Multimeter- Kauf / Messungen an hochohmigen Messpunkten

Auf die Frage von Herrn Kopfstedt nach Tips zum Multimeterkauf - analog oder digital - Spannungsbereich bis 500 Volt ausreichend? - Marke/Modell - eingebauter Kapazitätsmessbereich sinnvoll? -
http://www.radiomuseum.org/dsp_forum_post.cfm?thread_id=19152
habe ich - obwohl um kurze Antwort bemüht, mit einem für das Forum schon recht langen Text geantwortet. Hier nun noch mal ein erweiterter Text zu diesem Thema. 

 

1. digitales Multimeter, digitales Kapazitätsmessgerät

Die heutigen digitalen Multimeter sind schon wahre Tausendsassas. Für ca. 50 EURO bekommt man ein Gerät, das Gleich- und Wechselspannungen und -ströme, Widerstandswerte und Kapazitäten, Niederfrequenzen und sogar Temperaturen mit internem und externem Fühler messen kann. Der Innenwiderstand bei Spannungsmessungen ist sehr hoch - die Wichtigkeit dieses Punktes werde ich unter Punkt 5. zu beschreiben versuchen. Es lassen sich Transistoren prüfen, ein Durchgangsprüfer ist eingebaut, und das Gerät schaltet nach einiger Zeit automatisch ab. Wie nützlich gerade letzteres ist, musste ich mit dem Vorgänger meines jetzigen Multimeters erfahren - dessen Batterie war ständig leer, weil ich das Abschalten vergessen hatte.

Mit einem solchen Gerät lassen sich schon etliche messtechnische Aufgaben lösen, vor die uns das Radiohobby stellt. Wenn es darum geht, ein Netzteil zu prüfen oder den Arbeitspunkt von Röhren gleichspannungsmässig zu erfassen, sind es ideale Geräte.

Leider gibt es auch einen entscheidenden Nachteil: digitale Instrumente taugen nicht für Abgleichzwecke. Abgleich ist hier nicht unser Thema, aber im Prinzip geht es darum, zum Beispiel am Abgleichkern einer Spule zu drehen, um an einem bestimmten Messpunkt einen Spannungswert auf Minimum oder Maximum abzugleichen. Versucht man dies mit dem Digitalmultimeter, wird man immer wieder über den richtigen Punkt hinwegdrehen, weil das Instrument nur 1 bis 3 mal in der Sekunde seine Anzeige erneuert. Das Problem stellt sich im richtigen Leben auch: wenn man einen Kuchen backen will und wiegt auf einer digitalen Küchenwaage ein Pfund Mehl ab, wird man beinah immer zuerst zuviel Mehl in die Schüssel tun, da die Waage das Ergebnis so träge anzeigt. Will man aber nur feststellen, ob der Mehlvorrat noch ausreicht, um den Kuchen zu backen, wird das nicht zum Problem. Da kann man in Ruhe abwarten, bis die Waage sich mit sich selbst geeinigt hat. Oder, um wieder aufs Hobby zu kommen, versuche man einmal, ein verstellbares Netzteil auf eine bestimmte Ausgangsspannung einzustellen mit Hilfe eines angeschlossenen Digitalvoltmeters - gar nicht so einfach.

Fazit: ein digitales Multimeter muss her! Mein Tip: ein digitales Kapazitätsmessgerät zusätzlich anschaffen (ca. 30 EURO). Das erleichtert die Arbeit ungemein: mal schnell einen Kondensator an einem Bein aus der Schaltung löten und ans Messgerät klemmen, schon weiss man mehr, und das Multimeter kann derweil woanders angeschlossen bleiben.

Vorsicht, ein Kondensator kann trotzdem kaputt sein, auch wenn er die erwartete Kapazität anzeigt. Vielleicht sind seine Isolations-Eigenschaften nicht mehr in Ordnung. Sowas kann man mit einem Isolationstester feststellen. Ich empfehle dazu die Ausführungen von Herrn Heigl.
http://www.radiomuseum.org/dsp_forum_post.cfm?thread_id=5560
und auf Herrn Heigls Homepage www.radio-ghe.com/isotest5.htm (Link mit freundlicher Genehmigung durch Herrn Heigl).

2. analoges Multimeter

Es gibt drei Arten analoger Multimeter:

- Geräte, die ich mal als "Spannungsteiler-Multimeter" bezeichnen würde. Sie bestehen eigentlich nur aus einem sehr empfindlichen uA-Meter und einem umschaltbaren Widerstandsnetzwerk, mit dem man die Messbereiche umschaltet. Gleich- und Wechselspannungs- und Gleichstrommessungen sind möglich, ausserdem Widerstandsmessungen. Die Wechselspannungsskala ist wegen der Diodenkennlinie unlinear. Der entscheidende Nachteil ist aber der relativ niedrige Innenwiderstand von etwa 20 kOhm/Volt bei Spannungsmessungen, der an den in unseren Radios oft recht hochohmigen Messpunkten das Ergebnis verfälschen kann (ich erkläre dies noch näher unter Punkt 5). Die Geräte sind auch in kleiner Bauform manchmal in Baumärkten zu finden. Man sollte sie aber links liegen lassen.

- Geräte mit FET-(Feldeffekttransistor)-Eingang und Messverstärker auf Halbleiterbasis. Das wäre schon das Richtige für uns. Der Innenwiderstand liegt im zweistelligen Megaohm-Bereich, und es lassen sich mit entsprechenden Tastköpfen Wechselspannungen hoher Frequenzen bis zu mehreren Hundert MHz messen. Da die meisten Hobbyelektroniker mit einem digitalen Multimeter zurechtkommen (wenn es nicht um Radioabgleich geht!), werden die FET-Voltmeter in nur kleinen Stückzahlen vorwiegend für Profis und Labore gebaut und sind entsprechend teuer. Gebraucht bekommt man sie eher selten.

- Röhrenvoltmeter. Werden heute nicht mehr hergestellt, haben ähnlich gute Eigenschaften wie die FET-Voltmeter, aber den Vorteil, dass man sie häufig bei ebay gebraucht angeboten bekommt. Ich selbst habe ein Gerät der Firma Klein und Hummel von 1962, Typ Teletest RV 12 für um die 30 EURO erstehen können und bin recht zufrieden damit. Im Gleichspannungsbereich hat es einen Innenwiderstand von 11 MegOhm, im Wechselspannungsbereich (brauchbar bis 7,5 MHZ) von 1,5 MegOhm. Zusammen mit einem HF-Tastkopf kann man hochfrequente Wechselspannungen von maximal 50 Volt bis zu einer Frequenz von 250 MHz sinnvoll messen.

Aus meiner Sicht ist so ein Röhrenvoltmeter die ideale Ergänzung zum Digitalmultimeter.

3. Spannungsbereich

Ein Spannungsmessbereich von 500 Volt AC und DC reicht für Radiozwecke sicher aus, allerdings gehen die Messbereiche von Standard-Multimetern eh weiter hinauf. Beispiel: mit meinem Röhrenvoltmeter (Teletest RV 12 von Klein + Hummel) kann ich Spannungen bis 1500 Volt messen, und mein Digitalmultimeter schafft Gleichspannungen bis 1000 Volt und Wechselspannungen bis 700 Volt. Das reicht auch dann aus, wenn man Netzteile für Sendeendstufen mit Röhren bauen will.

4. Marken

In Sachen Digitalmultimeter mag ich mich nicht über Marken auslassen, da ich nicht viel darüber weiss. Röhrenvoltmeter kann man sehr wohl nach Markennamen kaufen. Einige der renommierten Radiohersteller waren in den 60er Jahren auch mit Servicegerätelinien für Radio- und Fernseh-Reparaturwerkstätten am Markt, z.B. Grundig, Philips, Telefunken, Nordmende etc. Sehr beliebt waren auch die Bausatzgeräte von Heathkit. Hewlett-Packard, Klein und Hummel, Rohde und Schwarz sind Marken, auf die man achten kann (Aufzählung unvollständig).

5. Einfluss des Innenwiderstandes eines Voltmeters auf das Messergebnis an einem hochohmigen Spannungsteiler

Ein Spannungsteiler besteht in seiner einfachsten Form aus zwei Widerständen R1 und R2 in Reihenschaltung, an die eine Spannung U angelegt wird. Die Teilspannungen U1 und U2 verhalten sich genau so wie die Teilwiderstände: U1/U2 = R1/R2 (Abb. 1).

                              

Gegeben sei nun ein Spannungsteiler bestehend aus zwei Widerständen von R1=R2=1MegOhm, an den eine Spannung U von 10 Volt angelegt wird. Beide Teilspannungen U1 und U2 sind gleich gross --> U1=5 Volt. Ein idealer Spannungsmesser mit einem Innenwiderstand Ri=unendlich würde dies auch so anzeigen (Abb. 2).

     

Leider gibt es diesen idealen Spannungsmesser nicht. Der Innenwiderstand Ri ist immer endlich. Beispiel: ein einfaches Vielfachmessinstrument ohne Messverstärker sei mit einem Innenwiderstand von 20 kOhm/Volt angegeben. Dann hat es im Messbereich von 10 Volt einen Innenwiderstand Ri von 20kOhm/Volt x 10 Volt = 200 KOhm. In der Abb. 3 soll nun an unserem Spannungsteiler die Spannung U1 am Widerstand R1 mit diesem Instrument gemessen werden.

Theoretisch müssen dort 5 Volt abfallen. Was messen wir wirklich? In der Abb. 3a sehen wir den Innenwiderstand Ri dem Widerstand R1 parallelgeschaltet.



Nach dem Kirchhoffschen Gesetz errechnet sich der Gesamtwiderstand von R1 und Ri zu Rges=1/((1/R1)+(1/Ri)). Setzt man hier die Werte R1=1MegOhm und Ri=200kOhm ein, erhält man einen Wert von 166,66kOhm für Rges (Abb. 3b).




Rges bildet nun mit R2 den Spannungsteiler. Wenn wie oben besprochen sich die Teilspannungen wie die Teilwiderstände verhalten, gilt folgende Rechnung: U1/U2=Rges/R2 --> U1/U2=166,66/1000=1/6. Wenn U1+U2=10Volt und U1=(1/6)xU2, dann gilt U2 gleich 8,57 Volt und U1 nur noch 1,43 Volt, wo wir doch 5 Volt erwartet haben! Ein klassischer Messfehler also!

Jetzt machen wir die Gegenrechnung auf und nehmen an, mein weiter oben erwähntes Röhrenvoltmeter, das über alle Gleichspannungsmessbereiche hinweg einen Eingangswiderstand von 11 MegOhm hat, kommt bei der Messung zur Anwendung. Unser Spannungsteiler bleibt derselbe, nur dass dem Widerstand R1 von 1 MegOhm nun ein Geräte-Innenwiderstand Ri von 11 Megohm parallelgeschaltet wird. Der resultierende Gesamtwiderstand beträgt nun 917 kOhm und an Rges liegen dann U1=4,78 Volt anstatt der zu erwartenden 5 Volt. Das ist dann ein Messfehler von 4,4%, der nahe der sowieso nur erzielbaren Anzeigegenauigkeit des Röhrenvoltmeters liegt. Damit kann man wohl leben!

Jetzt nochmal zurück zum einfachen Vielfachmessgerät von eben. Es wäre ja auch denkbar, einen Messbereich von 500 Volt einzuschalten. Dann wäre der Innenwiderstand des Geräts 20 kOhm/Volt x 500 Volt = 10 MegOhm. Der Messfehler wäre dann vergleichbar klein wie im Beispiel des Röhrenvoltmeters. Wer aber will vierkommasoundsoviel Volt auf einer Skala ablesen, die bis 500 Volt reicht?

 

Schlussfolgerungen:

- die Anschaffung eines Digitalmultimeters ist unbedingt zu empfehlen.
- für Abgleicharbeiten ist ein analoger Spannungsmesser unabdingbar
- wichtig ist Hochohmigkeit. Bei einem digitalen Multimeter ist dies gegeben, als Analoggerät empfehle ich ein Röhrenvoltmeter
- man sollte die Anschaffung eines separaten digitalen Kapazitätsmessgerätes in Erwägung ziehen

Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.