Potentiometrisches Voltmeter: Präzise Spannungsmessung mit minimaler Belastung

Bauteile & Materialien

• Zwei 6-V-Batterien
• Eingangs-Potentiometer, 10 kΩ linear (z. B. Radio Shack #271-1715)
• Zwei hochohmige Widerstände (≥1 MΩ jeweils)
• Empfindlicher Spannungsdetektor (aus dem vorangegangenen Experiment)
• Analogvoltmeter (aus dem vorangegangenen Experiment)

Der Potentiometerwert ist flexibel – Werte zwischen 1 kΩ und 100 kΩ funktionieren. Falls Sie bereits das im Kapitel beschriebene Präzisionspotentiometer gebaut haben, eignet es sich ideal für diesen Versuch. Größere Widerstandswerte verbessern die Genauigkeit; sie müssen nicht identisch sein.

Falls Sie den empfindlichen Spannungsdetektor noch nicht gebaut haben, empfehlen wir, dies zuerst zu tun. Ein Eigenbau ist kostengünstig und demonstriert, wie präzise Spannungsmessungen ohne teure Geräte möglich sind. Ein Digitalmultimeter im DC-Millivoltbereich kann als Ersatz dienen, aber ein kopfhörerbasierter Detektor ist für Lernzwecke vorzuziehen.

Querverweise

Lessons In Electric Circuits, Band 1, Kapitel 8: „DC Metering Circuits“

Lernziele

• Voltmeter-Belastung verstehen: Ursachen und Gegenmaßnahmen
• Potentiometer als variable Spannungsquelle einsetzen
• Potentiometrisches (Nullabgleich-)Verfahren zur genauen Spannungsmessung anwenden

Schaltplan

Aufbauillustration

Anleitung

1. Bauen Sie den Zweiwiderstand-Spannungsteiler wie im linken Teil des Schaltplans gezeigt auf.
2. Sind die hochohmigen Widerstände gleich groß, sollte sich die 6-V-Batteriespannung in zwei 3-V-Abschnitte aufteilen.
3. Messen Sie die Batteriespannung mit einem Voltmeter und anschließend den Spannungsabfall an jedem Widerstand.

Sie werden wahrscheinlich eine Diskrepanz feststellen: Die Summe der einzelnen Spannungsabfälle stimmt nicht mit der Gesamtbatteriespannung überein. Dies ist keine Verletzung des Kirchhoffschen Spannungsgesetzes, sondern ein klassisches Beispiel für Voltmeter-Belastung.

Analogie: Ein Reifendruckmesser lässt beim Anschließen eine kleine Luftmenge entweichen, wodurch der Reifendruck leicht sinkt. Ähnlich bietet ein Voltmeter einen Strompfad, der die Spannung am gemessenen Bauteil leicht verändert.

In dieser Schaltung ist der Effekt wegen der hochohmigen Testwiderstände besonders stark ausgeprägt. Ersetzen Sie diese durch 100-kΩ- und dann durch 10-kΩ-Widerstände und beobachten Sie, wie sich die Spannungsablesungen ändern. Niedrigere Widerstände verringern die Belastung, jedoch auf Kosten der Messgenauigkeit.

Versuchen Sie, jeden Widerstand mit einem Digitalvoltmeter statt eines analogen zu messen. Digitale Messgeräte haben typischerweise einen höheren Eingangswiderstand (oft >10 MΩ), ziehen also weniger Strom und liefern Werte näher an der wahren Spannung.

Für eine noch genauere Methode wenden Sie das potentiometrische (Nullabgleich-)Verfahren an. Dabei wird die Prüfspannung gegen eine einstellbare Spannungsquelle (das Potentiometer) abgeglichen und ein hochempfindlicher Nulldetektor zeigt den Gleichgewichtszustand an. Ist der Nulldurchgang erreicht, entspricht die am Potentiometer ablesbare Spannung exakt der Prüfspannung – frei von Belastungsfehlern.

Potentiometrisches Voltmeter-Schaltbild

Der mit „null“ gekennzeichnete Kreis stellt den Nulldetektor dar. Jede empfindliche Messwerksbewegung oder Spannungsanzeige kann als Detektor dienen; seine einzige Aufgabe ist die Anzeige von Nullspannungsdifferenz.

Bauen Sie die Schaltung gemäß der Illustration auf und nutzen Sie sie, um den Spannungsabfall an einem der hochohmigen Widerstände zu messen. Zunächst kann ein normales Multimeter als Nulldetektor dienen, während Sie sich mit dem Verfahren vertraut machen. Bevorzugen Sie den kopfhörerbasierten Detektor, machen Sie kurz Kontakt mit den Messpunkten und hören Sie auf das charakteristische Klicken, das beim Nullabgleich verstummt.

Hinweis: Ein eingängiges Potentiometer kann für präzises Nullen zu grob sein. Ziehen Sie ein mehrgängiges Gerät oder die zuvor beschriebene Präzisionspotentiometer-Schaltung in Betracht.

Computersimulation

SPICE-Schaltplan mit Knotennummern:

Netlist (kopieren Sie den folgenden Text in eine Datei namens potentiometric.cir):

Potentiometric voltmeter
v1 1 0 dc 6
v2 3 0
r1 1 2 1meg
r2 2 0 1meg
rnull 2 3 10k
rmeter 3 0 50k
.dc v2 0 6 0.5
.print dc v(2,0) v(2,3) v(3,0)
.end

Die Simulation zeigt, dass die Prüfspannung nur dann genau ist, wenn der Nulldetektor Null anzeigt – also wenn das Potentiometer perfekt abgeglichen ist. An diesem Punkt zeigt die einstellbare Quelle exakt 3,000 V an, was dem wahren Spannungsabfall am Prüfwiderstand entspricht.

Zugehörige Arbeitsblätter

• DC Metrology Worksheet