Ein preiswertes MultimeterBild: Ein Beispiel für ein preiswertes digitales Multimeter mit den wichtigsten Funktionen. Es besitzt zwar einen Diodentest, der praktische Summer für Durchgangstests fehlt leider.

Für Elektronik-Einsteiger:

Messen mit dem Multimeter

"Messen mit dem Multimeter - das ist doch keine Kunst!", wird mancher Leser behaupten. "Stimmt", antwortet der Autor, "dennoch sind einige Punkte zu beachten." Und: Multimeter messen nicht nur Spannung, Strom und Widerstand - sie leisten weit mehr.

Das Multimeter ist das universelle Messinstrument in der Hand des Elektronikers. Messen der Spannung, des Stromes, des Widerstandes oder die Verwendung des Multimeters als Durchgangsprüfer sind die gängigsten Anwendungen. Multimeter können - je nach Ausführung - mehr leisten: Sie zeigen die Temperatur an, messen Kapazitäten und Induktivitäten oder Frequenzen. Sie geben Auskunft darüber, ob die Diode oder der Transistor in Ordnung sind. Einige Exemplare signalisieren logische High- oder Low-Pegel. Sie besitzen mit einer Sicherung geschützte Messbereiche (Ampere) und solche, die bei falscher Handhabung das Messgerät zerstören können.

Spannung messen

Die Welt der (digitalen) Multimeter ist sehr vielfältig und sicherlich einmal eine nähere Betrachtung wert. Die Spannungsmessung ist die einzige Methode, die das Multimeter direkt beherrscht, alle weiteren sind indirekte Messungen. Bei der Messung des Stromes wird dieser über einen Widerstand bekannter Größe geleitet und aus der daran abfallenden Spannung der Strom berechnet. Um den Widerstand zu ermitteln, erzeugt das Messgerät einen konstanten Strom. Aus der gemessenen Spannung lässt sich der resultierende Widerstand ableiten. Doch zurück zur Spannungsmessung: Wie aus dem Amateurfunklehrgang bekannt ist, findet eine Spannungsmessung stets mit den Prüfspitzen parallel zum Messobjekt statt. Bei einer Batterie wird der Pluspol (rote Leitung) des Messgerätes an den Pluspol der Batterie gelegt, der Minuspol (schwarze Leitung) an den Minuspol der Batterie. Das Vertauschen der Leitungen (Plus und Minus) bleibt für das Messgerät solange folgenlos, wie es auf den richtigen Spannungsbereich eingestellt ist. Statt 5 Volt zeigt es dann - (minus) 5 Volt an.

Abb.: SpannungsmessungBild: Das kennen wir alle: Skizze zur Spannungsmessung.

Multimeter unterscheiden Gleich- und Wechselstrom. Gleichstrom (DC) wird direkt gemessen. Für die Messung an Wechselstrom wird intern ein Gleichrichter vorgeschaltet. Stellen wir das Multimeter auf "AC" (Wechselspannung) und auf einen Bereich von je nach Multimeter zwischen 400 bis etwa 750 Volt ein und messen die Spannung des Lichtnetzes, zeigt es erwartungsgemäß einen Wert von etwa 230 Volt an. Es handelt sich um den Effektivwert der gemessenen Wechselspannung. Das Multimeter misst aber der Spitzenwert, auch Scheitelwert genannt. Der berechnet sich zu 230 V mal 1.41 = 324,3 V. Vom Spitzenwert schließt das Multimeter auf den interessierenden Effektivwert (gemessener Wert / 1,41 = Effektivwert bei sinusförmigem Stromverlauf). Diese Berechnungen passen allerdings nur auf Wechselspannungen in Sinusform, wie sie beim 230-V-Netz vorliegt. Den Effektivwert von Rechteck-, Dreieck-, Sägezahn- oder andere Signalformen können Multimeter nicht korrekt anzeigen. Die Spannungsanzeige würde in die eine oder andere Richtung stark verfälscht werden, da der Faktor 1,41 (oder Wurzel aus 2) nur für Sinus passt. Mit der Kenntnis der Signalform und des dazu passenden Faktors lässt sich aber der korrekte Wert mit ein wenig Mathematik ermitteln. Dazu schließen wir von der am Multimeter angezeigten Effektivspannung auf die Spitzenspannung, also auf den Scheitelwert. Anschließend benutzen wir den für die jeweilige Signalform korrekten Faktor und berechnen damit den korrekten Effektivwert.

Autorange-MultimeterBild: Multimeter mit Durchgangsprüfer und Autorange-Funktion: Das bedeutet: Den Bereich für Spannung, Strom oder Widerstand etc. stellt das Multimeter selbständig ein. Beachten Sie: Die 10-A-Buchse ist "unfused" - ohne Schutz durch eine Sicherung.

Dazu ein Beispiel:

Wir wissen, dass eine Wechselspannung in Form eines Dreiecks vorliegt. Der dazu passende Faktor beträgt 1,73. Das Multimeter zeigt 12 Volt Effektivwert an. Wir schließen mit 12 V * 1,41 auf die Spitzenspannung, die 16,92 Volt beträgt. Nun teilen wir diesen Scheitelwert durch den Faktor für die Signalform des Dreiecks: 16,92 / 1,73 = 9,78 V. Die Effektivspannung beträgt also nicht mehr 12 V, wie das Messgerät glauben macht, sondern real etwas unter 9,8 V.

Zum Effektivwert:

Fließt eine Gleichspannung durch einen Widerstand, fließt ein konstanter Strom. Dieser bewirkt eine Leistung nach der Formel P = U mal I. Diese elektrische Leistung wird im Widerstand in Wärme umgesetzt. Wird der Widerstand von einem Wechselstrom durchflossen, ändert sich die hinzugefügte Leistung abhängig von der aktuellen Phase der Sinuswelle. Durchläuft die Sinuswelle den Nullpunkt, ist die Leistung gleich Null, bei 90 Grad, also am Spitzenwert, erreicht die zugeführte Leistung ihren Maximalwert un langsam bis 180 Grad auf Null zu sinken. Auch hier wird die Leistung in Wärme umgesetzt, die Temperatur des Widerstandes jedoch wird sich auf einen Mittelwert einstellen. Den Effektivwert erhält man, wenn der Wechselstrom durch einen Gleichstrom ersetzt würde, der im Widerstand exakt die selbe Leistung freisetzt - ihn auf dieselbe Temperatur aufheizt - wie zuvor der Wechselstrom. Das gilt auch für die Spannung. Der Effektivwert ist somit kleiner als der Spitzenwert und deutlich größer als Null. Er liegt irgendwo dazwischen und es ich leicht einzusehen, dass die Signalform (Sinus, Dreieck, Rechteck oder eine andere) einen Einfluss auf die zugeführte Leistung ausübt. Die Folge: Ändert sich die Signalform von z.B. von Sinus auf Dreieck, ändert sich der Effektivwert.

Merke:

Der Effektivwert ist der Betrag des Wechselstroms, der die gleiche Leistung erzeugt wie ein gleich großer Gleichstrom.

Weil elektronischer Bauelemente bei zu großer Hitzeentwicklung gern den "Geist" aufgeben, ist die thermische Belastung ein wichtiger Parameter. Der ist - wie zuvor gezeigt - (bei Wechselspannung/ -strom) vom Effektivwert abhängig und so wundert es nicht, dass in der Elektronik der überwiegende Teil der Wechselspannungen und -ströme als Effektivwerte ausgedrückt werden. Dem folgen auch die Multimeter.

Signalform	Scheitelfaktor
Sinus		1,44
Dreieck		1,732
Rechteck	1

Ströme messen

Zeigt das Multimeter einen Strom von 10 A an, beträgt der Spitzenstrom bei einem sinusförmigem Stromverlauf 10 A x 1,41 = 14,1 Ampere. So gilt auch hier das zum Effektivwert gesagte. Während bei der Spannungsmessung das Multimeter parallel zum Messobjekt angeschlossen wird und die Messung keinerlei Veränderung an der Schaltung erforderlich macht, ist es bei der Strommessung oft nicht so einfach. Wie bekannt ist, muss das Multimeter in Serie zum Messobjekt angeschlossen werden. Das funktioniert prima, wenn die Stromaufnahme eines Gerätes zu ermitteln ist und das Multimeter in die positive oder negative Spannungsversorgung eingefügt werden kann. Auf einer eng bestückten Platine gibt es hin und wieder Probleme, mit den Messspitzen an die interessierenden Bauelemente zu gelangen und das Multimeter in den Signalweg einzufügen. Ein kleiner Trick ermöglicht dennoch die Strommessung, wenn auch indirekt: Aus dem Spannungsabfall an einem Bauelement, etwa einem Widerstand, lässt sich leicht der Strom nach dem Ohmschen Gesetz zu I = U / R ermitteln. U - den Spannungsabfall - haben wir gemessen und R entspricht der auf dem Widerstand aufgedruckte Wert. Ein einfaches Beispiel: Es soll der Kollektorstrom eines Transistors gemessen werden. Anstatt die Leiterbahn zwischen Widerstand und Transistor zu unterbrechen und das Multimeter dort für eine Strommessung in Reihe einzufügen, geht es einfacher wie folgt beschrieben: Wir stellen das Multimeter auf Spannungsmessung (DC) und legen beide Messspitzen rechts und links des Widerstandes an. Die Spannung sei 5 Volt. Der Kollektorwiderstand hat beispielsweise 1000 Ohm. Wir rechnen: Der durch den Widerstand (und damit durch den Transistor) fließende Strom ist dann I = 5 Volt geteilt durch 1000 = 5 mA. Auf diese Art lassen sich manche Strommessungen durch eine Spannungsmessung ersetzen und bedeutend erleichtern.

Abb.: Strommessung indirektBild: Skizze zur indirekten Strommessung: Aus der gemessenen Spannung wird nach dem Ohmschen Gesetz der Strom berechnet.

Zum Messen von Strömen verfügen Multimeter meist über zwei Buchsen, eine für kleine und die andere für hohe Ströme. Die rote Messleitung ist (Vom Volt-Ohm-Eingang des Multimeters) vor einer Strommessung auf die entsprechende Ampere-Buchse umzustecken. Im Milliamperebereich schützt meist eine Sicherung das Messgerät, bei vielen Geräten müssen Messungen über die Buchse für hohe Ströme (z.B. 10 Ampere) ohne Sicherung auskommen. Sollte vor einer Strommessung nicht klar sein, wie viel Stromfluss zu erwarten ist, ist sehr zu raten, zuerst auf den hohen Strombereich zu schalten und später auf den niedrigen Messbereich zu wechseln. Nebenbei bemerkt: Im Hochstrombereich vertragen Multimeter keine Dauermessungen: Der interne Shunt, durch den der meiste Strom fließt, heizt sich auf und verträgt Maximalströme nur kurzzeitig. Pi-mal-Daumen-Regel: Im 10-A-Bereich sollte eine Messungen ab etwa 5 A aufwärts nicht länger als maximal eine Minute dauern.

Da fiel der Begriff Shunt: Wem es nicht mehr präsent ist, eine kurze Erklärung: Das Multimeter als Amperemeter misst einen maximalen Strom von sagen wir 100 mA bei "Endausschlag". Soll es über diesen Wert hinaus messen, schaltet man zum Amperemeter Bypasswiderstände, sogenannte Shunts parallel. Sie sind so bemessen, dass der meiste Strom über den Shunt und der kleinere, maximal 100 mA, durch das Messgerät fließt. Ja nach Shunt ergeben sich neue Messbereiche für 1 A, 10 A und so weiter.

Widerstände und Dioden testen

Hat die Leiterbahn einen Haarriss? Welchen Wert besitzt der Widerstand? Diese Fragen klärt der Elektronikbastler mit einem Multimeter in Stellung "Ohm-Messung". So arbeitet das Multimeter: Nach der Formel R= U x I erzeugt es einen konstantem Strom, welcher das zu messende Objekt durchfließt. Anhand der am Messobjekt abfallenden Spannung bestimmt es den Widerstand. Wichtig für das Resultat ist der korrekt eingestellte Messbereich. Die Messspannung darf dabei nur so groß sein, dass Bauelemente nicht zerstört werden. Praktisch ist die Nutzung des Ohmbereiches als Durchgangsprüfer. Am Multimeter ist diese Funktion mit einer Diode und einen Summer-Symbol oder einer Musiknote gekennzeichnet. So lassen sich bequem Dioden, Leiterbahnen und vieles mehr durchmessen, ohne auf das Multimeter zu blicken: Bei Durchgang (Null Ohm oder nahe Null Ohm) ertönt ein Pfeifton. Eine Diode zeigt in der Durchlassrichtung so gut wie keinen, in Gegenrichtung einen sehr hohen Widerstand.. Legt man die rote Messspitze an die Anode, die schwarze an die Kathode, fließt der Strom des Multimeters in Durchlassrichtung.

Abb.: Messung eines KondensatorsBild : Messung eines 220nF-Kondensators. Auch bei diesem Gerät ist die 10-A-Buchse nicht durch eine Sicherung geschützt.

Kapazitäten und Induktivitäten

Besitzt ein Multimeter die Möglichkeit, Kondensatoren und Spulen zu messen, zeigt ein Blick in dessen Bedienungsanleitung, welche Messbereiche es kennt. Nicht immer ist es möglich, kleinste Kapazitäten oder gar große Induktivitäten zu messen. Recht genaue Ergebnisse erzielen Multimeter, die eigene Anschlüsse für Kondensatoren oder Spulen aufweisen, weil die Messleitungen nicht benutzt und nicht in die Messung mit einfließen. Den unbekannten Kondensator steckt man in die vorgesehenen Aufnahmeschlitze, stellt den Messbereich ein und liest das Ergebnis ab. Das Messen von Kondensatoren und Spulen in einer Schaltung ist mit einem Multimeter nicht möglich.

Transistoren testen

Praktisch, wer es hat, doch es geht auch ohne - den Transistortester. In Stellung "hFE" gebracht, misst das Multimeter die Gleichspannungsverstärkung - und damit die Funktion - eines NPN- oder PNP-Transistors. Allerdings muss die Pinbelegung von Basis, Emmiter und Kollektor bekannt sein. Das Messgerät sollte etwa einen Wert von 100 bis 900 anzeigen. Wer ein Messgerät ohne Transistortester besitzt, kann sich dennoch helfen. Das funktioniert am besten mit einem analogen Multimeter (also eines mit Zeiger) oder einem digitalen, das unterhalb der digitalen Anzeige eine Bargraph-Anzeige besitzt. Sie simuliert den Zeigerausschlag analoger Instrumente und macht Tendenzen deutlich.

Abb.: Voltmeter für ElektrikerBild: Für Elektriker praktisch, für Elektroniker eher ungeeignet: Ein reines Voltmeter.

Methode1: Doch zum NPN-Transistorcheck: Im Ohmbereich das Messgerät auf etwa 400 kOhm einstellen, rotes Messkabel an den Kollektor, das schwarze an den Emitter anschließen. Der Widerstand ist unendlich. Nun mit einem feuchten Finger eine Brücke von der roten Messspitze (am Kollektor) zum Basiseingang des Transistors schaffen. Der, sofern korrekt, steuert durch, der Zeiger des analogen Multimeters bewegt sich, der gemessene Widerstand nimmt deutlich ab. Nun PNP: Schwarze Messkabel an den Kollektor anlegen, die rote an den Emitter (also genau umgekehrt wie zuvor). Mit dem feuchten Finger zwischen Emmitter und Basis eine Verbindung schaffen. Das Messgerät reagiert bei korrektem Transistor mit Abnahme des Widerstandes.

Abb.: Messen eines TransistorsBild : Prüfen eines NPN-Transistors nach der Methode 2.

Methode2: Ein Transistor kann man sich bestehend aus zwei Dioden vorstellen (Ersatzschaltbild). Wir nutzen das aus und prüfen die beiden Diodenstrecken. Das Multimeter stellen wir auf den Diodentest ein. NPN: Die rote Messstrippe legen wir an der Basis an, die schwarze einmal an den Kollektor und anschließend an den Emitter. In beiden Fällen sollte das Multimeter etwa 0,7 V bis 0,8 V anzeigen (bei einem Bipolaren Transistor). Und nun PNP: Das schwarze Messkabel kommt an die Basis, das rote einmal an den Kollektor und anschließend an den Emitter. In beiden Fällen sollte das Multimeter auch hier etwa 0,7 V bis 0,8 V anzeigen. Die Spannung entspricht dem Spannungsabfall an einer Diode in Durchlassrichtung.


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Copyright Michael Wöste