Was ist ein Voltmeter?
Ein Voltmeter ist ein Instrument zur Messung der elektrischen Spannungsdifferenz zwischen zwei Punkten eines elektrischen Schaltkreises. Um die Spannungsdifferenz zwischen beliebigen zwei Punkten im Schaltkreis zu finden, werden die Voltmeteranschlüsse zwischen diesen Punkten angeschlossen, ohne den Draht zu unterbrechen oder zu schneiden. Die Spannungsdifferenz wird als ΔV = Va – Vb angegeben.
Gängige Voltmetertypen
Die am häufigsten verwendeten Voltmetertypen sind:
- Permanent Magnet Moving Coil Voltmeter – PMMC
- Bewegliches Eisenvoltmeter
- Digitalvoltmeter – DVM
- Elektrodynamometer
- Gleichrichtertyp-Voltmeter
- Induktionstyp-Voltmeter
- Elektrostatisches Voltmeter
Voltmeter werden parallel geschaltet und in einer Vielzahl von Stilen hergestellt, einige davon separat betrieben (z.B. durch Batterie), andere durch die gemessene Spannungsquelle selbst. Ihre Funktionalität ist in moderne Multimeter integriert.
Ideale und reale Voltmeter
Ein ideales Voltmeter hätte unendlichen Widerstand, sodass seine Anschaltung an einen Schaltkreis keine der Ströme verändern würde. Reale Voltmeter haben jedoch immer einen endlichen Widerstand. Ein Voltmeter sollte einen so großen Widerstand haben, dass seine Anschaltung an einen Schaltkreis die anderen Ströme nicht wesentlich verändert. Voltmeter, die eine Spannungsdifferenz von 1 μV messen können, sind üblich, und Empfindlichkeiten bis zu 10-12 sind erreichbar. Digitale Messgeräte können mit hoher Genauigkeit hergestellt werden, typischerweise besser als 1%. Speziell kalibrierte Testgeräte weisen höhere Genauigkeiten auf.
Symbol und Charakteristika eines Voltmeters
In Schaltplänen wird ein Voltmeter durch den Buchstaben V in einem Kreis dargestellt, mit zwei herausführenden Linien, die die zwei Messpunkte repräsentieren.
Die hydraulische Analogie, oder die Elektro-Flüssigkeits-Analogie, ist eine weit verbreitete Analogie zwischen Hydraulik und Elektrizität und ein nützliches Werkzeug für Lehrzwecke und für diejenigen, die Schwierigkeiten haben, das Funktionieren von Schaltkreisen zu verstehen.
Funktionsweise eines Voltmeters
Ein herkömmliches analoges Voltmeter verwendet beispielsweise einen elektromechanischen Mechanismus, der den durch den Draht fließenden Strom in eine Spannungsanzeige umwandelt. Ein analoges Voltmeter enthält normalerweise einen eingebauten, hochwertigen Festwiderstand und ein Amperemeter zur Messung des durchfließenden Stroms. Der vom Amperemeter erfasste Strom wird dann in Volt umgerechnet. Seine Funktionsweise basiert auf der Idee des Ohmschen Gesetzes: „Die Spannung über einem Widerstand ist direkt proportional zum Strom, der durch ihn fließt“, V = I x R.
Anwendungen eines Voltmeters
Mit einem digitalen Multimeter, einem analogen Multimeter oder einem Voltmeter kann man die Spannung von Haushaltsstromkreisen oder Batterien messen. Die meisten Elektriker und Anfänger bevorzugen ein digitales Multimeter, aber man kann auch ein analoges Multimeter verwenden. Die Spannungsmessung ist wichtig in Verbindung mit allen Arten von Stromquellen, um deren Leistung zu überprüfen. Instrumente, die dauerhaft in einem Panel montiert sind, werden verwendet, um Generatoren oder andere feste Apparaturen zu überwachen. Ein Voltmeter kann auch verwendet werden, um die Ausgabe von verschiedenen Arten von analogen Sensoren anzuzeigen, die eine Spannungsausgabe haben. Eine grafische Anzeige kann in Audioausrüstung verwendet werden, um das Signalniveau anzuzeigen, das proportional zur Spannung sein kann.
Unterschiede zwischen analogen und digitalen Voltmetern
Viele Voltmeter sind digital, mit numerischen Anzeigen für Messwerte. Die Voltmeter bieten auch analoge Ablesungen, indem sie einen Zeiger auf einer Skala bewegen, um die Spannung anzuzeigen; jedoch sind digitale Voltmeter im Allgemeinen genauer als analoge Instrumente. Ein analoges Panelmeter wird in der Abbildung gezeigt. Die verschiedenen Skalen auf dem Zifferblatt entsprechen separaten Eingangsklemmen auf der Rückseite der Einheit. Moderne analoge Voltmeter werden immer noch hergestellt und können preiswerter sein als ihre digitalen Pendants.
Unterschied zwischen Gleichstrom- und Wechselstromvoltmeter
Das Gleichstromvoltmeter wird verwendet, um Gleichspannung zu messen, während das Wechselstromvoltmeter verwendet wird, um Wechselspannung zu messen. Der Spitzenwert der Gleichspannung wird durch das Gleichstromvoltmeter gemessen, während der Effektivwert der Wechselspannung durch das Wechselstromvoltmeter gemessen wird. Ein Gleichrichter wird vor einem mehrstufigen Verstärker in einem Gleichstromvoltmeter nicht verwendet, aber ein Wechselstromvoltmeter misst den Effektivwert der Wechselspannung.
Typische Spannungen
Um verschiedene Größenordnungen zu vergleichen, beschreibt die folgende Liste typische Spannungsniveaus:
- 1,5V (DC) – Eine gängige Leerlaufspannung für nicht wiederaufladbare Alkalibatterien (z.B. AAA, AA, C-Zellen).
- 3,8V (DC) – Fast alle Smartphone-Akkus arbeiten mit 3,8 Volt.
- 12V (DC) – Eine gängige Spannung für Autobatterien beträgt 12 Volt (DC).
- 110 – 120V (AC) – Die häufigste elektrische Steckdose in jedem Haushalt.
- 3kV – Spannung, die erforderlich ist, um jeden 1mm eines elektrischen Lichtbogens zu erzeugen.
- 110kV – Die Spannung in elektrischen Übertragungsleitungen.
- 300 MV – Ein typischer Blitzschlag beträgt etwa 300 Millionen Volt und etwa 30.000 Ampere.
Häufig gestellte Fragen
Was ist das häufigste Voltmeter? Man kann die Spannung von Haushaltsstromkreisen oder Batterien mit einem digitalen Multimeter, einem analogen Multimeter oder einem Voltmeter messen. Die meisten Elektriker und Anfänger bevorzugen ein digitales Multimeter, aber man kann auch ein analoges Multimeter verwenden.
Was sind die Hauptmerkmale von Voltmetern? Ein ideales Voltmeter hätte unendlichen Widerstand, sodass seine Anschaltung an einen Schaltkreis keine der Ströme verändern würde. Reale Voltmeter haben jedoch immer einen endlichen Widerstand. Ein Voltmeter sollte einen so großen Widerstand haben, dass seine Anschaltung an einen Schaltkreis die anderen Ströme nicht wesentlich verändert.
Was sind die Haupttypen von Voltmetern? Die gängigsten Voltmetertypen sind: Permanent Magnet Moving Coil Voltmeter – PMMC, Bewegliches Eisenvoltmeter, Digitalvoltmeter – DVM, Elektrodynamometer, Gleichrichtertyp-Voltmeter, Induktionstyp-Voltmeter und elektrostatisches Voltmeter.
