Das Multimeter: Aufbau, Typen (Analog & Digital) und Messgenauigkeit

Grundlagen des Multimeters: Definition und Funktion

Das Multimeter ist ein unverzichtbares Instrument zur Messung und Auswertung elektrischer Größen wie z. B. Spannung (Volt), Strom (Ampere), Widerstand (Ohm) sowie Halbleiter- und Diodenfunktionen. Die gemessenen Werte werden entweder auf einer Skala (analog) oder einem digitalen Display angezeigt.

Multimeter verfügen über verschiedene Messbereiche und Funktionen. Um diese Messungen durchzuführen, nutzt das Multimeter unterschiedliche interne Schaltungen für jede Größe und jeden Messbereich. Die Umschaltung erfolgt über Schalter oder Stecker. Obwohl die Schaltungen variieren, teilen sie oft viele gemeinsame Komponenten.

Typen von Multimetern: Analog vs. Digital

Multimeter lassen sich je nach Art der Anzeige in zwei Hauptkategorien unterteilen:

• Analogmultimeter
• Digitalmultimeter

Analogmultimeter: Aufbau und Funktionsweise

Analogmultimeter verwenden in der Regel ein Drehspulmesswerk mit einem Zeiger, der den Wert auf einer abgestuften Skala anzeigt. Die Bewegung der Nadel wird durch eine Spule erreicht, die um einen Kern gewickelt ist. Diese Spule wird von einem Magnetfeld durchdrungen, das von einem Permanentmagneten erzeugt wird.

Wichtige Merkmale von Analogmessgeräten

Die zwei wichtigsten Merkmale sind:

• Innenwiderstand des Galvanometers
• Empfindlichkeit des Gerätes

Jedes Instrument besitzt einen Gleichstrom-Widerstand (DC-Widerstand), der durch die Anzahl der Windungen und den Querschnitt des verwendeten Drahtes bestimmt wird. Je größer die Wicklung, desto geringer ist der benötigte Strom, um ein ausreichendes Magnetfeld zu erzeugen, das die Nadel bis zum Skalenendwert auslenkt.

Definition der Empfindlichkeit (Ohm/Volt)

Die Empfindlichkeit wird definiert als die Stromstärke, die erforderlich ist, um die Nadel bis zum Skalenendwert zu bringen. Die Empfindlichkeit wird üblicherweise in Ohm/Volt (Ω/V) angegeben und beschreibt den Widerstand des Geräts gegen den Stromfluss, wenn 1 Volt Potentialdifferenz zwischen den Messspitzen angelegt wird.

Ein Gerät mit einer Empfindlichkeit von 20.000 Ω/V bedeutet, dass es bei einem Messbereich von 1 V einen Widerstand von 20.000 Ω aufweist, um die Nadel bis zum Skalenendwert zu bewegen. Die Stromstärke (I), die dabei fließt, beträgt:

I = U / R = 1 V / 20.000 Ω = 0,00005 A = 50 µA

Digitalmultimeter: Aufbau und Merkmale

Digitalmultimeter verwenden eine numerische Anzeige, basierend auf Leuchtdioden (LEDs) oder Flüssigkristallanzeigen (LCDs), wobei letztere am häufigsten verwendet werden. Sie wandeln die analog gemessenen Werte mithilfe eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) in digitale Form um, die dann über einen Decoder auf dem Display angezeigt wird.

Wichtige Merkmale von Digitalmultimetern

• Eingangsimpedanz: Oft sehr hoch (im Megaohm-Bereich).
• Empfindlichkeit: Fähigkeit, sehr kleine Spannungen zu messen.
• Display-Auflösung: Anzahl der Stellen (Digits), die das Display anzeigen kann.

Genauigkeit und Innenwiderstand des Multimeters

Die Genauigkeit des Multimeters ist entscheidend. Wenn wir die Spannung über einem Widerstand messen und das Multimeter parallel anschließen, verfälschen wir den Widerstandswert, da das Multimeter einen eigenen internen Widerstand hat, der parallel geschaltet wird. Der Gesamtwiderstand sinkt, und die Spannung über den Enden sinkt ebenfalls.

Wichtig: Je kleiner der Innenwiderstand des Multimeters, desto größer die Ungenauigkeit bei Spannungsmessungen. Daher ist es wünschenswert, dass Multimeter zur Spannungsmessung einen hohen Innenwiderstand aufweisen.

• Aktuelle Analogmultimeter haben typischerweise einen Innenwiderstand von 10.000 Ω pro verwendetem Volt-Messbereich.
• Professionelle Multimeter sollten mindestens 20.000 Ω/V aufweisen.

Wenn ein Multimeter eine Empfindlichkeit von 20.000 Ω/V hat und der 100-V-Messbereich verwendet wird, beträgt der Eingangswiderstand 20.000 Ω * 100 = 2 MΩ.

Bei der Messung der Stromstärke (Intensität) ist das Gegenteil der Fall: Hier ist ein geringer Widerstand besser, da die Messung als Spannungsabfall in Reihe über das Gerät erfolgt.

Faktoren, die die Messgenauigkeit beeinflussen

Verschiedene Faktoren können die Richtigkeit der Messungen beeinträchtigen:

• Fertigungstoleranz: Typischerweise nicht mehr als 1 %.
• Komponententoleranz: Variiert von 0,5 % bis 2 %.
• Temperaturabhängigkeit: Verursacht dauerhafte oder vorübergehende Änderungen im Gerät.
• Alterung: Komponenten ändern ihre Nennwerte im Laufe der Zeit.

Mögliche Fehlerquellen bei Messungen

Fehler können instrumentell oder durch die Bedienung bedingt sein:

• Instrumentelle Fehler: Verursacht durch Bauteilversagen (Toleranz, Alterung).
• Ablesefehler:
  • Ungenauigkeit beim Ablesen der Skala.
  • Parallaxenfehler (besonders bei Analoggeräten).

Messverfahren und Anwendung des Multimeters

Das Multimeter verfügt normalerweise über zwei Messsonden. Durch Anlegen dieser Sonden an die Enden des zu messenden Bauteils wird der Wert der zuvor ausgewählten Größe (DC/AC Volt, Ampere/mA DC/AC, Ohm) angezeigt.

1. Widerstandsmessung (Ohm)

Um den Wert eines Widerstands in einem Stromkreis zu messen, sind folgende Vorsichtsmaßnahmen zu treffen:

1. Trennen Sie die Stromversorgung.
2. Lösen Sie mindestens einen Anschluss des Widerstands.
3. Führen Sie die Nullpunkteinstellung durch (diese Einstellung ist nur bei Analoggeräten erforderlich, um die Batteriespannung zu kompensieren).
4. Wählen Sie immer den am besten geeigneten Messbereich.
5. Berühren Sie die Messsonden nicht mit den Händen.
6. Führen Sie die Messung durch.

2. Spannungsmessung (DC oder AC)

Zur Messung der Spannung in einer Schaltung gehen Sie folgendermaßen vor:

1. Wählen Sie einen Messbereich, der immer höher ist als die erwartete Spannung.
2. Wählen Sie die Art der Spannungsmessung (DC oder AC) und beachten Sie die Polarität bei DC-Messungen.
3. Legen Sie die Messspitzen des Instruments parallel zwischen die Anschlüsse des zu messenden Elements.
4. Führen Sie die Messung durch.

3. Strommessung (DC oder AC)

Zur Messung der Stromstärke in einem Stromkreis gehen Sie folgendermaßen vor:

1. Wählen Sie einen Messbereich, der immer höher ist als die erwartete Stromstärke.
2. Wählen Sie die Art der Strommessung (AC oder DC) und beachten Sie die Polarität bei DC-Messungen.
3. Öffnen Sie den Stromkreis und legen Sie die Messspitzen in Reihe mit dem zu messenden Element.
4. Führen Sie die Messung durch.