Voltmeter

Ein Voltmeter dient zur Messung elektrischer Spannungen in (Volt). Dazu wird die Messgröße in eine Anzeige (Zeigerausschlag) umgewandelt. Das Voltmeter besteht aus dem eigentlichen Messwerk und gegebenenfalls einem Vorwiderstand zur Anpassung des Messbereiches.

[Bild extern:] bild:Messwerk_V.PNG

Schaltzeichen eines Voltmeters

Hierbei wird nur bei einem statischen Voltmeter wirklich die Spannung direkt in einen Zeigerausschlag umgesetzt. Die mechanische Wirkung beruht in diesem Falle auf der Abstoßung gleichnamiger bzw. der Anziehung ungleichnamiger Ladungen. Das einfachste statische Voltmeter ist das Elektroskop.

In den meisten Fällen erfolgt die Spannungsmessung in Wirklichkeit über eine Strommessung. Der Strom I durch ein Messwerk mit dem Eigenwiderstand (Innenwiderstand) R_i ist zu der anliegenden Spannung U gemäß dem Ohmschen Gesetz proportional. Das Instrument misst also eigentlich einen Strom, aber die Skala ist mit den entsprechenden Spannungen beschriftet. Das Messwerk ist in der Regel ein Drehspulmesswerk, außer im Falle von digitalen Messgeräten (Analog-Digital-Wandler).

Benutzung: Das Voltmeter wird mit den beiden Punkte einer Schaltung verbunden, zwischen denen die Spannung gemessen werden soll. Dies kann mit Prüfspitzen geschehen, ohne dass dazu in die Schaltung eingegriffen werden muss. Daher ist die Spannungsmessung die häufigste Form der elektrischen Kontrolle. Sogar Strommessungen können häufig durch Spannungsmessungen ersetzt werden; wenn man den Wert R des Widerstandes kennt, durch den der Strom fließt, kann über das Ohm'sche Gesetz aus der gemessenen Spannung U die Stromstärke I = U/R berechnet werden.

Messbereich: Ein Messwerk hat konstruktionsbedingt einen maximalen Ausschlag bei einer bestimmten maximal möglichen Stromstärke I_max. Zugleich besitzt es seinen Eigenwiderstand (Innenwiderstand R_i). Das bedeutet, wenn die maximale Stromstärke fließt, liegt eine gewisse maximal mögliche Spannung an, die sich nach dem Ohm'schen Gesetz zu

U_max = R_i · I_max

berechnet. Bei Überschreiten der maximalen Spannung bzw. der maximalen Stromstärke kann das Messwerk überlastet werden. Auf der zugehörigen Skala entspricht die maximale Spannung dem Vollausschlag.

Um das Messwerk an den gewünschten Messbereich anzupassen, wird es mit einem geeigneten Vorwiderstand R_v in Reihe geschaltet. Von der zu messenden Spannung U entfällt dann höchstens ein Teil U_max auf das Messwerk, der Rest U_v = U - U_max auf den Vorwiderstand.

[Bild extern:] Messbereichserweiterung für Spannungen

Beispiel: Das Messwerk habe einen Innenwiderstand R_i = 200 Ω und schlage beim Maximalstrom I_max = 0,002 A (2 mA) voll aus. Es soll in einem Voltmeter für den Messbereich U = 10 V verwendet werden. Über dem Messwerk liegt bei Vollausschlag die Spannung U_max = R_i · I_max = 200 Ω · 0,002 A = 0,4 V. Es müssen also U_v = 10 V - 0,4 V = 9,6 V am Vorwiderstand liegen. Da auch durch ihn der Strom von 0,002 A fließt, berechnet sich hieraus R_v = U_v/I_max = 9,6 V/0,002 A = 4800 Ω (4,8 kΩ).

Der Umstand, dass (außer im Falle des statischen Voltmeters) durch das Spannungsmessgerät Strom fließt, führt dazu, dass jede Messung die ursprünglichen Verhältnisse am Messobjekt verfälscht, da zur Messung ein zusätzlicher Strom entnommen wird. Daher sollte dieser möglichst klein gehalten werden, d.h. der Widerstand des Voltmeters (R_v+R_i) sollte möglichst hoch sein. Um dies einzuschätzen, wird bei Voltmetern der Widerstand angegeben, und zwar in Ω/V (Ohm pro Volt Messbereich). Diese Angabe ist mit dem Vollausschlag des jeweiligen Messbereiches zu multiplizieren, um den tatsächlichen Widerstand zu erhalten.

Beispiel: Das oben berechnete Messgerät hat einen Widerstand von 200 Ω bei einem Messbereich von 0,4 V. Daraus folgt 200 Ω/0,4 V = 500 Ω/V. Wenn man es für einen Messbereich von 10 V einsetzt, hat es demnach den Widerstand 10 V · 500 Ω/V = 5000 Ω (5 kΩ), der sich aus dem eigentlichen Widerstand des Messwerks R_i = 200 Ω und dem Vorwiderstand R_v = 4800 Ω zusammensetzt. Sollte das Messobjekt in diesem Falle seinerseits einen Widerstand von z.B. 500 Ω haben, so wird durch die Messung ein Strom von 10% des ursprünglichen zusätzlich entnommen und das Ergebnis in dieser Größenordnung verfälscht.

Vorverstärker: Um den Widerstand des Voltmeters möglichst groß zu bekommen, werden in hochwertigeren Modellen Operationsverstärker als Vorverstärker eingesetzt. Damit gelingt es, den Eingangswiderstand auf einige Millionen Ω (MΩ) zu erhöhen, so dass die Messung weniger verfälscht wird.

Siehe auch: Amperemeter, Genauigkeitsklasse