Eigenes Analog-Multimeter bauen: Von Bauteilen zur Kalibrierung

Teile und Materialien

• Messwerk (Radio Shack Katalog #22‑410)
• Wählschalter, einpolig, multi-throw, break-before-make (Radio Shack Katalog #275‑1386, ein 2-poliger, 6-stelliger Typ funktioniert gut)
• Mehrgängige Potentiometer, PCB-Mount (Radio Shack Katalog #271‑342 – 15-gängig, 1 kΩ; #271‑343 – 15-gängig, 10 kΩ „Trimmer“)
• Sortierte hochpräzise Metallfilm- oder Drahtwiderstände (Radio Shack Katalog #271‑309, ±1 % Toleranz)
• Kunststoff- oder Metall-Montagegehäuse
• Drei „Bananen“-Buchsen-Bindungsposten oder äquivalentes Anschlusshardware (Radio Shack Katalog #274‑662)

Der Kern jedes Messgeräts ist sein Werk – der Nadel-und-Skala-Mechanismus, der elektrischen Strom in sichtbare Auslenkung umwandelt. Ein größeres, empfindlicheres Werk verbessert Lesbarkeit und reduziert benötigte Testströme. Während hochwertige Werke kostspielig sein können, bieten die gelisteten Radio-Shack-Optionen eine gute Balance aus Leistung und Preis.

Das empfohlene Werk wird als 0‑15 V-Voltmeter vermarktet, fungiert aber in der Praxis als Milliamperemeter mit einem externen Multiplikatorwiderstand. Sie können auch das Werk aus einem ausrangierten analogen Messgerät repurposen; der pädagogische Wert der Demontage überwiegt oft den Preis einer neuen Einheit.

Widerstandswahl ist kritisch. Nutzen Sie präzise Festwiderstände statt Kohleschicht-Typen, die mit Temperatur und Alterung driften. Auch wenn Stabilität nicht Ihr primäres Ziel ist, machen Präzisionskomponenten das Lernerlebnis bedeutungsvoller.

Querverweise

Lessons In Electric Circuits, Volume 1, Chapter 8: „DC Metering Circuits.“

Lernziele

• Voltmeter- und Amperemeter-Designprinzipien verstehen
• Rheostat-basierte Bereichsbegrenzung implementieren
• Kalibrierungstheorie und -praxis anwenden
• Lötfertigkeit entwickeln

Schaltplan

Illustration

Anweisungen

1. Ermitteln Sie die Vollausschlag-Ablenkung (FSD) des Werks (in mA oder µA). Verbinden Sie das Werk mit einem Potentiometer, einer Batterie und einem digitalen Amperemeter in Reihe. Stellen Sie das Potentiometer ein, bis die Nadel Vollausschlag erreicht, und lesen Sie den Strom ab. Vermeiden Sie, die nominelle FSD des Werks zu überschreiten – die meisten liegen ≤ 1 mA.

2. Messen Sie den Innenwiderstand (Rₘ). Trennen Sie den Testkreis, legen Sie ein digitales Ohmmeter an die Werkanschlüsse an und notieren Sie den Widerstand. Kombinieren Sie FSD und Rₘ für spätere Berechnungen.

3. Berechnen Sie den Multiplikatorwiderstand (Rₘᵤlt) für den gewünschten Spannungsbereich. Beispiel: 1 mA FSD und 400 Ω Rₘ bei Ziel 0‑15 V ergeben einen Gesamtwiderstand von 15 kΩ. Subtrahieren Sie Rₘ, um 14,6 kΩ für den Multiplikator zu erhalten. Ein praktisches Rheostat-Netzwerk könnte ein 10 kΩ-Potentiometer parallel zu einem 10 kΩ-Festwiderstand, alles in Reihe mit einem weiteren 10 kΩ-Festwiderstand sein.

4. Wählschalter-Verdrahtung:

• Position 1: Verbinden Sie das Werk direkt zwischen Common (schwarz) und V/mA (rot) – dies konfiguriert ein Amperemeter mit Bereich gleich der FSD des Werks.
• Position 2: Kurzschließen Sie den positiven Werkanschluss mit dem negativen, um es vor versehentlicher Überspannung zu schützen.
• Position 3: Für Hochstrom-Amperemeterbereiche nutzen Sie einen niederohmigen Shunt. Ersetzen Sie 1/4 W-Widerstände durch ein Parallelnetzwerk kleinerer Widerstände oder einen präzise gekerbten Draht oder Metallstreifen. Kalibrieren Sie, indem Sie den Shunt-Widerstand schrittweise mit einer Metallfeile erhöhen, während Sie eine Referenzstromquelle überwachen.

5. Prototyping – Bauen Sie den Kreis zuerst auf einem Breadboard. Justieren Sie Rheostat-Werte und führen Sie Kalibrierungen in dieser flexiblen Umgebung durch. Sobald zufriedenstellend, übertragen Sie das Layout auf eine Leiterplatte. Radio Shacks Katalog #276‑170 bietet eine vorgefertigte PCB mit Breadboard-ähnlichen Footprints.

6. Gehäuse – Montieren Sie PCB, Verdrahtung und Werk in einer stabilen Box, um das Messgerät zu schützen und ein professionelles Finish zu bieten.

Während dieses DIY-Multimeter Widerstandsmessung, AC-Fähigkeit und die hohe Präzision kommerzieller Geräte fehlt, bietet es unschätzbare Einblicke in Instrumentengrundlagen, Schaltungsdesign und Kalibrierungstechniken. Zukünftige Projekte können dieses Design durch Hinzufügen einer Verstärkerstufe für verbesserte Genauigkeit und Vielseitigkeit erweitern.

Zugehörige Arbeitsblätter

• Basic Ammeter Use Worksheet
• Basic Voltmeter Use Worksheet
• Design Project: Voltmeter Worksheet