Kleine Stromkunde 12 V und Leistungsmessung mit dem Multimeter

Ein Dauerbrenner im Bereich der Wohnmobilmodifizierer und Selbstbauer ist das Thema Strom. Grund genug ein wenig Schulwissen herauszukramen und aufzuarbeiten.

Präambel: Strom ist gefährlich. Fachleute können die Gefahren einschätzen und wissen, sie zu umgehen. Daher gilt: lieber den Fachmann rufen als sich selbst in Gefahr bringen. Der Fachmann kostet weniger als ein WoMo-Brand, eine Bestattung oder eine Nacht auf im Krankenhaus. Einige Sachverhalte sind im Folgenden ein wenig simplifiziert bzw. werden nicht thematisiert. Diese Abhandlung soll ein allgemeines Grundverständnis vermitteln und keine Facharbeit sein.

Kleine Grundlagenkunde zum Thema Strom

In diesem Artikel geht es um elektrotechnische Grundlagen. Mehr zum Thema Installation im Wohnmobil und Wohnwagen gibt es hier: http://einraumwohnung.eu/elektroinstallation/

Damit elektrischer Strom fließt benötigt man eine Stromquelle, stromverbrauchende Bauteile und Leitungen. Simpel ausgedrückt fließen bei Verbrauch Elektrononen (elektische Ladung) durch das Kabel.

Grundbegriffen

Strom: Ist im Prinzip nichts anderes als die Bewegung von Ladung im Kabel. Ladungsträger sind dabei Elektronen oder Ionen. Um zu beschreiben, wie viel Strom im Kabel fließt, dient die Größe Ampere (A) oder auch das Formelzeichen I, z. B. I = 0,5 A. Aus der Stromaufnahme eines Gerätes kann man auf dessen Energieverbrauch schließen, die nötigen Leiterquerschnitte ermitteln und auch die Kapazität von Batterien einschätzen. Der Energieverbrauch wird in Amperestunden (Ah) angegeben. Die Kapazität von 1 Ah bedeutet demnach, dass eine Stunde lang 1A geflossen ist.

Spannung: Damit der Strom durch das Kabel fließen kann, wird eine elektrische Spannung benötigt. Die Spannung wird in Volt (V) angegeben und hat das Formelzeichen U, Beispiel U = 12 V. Im Camping- und PKW Bereich haben wir meistens mit 12 V zu tun, LKW arbeiten mit 24 V und unser Haushaltsstrom hat eine Spannung von 230 V. Die Spannung ist der „Antrieb“ für den Strom, der durch einen Ladungsunterschied der Batterie entsteht.

Je höher die Spannung, desto mehr Druck wirkt auf die Elektronen was gleichbedeutend ist, dass bei gleicher Leistung der Stromfluss geringer wird. Das erklärt, warum bei gleicher Leistung die Kabelstärke bei 24 V halb so stark ist, wie bei 12 V.

Widerstand: Jedes Kabel „schluckt“ Strom durch Widerstand. Ergebnis ist, dass die Spannung mit jedem Meter Kabel geringer wird. Vernünftig dimensionierte Kabel entschärfen das Problem im Camper. Der Widerstand R beschreibt somit, in welcher Stärke Elektronen gebremst werden. Der Widerstand wird in Ohm (Ω) angegeben und hat das Formelzeichen R, zum Beispiel R = 10Ω. Der Widerstand ist wichtig, hat aber bei der Betrachtung der camperrelevanten Themen, abgesehen von der Kabelstärkenberechnung eine m. E. untergeordnete Rolle,

Aus den gewonnenen Erkenntnissen lassen sich fehlende Größen errechnen (Ohmsches Gesetz):

  • I = U / R ► Ampere = Spannung / Widerstand
  • R = U / I ► Widerstand = Spannung / Ampere
  • U = R * I ► Spannung = Ampere * Widerstand

Eigentlich wichtiger für uns Camper ist das Leistungsgesetz (PUI).

Leistung: Die Wattangabe bezeichnet die Leistungsausfnahme bzw. den Energieumsatz, also den Verbrauch eines Verbrauchers. Es wird damit der „Druck“ (Volt) mit der Menge (Ampere) in Verbindung gebracht. Für die Größe wird als Formelzeichen das P verwendet, zum Beispiel
P = 1000 W. Diese Kennzahl ist wichtig, um beispielsweise auszurechnen, wie viele Tassen Kaffee wir mit einem Vollautomaten, der an unserer Wohnraumbatterie hängt kochen können. Ergebnis: Das lassen wir lieber bleiben!

  • P = U * I ► Watt = Spannung * Ampere
  • I = P / U ► Ampere = Watt / Spannung
  • U = P / I ► Spannung = Watt / Ampere

Rechenbeispiel

Unser Fernseher im Wohnmobil basiert auf LED Technik und sollte daher sehr sparsam sein. Die Leistungsaufnahme beträgt 19 Watt. Bei einer Spannung von 12 V hat er demnach einen Verbrauch von 1,58 Ampere (19 Watt / 12 Volt). Unsere Batterie hat eine Kapazität von 210 Ah. Somit könnten wir rein rechnerisch (ohne Berücksichtigung der Problematik einer Tiefenentladung etc.)  133 Stunden, also etwa 5,5 Tage ununterbrochen Fernsehen – wer will das schon?

Ein Toaster hat beispielsweise eine Energieaufnahme von 700 Watt, was schlappe 80 A ausmacht. In 2,5 Stunden wäre die Batterie platt. Ein Fön hat übrigens gut und gerne 2000 Watt, eine Kapselkaffeemaschine 1450 Watt.

Und nun kommen wir erneut zu der vorherigen Empfehlung:

Der Stromverbrauch der Kapselkaffeemaschine beträgt 120 Ampere (1450 Watt Verbrauch /12 V Spannung). Nach unserer Rechnung wäre die Batterie nach 45 Minuten leer und ggf. durch eine Tiefenentladung kaputt. Geht man davon aus, dass sie nicht tiefenentladen werden soll und umständehalber (LiMa-Ladung, Ladegerät Kennlinie, Alterung, Temperatur etc.) nur eine Kapazität von 60% hat, wäre nach 27  Minuten Schluss mit Kaffee kochen. Wollen wir sie schonen und nicht mehr als 50% entladen, ist nach ca. 15 Minuten Schluss, also etwa nach 4 Tassen Kaffee. Also lieber den Perkolator anschmeißen!

Es gibt übrigens kaum eine Rechnung, die Mitcamper im Netz zu gegenteiligen Rechnungen in Verbindung mit nahezu wüsten Beschimpfungen nötigt, als diese!

Erkenntnis

Wollen wir im Camper also Leitungen überprüfen oder Fehler finden, spielt für uns in erster Linie die Spannung eine große Rolle, zeigt sie doch, ob überhaupt etwas von der Batterie ankommt oder aber der Verbraucher ggf. kaputt ist.

Wollen wir beurteilen, wie voll die Batterie ist und unser Batteriecomputer führt darüber „Buch“, sind die Ah sehr bedeutsam. Ein Messshunt zeichnet dabei fortlaufend, meist an Masse auf, welche Ströme in die Batterie und aus der Batterie fließen.

Da U und I in Zusammenhang stehen, könnte uns auch die verbleibende Spannung Aufschluss geben, die Ah Angabe eines Batteriecomputers ist jedoch bei weitem genauer. Wer sich gar nicht darauf einlassen will, dem hilft die prozentuale Füllstandsanzeige. Informationen dieser Art liefert uns in unserem WoMo sowohl ein Batterie- (Amazon-Link) als auch ein Solarcomputer (Amazon-Link).

Im Vergleich zum Haushaltsstrom (Wechselstrom, Drehstrom) haben wir im Campingbereich meist mit Strom aus der Batterie zu tun.

Batterie / Akkumulator Grundprinzip

Akkus haben immer zwei Elektroden, die sich in einer Elektrolytlösung befinden. Je nach Akkutyp wird unterschiedliches Elektrodenmaterial (NiMH, LiOn, Blei etc.) und Elektrolyte (flüssig, fest oder gelförmig) verwendet. Ein spezieller Akkutyp ist oft in den unterschiedlichsten Bauformen erhältlich. Auf die unterschiedlichen Akkuarten, Vor- und Nachteile sowie die notwendigen Ladekennlinien gehe ich an dieser Stelle nicht weiter ein.

Eine Batterie hat zwei Pole. Zwischen diesen herrscht eine Potentialdifferenz. Am Pluspol (meist rot) herrscht ein Elektronenmangel, während am Minuspol (meist schwarz) ein Elektronenüberschuss (Protonen) vorliegt. Physikalisch „bewegt“ sich der Strom demnach zum Potentialausgleich von Minus zu Plus, auch wenn man sich technisch auf die Definition von Plus zu Minus geeinigt hat, was völlig verwirrt.

Und auch an dieser Stelle kann man nicht oft genug wiederholen, dass keine Plusleitung direkt an den Pluspol der Batterie angeschlossen werden darf, sondern stets eine Sicherung vor Schäden bei einem Kurzschluss schützen muss.

Anschluss an die Batterie

Verbraucherkreise werden an Batterien in der Art angeschlossen, dass Minus (Masse) den Kreislauf trennt und schließt. So ergibt sich:

  • Batterie anschließen: Erst Plus (rot), dann Masse (schwarz)
  • Batterie abklemmen: Erst Masse (schwarz), dann Plus (rot).

So wird ein versehentlicher Kurzschluss durch Kontakt mit der Karosserie oder anderen leitenden Materialien verhindert. Nun fragt man sich, ist ein Kurzschluss bei 12 V eigentlich schlimm? Die Antwort ist immer ja, denn irgendetwas (Batterie, Verbraucher oder Kabel) gehen mit Sicherheit kaputt, im schlimmsten Fall ensteht ein Brand.

 


Achtung, der Ersteller wusste, was er tat. Nicht nachmachen!

Im Übrigen sollte bei jeglichen Arbeiten am Camper, die in irgend einem Zusammenhang mit Strom stehen, die Batterie abgeklemmt werden.

Hilfsmittel und Fehlersuche

Prüflampe

Was ist eine Prüflampe? Die Prüflampe (Amazon-Link) ist im Bereich der Kleinspannungen/Gleichstrombereich ein beliebtes Testinstrument. Diese Lampe darf keinesfalls im Haushaltsbereich genutzt werden, da die Spannung dem Menschen definitiv schadet. Die Prüflampe ermöglicht es durch Prüfen der beiden Adern herauszufinden, ob dort eine Spannung anliegt. Liegt die Spannung an, leuchtet das kleine Lämpchen.

Doch Achtung: Mir selbst ist es schon passiert, dass die Lampe keinen verlässlichen Wert geliefert hat. Der Rückschluss darauf, dass hier kein Strom anliegt, kann mitunter fatal sein. Demnach sollte man die Lampe so interpretieren: Lampe leuchtet, entsprechende Spannung liegt definitiv an. Lampe leuchtet nicht, wahrscheinlich liegt keine Spannung an.

Ähnliches gilt im Übrigen für Phasenprüfer (die beliebten Schraubendreher mit Lämpchen) im Haushalt. Bei sehr guter Isolierung leuchtet das Lämpchen ggf. trotz Spannung nicht. Das ist der Grund, warum diese im gewerblichen Bereich eigentlich nicht mehr zugelassen sind.

Multimeter

Ein verlässliches Gerät ist das Multimeter, mit dem Spannungen (Volt) gemessen werden können. Dabei arbeitet das Gerät mit relativ hohen Widerständen, die das genaue Messen ermöglichen. Des Weiteren können Widerstände (Ohm) und natürlich Stromstärke (Ampere) gemessen werden. An dieser Stelle gehen wir ausschließlich auf die Messarbeiten ein, die im Camper in Verbindung mit 12 V anfallen können.

Die Erklärungen folgen anhand eines Multimeters von Stanley (Amazon-Link), wobei die Bedienung bei den meisten Geräten gleich sein sollte.

ACHTUNG: Mit Bedacht handeln. In Zweifelsfall den Fachmann ranlassen.

Welche Fragestellungen könnten uns im Camper interessieren?

Welche Spannung liegt an?

Das ist die leichteste Art der Messung. Dazu werden zunächst die Messkabel mit dem Messgerät verbunden (auf die Farben achten). Für diese Messung wird die Buchse für VΩMA genutzt. Anschließend wählt man den entsprechenden Messbereich für Gleichstrom am Gerät, in diesem Fall bis 20V an. Anschließend werden die beiden Messfühler gemäß Polarität an die Batterie bzw. an die zu überprüfenden Leitungen oder Verbraucher gehalten.

Durch dieses Messverfahren können unterschiedliche Fragen beantwortet werden:

  • Welche Spannung hat die Batterie?
  • Welche Spannung kommt am Verbraucher an?
  • Ist die Leitung für weitere Arbeiten spannungsfrei?

Tipp: Um bequemer am Elektroblock oder an einem Gerät die Spannung oder Leistung zu messen, habe ich mir ein weiteres Paar Messkabel besorgt und statt der Messspitze jeweils einen Steckschuh und einen Flachstecker aufgecrimpt. Damit ist es gerade an unzugänglichen Stellen leichter Werte zu ermitteln.

Ist eine Leitung in Ordnung?

Durch dieses Messverfahren können unterschiedliche Fragen beantwortet werden:

  • Ist eine Leitung in Ordnung bzw. durch einen Kabelbruch defekt?
  • Nicht beschriftetes Kabel identifizieren bzw. überprüfen

Bei dieser Art der Prüfung vorher unbedingt die Stromversorgung ausschalten/abklemmen!

Um die zuvor genannten Fragen zu beantworten, bietet sich eine so genannte Durchgangsprüfung an. Dazu sollten das zu prüfende Kabel nicht an eine Stromquelle oder einen Verbraucher angeschlossen sein.

Stanley Multimeter STHT0-77364, abgeänderte Messkabel (mit Flachstecker und -hülse), Verlängerungskabel zur Durchmessen von Abern

Die Messkabel werden wie bei der Spannungsprüfung am Multimeter angeschlossen und es wird am Messgerät die entsprechende Funktion ausgewählt. Die Funktionsfähigkeit kann ausprobiert werden, in dem die beiden Messspitzen zusammengeführt werden. Es sollte nun ein Tonsignal zu hören sein.

Zum Prüfen gibt es zwei grundlegende Verfahren:

a) Prüfen einer Ader: Beide Enden der zu überprüfenden Ader werden mit den Messekabeln verbunden. Das ist bei längeren Strecken zum Teil schwierig. Wir haben daher für solche Fälle ein fünf Meter langes Kabel mit niedrigem Querschnitt im Werkzeugkasten. Damit können wir das entfernte Ende einer Leitung bis zum Messgerät verlängern, ggf. bietet sich auf eine metallische Karosserie an. Ertönt ein Signal, ist das Kabel in Ordnung, bleibt das Signal aus, ist es vermutlich gebrochen.

b) Prüfen eines Kabels mit 2 Adern: Statt eine Ader zu verlängern, kann bei einem zweiadrigen Kabel auch die zweite Ader als „Rückkanal“ dienen. Bei dieser Methode muss absolut sichergestellt sein, dass keine Spannung im System anliegt. andernfalls kann schnell ein Kurzschluss herbeigeführt werden. Zur Messung werden die beiden Adern am entfernten Ende miteinander verbunden. Am Messpunkt werden nun beide Adern des anderen Ende mit jeweils einer Messspitze verbunden. Ertönt ein Signal, ist das Kabel in Ordnung, bleibt das Signal aus, ist es vermutlich mind. eine Ader gebrochen. Mit dieser Methode können ebenfalls unklare Leitungen zugeordnet werden, wobei bei einer vernünftige Beschriftung im Vorfeld dieses Problem wohl nicht aufgekommen wäre.

Verbrauch eines Gerätes (nur bis 10 A)

Achtung: Diese Messung ist auf Grund der Amperebegrenzung und der Gefahr eines unbeabsichtigten Kurzschlusses mit Risiken verbunden!

Wichtig vor dieser Prüfung ist die Einschätzung, was das Gerät verbraucht. Die Messgeräte dieser Bauart können lediglich kurzzeitig Ströme bis 10 A messen. Um das zu messen, muss das Gerät eingeschleift werden. Dazu wird das rote Kabel in die linke Buchse des Multimeters gesteckt.

Nun wird das Minuskabel am Verbraucher gelöst. Nachfolgend wir ein Messkabel an den Verbraucher angeschlossen, das weitere Messkabel an die gelöste Ader vom Verbraucher. Das Multimeter ist nun in den Stromkreis eingebunden und gibt den Verbrauchswert aus.

Unser Bildbeispiel zeigt die Stromaufnahme des eingangs erwähnten 12V Fernsehers. Der gemessene Verbrauch ist geringfügig niedriger als der berechnete Wert, was an Energiespareinstellungen am Fernseher liegt.

Vorstellung im Video

Was liefert unsere Solaranlage?

Algemeines zur Solaranlage: Wir haben uns für zwei monokristalline Module von Lilie entschieden. Die Leistungsdaten sind 12 V und 121 Wp. Als Laderegler haben wir einen Votronic Solarladeregler SR 300 Duo Dig (12V, 300 W, 20A) gewählt. Wp steht für Watt Peak und ist eine Leistungseinheit unter Idealbedingungen. Nach dem Leistungsgesetz kann man nun die maximal Amperezahl errechnen. Diese müsste dann bei 10 A liegen. Bei uns werden die beiden Panels parallel geschaltet und in den Solarregler geführt. Die Spannung bleibt bei dieser Anschlussart unverändert (also bei 12 V). Die Leistung (Watt) und die Stromstärke (Ampere) addieren sich bei diesem Verfahren. Ein Vorteil ist, dass auch bei Abschattung eines Panels das andere Panel konstante Ergebnisse liefert. Hier bedeutet das als rechnerisches Ergebnis 12 V, 241 Wp und 20 A. Bei einer Reihenschaltung werden die Module linear miteinander verbunden – Spannung addieren sich, Leistung erhöht sich, die Stromstärke bleibt allerdings gleich.

Zur Messung der Spannung der Solaranlage müssen einige Voraussetzungen gegeben sein.

  1. Notwendig ist zunächst, die Herstellerdaten herauszufinden.
  2. Es sollte eine gute, direkte, nicht abgeschattete und möglichst im 90° Winkel eintreffende Sonnenstrahlung die Module bestrahlen.
  3. Gemessen wird mit besonderer Vorsicht – nur Multimeter, die für die abgebenden Leistungen ausgelegt sind, sollten hier verwendet werden!

Volt messen: Die eigentliche Messung haben wir im Kapitel „Spannungsversorgung prüfen“ bereits erklärt (Messkabel anschließen, Multimeter auf DC stellen und Spannung vorwählen). Wie gesagt, bei uns waren es in der Summe 12 V, daher stellen wir das Gerät auf 20 V. Wir messen die Eingänge direkt vor dem Laderegler, da es am wenigsten Aufwand bedeutet. Dieses ist die einzig sinnvolle Messung mit einem Multimeter an der Solaranlage. Dabei muss man sich im klaren sein, dass das Ergebnis schlecht interpretiert werden kann. Die Spannung sagt im Endeffekt bei den schwammigen und validen vorliegenden Watt-Werten im Prinzip nichts aus.  Einzige Erkenntnis ist, die Panele liefern Spannung oder eben nicht.

Ampere messen: Mit dieser Messung wäre deutlich aussagekräftiger, ist technisch gesehen mit einem Multimeter bei den meisten Anlagen unmöglich. Grund ist der, dass die gängigen Multimeter für den Konsumentenbereich nicht mehr als 10A unterstützen. Da wir in der Summe bei etwa 20A ankommen, können wir diese Messung bei Solarpanelen dieser Leistungsklasse leider nicht durchführen. Ein Zangenampermeter für Gleichstrom wäre hier von Nöten. Hier können wir nur den vom Laderegler abgegebenen Ladestrom messen. Dabei ist sicher zu stellen, dass bei Messung nach dem Laderegler die Batterie nicht voll geladen ist. Ansonsten werden verfälschte Daten ausgegeben.

Die ernüchternde Erkenntnis ist, dass zu einer genauen Messung eigentlich kaum ein Weg an einem Batterie- (ext. Amazon-Link) oder einem Solarcomputer (ext. Amazon-Link) vorbeigeht. Beide Geräte haben wir im Einsatz und sind mehr als zufrieden damit.

2 Gedanken zu „Kleine Stromkunde 12 V und Leistungsmessung mit dem Multimeter

  • 12. November 2017 um 18:25
    Permalink

    Danke für die uns Laien verständlichen Information. Ich „verfolge“Euch weiter.

    Antworten
    • 12. November 2017 um 18:44
      Permalink

      Sehr gerne. Danke für dein Feedback.

      Antworten

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.