchster Präzision – DEWETRON
Kein Amperemeter, Voltmeter oder Multimeter ist perfekt. Jedes dieser Messgeräte hat einen Messfehler, der je nach Anwendungsfall und Typ des Gerätes variieren kann. Die Messungenauigkeit hängt beispielsweise von der Frequenz der Wechselspannung oder auch vom Auflösungsvermögen (angegeben in Bit) des Geräts ab. Auch die Höhe der Spannung und des Stromes können zu Problemen führen. Viele Messgeräte haben einen eingeschränkten Messbereich und verlieren grade am Rand dieses Messbereiches an Genauigkeit.
DEWETRON ist ein Hersteller von hochpräzisen Messgeräten mit Sitz in Österreich, der sich genau mit diesen Problemen beschäftigt. Wir stellen eine Reihe von Messgeräten her, welche mit ihrer herausragenden Genauigkeit überzeugen. So hat beispielsweise unser Mixed Signal Power Analyzer einen Messfehler von weniger als 0,03 %. Kombiniert mit einem Auflösungsvermögen von bis zu 18 Bit und einer Abtastrate von 10.000 kS/s, eignet sich dieser perfekt für präzise Strom- und Spannungsanalysen.
Unsere hauseigene OXYGEN Messsoftware, welche auf jedem DEWETRON System vorinstalliert ist, macht Ihnen darüber hinaus das Messen einfach. Schließen Sie Ihr Messgerät einfach an den Stromkreis an, der Rest ist kinderleicht. So können Sie beispielsweise Ihren Messbildschirm individuell selbst gestalten – genauso wie er für Ihre Bedürfnisse am besten passt.
Sie finden all unsere Messsysteme, auch unsere herausragenden Power Analyzer, auf der DEWETRON-Webseite. Außerdem finden Sie dort eine Reihe an weiteren Inhalten wie Whitepaper, Webinare oder Video-Tutorials. Darüber hinaus können Sie uns auf Twitter, LinkedIn oder YouTube folgen.
