Wie man den elektrischen "Strom" messen kann ....
- Diese Skala zeigt den Strom an
- Messungen bis 20A
- Hier wird die Leistung angezeigt
- Die Lautsprecherklemmen
- Ein Ring Lautsprecherleitung
- Die gemessene Spannung
- x Strom = Leistung
Dez. 2023 - Eigentlich ist es eine nicht ganz korrekte oder aber erklärungsbedürftige Frage, die besser formuliert lauten sollte :
Wie messe ich die elektrische "Leistung" ? -
"Ströme" messen geht nämlich nur indirekt über den gemessenen Spannungsabfall an einem echten Präzisionswiderstand.
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Unser Sprachgebrauch .....
In der heutigen Zeit ist es opportun, sich die stillen "Verbraucher" im Haus oder in der Wohnung mal genauer anzusehen. Diese "Leistung" muß man inzwischen recht teuer kaufen. -- Auch hier gibt es wieder einen wirklich falschen Sprachgebrauch, der sich seit Jahrzehnten (oder seit Urzeiten) bei uns (auch bei mir) eingebürgert hat.
Es sind gar keine "Verbraucher" - es sind Wandler. (Elektrische) Leistung - sprich (elektrische) Energie - verbraucht sich nämlich nicht. "Energie" kann weder erzeugt noch vernichtet / entsorgt werden. Sie ist physikalisch einfach da (oder sie ist nicht da !!). Und diese bereits vorhandene Energie kann man nur (um-) "wandeln".
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Beispiel : Unsere Lautsprecher-Kabel
Bei unseren Lautsprechern ist es eindeutig und vor allem verständlich : Die vom Verstärker angelieferte elektrische Energie wird (überwiegend) in kinetische (Bewegungs-) Energie gewandelt. Sie wird gar nicht "verbraucht" und ist (wäre) dann einfach "weg". Die von einer passiven Frequenzweiche abgezwackte Leistung wird dagegen fast nur in Wärme gewandelt, die ist auch nicht "weg".
Das ganze "Gequassel" vom sogenannten "Verbraucher" ist eigentlich - leider - Unsinn. Denoch wollen wir mal etwas genauer wissen, welche Leistung bei uns im Haus unnötig "verbraucht" wird - also in Wärme gewandelt wird. Die Gretchenfrage für den Laien ist dabei, wie messe ich diese (durchfließende) Leistung ?
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Leistung in Watt ist "Spannung x Strom".
Wenn ich also die Spannung messe und angezeigt bekomme und den fließenden Strom messen könnte, könnte ich sogar im Kopf die Leistung errechnen. Doch wie messe ich den Strom ? Denn direkt geht es nicht.
Dazu benutze ich einen uralten "Trick", den ich an der Lautsprecher- zuleitung gut erklären kann. Wir Hifi-Fans haben recht früh herausgefunden, je länger und je dünner eine Lautsprecherleitung ist, desto weniger (Verstärker-) Leistung kommt hinten am Lautsprecher an. Da geht also etwas verloren. Und das kann man sogar messen.
Man mißt dabei die Spannung an (oder über) den beiden Lautsprecher Klemmen direkt an der Box und die Spannung an einer der beiden Drähte von der Klemme am Verstärker bis zur Klemme am Lautsprecher.
Und ohne jetzt den Strom direkt zu messen, habe ich über das Verhältnis der beiden gemessenen Spannungen mindestens eine Aussage, wieviel Verstärker-Leistung in den Lautsprecher- leitungen "verloren" geht, also in Wärme gewandelt wird und wieviel von der Verstärker-Leistung an der Box ankommt. Wie gesagt, die Leistung (= Energie) verschwindet nicht.
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Den "ohmschen" Widerstand des Leiters muß man kennen ....
- Ein Stück "Draht" durchmessen
- hier mit nur 1,1 Ohm
Beim Lautsprecher kann ich den Leitungswiderstand der beiden Drähte der Lautsprecher- Zuleitung über den Kupferquerschnitt ermitteln und so den fließenden Strom berechnen.
Und über die beiden Spannungen - der gesamten Lausprecher-Zuleitung im Vergleich zur der direkt an den Lautsprecher- klemmen gemessenen Spannung - kann ich auch die dem Lautsprecher zugeführte Leistung errechnen. Die Bedingung ist hierbei, daß Spannung und Strom bei diesen Messungen "gleichphasig" sind. Doch das ist ein anderes Thema. Jedenfalls ist (in diesem Beispiel) die genaue Spezifikation der Zuleitung unsere Mess-Referenz, unser "Shunt", der auch "Meßwiderstand" genannt wird.
Mit entsprechendem Aufwand könnte ich auch einen viel kleineren nur wenige Zentimeter langen "Shunt" als Präzisions-Meßwiderstand benutzen, solage er hinreichend genau ist. Die am Lautsprecher ankommende Leistung wäre damit genauso präzise zu ermitteln.
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Und jetzt schaun wir mal in divese Messgeräte rein.
- die große Last mit max. 500W
- die kleine Last mit max. 60W
Beginnen wir mit unserem teuersten und besten und genauesten Messgerät, unserer großen elektronischen Last. Die Spezifikation sagt, maximal 99 Ampere und max. 75 Volt - aber (multipliziert) nur bis insgesamt maximal 500 Watt.
Bei den hohen Strömen von ganz unten (0,1 A) bis zu 99 Ampere mit einer Nachkommastelle ist jetzt schon Präzision gefordert. Da die dort eingebaute Regelung aber die Ausgangsspannung selbsttätig nachregelt, habe ich hier an diesem "Shunt" kein Problem mit Wärmeverlusten.
Bei der etwas kleineren elektronischen Last (aus China) ist das schon difiziler. Bei einer Spannung von maximal 20V bleiben zum Messen der Spannung an dem Messwiderstand (wir nennen es den Spannungsabfall) nur wenige Millivolt übrig, die dann zur Leistungsberechnung benutzt werden müssen (können). Und hier werden im Display sogar 2 Nachkommastellen angezeigt, .... deren Aussagekraft von mir stark bezweifelt wird.
Wichtig zu erwähnen ist, bislang reden wir - zur plausiblen Erklärung - von Gleichspannungen (oder simplen Sinustönen) mit ohmschen Belastungen. Bei Wechselspannungen im Hausnetz ist das alles etwas komplizierter.
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Wie machen das die "Verbrauchs"- Stecker- Messgeräte ?
- Ein Lowcost Messgerät
- dennoch bis 3600W
- eine kleine bauform
- der Meßwiderstand (Shunt)
- ein 60 Watt Shunt
- in einem Laderegler
Wie gesagt, es wird nicht der "Verbrauch" sondern die durchgereichte elektrische Leistung gemessen und angezeigt. Diese Geräte sollen im Allgemeinen einen Überblick geben, was da Nacht für Nacht aus dem 230V Netz der Versorger - gegen Entgelt natürlich - an Leistung abgeholt wird und viel zu oft unnötig zu bezahlen ist.
Ein erstes Kriterium ist - für uns - die Meßgenauigkeit. Wie weiter oben erklärt, wird zwischen den 230V Stecker und die 230V Buche ein "Shunt" geschaltet (massiv verlötet). Damit dieser "Shunt" bei maximalen 3600 Watt (Heizlüfter oder Wäschetrockner) nicht sofort abraucht, soll oder muß sein ohmscher Widerstand so klein wie möglich sein.
Es gibt diese Präzisionswiderstände aus "Konstantandraht", die diese Bedingungen erfüllen (also bei zunehmender Erwärmung den Widerstands-Wert nicht verändern), mit 0,01 Ohm und 0,001 Ohm oder einem noch kleineren Innenwiderstand.
So klein wie möglich heißt aber auch, der durch ihn hindurch fließende Strom erzeugt nur einen recht kleinen Spannungsabfall im Millivolt-Bereich, der zur Messung und Kalkulation zur Verfügung steht.
Dieser "Shunt" muß auch deshalb so klein sein, damit für das angeschlossene Gerät so wenig wie möglich an Spannung "verloren" geht.
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Was der eingebaute Microcontroller mindestens zu tun hat .....
Der Microcontroller mißt demnach recht grob die angelieferte Netz- Spannung sowie die an das angeschlossene Gerät abgegebene Spannung und zusätzlich mit einem dritten - aber sehr empfindlichen - Eingang/Sensor diesen kleinen Spannungsabfall an dem "Shunt".
Und dort ist höchste Präzision gefordert, denn diese dritte Messung bestimmt die Genauigkeit der ganzen Leistungs-Messung. So weit so gut, doch es gibt Nebenbedingungen, die diese Einfachheit über den Haufen werfen.
Das ist die Phasenlage von Spannung und Strom. In der Elektrotechnik können sogenante induktive "Verbraucher" oder auch kapazitve "Verbraucher", das sind Motoren in Waschmaschinen und Trocknern sowie die Kompressoren in Kühl- und Gefrierschränken (und auch billige Schaltnetzteile) die "Phase" der 50 Hz Sinuswelle zwischen der Spannung und dem Strom verschieben.
Das ist leider eine sehr unschöne Erscheinung (eine physikalische Gegebenheit), denn zum Messen multipliziere ich eigentlich "Spannung" mal "Strom" und wenn die Phasenverschiebung im unglücklichsten Fall 180 Grad beträgt, kommt hinten sogar "0" raus. Ich messe nicht nur falsch, ich messe dann gar nichts.
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Das geht also nicht. Der Microcontroller muß auch die Phasenlage von Strom und Spannung bei seiner Messung berücksichtigen. Die einfache Multiplikation ist damit vom Tisch. Unsere Leistungsmesser (die Mitmenschen nennen das den "Stromzähler") vom Versorger (im Keller) können das alles schon. Die Microcontroller auch. Und wir Elektrotechniker sprechen jetzt nicht mehr nur von simplen "Watt", sondern korrekt von "VA" (Volt/Ampere).
Bei unseren Trafo- und Netzteil- Messungen sehen Sie dieses Kürzel überall bei unseren Verlustleistungsmessungen.
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Ein Blick auf die Genauigkeit im unteren Leistungsbereich .....
- Korrekt messen ab 4 Watt
- das hier ist detlich besser
Wie weiter oben erklärt, ist der an diesen "Shunts" zu messende Spannungsabfall extrem klein. Und je weniger Strom durch den "Shunt" fließt, desto geringer ist diese Vergleichs-Meßspannung.
Somit wird klar, im Bereich unter 5 Watt(VA) wird es eng mit der vielfach propagierten 1% Genauigkeit. Es geht physikalisch nicht - jedenfalls mit diesem geringen Aufwand nicht.
Bei den Tests und Messungen im ct-Labor (des Heise Verlags) stand ein präzises 8.000 Euro Messgerät als Referenz zur Verfügung und eben kein 10 Euro Consumer-Teil.
Und unter 1 Watt(VA) ist es dann vielfach rein hypothetisch, was dort angezeigt wird. Es gibt sie, die Meßgeräte, die auch dort recht genauen Teile. Man muß sie aber suchen oder per Zufall drüber stolpern. Wir haben 3 Stück davon per Zufall gekauft und vergleichen die Messungen. Weitere Messwerte folgen noch.
Auf jeden Fall kann man leicht erkennen, ob da 0,1 Watt(VA) oder 3 Watt(VA) "Standby" verplempert werden oder sogar 14 Watt(VA) oder sogar bis zu 22 Watt(VA) "Standby" bei alten Edel-Receivern aus den 1980er Jahren.
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Der altbekannte Trick - über 24 oder 48 Stunden messen
Wenn also die Echtzeit-Anzeige viel zu ungenau ist, gibts nur eines. Ich lasse das Gerät diese minimal gemessenen Strömchen aufsummieren. Denn die Spannung wird korrekt gemessen und wenn es nur Micro-Volt sind. Die Meßungenauigkeit der Momentananzeige kommt durch die Multiplikation zustande.
Laut den ct-Tests ist schon die 24 Stunden-Messung sehr nahe an der Wahrheit.
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da fehlt noch was -- die Messungen -- ist noch leer
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