Voltmeter, Amperemeter, Ohmmeter bzw. als „kompaktes Gerät“=Multimeter sind die ultimativen Lebens- oder mindestens Gute-Laune-Retter wenn die selbst gebaute Schaltung mal nicht funktioniert.
Manchmal passiert es halt, dass obwohl man sich detailliert an einen Aufbauplan gehalten hat, die gebaute Schaltung trotzdem nicht funktioniert. Spätestens dann sitzt man nach der anfangs motiviert angegangenen Arbeit ganz oft sehr frustriert vor der aufgebauten Schaltung und möchte am liebsten alles wieder hinschmeißen.
In solchen Situationen ist guter Rat bekanntlich oft teuer. Um Euch in diesen Situationen einen kleinen Leitfaden zu geben wie Ihr dem Problem möglicherweise zumindest auf die Spur kommen könnt, kommt hier folgender Artikel.
Denn mithilfe dieser kleinen kompakten Geräte lassen sich verschiedene elektrische Größen messen und Fehler somit schnell lokalisieren.
Sicherheitshinweise
Ich weiß die folgenden Hinweise sind immer irgendwie lästig und wirken unnötig. Aber leider haben schon viele Menschen die es "besser" wussten aus Leichtsinnigkeit Augen, Finger oder anderes verloren bzw. sich verletzt. Im Vergleich dazu ist ein Datenverlust fast nicht der Rede Wert, aber auch diese können echt ärgerlich sein. Deswegen nehmt Euch bitte fünf Minuten Zeit um die Sicherheitshinweise zu lesen. Denn auch das coolste Projekt ist keine Verletzung oder anderen Ärger wert.
https://www.nerdiy.de/sicherheitshinweise/
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Voraussetzungen
Hilfreiche Artikel:
Nicht wirklich eine Voraussetzung aber ein Beispiel für ein praktisches Anwendungsgebiet findet Ihr im Artikel Elektronik – Inbetriebnahme einer neuen Schaltung
Benötigtes Material:
-keins-
Benötigtes Werkzeug:
In der folgenden Liste findet Ihr alle Werkzeuge die Ihr zur Umsetzung dieses Artikels benötigt.
Die Funktionen eines Multimeters
Wichtig für die spätere Fehlersuche ist es die Grundfunktionen eines Multimeters zu kennen und anwenden zu können. Dies ist nicht immer leicht, da Moderne Multimeter oft mit allerhand Funktionen ausgestattet sind. Um Euch eine Übersicht über die einzelnen Funktionen zu geben, sind diese in den folgenden Abschnitten beschrieben.
Messbereichs-Wahlschalter
Der Messbereichswahlschalter ist das Hauptbedienelement Eures Messgeräts. Dieser bestimmt im groben welche Größe Ihr messen wollt. Bei manchen Messbereichen wie zum Beispiel „Hz/Duty“ lässt sich dann noch über die Tasten zwischen den Optionen wechseln. Um den Messbereischs-Wahlschalter auf die gewünschte Option einzustellen wird er so gedreht, dass er wie ein Zeiger auf den gewünschten Messbereich zeigt.
Taster
Die verfügbaren Taster an einem Messgerät sind sehr oft von Modell zu Modell unterschiedlich. Meistens ist nur ein „Messbereichs-Wahlschalter“ vorhanden mit dem Ihr die zu messende elektrische Größe auswählen könnt.
Bei einigen Modellen lassen sich über die Taster aber zusätzliche Funktionen auswählen. Als Beispiel sind deswegen die Funktionen der Taster des abgebildeten Messgeräts beschrieben.
Mit der „HOLD/B.L“-Taste könnt Ihr den Messwert der zum Zeitpunkt des Tastendrucks auf dem Bildschirm dargestellt wird „halten“. Der angezeigte Messwert bleibt also auf dem Display stehen und Ihr habt zum Beispiel genug Zeit den entsprechenden Wert in aller Ruhe zu notieren. Durch einen langen Tastendruck auf diese Taste lässt sich außerdem die HIntergrundbeleuchtung(BackLight) aktivieren oder deaktivieren.
Die Range-Taste ermöglicht es euch die den Messbereich manuell zu verstellen. Bei vielen Messgeräten wird dieser Messbereich mittlerweile automatisch bestimmt. Trotzdem kann es manchmal notwendig sein diesen Messbereich Manuell einstellen zu können. Deswegen ist es – insbesondere bei der Strom- und Spannungsmessung – auch immer wichtig, dass man sich vor der Messung „im groben“ darüber bewusst ist welche Größenordnung die zu messende elektrische Größe hat. Wollt ihr zum Beispiel nur 12V messen sind auch ganz andere Sicherheitsvorkehrungen zu treffen als bei der Messung von 500V oder mehr. Beachtet dazu auch unbedingt die Sicherheitshinweise!
Die „°C/°F-Taste“ ermöglicht es Euch die Einheit bei der Temperaturmessung zwischen Celsius und Fahrenheit zu wechseln. Fahrenheit ist im amerikanischem die gängige Einheit. Celsius dagegen in allen übrigen Ländern.
Mit der „Hz/Duty“-Taste könnt ihr bei der Messung der Frequenz bzw. des Tastverhältnis zwischen diesen Umschalten. Da sich diese beiden Messgrößen eine Einstellungs-position auf dem Messbereichswahlschalter teilen ist es so möglich zwischen diesen zu wechseln.
Die „REL“-Taste ermöglicht es Euch einen neuen neuen „Nullpunkt“ für nachfolgende Messungen zu setzen. So könnt Ihr zum Beispiel zwei Spannungen vergleichen. Messt Ihr zum Beispiel bei der ersten Messung eine Spannung von 5V und drückt dann die „REL“-Taste so werden alle nachfolgenden Spannungen in Relation zu der ersten gemessen. Messt Ihr zum Beispiel nach drücken der „REL“-Taste eine Spannung von 8V wird auf dem Display Eures Messgeräts nur 3V angezeigt, weil bei dieser Messung 5V als Referenz genutzt wird.
Mithilfe der „Select“-Taste könnt Ihr auswählen ob Ihr gerade eine Wechselgröße(=AC) oder Gleichgröße(=DC) messen wollt. Wollt Ihr zum Beispiel die Gleichspannung einer Batterie oder eines Akkus messen, ist es wichtig, dass Ihr sowohl den Messbereichswahlschalter auf „V“(=Spanungsmessung) einstellt als auch die Art der Größe auf Gleichspannung(=DC). Wenn Ihr dagegen die Spannung einer Steckdose messen wollt, müsst Ihr die Art der Größe auf Wechselspannung(=AC) einstellen.
Anschlussbuchsen:
Im unteren Bereich befinden sich vier Anschlussbuchsen in die sich die Messleitungen einstecken lassen. Dabei ist die „wichtigste“ die „COM“-Buchse. Die schwarze Leitung bleibt immer in dieser eingesteckt. Nur die rote Messleitung wird je nachdem welche elektrische Größe gemessen werden soll, umgesteckt.
Wollt Ihr zum Beispiel einen Strom messen dessen Größenordnung im Ampere-bereich liegt so müsst Ihr die rote Messleitung in die Buchse „10A“ einstecken. Wichtig ist hierbei auch, dass die Bezeichnung „10A“ hier kennzeichnet, dass dieser Anschluss mit „nur“ 10A abgesichert ist. Höhere Ströme lassen sich so direkt also nicht damit messen. Messt Ihr bei der Nutzung dieser Buchse gar keinen Strom ist höchstwahrscheinlich genau diese Sicherung defekt. Wie Ihr sie austauschen könnt ist in der Bedienungsanleitung Eures Messgeräts beschrieben.
Direkt neben der „10A“-Buchse findet Ihr die „TEMP/µA/mA“-Buchse. In diese müsst Ihr die rote Messleitung einstecken, wenn Ihr Ströme messen wollt die im mA und µA – also kleiner als 1A – Bereich liegen. Auch diese Buchse ist mit einer Sicherung abgesichert. In vielen, wie auch in diesem Fall aber mit einer selbst zurück-setzenden Sicherung. An dieser Buchse lässt sich bei diesem Messgerät außerdem ein externer Temperatursensor anschließen. Deswegen das „TEMP…“ in dem Buchsen-namen.
Die letzte Buchse befindet sich bei dem abgebildeten Messgerät an der rechten Seite. Diese mit einem Kondensator-, Dioden-, Spannungs-, Widerstands-Symbol und „Hz“ gekennzeichnete Buchse wird für alle übrigen Messungen benötigt. Wollt Ihr also Kapazitäten, Widerstände, Spannungen oder Frequenzen messen, müsst Ihr diese Buchse verwenden. Auch für den Dioden-test – also um die Durchlassrichtung und Durchlassspannung einer Diode zu ermitteln – müsst Ihr diese Buchse verwenden.
Spannungsmessung
Eine der wichtigen elektrischen Größen ist die Spannung. Sie lässt sich mit einem Multimeter relativ leicht messen.
Trotzdem sollte man sich vorher ein paar Gedanken über die zu erwartende Spannung machen. Denn daran müssen auch die Vorsichtsmaßnahmen während der Messung angepasst werden. Dabei ist nicht nur wichtig zu wissen welchen Spannungswert Ihr erwarten solltet sondern auch welche Spannungsart. Also ob Wechselspannung(AC=Alternating current) oder Gleichspannung (DC=Gleichspannung).
Dazu ein kleines Zitat aus dem sehr ausführlichen Wikipedia-Artikel (https://de.wikipedia.org/wiki/Ber%C3%BChrungsspannung):
Bei gesunden erwachsenen Menschen geht man mit dem Überschreiten der Kleinspannung ab 50 V Wechselspannung (AC) oder 120 V Gleichspannung (DC) von einer lebensbedrohlichen Situation aus.[3] Unter anderem bei Kindern und größeren Nutztieren ist die Berührungsspannung nur auf maximal 25 V Wechselspannung oder 60 V Gleichspannung festgelegt, in Feuchtraum-Installationen teilweise sogar auf 12 V.
Dies bedeutet, dass Ihr im Normalfall mindestens Spannungen bis 25V AC und 60V DC ohne große Gefahr für Euer Leben messen könnt. Wenn Ihr nicht „vom Fach“ seid solltet ihr auch generell vermeiden mit größeren Spannungen zu arbeiten (Es ist auch oft nicht notwendig).
Um nun die Spannung mit einem Multimeter zu messen, müsst Ihr dieses zunächst auf den Spannungsmessbereich einstellen. Dieser ist meist mit einem „V“ für Volt (Also die Einheit der elektrischen Spannung) gekennzeichnet. Die korrekte Einstellung ist hier leider nicht genormt und bei vielen Messgeräten unterschiedlich. Wenn Ihr ganz sicher gehen wollt, hilft ein Blick in die Betriebsanleitung Eures Messgeräts.
Habt Ihr die Spannungsmessung eingestellt ist es nun noch wichtig, dass Ihr die Spannungs-Art einstellt. Bei dem Beispiel-Messgerät wird die Spannung über die „Select“-Taste eingestellt. Dies ist aber wie gesagt leider nicht bei allen Mesgeräten einheitlich.
Zur eigentlichen Spannungsmessung werden die Messspitzen dann immer parallel zu dem Verbraucher oder Erzeuger angeschlossen, dessen Spannung Ihr messen wollt.
Wichtig zu wissen ist noch, dass ein Messgerät im Spannungsmessung einen zwar sehr hohen aber messbaren Innenwiderstand hat. Ihr schaltet also Während der Spannungsmessung zwangsläufig einen Widerstand parallel zu Eurem zu messendem Verbraucher, wodurch eine Parallelschaltung aus zwei Widerständen entsteht und somit ein (etwas) höherer Strom durch die Gesamtschaltung fließt. Dies kann auch dazu führen, dass die zu messende Spannung etwas niedriger ausfällt als sie es ohne Messgerät wäre. Dies ist in den meisten Fällen vernachlässigbar aber trotzdem gut, wenn man dies im Hinterkopf hat. 🙂
Strommessung
Der Strom ist eine weitere wichtige elektrische Größe. Er lässt sich mit einem Multimeter ebenfalls recht einfach Messen. Im Gegensatz zur Spannung muss hierbei aber die Schaltung dessen Strom gemessen werden soll, etwas vorbereitet und eingeschätzt werden.
Widerstandsmessung
Die Widerstandsmessung ist eigentlich eine Kombination aus einer Spannungs- und Strommessung. Da der Widerstand aber auch eine der wichtigen elektrischen Größen ist, ist dessen Messung mit vielen Messgeräten direkt möglich.
Eigentlich ist der Widerstand einer Schaltung (vereinfacht gesagt) die Proportionalitätskonstante von Spannung zum Strom. Das heißt der Widerstand gibt an wie viel Strom durch eine Schaltung bei einer gewissen angelegten Spannung fließt. Das ganze bedeutet, wenn man weiß welche Spannung an einer Schaltung angelegt ist und dann auch noch weiß welcher Strom bei dieser Spannung durch die Schaltung fließt, kann man sich den Widerstand ganz leicht berechnen.
Durchgangsprüfung
Die Durchgangsprüfung ist eigentlich eine Luxusversion der Widerstandsmessung. Mit Ihr lässt sich sehr leicht bestimmen ob zwei Kontakte elektrisch verbunden sind.
Wollt Ihr zum Beispiel prüfen, ob Ihr Eure Schaltung vom Schaltplan in die Realität richtig umgesetzt habt, könnt Ihr mithilfe der Durchgangsprüfung messen ob die Kontakte die laut Schaltplan elektrisch verbunden sein sollten, auch wirklich verbunden sind. Ob zwei Kontakte elektrisch verbunden sind findet Ihr raus indem Ihr den ersten Kontakt mit der schwarzen und den zweiten Kontakt mit der roten Messspitze berührt. Sind beide Kontakte verbunden, signalisiert das Messgerät dies meistens mit einem Piepton und dem angezeigtem Widerstandswert im Display. Ob zwei Kontakte verbunden sind wird hierbei mit der Widerstandsmessung bestimmt. Ist der Widerstand von dem einen zu dem anderen Kontakt sehr niedrig besteht also auch eine Verbindung zwischen diesen.
Kapazitätsmessung
Die Kapazitätsmessung ermöglicht es euch die Kapazität eines Kondensators zu bestimmen. Dies ist besonders hilfreich, wenn Ihr einen Kondensator in Eurer Bauteilschublade findet, dessen Wert nicht mehr eindeutig abzulesen ist.
Zum Messen der Kapazität werden die Messspitzen des Messgeräts einfach an die beiden Kontakte des Kondensators gehalten.
Diodentest
Mithilfe des Diodentest könnt Ihr die Durchlassrichtung und die Durchlassspannung einer Diode bestimmen. Dies ist besonders bei SMD-Dioden hilfreich, weil bei diesen die Durchlassrichtung nicht immer auf dem Gehäuse aufgedruckt ist.
Die Durchlassrichtung erkennt Ihr dabei, indem Ihr die Messpitzen an die beiden Kontakte haltet und ausprobiert in welcher Kombination auf dem Display eine Spannung angezeigt wird. Haltet Ihr zum Beispiel die rote Messspitze an den ersten Kontakt der Diode und die schwarze Messspitze an den zweiten Kontakt und Euch wird dann eine Spannung auf dem Display angezeigt wisst Ihr, dass der Kontakt an den Ihr gerade die rote Messspitze gehalten habt die Anode der Diode ist.
Die angezeigte Spannung ist dann die Durchlassspannung der Diode. Wird Euch dagegen keine Spannung angezeigt, müsst Ihr die Messpitzen-Zuordnung umdrehen. In diesem Fall habt Ihr lediglich die Sperrrichtung der Diode gefunden.
Frequenzmessung/Tastverhältnis
Die Frequenz- bzw. Tastverhältnismessung ist nicht bei allen Messgeräten integriert. Mithilfe dieser könnt Ihr Frequenzen einer Wechselspannung oder das Tastverhältnis einer geschalteten Gleichspannung messen.
So lässt sich zum Beispiel auch relativ einfach überprüfen, ob eine von Euch programmierte Pulsweitenmodulation funktioniert.
Mögliche Zusatzfunktionen
Temperatur
Manche Messgeräte haben auch die Möglichkeit – mithilfe eines extern angeschlossenen Thermoelements – Temperaturen zu messen. Dazu müsst Ihr dieses anschließen und das Messgerät entsprechend einstellen.
dB
Mithilfe der dB-Messung könnt Ihr den Schalldruck eines Geräusches messen.
Lux
Mithilfe der Messung der Beleuchtungsstärke könnt Ihr die Beleuchtungsstärke in einem Raum messen.
x10Lux
Um auch sehr hohe Beleuchtungsstärken – zum Beispiel bei starkem Sonnenschein – messen zu können, könnt Ihr die Empfindlichkeit der Beleuchtungsmessung umschalten. Dies hat zur Folge, dass Ihr höhere Beleuchtungsstärken messen bzw. auf dem Display darstellen könnt.
Fehlersuche
Nun zur eigentlichen Fehlersuche. Es ist schwierig dafür einen exakten, allgemeingültigen, immer funktionierenden „Fahrplan“ vorzugeben. Denn leider verstecken sich Fehler oft da wo man nicht damit rechnet.
Viele Fehler sind aber auch einfach Flüchtigkeitsfehler. Diese lassen sich mit dem folgenden Fahrplan meistens sehr schnell finden.
- Durchgangsprüfung aller Verbindungen im Spannungslosen – also ausgeschalteten – Zustand.
- Überprüft dabei, dass alle Verbindungen die laut Schaltplan bestehen sollten auch wirklich verbunden sind. Dazu eignet sich die Durchgangsprüfung perfekt.
- Dabei könnt Ihr auch prüfen, dass auf der Platine benachbarte Kontakte nicht aus versehen kurzgeschlossen wurden.
- Vor allem die Energie-Versorgungsleitungen sollten keinen Kurzschluss haben. Dies könnt Ihr auch mit der Durchgangsprüfung testen. Das Messgerät sollte dann keinen Durchgang anzeigen.
- Verbaute Widerstände auf korrekten Wert prüfen.
- Messt dazu die verbauten Widerstände im spannungslosen Zustand.
- Bei abweichenden Werten achtet darauf, dass der jeweilige Widerstand auch mit anderen Widerständen parallel geschaltet sein könnte, wodurch sich sein Wert verändern würde. Im Zweifelsfall müsst Ihr nochmal einen Kontakt des Widerstands von der Schaltung trennen und den Widerstand somit seperat messen.
- Spannungsversorgung und andere Spannungen prüfen
- Oft ist es hilfreich die einzelnen Versorgungsspannungen zu überprüfen. Habt Ihr in Eurer Schaltung mehrere Versorgungsspannungen (z.B. 3,3V und 5V) solltet Ihr sicherstellen, dass beide zur Verfügung stehen und diese auch unter Belastung nicht einbricht.
- Eingangsstrom prüfen.
- In dem Ihr den Eingangsstrom prüft könnt Ihr sehr leicht feststellen ob zum Beispiel ein Kurzschluss oder eine fehlende Verbindung vorliegt.
- Ist der Strom sehr hoch werdet Ihr höchstwahrscheinlich einen Kurzschluss gebaut eingebaut haben. Sucht dann nach einer Verbindung zwischen dem positiven und negativen Kontakt der Spannungsversorgung Eurer Schaltung.
- Ist der Strom sehr gering ist es möglich, dass Ihr eine Verbindung der Spannungsversorgung vergessen habt. Es könnte auch sein, dass ein Spannungsregler defekt ist. Bei verwendeten Mikrocontrollern könnte es vorkommen, dass dieser durch eine fehlerhafte Schaltung im Reset-Modus gehalten wird.
- Spannung der Logikpegel prüfen.
- Gerade bei digitaler Kommunikation zwischen einem Mikrocontroller und gg. angeschlossenen Sensoren ist es wichtig, dass diese die gleichen Logikpegel verwenden. Ein Mikrocontroller der mit 1,8V Logikpegeln arbeitet, wird zum Beispiel sehr schlecht mit einem Sensor zusammenarbeiten können der 5V Logikpegel erwartet. Dies lässt sich durch Messen der Spannungen und/oder einen Blick in die Datenblätter der beteiligten Geräte lösen.
Schrittweiser Aufbau um Fehler zu vermeiden/direkt zu erkennen
Zugegeben, dies ist ein schlechter Tipp für die Fehlersuche nachdem die Komplette Schaltung bereits aufgebaut ist. Aber vllt. hilft er Euch beim Aufbau Eurer nächsten Schaltung:
Bei sehr komplexen bzw. Schaltungen mit mehreren Sensoren, Aktoren, etc. empfiehlt es sich diese Schrittweise „Stück für Stück“ in Betrieb zu nehmen. Das heißt Ihr prüft zuerst, dass der Mikrocontroller ohne angeschlossene Sensoren funktioniert und programmierbar ist.
Wenn dies funktioniert wird der nächste Sensor angeschlossen und wieder geprüft ob dieser Funktioniert. Läuft alles wird der nächste Sensor/Aktor angeschlossen. Dies setzt Ihr solange fort bis alle Schaltungsteile aufgebaut sind.
Falls nach einem neu hinzugefügten Bauteil dieses oder etwas oder gar die komplette Schaltung nicht mehr funktioniert habt Ihr bereits einen Ansatz zur Fehlersuche. Ihr könnt dann nämlich ziemlich sicher davon ausgehen, dass das neu hinzugefügte Bauteil mit dem Fehler zu tun hat bzw. die Ursache dafür ist.
In diesem Fall könnt Ihr als Art „Gegenprobe“ das hinzugefügte Bauteil nochmal entfernen. Tritt der Fehler in diesem Fall nicht mehr auf habt ihr die Bestätigung, dass der Fehler mit dem entsprechendem Bauteil zusammenhängt.
In diesem Fall gilt es dann herauszufinden warum dieses Bauteil den Fehler verursacht?
- Ist es vielleicht defekt? Wenn vorhanden versucht ein anderes Exemplar des entsprechenden Bauteils einzubauen und zu testen.
- Inwiefern verändert sich die Stromaufnahme Eurer Schaltung wenn das Bauteil eingebaut ist? Ist sie vllt. so hoch, dass nicht mehr genug Leistungsreserven verfügbar sind um die gesamte Schaltung zu versorgen? Hier solltet durch eine Spannungsmessung prüfen ob die Versorgungsspannungen „einbrechen“/absacken.
- Bei Sensoren/Aktoren die über den I2C/IIC oder andere Busse kommunizieren kann es sein, dass der weitere Busteilnehmer die Kommunikation stört. Überprüft hier eventuell vorhandene Abschlusswiderstände, PullUps und Kurzschlüsse. Bedenkt, dass gerade beim I2C-Bus ein weiterer Busteilnehmer die Buskapazität erhöht und demzufolge auch die PullUps angepasst werden müssen.
Der Vorteil von diesem „Verfahren“ ist, dass Ihr direkt einen Ansatz habt was den Fehler verursacht haben könnte. Die Fehlersuche wird dadurch leichter und der Fehler hoffentlich schneller behoben.
Weiterführende Informationen
https://de.wikipedia.org/wiki/Ber%C3%BChrungsspannung
Viel Spaß mit dem Projekt
Ich hoffe bei euch hat alles wie beschrieben funktioniert. Falls nicht oder ihr Fragen oder Anregungen habt lasst es mich in den Kommentaren bitte wissen. Ich trage dies dann ggf. in den Artikel nach.
Auch Ideen für neue Projekte sind immer gerne willkommen. 🙂
P.S. Viele dieser Projekte - besonders die Hardwareprojekte - kosten viel Zeit und Geld. Natürlich mache ich das weil ich Spaß daran habe, aber wenn Du es cool findest, dass ich die Infos dazu mit Euch teile, würde ich mich über eine kleine Spende an die Kaffeekasse freuen. 🙂
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Danke für deine immer sehr ausführlichen und interessanten Artikel!!!
Viel Erfolg bei deinen zukünftigen Projekten
Vielen Dank. 🙂