Amperemeter-Voltmeter mit VFD-Display und Leistungsmessung

Passend zum Thema Geräte mit VFD-Displays möchte ich euch ein meiner Meinung nach interessantes Produkt vorstellen: ein ziemlich genaues Amperemeter-Voltmeter, das für Elektronikbastler nützlich sein kann.


Ursprünglich bin ich auf dieses Amperemeter-Voltmeter bei Taobao gestoßen. Dort kostet es etwa 13,5 Dollar. Der Preis ist durchaus fair, allerdings kommen noch die Kosten für den Vermittlungsservice dazu. Immerhin war der Versand innerhalb Chinas in diesem Fall kostenlos, was allerdings eher selten vorkommt.
Als ich dann bei AliExpress nach dem Produkt gesucht habe, fand ich es für nur wenig mehr, etwa 19–20 Dollar. Ich wollte schon ein Stück zum Ausprobieren kaufen, da stellte sich heraus, dass der Verkäufer ab zwei Stück einen Mengenrabatt gewährt. Damit kam man auf etwa 17 Dollar pro Stück beziehungsweise 34 Dollar für zwei. Der Unterschied zum Kauf bei Tao war also minimal, deshalb entschied ich mich für AliExpress.
Am interessantesten war, dass der Bestand dieses Artikels bei Tao ein paar Tage später um genau dieselben zwei Stück gesunken war :)

Leider hat der Verkäufer den Preis inzwischen erhöht: Zwei Platinen kosten jetzt nicht mehr 34, sondern 50 Dollar. Vielleicht liegt es daran, dass es sich um eine andere Platinenrevision handelt, vielleicht auch an etwas anderem – keine Ahnung. Schauen wir uns jedenfalls an, was das überhaupt ist.


Der Versand empfindlicher Waren über eine ganze Reihe von Postdiensten ist immer stressig – sowohl für den Käufer als auch für die Ware. Entsprechend habe auch ich mir Sorgen gemacht. Wie sich herausstellte, völlig unnötig: An der Verpackung gibt es nichts auszusetzen.


Lieferumfang
1. Amperemeter-Voltmeter
2. Ein Paar Anschlussklemmen
3. Einige Taster
4. USB-Mini-USB-Kabel.


Bei den Kabeln ist alles klar: ein ganz normales USB-Mini-USB-Kabel. Mit dem Rest ist es etwas komplizierter. Warum es pro Platine jeweils ein Paar Anschlussklemmen gibt, ist mir nicht ganz klar. Eine ist offensichtlich für den Anschluss des Amperemeters gedacht, aber wofür ist die zweite? Ein Rätsel, denn sie passt nur an den Stromversorgungsanschluss.
Für zwei Platinen wurden 9 Taster beigelegt, obwohl jede Platine nur 3 braucht. Es bleiben also 3 als Reserve übrig.


Die Platine ist recht groß, was zum Teil am Display liegt. Die Abmessungen betragen 100kh60kh17mm.

Technische Daten:
Messbereich Spannung – 30 V
Messbereich Strom – 5 A
Versorgungsspannung – 5 V
Stromaufnahme – bis zu 300 mA



Abmessungen laut Produktseite:


Hier sind sogar die Abstände der Befestigungslöcher und Taster angegeben – eine sehr nützliche Zeichnung.


Die Platine aus der Nähe. Wie man sieht, nimmt die Anzeige ziemlich viel Fläche ein.


Über der Anzeige befinden sich zwei SMD-LEDs. Sie erleichtern die Zuordnung der angezeigten Informationen. Dazu später mehr.


Das Display ist neunstellig und siebenstellig aufgebaut. Genau dasselbe wurde auch in dem Lautstärkeregler verwendet, den ich irgendwann einmal vorgestellt habe. Offenbar gibt es davon in China jede Menge, und so werden sie verschickt eingebaut, wo es gerade passt.


Zuerst dachte ich, das Display sei gebraucht. Bei genauerem Hinsehen stellte sich aber heraus, dass es einfach nur schmutzig ist, vermutlich von Flussmittel. Das schließt natürlich nicht aus, dass es tatsächlich gebraucht ist.


Unter dem Display befinden sich drei Bedientaster im „chinesischen“ Stil: Plus links, Minus rechts.
Mit den Plus-/Minus-Tastern lässt sich die Displayhelligkeit von null (Display aus) bis zum Maximum einstellen. Mit der Function-Taste wechselt man zwischen den Anzeigemodi. Alle Einstellungen werden gespeichert: Beim nächsten Einschalten sind also wieder dieselbe Helligkeit und derselbe Modus aktiv wie vor dem Ausschalten. Meiner Meinung nach ist das genau richtig.


Alle Bauteile befinden sich auf der Rückseite der Platine. Die Verarbeitungsqualität ist bestenfalls ausreichend, und selbst das nur mit Ach und Krach.


Die Spannungswandler für die Anzeige: unten für die Heizfäden, rechts der Aufwärtswandler für die Anode.
Außerdem ist der Treiber zu sehen, der die Anzeige steuert.


Auf der anderen Seite befinden sich der Mikrocontroller und der USB-UART-Konverter. Ja, außerdem gibt es noch einen Summer, der beim Anlegen der Versorgungsspannung einen kurzen, aber lauten „Piep“ von sich gibt. Soweit ich weiß, wird er auch für den Alarm verwendet.


Und das ist der Punkt, den ich ganz am Anfang erwähnt habe und der möglicherweise der Grund dafür ist, dass der Verkäufer den Preis erhöht hat: Ich habe die Platinenrevision 1.3, auf der Produktseite ist aber Version 1.2 abgebildet. Der entscheidende Unterschied: Hier sind der USB-UART-Wandler und der Mini-USB-Anschluss bereits direkt auf der Platine vorhanden. Über diesen Anschluss wird die Platine zur Datenübertragung und Stromversorgung mit dem Computer verbunden.


Der ADC-Bereich. Der Vorteil dieses Amperemeters mit Spannungsanzeige ist, dass hier separate ADCs zum Einsatz kommen und nicht die im Mikrocontroller integrierten. Laut Verkäufer handelt es sich um einen 18-Bit-ΔΣ-ADC mit 3,75 SPS (18 Bit), 15 SPS (16 Bit) und 60 SPS (14 Bit). Gleichzeitig wird eine Auflösung von 5 Stellen angegeben.
Aber Leute, was für eine schöne Lötarbeit … mir fehlen die Worte, zumindest die druckreifen. Und das auf beiden Platinen. Das Problem ist nicht einmal der Schmutz, sondern dass Flussmittel hygroskopisch ist und die Schaltungsparameter beeinflussen kann, besonders wenn sich die Luftfeuchtigkeit ändert.
Eigentlich müsste man die Platine reinigen und mit Schutzlack überziehen, aber danach ist eine Neukalibrierung so gut wie sicher nötig.


Auf der Platine gibt es die rätselhaften Kontaktflächen JP1–JP4: zwei im Bereich des ADCs und zwei beim Shunt. Eine der Brücken ist kurzgeschlossen, eine weitere verbindet den Pluspol des Shunts mit dem Minuspol des Voltmeter-Eingangs. Ich vermute, ohne Schaltplan ist es nicht ganz einfach herauszufinden, wozu sie überhaupt da sind.
Der Widerstand der Shunts beträgt 17,5 mΩ.


Neben dem USB-Anschluss gibt es einen OC-Ausgang mit der Beschriftung „OC“, vermutlich für Over Current. Da sich auf der Platine Schutzschwellen einstellen lassen, könnte es sich durchaus um einen Schutzausgang handeln. Aus einigen weiter unten beschriebenen Gründen habe ich das bisher aber nicht überprüft.


Die Platinen sind zwar gleich, weisen aber doch kleine Unterschiede auf, zum Beispiel unterschiedliche Kondensatortypen und äußerlich verschiedene Shunts, obwohl deren Widerstand gleich ist.


Die Verarbeitungsqualität ist stellenweise deprimierend: regelrechte Berge aus Lötzinn, und dem Aussehen nach wurde mit einem kalten Lötkolben gelötet. Übrigens gibt es neben dem Stromversorgungsanschluss eine zusätzliche Transistorbaugruppe, vermutlich als Verpolungsschutz am Versorgungseingang.
Die Anschlüsse auf einer der Platinen sind schmutzig, als wären sie schon einmal benutzt worden.


Anschluss. Hier ist alles genauso wie bei gewöhnlichen Amperemetern mit Spannungsanzeige – und genau darin liegt das Problem. Kleine und günstige Geräte mit geringer Auflösung bemerken bei dieser Anschlussart nichts. Hier ist die Auflösung des Voltmeters aber deutlich höher, sodass ein Problem sichtbar wird: der Spannungsabfall am Shunt. Das Voltmeter misst die Spannung vor dem Shunt und nicht dahinter. Mit steigender Last sinkt daher die gemessene Spannung. Und weil das Voltmeter hier eine höhere Auflösung hat, wird der Messfehler deutlicher.
Wie oben erwähnt, beträgt der Widerstand des Shunts 17,5 mΩ. Der angegebene Strom liegt bei 5 A, bei dem am Shunt bereits 87 mV abfallen. Rechnet man den Spannungsabfall im übrigen Stromkreis dazu, kommt man auf fast 0,1 V – das ist viel. Eigentlich könnte man diesen Abfall natürlich durch eine Korrektur „in Echtzeit“ ausgleichen, denn mathematisch lässt er sich berechnen. Aber das hat niemand gemacht.
Außerdem kann wie immer auch der Anschlusspunkt für den Minuspol des Voltmeters Schwierigkeiten bereiten. Bei einigen Tests habe ich ihn überhaupt nicht angeschlossen.


Die Abbildung mit der Anschlussbeschreibung auf der Produktseite hat meine Laune etwas gehoben :)


Mit der Helligkeitsregelung lässt sich die Anzeige vollständig ausschalten. Dabei wird auch die Glühung abgeschaltet, was am sinkenden Stromverbrauch zu erkennen ist (links). Insgesamt ist der Verbrauch nicht besonders hoch: bei maximaler Helligkeit bis zu 1 W.


Oben habe ich geschrieben, dass sich über dem Display zwei LEDs befinden. Sie leuchten je nach Anzeigemodus: Die rote sitzt über der Stromanzeige, die blaue über der Spannungsanzeige. Insgesamt gibt es 6 Anzeigemodi:
1. Amperemeter + Voltmeter mit Anzeige von 4 Stellen
2. Amperemeter + Voltmeter, aber mit auf 5 Stellen erhöhter Auflösung des Voltmeters und auf 3 Stellen verringerter Auflösung des Amperemeters
3. Wie Modus 2, aber „spiegelverkehrt“
4. Voltmeter mit einer Auflösung von 7 Stellen
5. Amperemeter mit einer Auflösung von 7 Stellen.
6. Wattmeter.


Auf der Produktseite gibt es eine ähnliche Beschreibung, die allerdings nicht ganz stimmt. Die Reihenfolge beim Durchschalten der Modi und die Farbe der Beleuchtung sind anders. Außerdem leuchten im Wattmetermodus tatsächlich beide LEDs.
Das Prinzip dieser Anzeige ist eigentlich einfach und praktisch, es gefällt mir. Nur leuchten die LEDs ziemlich schwach, und mit dem Lichtfilter wird es wohl erst recht düster. Da muss ich mir etwas einfallen lassen.


Der erste Test wurde mit einer Referenzspannungsquelle durchgeführt, die ich schon einmal vorgestellt habe.
Die tatsächlich gemessenen Werte sind in der Spalte „Fluke 8508A“ aufgeführt.


Ich habe im Modus mit maximaler Auflösung gemessen und festgestellt, dass die letzte Stelle immer 0 ist und die beiden davor in großen Schritten wechseln.
Das Foto zeigt, wie die Anzeige umspringt; Zwischenwerte gibt es nicht.


Genau deshalb habe ich nicht 4, sondern 8 Fotos gemacht, damit man besser sieht, wie die Messung aussieht. Da der Messbereich automatisch angepasst wird, verschwand nach Erreichen von 10 V die letzte bedeutungslose Null, und die beiden letzten Stellen wechselten. Allerdings wieder mit einer Schrittweite von etwa 280 µV beziehungsweise 0,28 mV oder 0,00028 V, je nachdem, was einem lieber ist.

Im Prinzip ist das alles korrekt: Wenn man davon ausgeht, dass der gesamte ADC-Bereich Spannungen von 0 bis maximal 30 V abdeckt, entspricht ein 18-Bit-Auflösung 1/262144 oder 114 µV. Der Entwickler zeigt also einfach alles an, was der ADC liefert, ohne sich groß Gedanken darüber zu machen, was davon aussagekräftig ist und was nicht. Realistisch kann man höchstens 5 Stellen berücksichtigen, was auch den Angaben in den technischen Daten entspricht.


Und jetzt ein paar Bilder, die anschaulich zeigen, was diese Platinen können. Auf der Produktseite stand, dass sie mit präzisen Messgeräten kalibriert werden. Mein Gerät ist natürlich nicht ganz so hochwertig, daher wird das Ergebnis nicht ganz so aussagekräftig sein.
Fangen wir mit einer Spannung von etwa 1 mV an. Ich glaube kaum, dass jemand noch kleinere Werte messen wird.
Ich würde sagen, das sieht ziemlich gut aus. Auf dem Foto mit 5 V sieht man übrigens, dass die Auflösung 280 µV beträgt, die Anzeige also ungefähr in solchen Schritten umspringt.


Die Strommessung habe ich ab etwa 0,5 mA geprüft. Die Anzeige beginnt dabei bei 0,22 mA und steigt dann meist in Schritten von 0,11 mA: 0,22–0,33–0,44 mA und so weiter.
Zur Veranschaulichung sind die meisten Fotos paarweise angeordnet. Der Strom bleibt dabei gleich, aber man sieht das Schwanken um die kleinste Messstufe.


An diesem Punkt dachte ich mir: Warum prüfe ich eigentlich nur eine Platine? Mit zwei ist das Ganze viel anschaulicher, und außerdem kann ich die Genauigkeit der gegenseitigen Kalibrierung überprüfen. Eine gewisse Statistik ist schließlich besser als gar keine.
Ich nahm zwei Platinen, schaltete die Spannungseingänge parallel und versorgte sie über eine Powerbank, damit ich nicht ans Stromnetz gebunden war.
Dabei zeigte sich ein interessanter Effekt, der auf dem ersten und zweiten Foto zu sehen ist. Die Platine, die zuletzt mit Strom versorgt wurde, zeigte statt Nullen irgendwelche unsinnigen Werte an.
Ich musste zwei Powerbanks nehmen und die Stromversorgung der Platinen vollständig voneinander trennen. Danach waren die Anzeigen zwar auch nicht immer null, aber sie stimmten überein: zum Beispiel auf beiden null, dann auf einer Platine 280 in den letzten drei Stellen, danach dasselbe auf der anderen oder auf beiden. Tatsächlich schwankt also nur eine Stelle ganz hinten, aber hier entspricht eine Stelle 280 µV.


Hier kann ich sagen, dass sowohl die Genauigkeit über 5 Stellen als auch die gegenseitige Kalibrierung sehr gut sind, zumindest nicht viel schlechter als bei meinem Multimeter.


Bei der Strommessung läuft es leider nicht ganz so glatt: Eine Platine zeigt deutlich zu hohe Werte an.


Doch dann wartete die größte Überraschung auf mich. Als ich die Bestellung aufgab, dachte ich mir: Warum hat der Hersteller die Werte so stark begrenzt – 30 V und 5 A? Ein bisschen mehr wäre doch schön gewesen.
Beim Test stellte sich dann heraus:
1. Die maximal messbare Spannung beträgt 37,5 V. Auf dem zweiten Foto stößt das Voltmeter an seine Grenze; danach bleibt die Anzeige einfach auf diesem Wert stehen. Bei jeder Platine liegt die Grenze etwas anders.
2. Ich erhöhte den Strom auf 8,5 A, und er wurde weiterhin gemessen. Danach wollte ich den Shunt nicht weiter belasten, weil er sich spürbar erwärmte und etwa 1,2 W an ihm umgesetzt wurden. Ich hatte ausgerechnet eine Platine mit einem dünnen Shunt erwischt. Grundsätzlich spricht aber nichts dagegen, einen leistungsstärkeren Shunt zu verwenden. Die Abweichung durch die Erwärmung war übrigens sehr gering, was erfreulich ist.



Ganz am Anfang habe ich geschrieben, dass die Platine eine Verbindung zum PC unterstützt. Der Verkäufer stellte mir auch problemlos das Programm zur Verfügung, aber ganz so einfach war es dann doch nicht.
Das Programm soll Spannung, Strom und Leistung anzeigen, was grundsätzlich praktisch ist.


Außerdem gibt es hier eine eigene Taste zum Aufrufen des Kalibriermodus. Dort gibt man den tatsächlichen Spannungs- oder Stromwert ein, und soweit ich weiß, sollte die Platine diesen als korrekten Wert übernehmen. Außerdem gibt es eine Taste zum Zurücksetzen auf die Werkseinstellungen.


Wie oben bereits erwähnt, kann die Platine eine Überschreitung der Grenzwerte signalisieren. Die Strom- und Spannungsgrenzwerte werden in der Software eingestellt, und zwar jeweils ein oberer und ein unterer Grenzwert.


Und alles wäre fast perfekt – abgesehen natürlich davon, dass die Software auf Chinesisch ist –, wenn sie denn funktionieren würde.
Zunächst einmal schlägt mein Virenscanner bei diesem Programm Alarm. Daran bin ich bei chinesischer Software inzwischen gewöhnt. Außerdem läuft es nur, wenn man es als Administrator startet. Das Einzige, was ich erreichen konnte: Die Zahl der empfangenen Datenpakete wird hochgezählt und die Stellenzahl der Anzeige ändert sich. Beim normalen Start steht dort 0.0000 und es werden keine Daten empfangen. Beim Start als Administrator wechselt die Anzeige zu 00.000, Daten werden empfangen, aber sonst passiert nichts ...
Ich habe dem Verkäufer geschrieben, aber bisher keine Antwort erhalten.

Weitere Tests haben gezeigt, dass sich mit der Software problemlos ein Alarmgrenzwert einstellen lässt und das auch funktioniert. Die aktuellen Spannungs- und Stromwerte werden jedoch weiterhin nicht auf dem Softwarebildschirm angezeigt.



Oben steht eine Menge Text und es gibt viele verschiedene Bilder. Wahrscheinlich ist es aber einfacher, gleich die Schlussfolgerungen zu lesen, um zu verstehen, was dieses Amperemeter-Voltmeter zu bieten hat – sozusagen in Kurzform.

Gut gefallen haben mir: das VFD-Display – unter anderem deswegen habe ich es gekauft –, separate ADCs, eine ordentliche Genauigkeit (beim Voltmeter vergleichbar mit meinem „Unit“), mehrere Anzeigeoptionen und zusätzliche Anzeigen, die Helligkeitsregelung, kein Flimmern beim Fotografieren (manchmal wichtig), die Möglichkeit zum Anschluss an einen Computer und das Einstellen von Alarmgrenzwerten. Der tatsächliche Messbereich liegt deutlich über dem angegebenen. Die Messwerte werden etwa 4-mal pro Sekunde aktualisiert.

Nicht gefallen haben mir: Bei der Strommessung lässt die Genauigkeit doch zu wünschen übrig. Die Software ist auf Chinesisch, und ich habe das Gefühl, dass ich mich noch damit herumärgern muss, bis sie richtig läuft. Die Verarbeitungsqualität ist nicht besonders hoch, und der Spannungsabfall am Shunt beeinflusst das Messergebnis des Voltmeters.

Fazit: Jetzt sitze ich hier und überlege, wofür ich es an die Katze tackern verwenden soll. Für ein Netzteil oder eine elektronische Last sind Messgenauigkeit und Stellenzahl irgendwie übertrieben; als separates Messgerät ist es unpraktisch und auch nicht besonders vielseitig. Ich habe es einfach gekauft, weil ich Lust darauf hatte. Ich hatte die Idee, ein zweikanaliges lineares Netzteil zu bauen. Bei der Strommessung gibt es eine merkliche Abweichung, zumindest bei einem Exemplar. Außerdem tut sich die Platine bei kleinen Strömen schwer. Aber Leute, bei 1 mA beträgt der Spannungsabfall am Shunt gerade einmal 17 µV! Und sie misst ihn!
Unklar ist, warum 7 Stellen auf dem Display angezeigt werden, von denen eine überhaupt nicht funktioniert und zwei nur in großen Schritten umschalten. Die angegebenen 5 Stellen schafft das Gerät erst ab einer Spannung von 10 V; darunter sind es nur 4 Stellen.

Alles in allem also ein zwiespältiger Eindruck. Mir persönlich gefallen die Platinen aber eher, als dass sie mir nicht gefallen, und ich denke, dass ich sie irgendwo einsetzen werde – schon wegen ihrer Eigenschaften und ihres Aussehens :)