Spannungsmodul für AC-Spannungen ab 0 V

Reinhard Weiß - Bauprojekte

Spannungsmodul für AC-Spannungen ab 0 V

Die meisten Module für AC-Spannungsmessung sind 2-polig und messen damit nur ihre eigene Betriebsspannung (Netzspannung). Die kann zwar im großen Bereich schwanken, jedoch gelingt es damit nicht, Wechselspannungen unter etwa 50 VAC zu messen. Für manche Anwendungen wäre sogar eine Messung bis herab zu 0 V wünschenswert.

Verwendet man die sehr kompakten Pilot Lamp-Anzeigemodule für eine AC-Strommessung (Bild 1 links), und benötigt auch eine AC-Spannungsmessung für Werte ab 0 V, wäre es natürlich schön, wenn das Spannungs-Modul im gleichen Design verfügbar wäre wie das Strom-Modul. So etwas gibt es aber (anscheinend) nicht.

Aber, man kann die Pilot Lamp-Anzeigemodule für Strom(!) so betreiben, dass damit Wechselspannungen bis herab zu 0 VAC gemessen werden können. In meinem Fall begnüge ich mich mit Eingangsspannungen zwischen 0 und 30 V, um die Ausgangsspannung eines umgebauten Modelleisenbahn-Regeltrafos zu messen.

Der Einsatz dieser einfachen Anzeigemodule ist weniger für eine präzise Messaufgabe geeignet, sondern mehr für Überwachungsaufgaben, wo die Information im Vordergrund steht und nicht eine hohe Messgenauigkeit erforderlich ist.
Wir gehen davon aus, dass wir die Module selber nicht verändern können oder wollen (z.B. weil das nicht ohne Beschädigung des Gehäuses geht). Um nun ein Strommessmodul als Spannungsmesser zu verwenden, gibt es prinzipiell 2 Lösungen.

Beispiel Lösung 1

Im Bild 2 (Bild vergrößern mit Anklicken) wird die Stromversorgung des "Spannungsmessers" mit einem kleinen Trafo vorgenommen, der nominell 2 x 24 V bei 2 x 0,5 VA Leistung abgibt. 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 (Ri = 10 Ohm). Entsprechend ist ein Vorwiderstand von 1 kOhm erforderlich mit einer Leistung von 1 W. Dieses Voltmeter hätte also einen recht niedrigen Eingangswiderstand, was für manche Anwendungen sicher unerwünscht ist. Falls man bis 100 V (Anzeige "99.9") messen wollte, würden sogar 100 mA Eingangsstrom fließen (Verlustleistung 10 W!). Das scheint nicht ein günstiger Weg zu sein.


Bild 2: AC-Strommesser als Spannungsmesser (direkter Fühleranschluss)	Bild 3: AC-Strommesser als Spannungsmesser (getrennter Fühleranschluss)

Beispiel Lösung 2

Eine Beschaltung wie nach Bild 3 ist effektiver. Die Stromversorgung geschieht hier 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 Trafo verwenden, der eher 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 Abweichungen sind sicher durch die notwendige Gleichrichtung am Messeingang bedingt.

Bei Verwendung von 2 gleichen Modulen für Strom- und Spannungsmessung hat man in dieser Beschaltung noch einen netten Zusatzeffekt. Man kann beide Module 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 an 230 V.

Beispiel Lösung 3

Dies ist eigentlich keine Lösung entsprechend der Vorgabe, dass wir das Modul nicht verändern wollen/können. Geben wir diese Einschränkung auf und lokalisieren den Strommesswiderstand im Modul, kann es sehr viel effektiver sein: Man kann dann in der Beschaltung nach Bild 2 den eingebauten Vorwiderstand (hier 10 Ohm) durch einen höheren ersetzen und wählt zur gewünschten Skalierung den passenden Vorwiderstand. Das ermöglicht einen wesentlich höheren Eingangswiderstand. Bei meinen Modulen habe ich jedoch keine einfache Möglichkeit gesehen, das Gehäuse beschädigungsfrei zu öffnen.

Hinweis: Die Messmodule gibt es in einer Vielzahl von Ausführungen. Bei Modulen, die für Netzspannung eingesetzt werden, ist zu beachten, dass eine sichere Netztrennung vorliegt (bei Schaltungen nach Bild 2 und 3 erfolgt das durch den Netztrafo). Es ist unbedingt darauf zu achten, dass bei der Verwendung der Module an Netzspannung die einschlägigen Sicherheitsanforderungen (Isolation, Abstand, Spannungsfreiheit) eingehalten werden. Spannungen ab 50 V können tödlich sein!

(erstellt 05.10.2021, zuletzt geändert 05.10.2021)

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