Spannung und Strom messen

Wer Spannung und Strom messen will, muss das Messgerät richtig anschließen. Ein Strommesser gehört in den Stromkreis hinein, ein Spannungsmesser wird parallel zum Bauteil angeschlossen. Das Thema gehört zum Themenbereich Auswirkungen von Gesetzmäßigkeiten im Prüfungsbereich NTG.

Als Industriemeister lässt du Messungen durchführen, wertest sie aus und beurteilst, ob ein Messwert stimmt. Dazu gehört auch, Fehlerquellen zu kennen und die Folgen eines falschen Anschlusses zu beschreiben.

📘 Auf einen Blick

Merkmal	Information
Prüfungsteil	Fachrichtungsübergreifende Basisqualifikationen
Prüfungsbereich	Berücksichtigung naturwissenschaftlicher und technischer Gesetzmäßigkeiten (NTG)
Themenbereich	Auswirkungen von Gesetzmäßigkeiten auf Materialien, Maschinen und Prozesse
Thema	Messen von Spannung und Strom (Rahmenplan 5.1.5)
Prüfungsrelevanz	⭐⭐⭐ Mittel
Datengrundlage	DIHK-Rahmenplan und Auswertung von 37 Originalprüfungen der IHK
Art der Prüfung	Schaltskizze zeichnen, Anschluss und Fehlerquellen erläutern, Messwerte auswerten
Lernziel laut Rahmenplan	Das Messen von Spannung und Strom im Stromkreis verstehen
Empfohlene Lernpriorität	Mittel
Vertiefung	Lernmodul in der KVM-Akademie (nach Veröffentlichung verfügbar)

Warum sind Spannung und Strom messen wichtig?

Ohne Messung lässt sich ein elektrischer Fehler nicht eingrenzen. Wenn du Spannung und Strom messen kannst, siehst du, ob ein Verbraucher richtig versorgt wird, ob eine Leitung zu viel Spannung verliert und ob ein Bauteil noch den erwarteten Widerstand hat.

Falsch angeschlossene Messgeräte führen zu falschen Werten und im schlimmsten Fall zu Schäden:

Ein Strommesser, der parallel zu einer Spannungsquelle liegt, schließt sie fast kurz.
Ein zu kleiner Messbereich kann das Gerät überlasten.
Eine Messung an unter Spannung stehenden Teilen ist nur für Elektrofachkräfte erlaubt.

Einordnung innerhalb des Rahmenlehrplans

Basisqualifikation
└── Berücksichtigung naturwissenschaftlicher und technischer Gesetzmäßigkeiten
    └── 5.1 Auswirkungen von Gesetzmäßigkeiten auf Materialien, Maschinen und Prozesse
        └── 5.1.5 Einsatz von elektrotechnischen Steuerungen in Arbeitsprozessen
            ├── Grundgrößen des elektrischen Stromkreises
            ├── Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen
            └── Messen von Spannung und Strom

Der Rahmenplan nennt das Messen von Spannung und Strom als eigenen Baustein. Die Grundlagen dazu stehen unter Ohmsches Gesetz und Widerstand und Reihen- und Parallelschaltung. Mit gemessenen Werten rechnest du weiter bei Elektrische Arbeit und Leistung.

Prüfungsrelevanz

⭐⭐⭐ Mittlere Prüfungsrelevanz

Das Thema gehört zum Rahmenplanpunkt 5.1.5. Dieser kam in 35 von 37 ausgewerteten Prüfungen vor, seit 2020 in allen 13 von 13. Das Messen selbst ist nur ein kleiner Teil davon. Meist wird es mit einer Rechenaufgabe verbunden oder als kurze Wissensfrage gestellt.

In den ausgewerteten Prüfungen wurde zum Beispiel verlangt,

eine Schaltskizze für die Messung von Strom und Spannung an einer Lampe zu zeichnen,
die Folgen vertauschter Messgeräte zu beschreiben,
zu erklären, wo ein Messgerät eingebaut wird, um den Gesamtstrom zu messen,
eine Fehlerquelle bei der Messung eines Widerstands zu nennen,
aus gemessenen Werten von Spannung und Strom den Widerstand zu berechnen.

Zur Prüfungsanalyse NTG

Was lernst du auf dieser Seite?

Nach dem Lesen dieser Seite kannst du:

Strom- und Spannungsmessung richtig anschließen,
eine Messschaltung zeichnen,
den Innenwiderstand von Messgeräten erklären,
die Folgen eines falschen Anschlusses beschreiben,
Messfehler abschätzen,
einen Widerstand indirekt aus Spannung und Strom bestimmen.

Messgeräte und Messgrößen

Ein Messgerät zeigt eine elektrische Größe an. Für den Betrieb sind drei Größen wichtig:

Messgröße	Gerät	Anschluss
Spannung (V)	Spannungsmesser, Voltmeter	parallel zum Bauteil
Strom (A)	Strommesser, Amperemeter	in Reihe, der Stromkreis wird aufgetrennt
Widerstand (Ω)	Widerstandsmesser (Ohmmeter)	am spannungsfreien Bauteil

In der Werkstatt ist meist ein Vielfachmessgerät (Multimeter) im Einsatz, das mehrere Größen messen kann. Gleichspannung und Wechselspannung haben unterschiedliche Messstellungen. Beim Strom hilft eine Stromzange: Sie wird um die Leitung gelegt, ohne den Stromkreis aufzutrennen.

Spannung messen

Die Spannung liegt zwischen zwei Punkten. Deshalb wird der Spannungsmesser parallel zum Bauteil angeschlossen, an dem die Spannung gemessen werden soll.

Der Spannungsmesser soll den Stromkreis möglichst nicht verändern. Er hat deshalb einen sehr großen Innenwiderstand Rᵢ, oft im Bereich von Megaohm. Durch ihn fließt dann nur ein winziger Strom.

Strom messen

Der Strom fließt durch den Leiter. Deshalb wird der Strommesser in Reihe eingebaut: Du trennst den Stromkreis auf und schaltest das Gerät dazwischen.

Der Strommesser soll den Stromkreis möglichst nicht beeinflussen. Er hat deshalb einen sehr kleinen Innenwiderstand. Der Spannungsfall am Gerät bleibt so klein.

Messbereich und Messgenauigkeit

Wähle den Messbereich immer so, dass der Zeiger oder die Anzeige möglichst im oberen Drittel liegt. Ist der Wert unbekannt, beginnst du mit dem größten Messbereich und schaltest herunter. So wird das Gerät nicht überlastet.

Die Genauigkeit eines Messgeräts wird durch die Güteklasse angegeben. Bei Zeigerinstrumenten bedeutet sie den größten zulässigen Fehler in Prozent vom Messbereichsendwert.

Beispiel: Messbereich 10 V, Klasse 1,5. Der Fehler beträgt höchstens 1,5 % von 10 V, also ±0,15 V. Zeigt das Gerät 2 V an, ist der relative Fehler bis zu 0,15 V / 2 V = 7,5 %. Bei 8 V wären es nur 1,9 %. Je kleiner die Anzeige im Verhältnis zum Messbereich, desto größer der relative Fehler.

Einfluss des Innenwiderstands

Jedes Messgerät verändert den Stromkreis ein wenig, weil sein Innenwiderstand mit im Kreis liegt.

Beispiel: Spannungsmesser am Spannungsteiler

Ein Spannungsteiler besteht aus zwei Widerständen mit je 10 kΩ an 12 V. Wie viel zeigt ein Spannungsmesser mit Rᵢ = 10 kΩ, wenn er parallel zu R₂ angeschlossen wird?

Gegeben: U = 12 V, R₁ = R₂ = 10 kΩ, Rᵢ = 10 kΩ

Gesucht: angezeigte Spannung U₂

Formeln: Parallelschaltung R₂ ‖ Rᵢ, dann Spannungsteiler

Einsetzen:

Ohne Messgerät: U₂ = 12 V · 10 kΩ / 20 kΩ = 6 V
Ersatzwiderstand mit Messgerät: 10 kΩ · 10 kΩ / 20 kΩ = 5 kΩ
U₂ = 12 V · 5 kΩ / (10 kΩ + 5 kΩ) = 4 V

Ergebnis: Das Messgerät zeigt 4 V statt der echten 6 V. Der Innenwiderstand war zu klein im Verhältnis zum Messobjekt. Mit Rᵢ = 10 MΩ läge der Fehler unter 0,1 %.

Beim Strommesser ist es umgekehrt: Sein Innenwiderstand liegt in Reihe und erhöht den Widerstand im Kreis. Bei 12 V und 24 Ω fließen ohne Gerät 0,5 A. Hat der Strommesser 1 Ω, fließen 12 V / 25 Ω = 0,48 A. Der Messwert liegt 4 % zu niedrig.

Strom- und Spannungsmessung kombinieren

Willst du den Widerstand eines Verbrauchers bestimmen, misst du gleichzeitig Strom und Spannung und rechnest R = U / I. Das ist die indirekte Widerstandsmessung.

Beispiel: Eine Lampe zeigt 11,6 V und 0,25 A. R = 11,6 V / 0,25 A = 46,4 Ω. Das ist der Widerstand im Betrieb. Er ist bei der warmen Wendel größer als im kalten Zustand.

Direkt misst du den Widerstand mit dem Widerstandsmessbereich des Multimeters. Dann gilt:

Das Bauteil muss spannungsfrei sein. Sonst wird das Gerät zerstört oder die Messung ist falsch.
Das Bauteil sollte ausgebaut oder einseitig abgeklemmt sein. Parallele Zweige verfälschen sonst das Ergebnis.
Berührungswiderstände an den Kontakten und die Temperatur des Bauteils wirken sich auf den Messwert aus.

Messbereiche erweitern

Mit einem Vorwiderstand in Reihe wird der Messbereich eines Spannungsmessers erweitert: Ein Teil der Spannung fällt am Vorwiderstand ab, und am Messwerk liegt nur der zulässige Anteil. Mit einem Nebenwiderstand (Shunt) parallel zum Messwerk erweitert man den Messbereich eines Strommessers: Der größere Teil des Stroms fließt am Messwerk vorbei. Moderne Multimeter schalten diese Widerstände intern.

Typische Fehler

Den Strommesser parallel zum Bauteil angeschlossen. Der Strom ist dann sehr groß, die Sicherung löst aus, das Gerät kann zerstört werden.
Den Spannungsmesser in Reihe geschaltet. Es fließt kaum Strom, der Verbraucher läuft nicht, das Gerät zeigt fast die Quellenspannung an.
Mit dem kleinsten Messbereich begonnen.
Einen Widerstand im eingebauten, unter Spannung stehenden Zustand gemessen.
Gleichspannungs- und Wechselspannungsbereich verwechselt.
In der Schaltskizze Strommesser und Spannungsmesser vertauscht oder den Verbraucher doppelt gezeichnet.

Praxisbeispiel

An einer Fördereinrichtung läuft ein Motor mit zu wenig Drehmoment. Der Industriemeister lässt an den Klemmen die Spannung messen. Sie liegt bei 205 V statt 230 V. Die Elektrofachkraft misst danach die Spannung direkt an der Steckdose, dort liegen 229 V an.

Der Spannungsfall von rund 24 V entsteht also auf der Zuleitung. Sie ist zu lang oder hat einen zu kleinen Querschnitt. Die Lösung ist eine kürzere Leitung oder ein größerer Querschnitt, nicht ein stärkerer Motor.

Typische Prüfungsfragen

In den IHK-Prüfungen können beispielsweise folgende Anforderungen auftreten:

Zeichnen Sie eine Schaltskizze, mit der Strom und Spannung an einer Lampe gemessen werden.
Beschreiben Sie, wie ein Strommesser und ein Spannungsmesser angeschlossen werden.
Beschreiben Sie die Folgen, wenn Strommesser und Spannungsmesser vertauscht werden.
Erläutern Sie, warum ein Spannungsmesser einen großen und ein Strommesser einen kleinen Innenwiderstand hat.
Nennen Sie zwei Fehlerquellen bei der Messung eines Widerstands.
Berechnen Sie aus einem gemessenen Strom und einer gemessenen Spannung den Widerstand.
Geben Sie an, wo ein Messgerät eingebaut wird, um den Gesamtstrom einer Parallelschaltung zu messen.

Fazit

Beim Spannung und Strom messen kommt der Strommesser in Reihe in den Stromkreis, mit kleinem Innenwiderstand. Der Spannungsmesser wird parallel zum Bauteil angeschlossen, mit großem Innenwiderstand. Falscher Anschluss verfälscht den Messwert oder zerstört das Gerät. Den Widerstand erhältst du indirekt aus R = U / I.

Für die Prüfung solltest du eine Messschaltung zeichnen, die Folgen vertauschter Geräte beschreiben, Fehlerquellen bei der Widerstandsmessung nennen und aus Messwerten den Widerstand berechnen können.