Mini-Voltmeter

Ein Mini-Voltmeter ist eine kleine Digitalanzeige, auf deren Rückseite sich eine Platine mit der Schaltung eines elektronischen Messgeräts befindet. Oft fehlt ein Gehäuse und die Platine und Bauteile sind sichtbar. Zwei oder drei Leitungen sind an der Platine verlötet. Der messbare Spannungsbereich liegt zwischen 0 und 100 Volt Gleichspannung. Zum Betrieb ist eine eigene Spannungsquelle empfehlenswert.

Diese Mini-Voltmeter sind zum Betrieb an Spannungsquellen, wie Netzteile und Ladeschaltungen gedacht. Als typische Messgeräte sind sie nicht konzipiert. Aufgrund der beschränkenden, technischen Parameter sind manche Messungen mit einem Mini-Voltmeter wenig sinnvoll und das Ergebnis sogar unbrauchbar. Doch diese Probleme hat man mit jedem billigen Messgerät. Nur sieht man sie nicht.
Zum „Messen lernen“ sind dieses Mini-Voltmeter sehr gut geeignet, weil man es dann zu schätzen weiß, wenn man mit einem besseren und genaueren Messgerät arbeiten kann.

Da es verschiedene Typen gibt, unterscheiden sie sich auch in ihrer Leistungsfähigkeit. Generell muss man den vergleichsweise kleinen Innenwiderstand und die geringe Genauigkeit und Geschwindigkeit berücksichtigen.

Innenwiderstand: Von einem Spannungsmesser erwartet man einen möglichst hohen Innenwiderstand. Den hat ein Mini-Voltmeter leider nicht. Ein Problem ist das aber nur dann, wenn man eine Spannung an einem großen Widerstand messen will (über 50 kOhm). Dann ist der Einfluss auf das Messergebnis deutlich zu groß. Die gemessene Spannung ist dann zu klein und der angezeigte Messwert verfälscht.

Genauigkeit: Mit 1 bis 3 % Genauigkeit kann man manche Mini-Voltmeter als Schätzkeulen ansehen. Allerdings gibt es analoge Zeigerinstrumente, die nicht sehr viel genauer sind und bei denen die Messwertaufnahme durch Ablesefehler zusätzlich verfälscht werden kann.

Geschwindigkeit: Eine Messwertänderung wird erst mit einer kurzen Verzögerung angezeigt. Für einzelne Messungen ohne Dynamik in den physikalischen Werten ist das keine große Einschränkung.

Für das Elektronik-Set Advanced Edition haben wir Mini-Voltmeter vorgesehen, die folgende technische Parameter aufweisen:

• Betriebsspannung: 4,0 bis 30,0 bzw. 100 V
• Stromverbrauch: < 20 mA
• Messbereich: 0,0 bis 30,0 V (DC)
• Genauigkeit: 1 bis 3 %
• Innenwiderstand: unbekannt

Betriebsspannung und Stromverbrauch

Das Messinstrument (Schaltung mit Anzeige) braucht eine eigene Energieversorgung. Die Betriebsspannung darf zwischen 4,0 und 30,0 bzw. 100,0 Volt liegen. Wir haben also eine breite Auswahl an möglichen Stromquellen, wie Netzteile und Batterien. Allerdings wird eine Betriebsspannung zwischen 5 und 12 Volt empfohlen.
Der Stromverbrauch liegt unter 20 Milliampere.

Messbereich

Typische Digitalmultimeter können neben anderen elektrischen Größen auch Gleichspannungen (DC) und Wechselspannungen (AC) bis über 1.000 Volt messen. Ein Mini-Voltmeter kann dagegen nur Gleichspannungen (DC) bis 30 oder vielleicht 100 Volt messen. Für einfache experimentelle Schaltung reicht das vollkommen aus. Die Schaltungen in diesem Elektronik-Guide arbeiten mit einer Gleichspannung von maximal 9 Volt. Im Gegensatz zu einem Digitalmultimeter müssen wir am Mini-Voltmeter nichts einstellen (Spannungsart, Messbereich und Polarität).

Genauigkeit

Die Angabe zur Genauigkeit, Unsicherheit oder Abweichung durch das Messgerät selber, im englischen Accuracy genannt, legt die maximal zu erwartende Abweichung eines Messwerts vom wahren Wert der zu messenden physikalischen Größe fest.

Ein Digitalmultimeter im oberen zweistelligen Preisbereich hat bei Gleichspannungsmessungen eine Genauigkeit von 0,5 % (beispielhaft), was für fast alle Messungen mehr als ausreichend ist. Die Genauigkeit eines Mini-Voltmeters im Elektronik-Set Advanced Edition ist mit 1 bis 3 % vergleichsweise hoch. Professionelle Messungen sind damit definitiv ausgeschlossen.
Manche Messwerte lassen sich mit diesen Mini-Voltmeter nicht sinnvoll messen. Die Verwendung eines Digitalmultimeters mit höherer Genauigkeit ist für mehr Mess-Anwendungen geeignet. Für die meisten Messungen ist die Genauigkeit von 1 bis 3 % ausreichend. Sollte das ein Problem darstellen, wird darauf hingewiesen.

Innenwiderstand

Ein Messgerät ist vom Prinzip her eine elektronische Schaltung, die Strom verbraucht. Stark vereinfacht kann man ein Messgerät als Widerstand sehen, an dem eine Spannung abfällt und durch den ein Strom fließt. Jedes Messgerät hat einen Widerstand, den man als Innenwiderstand bezeichnet. Bei einem Spannungsmesser sollte er möglichst hochohmig sein, damit der Einfluss auf die Schaltung oder das zu messende Bauteil möglichst gering ist. Manche einfachen Messgeräte haben einen Innenwiderstand der für manche Messungen zu klein ist.

Ob der Innenwiderstand eines Messgeräts ein Problem darstellt, dazu muss immer das Umfeld in der Schaltung bei der Messung betrachtet werden. Beim Messen an großen Widerständen oder in Schaltungen mit großen Widerstandswerten kann ein zu kleiner Innenwiderstand des Messgeräts ein Problem sein. Er beeinflusst nicht nur den Messwert, sondern auch die Funktionsweise der Schaltung, wodurch Fehlfunktionen ausgelöst werden können. Deshalb ist höchste Vorsicht geboten, beim Messen in Schaltungen in Produktivumgebungen.

Der Innenwiderstand eines Messgeräts ist in der Anleitung oder im Datenblatt des Messgeräts dokumentiert. Bei einem unbekannten Innenwiderstand, sollte man von einem nicht allzu hohen Innenwiderstand ausgehen. Man kann ihn auch nicht messen, sondern höchstens näherungsweise durch Vergleichen ermitteln.

Richtig „Messen lernen“ bedeutet, auch zu wissen, was ein gutes Messgerät ausmacht. Die Stichworte sind Innenwiderstand und Genauigkeit. Ja, aber warum? Es ist nicht verkehrt, das am eigenen Leib erfahren zu haben. Für den praktischen Einsatz gilt, sich ein gutes Messgerät zu beschaffen.

Aber, woher will man wissen, was gut ist, wenn man das Schlechte nicht kennt?

1. Ein billiges Digitalmultimeter kostet nur wenige Euro. Aber, die Genauigkeit eines billigen Multimeters ist auch begrenzt. Wer irgendwann mal ein vernünftiges Messgerät haben möchte, der sollte auch wissen, welche Parameter in seine Entscheidungsfindung einfließen sollten.
2. Typische Messungen in der Elektronik bestehen in der Regel in mehreren aufeinanderfolgenden Einzelmessungen mit Messwertaufnahme, Dokumentation und anschließender Analyse. Diese Vorgehensweise ist zu empfehlen. Allerdings ist das eher etwas für präzise und diszipliniert arbeitende Menschen. Für den Elektronik-Einsteiger und die meisten Hobby-Elektroniker ist der direkte Vergleich von mehreren Messwerten besser für einen maximalen Erkenntnisgewinn. Dazu sind mehrere Messgeräte nötig, was für ein paar Messungen aber viel zu teuer wäre.
3. Schon die einfachsten Digitalmultimeter sind mit Funktionen und Einstellmöglichkeiten überfrachtet. Viele Funktionen werden von den meisten Hobby-Elektronikern nie gebraucht. Ein universelles Digitalmultimeter zu haben ist sicherlich sinnvoll, allerdings muss man das dann auch bedienen können. Bei einem Mini-Voltmeter ist man natürlich eingeschränkt, man kann aber auch nicht so viel falsch machen. Es hat zwei Leitungen für die Betriebsspannung, und eine Leitung, um die Spannung an einem beliebigen Punkt in einer Schaltung gegen Ground (GND, 0 Volt) zu messen. Einfacher geht es nicht.

Ein Mini-Voltmeter ist eine kleine Digitalanzeige auf einer Platine, auf der sich die Schaltung eines elektronischen Messgeräts befindet. Oft fehlt ein Gehäuse und die Platine und Bauteile sind auf der Hinterseite sichtbar. Zwei oder drei Leitungen sind an der Platine verlötet. Der messbare Spannungsbereich ist vom Typ abhängig. Diese Mini-Voltmeter sind zum Betrieb an Spannungsquellen, wie Netzteile und Ladeschaltungen gedacht. Als typische Messgeräte sind sie nicht konzipiert.

Wenn ein Mini-Voltmeter über drei Anschlussleitungen verfügt, dann kann man es trotzdem als einfaches Messinstrument verwenden. Dann werden zwei Leitungen für die Betriebsspannung von einer separaten Spannungsquelle verwendet. Die dritte Leitung dient zum Messen einer Spannung bezogen auf 0 Volt bzw. Ground (GND).

Es empfiehlt sich für das Mini-Voltmeter eine eigene Spannungsquelle zu verwenden, und nicht die Spannungsquelle der Schaltung, in der gemessen wird. Wichtig ist dabei, dass der Ground (GND) beider Spannungsquellen miteinander verbunden werden muss.

• Steckbrett 1
• Steckbrett 2
• 5 Verbindungskabel
• mehrere Klemmleisten
• 3 Mini-Voltmeter
• Batterie-Adapter 1
• Batterie-Adapter 2

Empfehlung: Kleiner Kreuzschlitz- oder mittlerer Flachschlitz-Schraubendreher für die Klemmleisten.

1. Stecke die Klemmleisten wie auf dem Bild gekennzeichnet auf das Steckbrett.
2. Nehme die Mini-Voltmeter und schraube die roten und schwarzen Adern für die Stromversorgung in den farblich dazu passenden Klemmleisten fest. Der Aufbau sieht vor, dass jeweils alle roten und alle schwarzen Adern Kontakt haben.
3. Schraube die 3. Ader (blau, weiß oder gelb) in der blauen Klemmleiste fest. Das sind die Messleitungen. Der Aufbau sieht vor, dass die Adern in der blauen Klemmleiste keinen Kontakt zusammen haben.
4. Klemme die Adern der Batterie- oder Netzteil-Adapter in die grünen Klemmleisten.
5. Verbinde die rechte grüne Klemmleiste mit je einem roten und schwarzen Verbindungskabel auf dem Steckbrett mit der Steckreihe, in der die rote bzw. schwarze Klemmleiste eingesteckt ist.
6. Wichtig: Verbinde die GND-Reihe der Steckbretter bzw. Schaltungen miteinander.

Mini-Voltmeter gibt es in unterschiedlichen Bauweisen, die sich auf den ersten Blick nicht groß unterscheiden. Bei genauerer Betrachtung bemerkt man einen wichtigen Unterschied. Beispielsweise gibt es welche, die auf der Platinenunterseite eine Möglichkeit der Kalibrierung mittels einer Schraube vorsehen.
Im Prinzip muss jedes Messgerät kalibriert werden. In der Regel erfolgt das anhand einer vergleichenden Messung mit einem Referenzgerät.

Da man ein kalibriertes Messgerät als Referenz nicht voraussetzen kann, bedarf es einer anderen Lösung. Für die Kalibrierung können wir auch eine Schaltung oder ein Bauteil verwenden, das eine Referenzgröße erzeugen kann. Dafür eignet sich ein Festspannungsregler vom Typ 7805, der eine feste Gleichspannung von 5 Volt erzeugt, die uns als Referenzwert dient.

Hinweis: Die Grundschaltung eines Festspannungsreglers vom Typ 7805 sieht auf der Eingangs- und Ausgangsseite jeweils einen Kondensator vor. In diesem Fall können wir darauf verzichten, weil der Regler durch das Voltmeter kaum belastet wird. Der Regler wird auch ohne diese Kondensatoren stabil 5,00 Volt liefern.

1. Verbinde das Mini-Voltmeter mit einer 9-Volt-Batterie (Rot = Plus und Schwarz = Minus).
2. Verbinde die Eingangsseite des Spannungsregler IN (linker Anschluss) und GND (mittlerer Anschluss) mit Plus (+) und Minus (-) der 9-Volt-Batterie.
3. Verbinde die Messleitung des Voltmeters (Gelb, Weiß oder Blau) mit der Ausgangsseite des Spannungsreglers OUT (rechter Anschluss).
4. Das Voltmeter sollte „5.00“ anzeigen. Wenn nicht, dann drehe die Kalibrierungsschraube auf der Rückseite des Multimeters mit einem kleinen Schraubendreher hin und her, bis es „5.00“ angezeigt.

Bleibt der angezeigte Wert stabil auf „5.00“ stehen, dann ist das Mini-Voltmeter ganz genau kalibriert. Wenn sich das Mini-Voltmeter nicht ganz exakt einstellen lässt, dann kann man mit einer geringen Abweichung von 0,01 oder 0,02 nach oben, wie auch nach unten leben. Ein Wert von „5.02“ ist hinreichend genau.