Spannungs- und Strommessung: spezialisierte und universelle Instrumente

Bei der Reparatur eines elektronischen Geräts oder beim Betrieb elektrischer Schaltungen muss man sich der Notwendigkeit stellen, die Spannung und den Strom eines Stromkreises zu messen. Dafür gibt es sowohl spezielle Geräte als auch universelle. Sie zu verwenden ist überhaupt nicht schwierig, aber dafür sollten Sie zumindest die einfachste Vorstellung davon haben, wie man sie verwendet.

Physikalische Definition von Größen

Die Wechselwirkung und Bewegung elektrischer Ladungen wurde 1600 von einem englischen Wissenschaftler, William Gilbert, beschrieben, der das Konzept der Elektrizität in den Alltag einführte. Er entdeckte, dass es in verschiedenen physischen Körpern Ladungen gibt, die ein elektrisches Feld bilden und dadurch andere geladene Körper beeinflussen können.

Später wurde festgestellt, dass geladene Teilchen werden in positive und negative Ladungen unterteilt

, während sie sich mit dem gleichen Vorzeichen abstoßen und im Gegenteil - sie ziehen sich an. Darüber hinaus entdeckten die Physiker Oersted, Faraday, Maxwell, die mit Körpern experimentierten, den Elektromagnetismus, der darin besteht, dass ein Magnetfeld entsteht, wenn sich geladene Teilchen bewegen.

So wurden zwei Konzepte eingeführt - Strom und Spannung. Die erste bezeichnet die geordnete Bewegung von Ladungen und die zweite - die Kraft, die aufgewendet werden muss, um eine Einheitsladung zu übertragen, ohne den Rest der geladenen Teilchen im Körper zu beeinflussen. Da sich dadurch die Energie der Ladung ändert, wird die Spannung durch die Differenz des Energiepotentials vor und nach der Ladungsbewegung charakterisiert.

Der deutsche Wissenschaftler Georg Simon Ohm, der 1826 die elektrischen Eigenschaften von Materialien untersuchte, führte eine Reihe von Experimenten durch, in deren Folge er ein Gesetz für einen Abschnitt eines Stromkreises formulierte. Er fand heraus, dass die Stromstärke direkt proportional zur Potenzialdifferenz und umgekehrt proportional zum Widerstand ist, wodurch der Zusammenhang zwischen elektrischen Größen sichtbar wird. So entstanden die Konzepte: elektromotorische Kraft, Spannungsabfall, Leitfähigkeit.

Elektrische Spannung

Um die Arbeit einer Ladung von einem Punkt zum anderen quantitativ zu bezeichnen, werden verschiedene Spannungsarten unterschieden. Sie hängen von den fließenden Strömen ab. Zur Bezeichnung werden verschiedene Begriffe und Berechnungsmethoden verwendet. Die Potentialdifferenz kann sein:

1. Konstante, die in elektrostatischen Kreisen und Kreisen mit konstantem elektrischem Strom entsteht.
2. Eine Variable, die erscheint, wenn ein Wechselstrom auftritt.

Das Volt wurde zu Ehren des herausragenden Wissenschaftlers Alessandro Volta, der die erste Stromquelle konstruierte, als Maßeinheit für jede physikalische Größe angenommen. Und die grafische Bezeichnung war das U-Zeichen. Mathematisch wird Stress durch die folgende Formel beschrieben:

U = A / q, wobei U die Potentialdifferenz ist, A die vom elektrischen Feld geleistete Arbeit ist, q die Ladung ist.

Ein spezielles Gerät zur Spannungsmessung wird als Voltmeter bezeichnet. Um die Potentialdifferenz zu messen, wird es parallel zur Stromquelle oder dem Element geschaltet, an dem der Spannungsabfall gemessen wird.

Da sich bei Parallelschaltung der Elemente der elektrische Strom zwischen ihnen verteilt, sollte ein ideales Messgerät einen unendlich großen Innenwiderstand haben. In der Praxis kann dies jedoch nicht sein. Je höher der Widerstand des Gerätes, desto genauer sein Messergebnis.

Voltmeter werden sowohl zum Messen nur von Gleich- oder Wechselspannung als auch universell hergestellt. Darüber hinaus können sie nach dem Funktionsprinzip sein:

1. Digital. Ihre Arbeit basiert auf der Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) und einer Flüssigkristallanzeige.
2. Analog. Das Hauptelement dieses Gerätetyps ist der elektrodynamische Kopf, dessen Ablenkung des Pfeils auf einer abgestuften Skala die Messung der Spannung ermöglicht.

Zur Messung eines DC-Signals wird die gemessene Spannung mittels Pulsweitenmodulation in ein Rechtecksignal umgewandelt. Es wird dann von einem Spannungsverdopplungsdetektor verstärkt und gleichgerichtet. Weiter wird das Signal von einem Mikrocontroller verarbeitet, der die empfangenen Daten in Form von Zahlen auf dem Bildschirm visualisiert. Die Funktionsweise eines Wechselspannungs-Voltmeters basiert auf der Umwandlung eines Wechselspannungssignals in einen Gleichstrom, der direkt proportional zum gemessenen Wert der Wechselspannung ist.

Stromstärke

Damit ein elektrischer Strom auftritt, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein: der physische Körper müssen freie Teilchen haben, und sie müssen von einer Kraft beeinflusst werden, die sie in einem bewegt Richtung. Die am besten geeigneten Körper sind Metalle - Leiter. Wird ein solcher Leiter in ein elektrisches Feld gelegt, so beginnt unter seiner Einwirkung eine gerichtete Ladungsbewegung im Metall, dh es entsteht ein Strom.

Wie bei der Potenzialdifferenz kann der Strom von zwei Arten sein:

1. Konstante. Es zeichnet sich durch eine geordnete Ladungsbewegung aus, deren Richtung sich lange Zeit nicht ändert.
2. Variable. Dies ist ein solcher elektrischer Strom, der sowohl seine Größe als auch die Bewegungsrichtung mit der Zeit ändern kann.

Die Maßeinheit für Strom jeglicher Art ist Ampere. In den Diagrammen und in der Literatur wird der elektrische Strom mit dem Symbol I angegeben. Sie können es mit der Formel berechnen:

I = ΔQ / Δt, wobei I die Stromstärke ist, ΔQ die Ladungsmenge ist, Δt das Zeitintervall ist.

Die Stromstärke wird mit einem speziellen Gerät gemessen - einem Amperemeter. Es wird in dem Abschnitt, an dem die Messungen durchgeführt werden, in Reihe in die Schaltung einbezogen.

Ein Gerät mit einem Innenwiderstandswert von Null gilt als ideal. Daher sind die Messungen umso genauer, je niedriger der Widerstand ist.

Geräte können aufgrund ihres Designs sein:

1. Pfeilspitzen. Ihr Design basiert auf einem elektrischen Messkopf eines anderen Systems: magnetoelektrisch, elektromagnetisch, elektrodynamisch.
2. Diskret. Ein solches Gerät besteht aus einem ADC und wandelt die gemessene Stromstärke in ein digitales Signal um, das dann auf dem Bildschirm angezeigt wird.

Und auch alle Amperemeter sind in Geräte zur Messung der Stromstärke von Gleich- und Wechselspannung unterteilt. Verwenden Sie beim Messen der Größe von Gleichstrom den Nebenschluss des Messkopfes. Dies geschieht, um die darauf befindliche Spule nicht zu verbrennen. Wenn dann ein konstanter elektrischer Strom durch das Gerät fließt, wird dieser in den Strom des Shunts und des Kopfes aufgeteilt.

Der Shunt ist ein Vielfaches von 10, also 1 zu 10, 1 zu 100 usw. und nach dem Ablenken des Pfeils wird das Ergebnis einfach mit dieser Zahl multipliziert. Zur Messung von Wechselstrom wird dem Gerät ein Messstromwandler hinzugefügt, dessen Sekundärwicklung mit einem Amperemeter verbunden ist. Die Skala des Geräts ist nach dem höchsten Strom gekennzeichnet, der durch die Primärwicklung des Transformators fließt.

Amperemeter und Voltmeter

Bevor Sie mit den Geräten arbeiten, müssen diese konfiguriert und kalibriert werden. In diesem Fall sollten Messungen bei einer Temperatur von etwa zwanzig Grad Celsius durchgeführt werden. Dies liegt daran, dass die physikalischen Eigenschaften von Materialien von der Temperatur abhängen. Dies gilt insbesondere für die Leitfähigkeit. Die einfachsten Geräte, analog, bestehen aus Kunststoffgehäusen, in der sich befindet:

• elektrischer Messkopf;
• Widerstand (Shunt);
• werkskalibrierte Skala;
• Kontakt führt.

Im Amperemeter befindet sich der Widerstand parallel zum elektrodynamischen Kopf und im Voltmeter - in Reihe. Die Skala ist mit Nennwerten von Null bis zum Grenzwert gekennzeichnet, sowie obligatorisch die Maßeinheit und die Wellenform werden angezeigt, z. B. A - Ampere, mA - Milliampere, V - Volt, mV - Millivolt.

Beim Messen muss das Gerät auf einer ebenen, waagrechten Fläche aufgestellt werden. Mit Hilfe eines Reglers, oft für einen Schlitzschraubendreher gemacht, wird die Position des Pfeils entsprechend der Zahl Null eingestellt. Nach Abschluss der Kalibrierung können Sie direkt mit der Messung beginnen:

1. An die Kontakte des Testers sind zwei Drähte angeschlossen: einer an den Pluspol, der andere an den Minuspol.
2. Beim Arbeiten mit einem Voltmeter berühren die gegenüberliegenden Enden der Drähte (Sonden) die Punkte, zwischen denen Sie die Spannung messen möchten. Daher wird seine Verbindung parallel sein. Um mit einem Amperemeter zu messen, muss die Stromleitung, in der die Messung durchgeführt wird, unterbrochen und die Sonden an die gebrochenen Enden angeschlossen werden. Dabei ist in beiden Fällen auf die Polarität zu achten. Das bedeutet, dass der Pluspol des Gerätes mit dem Pluspol im Diagramm übereinstimmen muss. Es spielt jedoch keine Rolle für eine variable Wellenform.
3. Der Messwert wird durch die Abweichung des Pfeils bestimmt.

Weicht der Zeiger während der Messung nach links von Null ab, ist die Polarität falsch angeschlossen. Es ist unmöglich, das Gerät längere Zeit am falschen Anschluss zu belassen, da der elektrische Messkopf ausfällt.

Das Arbeiten mit einem digitalen Tester während der Messung ähnelt der Verwendung eines analogen Instruments, es erfolgt jedoch keine Vorkalibrierung. Diskrete Tester benötigen zum Betrieb eine Stromversorgung. Stellen Sie daher vor der Messung sicher, dass sie ordnungsgemäß funktioniert.

Universalgerät

Im Alltag werden spezialisierte Geräte fast nie verwendet, da es dafür kombinierte Geräte gibt - Multimeter. Nach dem Funktionsprinzip werden sie in digitale und analoge Geräte unterteilt. Universelle Geräte können elektrische Größen verschiedener Art und Form messen. Dazu ist der Tester mit einem Wippschalter ausgestattet, der den Messwert und den Bereich seiner Werte auswählt. Es gibt jedoch Geräte mit automatischer Auswahl dieses Bereichs.

Digital verwendet in seiner Arbeit den Vergleich von Referenz- und Eingangssignal. Die Potenzialdifferenz wird gemessen, indem das Instrument direkt angeschlossen wird, und die Strommessung basiert auf der Bestimmung des Spannungsabfalls an der internen ohmschen Last des Testers. Die analoge Ansicht verwendet einen elektromechanischen Kopf in seinem Design, der in einem Rahmen platziert ist, der ein Magnetfeld erzeugt. Der Pfeil im Rahmen weicht je nach Eingangssignal ab. Abhängig von der Stärke dieser Abweichung wird der Messwert berechnet.

Vor Beginn der Arbeiten muss das Multimeter auf die Funktionsfähigkeit seiner Stromquelle überprüft werden. Ist es unbrauchbar, leuchtet beim Einschalten des Digitalgerätes die Anzeige mit blinkender Batterie auf. Bei einer Messuhr wird das Ersetzen der Batterien angezeigt, wenn der Pfeil nicht in die Nullposition gebracht werden kann.

Auf der Vorderseite der Multimeter befinden sich Schalter, mit denen Sie den einen oder anderen Betriebsmodus des Testers auswählen können. Die ON/OFF-Taste schaltet das Gerät ein oder aus. Neben, der Tester kann folgende Anschlüsse haben:

• 10A - Strommessungen mit einer Grenze von bis zu zehn Ampere;
• mA - Strommessung in Milliampere;
• COM - Buchse zum Anschluss einer Minuspol-Sonde;
• V / Ω - zum Anschluss einer Pluspolsonde.

Berechnung der Potentialdifferenz

Bevor Sie Messungen vornehmen, müssen Sie ein Paar Drähte an den Tester anschließen. Ein Draht (negativ) wird in die COM-Buchse gesteckt und der andere (positiv) wird in V / gesteckt. An einem Ende jeder Leitung befindet sich ein Stecker zum Einbau in die Buchse des Zählers und am anderen Ende eine Kontaktsonde. Um die Spannung zu messen, folge diesen Schritten:

1. Drücken Sie die ON / OFF-Taste, um das Multimeter einzuschalten.
2. Um die Gleichspannung zu messen, platzieren Sie den Schalter im Bereich des Testers mit der Bezeichnung DCV oder V— und AC - ACV oder V ~.
3. Stellen Sie die maximal mögliche Spannung ein, indem Sie denselben Schalter bewegen.
4. Stellen Sie sich durch Berühren der Sonden unter Beachtung der Polarität an die Messpunkte.

Nach einer Sekunde zeigt das Display eine Zahl an, die die gemessene Spannung angibt.

Messung der Ladungsverschiebung

Wie bei der Spannungsmessung wird vor Beginn der Messung ein Testaderpaar an den Tester angeschlossen. Der gemeinsame Draht wird in den COM-Anschluss eingesteckt und der positive Draht in mA oder A. Weiter Die Messungen werden in der folgenden Reihenfolge durchgeführt:

1. Der Tester schaltet sich ein.
2. Um den DC-Wert zu berechnen, wird der Schalter im Bereich des Multimeters mit der Bezeichnung DCA oder A platziert, und der AC-Wert ist ACA.
3. Es wird der höchstmögliche Stromwert eingestellt.
4. Die Fühler des Gerätes werden an die Leitungsunterbrechung angeschlossen.
5. Die auf dem Bildschirm angezeigte Zahl gibt den gemessenen Wert der Stromstärke an.

Die Messungen werden auf die gleiche Weise mit einem analogen Gerät durchgeführt. Das Messergebnis wird aber nicht durch die Anzeige bestimmt, sondern durch die Abweichung des Pfeils.