Reinhard Weiß
Digital Panel Meter AC/DC bei eBay & Co

Überblick

Bei eBay (oder Amazon, AliExpress etc.) gibt es eine umfangreiche Auswahl an preiswerten kleinen Digital-Displays, die Spannung und Strom messen und anzeigen können, und die unterschiedliche Einbaumöglichkeiten bieten. Die billigsten Module (Bild 1) sind nur für Gleichspannung (DC) geeignet, und lassen sich auch einfach als Sub-Platine auf einer Leiterplatte integrieren. Etwas teurere haben ein größeres Display und lassen sich sogar zur Messung von Wechselspannung oder gar Wechselstrom verwenden.

Einbau Digital Voltmeter Panel Meter AC Pilot Meter AC Panel Meter V-A AC
Bild 1: DC-Einbau-Voltmeter
Bild 2: AC-Panel-Voltmeter
Bild 3: AC-Pilot-Amperemeter
Bild 4: AC-Panel-Volt-/Amperemeter

Für Einbauten in einer Frontplatte eines Gerätes oder Gehäuses gibt es Module mit Einbaurahmen (Panel, Bild 2). Alternativ zum rechteckigen Einbaurahmen gibt es auch vielfach solche als Pilot Meter (Bild 3), die ein 22 mm Loch in der Frontplatte benötigen, zur Messung von Wechselspannung oder Wechselstrom. Bild 3 zeigt einen solchen Strommesser mit Stromwandler-Ringkern. Aufwendigere Module können auch mehrere Messwerte gleichzeitig darstellen, etwa Spannung und Strom (Bild 4). Schließlich gibt es auch noch solche, die noch weitere Daten anzeigen, etwa die Leistung.

Erstaunlich ist neben der Vielfalt an Ausführungen das extrem niedrige Preisniveau (Beispiele Stand 6/2018). Einfache kleine Displays für Gleichspannungen (DC) ohne Gehäuse wie in Bild 1 kosten ab etwa 1 € (inkl. Versand aus China!), mit Einbaurahmen (Panel) etwas mehr. Etwas teurer sind solche für Wechselspannung (AC) in Bild 2 oder Wechselstrom bis etwa 5 A (mit integriertem Shunt). Komplexere für AC-Strommessung bis meist 100 A (mit Stromwandler) wie in Bild 3 liegen bei 3-4 €, und mit gleichzeitiger AC-Spannungsanzeige wie Bild 4 (als LED oder LCD) bei 6-8 €. Allerdings gibt es hier natürlich große Preisdifferenzen zwischen verschiedenen Anbietern, die eine Preis-Recherche sinnvoll machen.

Konstruktive Unterschiede

Die meisten Displays verwenden LED 7-Segment-Anzeigen, 3- oder 4-stellig; einige, insbesondere solche, die mehrere Werte gleichzeitig darstellen, auch LCD (Bild 4). Je nach Messaufgabe gibt es verschiedene Beschaltungsvarianten, die für unterschiedliche Einsatzfälle geeignet sind. Es sind hauptsächlich:

Eigenschaften

Die meisten Module für DC-Anwendungen sind relativ unproblematisch. Die Versorgungsspannung kann ungeregelt sein und die Genauigkeit der Anzeige ist für Überwachungsaufgaben sicher ausreichend. Zwar sind die Angaben der Anbieter zur Genauigkeit meist zu optimistisch (meist im Bereich von 1 %), aber einige Module erlauben auch die Justage mittels eines Trimmers auf der Baugruppe. Da das nicht alle Module anbieten, sollte man bei der Auswahl darauf achten. Für Module mit von der Messspannung getrennter Stromversorgung (3-Draht) besteht möglicherweise durch Vorschaltung eines Widerstands eine Anpassmöglichkeit, falls durchschnittlich zu hohe Werte angezeigt werden und ein Abgleich mit Trimmer nicht vorgesehen ist.

Bei AC-Messmodulen wird die Stromversorgung meist aus der Netzspannung bzw. Messspannung vorgenommen, die zwar teilweise einen riesigen Bereich zulässt (z.B. 12 bis 500 V AC), was aber bei hohen Spannungen mit einem Zuwachs an Stromaufnahme verbunden ist. Die Netzteile arbeiten mit Kondensatoren als "Vorwiderstand", was den Eingangsstrom bei hoher Eingangsspannung auf Werte über 50 mA ansteigen lässt, der aber weitgehend als Blindstrom auftritt, d.h. die Wirkleistung beträgt bei 230 V nur um 0,3 W.

Bei der Messgenauigkeit der AC-Messung ist neben der Genauigkeit des Analog-Digital-Wandlers, wie schon bei DC, zusätzlich ein Einfluss der Kurvenform zu berücksichtigen. Meist arbeiten die Schaltungen mit Mittelwertbildung, eine Effektivwertmessung (TrueRMS) erfolgt jedoch nicht. Da die Auswertung meist nur 1 Polarität betrachtet, kann das bei exotischen (unsymmetrischen) Kurvenformen zu deutlich fehlerhaften Werten führen. Auch bei Messungen an Trafos, die Sättigungsverhalten zeigen oder bei Phasenanschnitt, sind Messfehler gegenüber dem Effektivwert nicht zu vernachlässigen.

Die Verwendung von Ringkernen als Stromwandler ist bei AC-Strommessungen ideal. Normalerweise steckt man die zu messende Leitung durch den Kern, der meist für 100 A dimensioniert wird. Eine Wicklung auf dem Ringkern mit z.B. 1000 Windungen transformiert den Strom von 100 A auf 100 mA herunter in die Auswerteschaltung. Vorteilhafterweise kann man die Empfindlichkeit erhöhen, also geringere Ströme mit höherer Auflösung messen, wenn man statt der einzelnen Leitung 10 Windungen um den Kern wickelt, durch den der Messstrom fließt.

Bei der Verwendung von Ringkernen zur Stromwandlung muss man aber beachten, das die Kerne mit ihrer Wicklung zwar gut isoliert sind, was zur Potentialtrennung zwischen Mess- und Versorgungskreis (meist Netzspannung) ausgenutzt wird, aber die Billiganbieter aus China verwenden als Zuleitung zwischen Modul und Ringkern völlig unbrauchbare dünne Drähte, die keinesfalls als wirksame Isolierung zugelassen sind (die Drähte liegen auf Netzpotential!). Es empfiehlt sich, die Drähte mit einem Isolierschlauch zu überziehen und den Kern so zu verlegen, dass keine Berührung bzw. Kontaktierung an den Drähten möglich ist (ggf. mit Isolierband abkleben).

Bei DC-Strommodulen werden Shunts zur Strommessung eingesetzt, bis 5 oder 10 A meist intern, darüber als zusätzliches Bauteil angeschlossen, das die Größe eines Moduls bei weitem übersteigt. Hier ist natürlich keinerlei Potentialtrennung möglich.

Beispiel Panel AC-Spannungsmessung

Das AC-Spannungsmessmodul nach Bild 2 ist in weitgehend offener Bauweise ausgeführt (Bild 5) und erlaubt einen Einblick in die verwendete Schaltungstechnik (Bild 6). Auffällig ist der große braune Kondensator (C1), der als "Vorwiderstand" im Kondensator-Netzteil dient. Typisch für solch einfache Module handelt es sich nicht um einen hochwertigen X2-Kondensator, der für Wechselspannung mit Selbstheilungsfunktion ausgelegt ist, sondern um einen mit 630 V (DC) spezifizierten normalen Kondensator. Da am Stromnetz mit Überspannungen im Bereich von mehreren kV zu rechnen ist, kann das zu einem frühen Ausfall führen. Der große blaue Widerstand auf der rechten Seite ist ein Schutzwiderstand (R1) um Stromspitzen beim Anlegen der Eingangsspannung oder bei Überspannungensspitzen zu verringern.

Panel V Meter AC Panel V Meter AC
Bild 5: Bestückung für Bild 2
Bild 6: Schaltbild zu Bild 2

Das von mir aufgenommene Schaltbild des Moduls habe ich in Bild 6 dargestellt (vergrößern mit Anklicken). Die blauen Texte sind Messwerte zur Orientierung. Es handelt sich um ein Kondensator-Netzteil, das ohne Potentialtrennung (Trafo) auskommt und dennoch nicht zu viel Leistung verbraten muss. Ein Vorteil ist, dass damit ein sehr großer Eingangsspannungsbereich abgedeckt werden kann (hier 70 bis 500 V, manchmal auch 12 bis 500 V). Allerdings steigt der Eingangsstrom (Blindstrom) proportional mit der Eingangsspannung, weil die Spannung mit einer Z-Diode (D3) auf etwa 7 V begrenzt wird. Bei 230 V beträgt der Eingangsstrom um 23 mA (die aufgenommene Wirkleistung beträgt dabei nur 0,3 W). Die Spannung an der Z-Diode wird anschließend mit dem Standard-Regler 78L05 stabilisiert. Obwohl der Regler eine DropOut-Spannung von 1,7 V besitzt und daher die Eingangsspannung mindestens 6,7 V betragen müsste, damit der Regler sauber arbeitet, wird es in Kauf genommen, dass bei der niedrigsten zulässigen Eingangsspannung (70 V) lediglich 4 V am Regler-Eingang zur Verfügung stehen.

Der Schutzwiderstand R5 (10 Ohm) ist zur wirksamen Begrenzung von Einschaltstromspitzen sehr knapp bemessen. Üblicherweise liegt er eher bei 100 Ohm, um den Stress der Bauteile (Kondensator, Gleichrichter, Elko, Z-Diode) gering zu halten. Er erzeugt natürlich zusätzliche Verluste, aber die würden bei 100 Ohm selbst bei der höchsten zulässigen Eingangsspannung auf nur 0,25 W steigen. Die Bedeutung des Widerstands R1 erschließt sich mir nicht.

Zur Messung der Eingangsspannung wird über D1 und R3/R4 der Kondensator C2 aufgeladen. Da die Aufladezeitkonstante im wesentlichen von den Widerständen R6/R7/R8 hervorgerufen wird (R3/R4 sind zwar parallel geschaltet, aber wesentlich hochohmiger) und damit der Entladezeitkonstanten entspricht, wird C2 nicht etwa auf den Spitzenwert der Eingangsspannung aufgeladen, sondern ihren Mittelwert. Das Modul misst also nicht etwa den Effektivwert (RMS) oder den Spitzenwert.

Allerdings scheint sich der Entwickler hier nicht ganz sicher gewesen zu sein, denn wozu teilt er mit R8/R7 die Spannung um den Faktor 0,73 herunter, bevor sie dem Prozessor übergeben wird? Das sieht eher so aus, als ob er den Spitzenwert an C2 erwartet hätte und zur Umwandlung in den "Pseudo"-Effektivwert umrechnen wollte. Um aber aus dem Mittelwert der Einweggleichrichtung auf den Effektivwert der Wechselspannung schließen zu können, hätte er statt dessen die Spannung mit dem Faktor 2,22 multiplizieren (erhöhen) müssen (der Mittelwert der Einweggleichrichtung ist = Wechsel-Spitze / pi(), und Wechsel-Spitze = WURZEL(2) * Ueff). Im übrigen wäre R6 aus Gründen der Kosteneinsparung nicht nötig und hätte in R7/R8 eingerechnet werden können.

Aber das ist ja alles irrelevant, weil man die gesamte Justierung der Messspannung über R3/R4 vornehmen kann und dann auch R7/R8 komplett hätte weglassen können. Bei Anlieferung war die Messgenauigkeit allerdings 4-5 % über den korrekten Werten, die Schaltung also offenbar gar nicht abgeglichen. Nach Abgleich mit R4 konnte sie auf +/- 1 % verbessert werden (70 bis 280 V). Allerdings ist der Spielraum für Justierungen damit ausgeschöpft, weil der Trimmer nun bereits am (max.) Anschlag steht.

Die etwas ungewöhnliche Art der Auskopplung der Messspannung über Anschluss L gegen Masse (statt gegen N) hat einerseits zur Folge, dass die gleichgerichtete positive Halbwelle hinter D1 nicht exakt der Eingangsspannung zwischen L und N folgt, wodurch ihr Mittelwert etwas überhöht wird. Er liegt daher um 3 bis 1 % bzw. 0,9 V höher (zwischen 70 und 250 V). Andererseits wirkt der Spannungsabfall an der Diode D1 dem Fehler aber etwas entgegen, so verbleiben vergleichsweise nur noch 0,7 bis 0,2 V Unterschied bzw. Messfehler. Da der Fehler spannungsabhängig ist, lässt sich das mit dem Abgleichtrimmer auch nicht optimal im gesamten Messbereich ausgleichen. Diese Werte habe ich in einer vergleichbaren Schaltung nachgemessen.

Beispiel AC-Strommessung mit Stromwandler

Die Grundbeschaltung eines Strommessers mit Stromwandler wie in Bild 3 ist in Bild 7 dargestellt (vergrößern mit Anklicken). Als Versorgungsspannung wird die Netzspannung zugeführt, mit großem Toleranzbereich. Der Messeingang ist ein niederohmiger Widerstand (hier 10 Ohm), an den der Stromwandler mit seiner Wicklung angeschlossen wird (ein Stromwandler sollte nahezu im Kurzschluss betrieben werden). Die Schaltung ist so dimensioniert, dass ein Strom von 100 A, der durch einen in den Ringkern gefädelten Draht fließt, auf der Sekundärseite, also durch den Widerstand, einen Strom von 100 mA bzw. einen Spannungsabfall von 1 V erzeugt. Die Anzeige hat dann 99.9 (A), was der maximale Anzeigewert ist, für den der Strommesser spezifiziert ist.

Pilot A Meter AC
Bild 7: Beschaltung AC Strommesser

Benötigt man einen Messbereich von 10 A statt 100 A, kann man den eingefädelten Draht 10 mal hindurchführen, was das Magnetfeld entsprechend verstärkt, so dass die Maximalanzeige 99.9 bereits bei rund 10,0 A Messstrom entsteht. Beim Abzählen der Windungen ist zu beachten, dass es nicht auf 10 vollständig umschlungene Windungen ankommt, sondern, dass es nur wichtig ist, wieviel Drahtschlingen oder Drahtstücke im Inneren des Ringkerns durchlaufen. Wenn man etwa den Draht senkrecht einführt, 1 Umschlingung vollführt und dann auf der anderen Seite (also bei "180°") wieder heraus kommt, hat man bereits 2 Windungen in diesem Sinn. Die Möglichkeit des Windungsverfahrens kann auch hilfreich sein, wenn man eine grobe Korrektur der Messwerte braucht, weil der Abgleich fehlerhaft oder unvollständig ist und kein Abgleich-Trimmer vorgesehen oder zugänglich ist oder nicht ausreichend sein sollte. Durch Hinzufügen oder Weglassen von 1 Windung von 10 benötigten kann man dann grob +/-10 % ausgleichen.

Das Pilot-Messgerät nach Bild 3 hat keine zugängliche Abgleichmöglichkeit mit einem Trimmer. Andere, wie etwa nach Bild 4, schon. Die nachgeprüfte Messgenauigkeit bei 2 Pilot-Modulen nach Bild 3 betrug mit 10 Windungen für Ströme zwischen 0,5 und 2 A (Anzeige 5.0...20.0) -8...+1 bzw. +2 %, entsprechend einem Stromfehler um +/- 40 mA, ein anderes hatte nur einen Fehler von -3...+1 % bzw. +/- 17 mA.

Bei dem Modul nach Bild 4 gab es zunächst riesige Abweichungen bei der Strommessung, etwa 15 % zeigte es zu wenig an. Allerdings ließ es sich problemlos mit dem Trimmer abgleichen auf -3...+2% zwischen 0,1 und 2,0 A (mit 10 Windungen). Auf Nachfrage beim Verkäufer war der offenbar überfordert. Eine Abgleichmöglichkeit war ihm offenbar unbekannt und er erstattete mir den Kaufpreis. Tatsächlich gibt es keinerlei Beschreibung dazu und der Trimmer ist auch nicht beschriftet, man muss das aus der Bauteileanordnung erraten. Ein Spannungsabgleich wäre mit einem weiteren Trimmer möglich, war aber nicht nötig (gemessen: +/- 1%). Zusätzlich hat das Modul in Bild 4 einen Nullpunktfehler, weil die letzte Stelle bei fehlendem Strom nicht auf 0 zurück geht. Dies ist vielleicht nur ein Schönheitsfehler für den stromlosen Zustand, ansonsten lässt er sich durch den Abgleich ja weitgehend eliminieren.

Beispiel AC-Spannungsmessung mit Strommesser

Module zur AC-Spannungsmessung für Spannungen bis herab zu 0 V sind sehr selten und recht teuer und relativ groß (Panel-Ausführung mit Einbaurahmen wie in Bild 2). Die meisten Module können nur Spannungen über ca. 60 V AC, manche auch ab 12 V AC (laut Anbieter) messen, weil sie keine getrennte Mess- und Versorgungsspannung haben. Wenn man aber etwa die Ausgangsspannung eines Trafo-Netzteils überwachen möchte, sind kleinere Messspannungen erforderlich und es ist auch eine Potentialtrennung zwischen Messkreis und Versorgung (Netzspannung) notwenig. Die Pilot-Meter nach Bild 3 sind recht klein und nehmen an der Frontplatte wenige Platz ein und sind leicht einbaubar. Wenn man zur Strommessung bereits ein solches Modul mit Stromwandler einsetzen will und noch eine Spannungsanzeige für z.B. 0...30 V braucht, wäre es aus optischen Gründen schön, wenn man das mit einem gleich aussehenden Modul machen könnte.

Dafür gibt es 2 Lösungen. Im nachfolgenden Bild 8 wird die Stromversorgung des "Spannungsmessers" mit einem kleinen Trafo vorgenommen, der 2 x 24 V bei 2 x 0,5 VA Leistung abgibt (Bild vergrößern mit Anklicken). Da die Stromaufnahme der Schaltung gering ist, stellt sich nahezu die Leerlaufspannung mit ca. 64 V ein, die ausreichend ist, um das Modul zu versorgen. Der Trafo sorgt für die Potentialtrennung. Der Strom-Eingang ist der Anschluss für den Stromwandler, der hier nicht benötigt wird. Bei dem verwendeten Modul sind für eine Spannungsanzeige von 30,0 V (Anzeige "30.0") 30 mA Eingangsstrom nötig bzw. 300 mV. Entsprechend ist ein Vorwiderstand von 1 kOhm erforderlich mit einer Leistung von 1 W. Dieses Voltmeter hat also einen nicht gerade niedrigen Eingangswiderstand, was für manche Anwendungen sicher unerwünscht ist. Falls man bis 100 V messen wollte, würden sogar 100 mA Eingangsstrom fließen.

Panel A Meter AC Panel A meter AC
Bild 8: AC-Strommesser als Spannungsmesser
(direkter Fühleranschluss)
Bild 9: AC-Strommesser als Spannungsmesser
(getrennter Fühleranschluss)

Daher ist eine Beschaltung wie nach Bild 9 wesentlich günstiger. Die Stromversorgung geschieht normal an der Netzspannung, aber der Stromeingang wird nun über einen Transformator angepasst, der auch für die Potentialtrennung sorgt. Bei geeigneter Auswahl des Trafos fließen bei 30 V Eingangsspannung nur 3 mA Eingangsstrom. Beim Trafo handelt es sich um einen kleinen Netztrafo, dessen Primärwicklung (230 V) der Messeingang ist und dessen Sekundärseite die Spannung in den passenden Bereich für das Modul herunter transformiert (hier verwendet: 12 V/2,1 VA). Hierzu muss man einfach verschiedene Kleintrafos ausprobieren, wobei eher solche mit kleiner Ausgangsspannung (etwa 6 V oder weniger) günstig wären. Da die Primärwicklung nur mit Bruchteilen der üblichen Wicklungsspannung beaufschlagt wird und der Trafo sekundär nahezu im Kurzschluss betrieben wird, kann man die Eisensättigung gut eliminieren, was ansonsten zu Verzerrungen der Stromform führen würde und das Messergebnis möglicherweise zu sehr verfälscht. Man sollte einen solchen Trafo verwenden, der etwas zu viel Ausgangsspannung liefert (Testkriterium bei 30 V Eingangsspannung: Anzeige mindestens "30.0"), so dass man mit dem Trimmer R1 noch Spielraum für einen feinen Abgleich hat.

Ein Vergleich mit einem Effektivwert messenden Messgerät (UT71D) ergab bei optimalem Abgleich im Bereich von 5...30 V Abweichungen von -5...+3 %, entsprechend +/-0,3 V. Die absolute Abweichung von etwa 0,3 V gilt sogar bis herab zu 1 V.

Die Verwendung von 2 gleichen Modulen für Strom- und Spannungsmessung hat noch einen netten Zusatzeffekt. Man kann die beiden Module (beschaltet nach Bild 9) bei der Versorgungspannung in Reihe schalten und spart einiges an Energie. Denn dadurch wird jedes Modul mit nur 115 V statt 230 V betrieben und der Eingangsstrom halbiert sich (17 mA). Statt eine Verlustleistung von 300 mW für 2 Module parallel an 230 V beträgt nun die gesamte Wirkleistung nur noch 100 mW.

(Entwicklungsstand 04.07.2018)

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© Reinhard Weiß 2018 - letzte Änderung: 09.07.2018 17:11 / 1