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 oder erlauben sogar die Messung von Wechselspannung oder gar Wechselstrom.

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 vor dem Kauf 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). Wenn man bei eBay oder Amazon nach solchen Modulen sucht, sind hilfreiche Schlagworte "Digital Panel Ammeter" bzw. "Digital Panel Voltmeter". Je nach Messaufgabe und Ausführung gibt es verschiedene Beschaltungsvarianten, die für unterschiedliche Einsatzfälle geeignet sind. Es sind hauptsächlich:

DC-Spannungsmessung 2-polig (Bild 5)

Dies ist die einfachste und billigste Version. Die Stromversorgung des Moduls geschieht über die Messspannung selber, der Eingang ist also nicht hochohmig. Nachteil ist zudem, dass hiermit nicht bis auf 0 V herunter gemessen werden kann. Meist ist der verwendbare Messbereich so etwa 4 bis 30 VDC, was auch der Stromversorgung entspricht.

DC Spannungsmessung

DC-Spannungsmessung 3-polig (Bild 6)

Hier sind Betriebsspannung des Moduls und Messspannung (z.B. an der Last) getrennt, so dass als Messbereich etwa 0 bis 100 VDC möglich ist, mit Versorgungsspannungen für das Modul von etwa 4 bis 30 VDC (Bild 6a). Beide Spannungen haben eine gemeinsame Masse, der Messeingang ist hochohmig. Alternativ kann auch eine gemeinsame Spannung verwendet werden, wenn die untere Spannungsgrenze für das Modul beachtet wird (Bild 6b).

DC-Strommessung 3-polig (Bild 7)

Hier benötigt das Modul eine Betriebsspannung, die etwa 4 bis 30 VDC beträgt und der Strom wird über einen internen oder externen Shunt-Widerstand gemessen. Sollen Last und Modul unterschiedliche Versorgungen haben, gilt Bild 7a, bei gemeinsamer Stromversorgung Bild 7b. Das Besondere ist, dass der Shunt im Massezweig liegt, d.h. die Stromversorgung für das Modul und der Verbraucher, dessen Strom gemessen werden soll, haben keine gemeinsame Masse. Das schränkt die Verwendung ein. Bevorzugt verwendbar ist die Beschaltung für die Überwachung an Netzteilen und Stromversorgungen. Diesen Nachteil haben übrigens auch USB-Strommesser, die man zwischen USB-Anschlüssen und USB-Verbrauchern stecken kann und die manchmal auch für höhere Spannungen als bei USB (5 V) verwendbar sind, etwa bis 30 V.

DC-Strommessung 4-polig (Bild 8)

Braucht man eine Potentialtrennung zwischen Messstromkreis und Modulversorgung, muss man auf eine Variante mit Trafonetzteil (nur bei Wechselsspannung) bzw. Schaltregler zurückgreifen (Bild 8). Dies ist eine eher seltene und aufwendigere Ausführung. Bei einem Schaltregler kann ein Gleichrichter vorgeschaltet sein, so dass man wahlweise mit Gleich- oder Wechselspannung speisen kann (z.B. 8-12 V DC/AC). Der Shunt ist bei Strömen über 10 A extern anzuschließen. Er wird meist so dimensioniert, dass für Vollanzeige 75 mV benötigt werden.

Im Bild 8a liegt der Shunt in der Masseleitung, jedoch kann man den ebenso in die Plus-Leitung legen, wenn der Eingang tatsächlich potentialgetrennt ist (Bild 8b).

Hinweis: Wenn der Anbieter nicht explizit auf die vorhandene Potentialtrennung hinweist oder die Schaltung entsprechend vorgibt, muss man dies selber überprüfen. Wenn eine Modul-Speisung mit Wechsel- und Gleichspannung (AC/DC) angeboten wird, macht man einen Test mit Gleichspannung und polt die Spannung testweise um. Falls nur in einer Polarität das Modul arbeitet, ist nur ein Einweggleichrichter (Diode) eingebaut und eine Potentialtrennung ist sehr fraglich. Wenn es in beiden Polaritäten funktioniert, ist ein Brückengleichrichter eingebaut, was eine schaltungstechnische Potentialtrennung wahrscheinlich macht. Weiterhin kann man eine ohmsche Messung zwischen Moduleingänge und Messeingänge für beide Polaritäten vornehmen, wo kein Durchgang sein darf. Wenn eine Speisung nur für Gleichspannung angegeben wird, ist eine Potentialtrennung unwahrscheinlich. Des weiteren ist es wichtig zu wissen, welche Spannungsfestigkeit die Potentialtrennung besitzt, wobei man sich an der zulässigen Modulspannung orientieren kann.

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DC-Kombimessung Spannung/Strom 3-polig (Bild 9) bzw. 4/5-polig (Bild 10)

Aufwendigere Module können Spannung und Strom gleichzeitig anzeigen. Im einfachsten Fall reicht die 3-polige Beschaltung (Bild 9), mit wahlweise getrennten Stromversorgungen für Modul und Verbraucher (Bild 9a) oder gemeinsamer Stromversorgung (Bild 9b). Bei getrennter Stromversorgung lässt sich natürlich nicht die Spannung am Verbraucher messen. Daher ist die Variante nach Bild 9b meist sinnvoller, wenn obere und untere zulässige Spannungsgrenzen beachtet werden. Auch hier gilt wieder, dass keine gemeinsame Masse für Versorgung/Messspannung und Verbraucher vorliegt.

Wesentlich flexibler ist die Variante mit 4 bzw. 5 Anschlüssen (mit doppelter Masse), wo man durch den getrennten Messspannungseingang die Wahl hat, welche Spannung man erfassen will, wenn man getrennte Versorgungsspannungen verwendet (Bild 10a). Der größte Vorteil besteht dabei darin, dass die Messspannung unabhängig von der Versorgungsspannung des Moduls ist und man daher Spannungen messen kann, die über der Modulspannung liegen, andererseits aber auch darunter bis auf 0 V. Dieses Modul kann man auch so betreiben wie die 3-polige Version (Bild 10b) mit nur einer Versorgungsspannung.

AC-Spannungsmessung 2-polig (Bild 11)

Diese Ausführung kostet nur wenig mehr als die DC-Version und ist für sehr hohe Wechselspannungen geeignet, meist bis 380 oder 500 VAC. Messspannung und Betriebsspannung sind gemeinsam. Das bedingt, dass die untere Messschwelle meist 60 bis 80 VAC beträgt, manchmal auch 12 V. Die Spannungsversorgung geschieht über ein Kondensator-Netzteil, was bedeutet, dass mit steigender Betriebsspannung die Stromaufnahme bis über 50 mA steigen kann, während sie an der unteren Spannungsgrenze vielleicht nur 6 mA beträgt. Die Verlustleistung (Wirkleistung) ist bei 230 V aber auch nur um 0,3 W. Details beschreibe ich weiter unten an einem Beispiel. Die Einfachheit der Schaltungstechnik bedeutet allerdings auch eine eingeschränkte Messgenauigkeit bei kleineren Eingangsspannungen und auch bei nicht sinusförmigen Wechselspannungen (z.B. von einer USV).

AC-Spannungsmessung 4-polig (Bild 12)

Aufwendiger ist eine Schaltung mit Potentialtrennung zwischen Modulversorgung und Messspannung. Damit ist bei Spannungsmessungen auch eine Messung bis herab auf 0 V bzw. auch über die Versorgungsspannung hinaus möglich. Dies ist aber eine relativ selten angebotene Variante. Das Besondere ist die wahlweise Speisung des Moduls mit AC oder DC, allerdings meist in einem kleinen Bereich, etwa 8-12 V. Die zu messende Spannung muss aber AC sein. Bezüglich Potentialtrennung ist der Hinweis zu Bild 8 zu beachten.

Weiter unten beschreibe ich eine einfache Methode, wie man das mit einem Standard AC-Strommesser auch erreichen kann, um Spannungen(!) zu messen.

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AC-Strommessung 4-polig (Bild 13)

Ähnlich wie bei der Spannungsmessung nach Bild 12 gibt es auch Module, die eine potentialgetrennte Stromversorgung des Moduls haben und bei der wahlweise AC oder DC-Speisung möglich ist, die aber den AC-Strom messen über einen Shunt (bis 10 A eingebaut). Dabei ist wieder getrennte (Bild 13a) bzw. gemeinsame Stromversorgung (Bild 13b) möglich. Der zu messende Strom muss AC sein. Bezüglich Potentialtrennung ist der Hinweis zu Bild 8 zu beachten.

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AC-Strommessung mit Stromwandler (Ringkern), 4-polig (Bild 14)

Dies ist die übliche Form für Wechselstrommessung bei höheren Strömen. Hierbei wird eine Ringkern als Stromwandler verwendet. Er arbeitet wie ein Transformator, um hohe Ströme (meist 100 A) in praktikable Werte für die Messschaltung umzuwandeln. Dazu steckt man die Leitung, deren Strom man messen möchte, einfach durch die Kernmitte. Der Vorteil ist, dass man damit eine gute Potentialtrennung bekommt zwischen Messkreis und Betriebsspannung. Außerdem kann man den Strom-Messbereich von meist 100 A leicht auf 10 A herunter transformieren, indem man die zu messende Leitung mit 10 Windungen durch den Kern führt (oder einen passsenden Draht hierzu verwendet). Allerdings wird als Betriebsspannung meist eine Spannung von 60 bis 500 V AC benötigt, so dass sich diese Verwendung vor allem für Anwendungen an Netzspannung anbietet. Zu beachten ist, dass der durch den Ringkern geführte Draht gut isoliert sein muss, wenn man die Potentialtrennung etwa aus Sicherheitsgründen benötigt. Bild 14a zeigt die Anwendung bei getrennten Stromversorgungen, Bild 14b bei gemeinsamer.

AC-Kombimessung Spannung/Strom 4-polig (Bild 15)

Man kann die Schaltung nach Bild 14 auch erweitern, um gleichzeitig die Spannung zu messen, wie im Bild 15 dargestellt. Dies ist eine häufig anzutreffende Bauform, wobei als Betriebsspannung meist die Netzspannung verwendet wird. Als Stromsensor dient wieder ein Ringkern, so dass man die Potentialtrennung einfach erhält. Dies ist für Anwendungen gut geeignet, die ohnehin an Netzspannung betrieben werden. Prinzipbedingt ist die Messspannung wieder durch die untere Mindestspannung des Moduls begrenzt. Im Falle der Überwachung der Netzspannung wird das selten stören, wenn die zu messenden Abweichungen gering sind. Die Schaltung eignet sich hingegen nicht, um an einem Regeltrafo die Ausgangsspannung bis zu kleinen Werten hin anzuzeigen. Bild 15a gilt für getrennte Stromversorgungen, Bild 15b bei gemeinsamer.

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 Spannungsmess-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" (wie in Bild 11), 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 dennoch 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, bei Phasenanschnitt oder Ausgangsspannungen einer USV (Unterbrechungsfreie Stromversorgung), 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 z.B. 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 keine Potentialtrennung möglich (außer wie in Bild 8).

Beispiel Panel AC-Spannungsmessung

Das AC-Spannungsmessmodul nach Bild 2 ist in weitgehend offener Bauweise ausgeführt (Bild 16) und erlaubt einen Einblick in die verwendete Schaltungstechnik (Bild 17). 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 16: Bestückung für Bild 2
Bild 17: Schaltbild zu Bild 2

Das von mir aufgenommene Schaltbild des Moduls habe ich in Bild 17 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 18 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 ca. "99.9" (A), was der maximale Anzeigewert ist, für den der Strommesser spezifiziert ist.

Pilot A Meter AC
Bild 18: 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 % pro Stufe/Windung 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 gemessene 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 Niederspannungs-Trafos 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 19 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 hätte 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 19: AC-Strommesser als Spannungsmesser
(direkter Fühleranschluss)
Bild 20: AC-Strommesser als Spannungsmesser
(getrennter Fühleranschluss)

Daher ist eine Beschaltung wie nach Bild 20 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 18+20) 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.

Hinweis: Die Messmodule gibt es in einer Vielzahl von Ausführungen. Bei manchen Angeboten auf eBay oder Amazon ist nicht ersichtlich, welche Konfiguration vorliegt und wie die Beschaltung sein soll. Eine Beschreibung wird bei den meisten Angeboten nicht mitgeliefert und manche Angebote unterscheiden sich von anderen, obwohl sie auf dem ersten Blick gleich aussehen. Wenn man keine Information vom Anbieter bekommt, sollte man sehr vorsichtig eine plausible Verdrahtung überlegen und ausprobieren. Es ist vor allem bei Modulen, die für Netzspannung eingesetzt werden, zu beachten, dass eine sichere Netztrennung vorliegt. Leider ist oft schon auf den ersten Blick zu erkennen, dass z.B. wegen zu geringer Leiterbahnabständen eine sichere Trennung gar nicht möglich ist. Selbst wenn die Anschlüsse alle im netzseitigen Bereich liegen (ohne Berührungsgefährdung), muss eine ausreichende Isolation zwischen Phase (L) und Neutralleiter (N) gewährleistet sein, um zerstörerische Kurzschlüsse zu vermeiden.

(Entwicklungsstand 04.07.2018, ergänzt am 23.04.2020)

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© Reinhard Weiß 2020 - letzte Änderung: 28.04.2020 18:07 / 2