Informationen über Echteffektiv-Messungen

Von Chuck Newcombe

Vor einiger Zeit fragte mich ein jüngerer Bekannter, „Wie konntest du eine genaue Wechselstrommessung durchführen, bevor Echteffektiv-Digitalmultimeter erhältlich waren?“ Meine Antwort war, „sehr vorsichtig“, und das ist die Wahrheit!

1961, als ich meine Arbeit in einem Messstandard-Laboratorium begann, gab es drei Arten von hochgenauen Echteffektivgeräten. Alle Arten waren analog: elektrodynamisch, Dreheisen und Thermoelement. Sie waren empfindlich und man musste sorgsam mit ihnen umgehen, wenn man genaue Messungen durchführen und Schäden vermeiden wollte. Außerdem reagierten sie langsam und belasteten den gemessenen Stromkreis erheblich.

Heute ist das natürlich anders, denn viele Digitalmultimeter verfügen über die Möglichkeit, Echteffektivmessungen von Wechselspannung durchzuführen. Die heutigen Messgeräte sind robust, sie reagieren schnell, messen genauer und das Messergebnis kann einfach und klar von der Digitalanzeige abgelesen werden. Es gibt jedoch einige Feinheiten, die bei der Durchführung von Effektivmessungen beachtet werden müssen.

Die meisten der heutigen Digitalmultimeter messen das AC-gekoppelte Echteffektivsignal, aber sie filtern den Gleichstromanteil heraus, wenn dieser vorhanden ist. Einige Modelle, wie das Fluke 189, stellen eine Zusatzoption für die Messung von Echteffektiv-Gleichstrom + -Wechselstrom zur Verfügung, bei der der gesamte Effektivwert einschließlich des vorhandenen Gleichstromanteils berechnet wird. Warum der Unterschied? In welchem Fall sollte man die eine der anderen Methode vorziehen?

In einem ordnungsgemäß funktionierenden Energieverteilungssystem, das über Transformatoren zur Verfügung gestellt wird, sollte nur Wechselspannung vorhanden sein, damit die AC-gekoppelte Messung bei den meisten Digitalmultimetern auch adäquat ist. Hinzu kommt, dass es, wenn eine Diode in einer Motorantriebs-Gleichrichterschaltung ausfällt, effektiver ist, den Fehler über die Beobachtung eines Messwerts bei der Gleichspannungsfunktion zu suchen, bei der die AC-Komponente herausgefiltert wird.

Dann gibt es noch die Situation, bei der man ein Audio-Signal über einen Verstärkerschaltkreis verfolgen möchte. Das Signal könnte sich am Kollektor eines Transistors befinden, wo auch Bias-Vorstrom vorhanden ist. Auch hier, wenn man Wechselstom- und Gleichstromanteile trennen will, ist die AC-gekoppelte Betriebsart des Digitalmultimeters die korrekte Wahl.

Ein Beispiel zur Messung von AC und DC ist am Ausgang einer ungefilterten Gleichstromversorgung, bei der am DC-Signal eine erhebliche Welligkeitsspannung vorhanden ist. Da eine Widerstandsheizung oder eine Glühlampe, die an eine solche Versorgung angeschlossen ist, auf die zur Verfügung stehende Gesamtenergie reagiert, gibt eine Wechsel- und Gleichspannungsmessung an, wie eine Last reagieren könnte.

Was kann man tun, wenn man nur über die AC-gekoppelte Effektivstrommessung in einem Digitalmultimeter verfügt, aber die kombinierte Wechsel- und Gleichstromenergie messen möchte? Hier hilft der Taschenrechner.

Man kann zuerst die Wechselspannung und dann die Gleichspannung messen und beide Werte aufzeichnen. Nun werden beide Terme quadriert und beide quadrierten Werte addiert. Zum Schluss wird die Quadratwurzel aus dieser Summe errechnet und der (AC + DC)-Echteffektivwert des Signals ist ermittelt.

Eine Variation dieser Methode ist die Untersuchung der AC-Ausgangsleistung eines elektronischen Motorantriebs, bei dem die Funktion für den Tiefpassfilter des Fluke 87V verwendet wird.

Das wichtigste Signal am Ausgang eines solchen Antriebs ist das Niederfrequenz-Signal, das den Motor antreibt. Der Tiefpassfilter des 87V isoliert das Signal, damit genaue Messungen der Frequenz und der Echteffektivspannung durchgeführt werden können.

Wenn der Filter nicht verwendet wird, ergibt dies einen erheblich höheren Messwert, da das gemessene Signal nun alle Schaltspannungen enthält, die zur Erzeugung der Motorantriebsspannung verwendet werden.

Zur Ermittlung des Echteffektivwerts dieser Differenz kann man wie folgt vorgehen:

1. Man misst die Gesamtspannung und speichert den Wert.
2. Man misst die Spannung mit aktiviertem Tiefpassfilter und speichert den Wert.
3. Nun werden beide Terme quadriert und der zweite vom ersten subtrahiert.
4. Zum Schluss ermittelt man die Quadratwurzel des Ergebnisses und dies ist der Echteffektivwert der gesamten überschüssigen und ungefilterten Energie innerhalb des Messgeräte-Eingangs.

Für die Mathematiker unter Ihnen folgen die Gleichungen für die obigen Beispiele.

V_AC+DC = √ V_AC ² + V_DC ²
V_Hochfrequenz = √ V_Gesamt ² - V_Tiefpass ²

Wenn Sie die eine oder die andere Methode ausprobieren, stellen Sie fest, dass sich die Ergebnisse stark von der einfachen Addition oder Subtraktion der Originalwerte unterscheiden. Dies geschieht, weil die Signale, mit denen Sie arbeiten, nicht kohärent sind, also nicht frequenz- und phasengleich sind.

Ein Beispiel, bei dem Effektivergebnisse direkt addiert oder subtrahiert werden können, ist die Haushaltsstromversorgung, bei der die Summe beider 120-V-Zweige tatsächlich 240 V beträgt. Diese beiden Signale sind kohärent.

Nähere Informationen über Echteffektivmessungen erhalten Sie hier unter „Wie wichtig sind Echteffektivwerte?“