Wie funktioniert ein Voltmeter?
Ein Voltmeter ist ein Instrument, das dazu dient, die elektrische Spannungsdifferenz zwischen zwei Punkten in einem elektrischen Schaltkreis zu messen. Es gibt zwei Haupttypen von Voltmetern: Analog- und Digitalvoltmeter.
Analoges Voltmeter
Ein analoges Voltmeter verwendet einen elektromechanischen Mechanismus, der den durch einen Draht fließenden Strom in eine Spannungsanzeige umwandelt. In der Regel enthält es einen eingebauten, hochwertigen festen Widerstand und ein Amperemeter, das den durchfließenden Strom misst. Der vom Amperemeter erfasste Strom wird dann in Volt umgerechnet.
Die Funktionsweise basiert auf dem Ohmschen Gesetz, das besagt: „Die Spannung über einem Widerstand ist direkt proportional zum Strom, der durch ihn fließt.“ Dies lässt sich mathematisch darstellen als:
\[ V = I \times R \]
Beispielsweise funktioniert das D’Arsonval-Meter oder Galvanometer, indem es einen Zeiger in Reaktion auf einen elektrischen Strom ablenkt, der durch eine Spule in einem konstanten Magnetfeld fließt. Ein bewegliches Spulengalvanometer kann als Voltmeter verwendet werden, indem ein Widerstand in Serie mit dem Instrument geschaltet wird.
Digitales Voltmeter
Digitale Voltmeter sind Voltmeter, die Wechsel- und Gleichspannungswerte anzeigen und diskrete Zahlen anstelle einer Zeigerauslenkung verwenden. Sie sind im Vergleich zu analogen Voltmetern bevorzugt. DVMs sind in der Regel um einen speziellen Typ von Analog-Digital-Umsetzer, einen sogenannten Integrationswandler, herum konzipiert.
Ein Integrations-ADC ist eine Art Analog-Digital-Umsetzer, der eine unbekannte Eingangsspannung in eine digitale Darstellung umwandelt, indem ein Integrator verwendet wird. Digitale Voltmeter können mit hoher Genauigkeit hergestellt werden, typischerweise besser als 1 %. Speziell kalibrierte Testinstrumente weisen höhere Genauigkeiten auf.
Verbindung und Idealzustand
Voltmeter werden parallel geschaltet. Ein ideales Voltmeter hätte einen unendlichen Widerstand, sodass seine Verbindung zwischen zwei Punkten in einem Schaltkreis keine der Ströme verändern würde. Reale Voltmeter haben immer einen endlichen Widerstand, aber ein Voltmeter sollte einen ausreichend großen Widerstand haben, damit seine Verbindung zu einem Schaltkreis die anderen Ströme nicht wesentlich verändert. Voltmeter, die eine Potentialdifferenz von 1 μV messen können, sind üblich, und Empfindlichkeiten bis hinunter zu 10-12 sind erreichbar.
Zusammenfassung
Ein Voltmeter ist ein unverzichtbares Instrument für die Messung elektrischer Spannungen. Ob analog oder digital, beide Typen haben ihre spezifischen Anwendungen und Vorteile. Während das analoge Voltmeter mechanische Prinzipien nutzt, um Spannungen zu messen, setzen digitale Voltmeter auf moderne Technologie für eine präzisere und vielseitigere Messung.
