Weitbereichs-Wattmeter

Diese Implementationsstudie eines Wattmeters zur Leistungsmessung von Einphasen-Wechselstromverbrauchern an 230 V kommt mit recht geringem Aufwand und brauchbarer Präzision (10 bit) daher. Gemessen werden netzsynchron Momentanwerte, um daraus mittels einfacher digitaler Signalverarbeitung Wirk-, Schein- und Blindleistung und -arbeit auszurechnen. Dabei kann man auch den Leistungsfaktor, einzelne und den gesamten Klirrfaktor berechnen und sogar ein Spektrum anzeigen. Dreh- und Angelpunkt ist ein netzverbundener ATmega16-Mikrocontroller mit einer preiswerten vollgrafischen Anzeige.

Den weiten Strommessbereich realisiert die Schaltung mit nur einem einzigen Shunt und den eingebauten umschaltbaren Differenzverstärkern des ATmega16. Ein Doppel-OPV macht aus dem Spannungsabfall am Shunt brauchbare Spannungen.

Außerdem gibt es eine PC-Schnittstelle über Optokoppler zur Datenerfassung.


Schaltplan (Download Eagle-Dateien)

Eine weitere Studie verwendet einen MSP430. Mit seinem 12-bit-A/D-Wandler bietet dieser mehr Genauigkeit. Da ihm eine Bereichsumschaltung fehlt, ist diese mit noch mehr (4) Operationsverstärkern realisiert, wobei die höher verstärkenden in Begrenzung arbeiten und deren Ausgangssignal schlicht ignoriert wird. Im Beispiel sind die Verstärkungen dezimal gestuft, für einen stattlichen Messumfang von 1:1000 (60 dB). Damit 16 A (3 kW) genauso wenig Probleme machen wie 1 mA (0,2 W). (Ist vielleicht ein bisschen zu üppig.)

Arbeitsweise

Der Mikrocontroller und die Anzeige wird mit 5 V Betriebsspannung betrieben, nämlich symmetrische ± 2,5 V. Die Speisung erfolgt in bekannter Manier mittels Phasenschieberkondensator aus der Netzspannung.

An den Differenzspannungseingängen ADC1-ADC0 sowie ADC3-ADC2 wird die momentane Stromstärke gemessen; an den Eingängen ADC4-ADC2 die jeweilige Spannung. Die beiden Operationsverstärker, vorzugsweise solche mit Rail-To-Rail-Ausgang und geringer Offsetspannungsdrift, verstärken die Spannung am Shunt um den Faktor 10 bzw. 47. Damit ergeben sich — in Verbindung mit der internen Umschaltmöglichkeit (×1, ×10 oder ×200) — sechs Strommessbereiche.

Zur Anzeige aller Berechnungsgrößen dient die vollgrafische Anzeige mit 240 × 64 Pixeln. Hinzu kommen 3 Tasten zur Funktionsauswahl und ggf. zum Zurücksetzen des Energiezählers. Das alles passt bequem in ein Gehäuse mit Schukostecker und -Buchse.

Die Optokoppler und die 9-polige SubD-Buchse dienen zum Anschluss an eine serielle Schnittstelle oder einen beliebigen USB-Seriell-Konverter.

Warum netzverbunden?

Das Übertragen von Analogsignalen über eine Potenzial-Barriere ist ein ziemlich aufwändiger und fehlerträchtiger Prozess! In der klassischen Schaltungstechnik wurden dazu U/f- und f/U-Wandler verwendet. Es ist daher im Zweifelsfall günstiger, zwei Mikrocontroller zu verwenden, nur um keine Analogsignale übertragen zu müssen.

Der weitestgehende Betrieb an der Primärseite bietet folgende Vorteile:

Für Drehstrom kann die Schaltung 3× aufgebaut werden, wobei zwei der Schaltungen Slaves ohne Display sind und die Messdaten dem Master per Optokopper zuspielen.
(Der Master sollte sinnvollerweise ein Chip mit mindestens 3 UART-Schnittstellen sein, etwa ATmega128.)

Da aber Drehstrom oftmals mit Hochstrom einhergeht, bei der die Strommessung eh' galvanisch getrennt gemacht wird, ist eine netzgetrennte Messung hierbei einfacher.

Gibt's schon!

Im Prinzip gibt's das fertig zu kaufen. Etwa bei Reichelt mit guten technischen Daten. Nur die PC-Schnittstelle fehlt gemeinhin. Geräte mit Funkschnittstelle müsste man ausdekodieren.

Klar, im Eigenbau kann man mehr als nur grundlegende Messdaten auswerten, etwa das o.a. Leistungsspektrum.