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DCC- u. MM-Gleisspannung messen

Vorbemerkung

Es wird beschrieben, dass im normalen MoBa-Betrieb für digitale Signalspannungen (Gleisspannungen) keine teure Messtechnik benötigt wird, sondern auch mit einfachen Mitteln ordentliche Messergebnisse erzielbar sind.

Einführung

Es gibt immer wieder die Aufgabe, mit einfachen Mitteln die digitalen Gleisspannungen z.B. an Zentralen, Boostern, Verkabelung und Gleisen zu messen.

Die digitalen Gleisspannungen des DCC- u. MM-Formats wechseln ihre Polarität mit sehr kurzer Umschaltzeit.

pulse-ord2.jpg
DCC-Signal am Ausgang eines GCA-ORD-3-Boosters

Die Spannung hat zwischen den Polaritätswechseln einen weitgehend gleich bleibenden Wert. Im Gegensatz zu sinusförmigen Spannungen entspricht deshalb dieser Spitzenwert des Digitalsignals auch recht genau dem Effektivwert.

Allgemeines zur Messung digitaler Signale

Die üblichen Gleichrichter-Schaltungen in Multimetern sind für sinusförmige Spannungen optimiert und zeigen Messwerte digitaler Signale z.T. mit erheblichen Fehlern an. Häufig werden deshalb Oszilloskope und/oder Messgeräte mit TRMS-Messung1) empfohlen.
Dabei wird leider oft übersehen, dass die meisten angebotenen TRMS-Multimeter nicht für den Frequenzbereich digitaler Gleisspannungen von ca. 9 kHz und mehr spezifiziert sind. Auch Datenblätter und Handbücher enthalten sehr oft keine Angaben zum unterstützen Frequenzbereich bei der TRMS-Messung.

  • Vom Kauf solcher TRMS-Multimeter wird deshalb abgeraten.

Brauchbare Messwerte von DCC- u. MM-Gleisspannungen liefern diese Geräte evtl. dann, wenn sie zufällig Spitzenwert-Gleichrichtung verwenden. Die Kaufpreise von TRMS-Multimetern, die für den hier gefragten Frequenzbereich spezifiziert sind, übersteigen oft den Anschaffungspreis eines ordentlichen Oszilloskops, das aber z.B. für den Elektronik-Selbstbau und Service einen weit größeren Nutzwert hat.

Wirkliche TRMS-Messgeräte, die auch bei 9 kHz und höher noch genau sind, kosten schnell mal ab 1000 €. Solche Geräte werden selbst im Profibereich nur selten verwendet, da dort meistens aktuelle Digitaloszilloskope zur Verfügung stehen, die leistungsfähige softwaregesteuerte Prozessoren enthalten, die auch bei höheren Frequenzen TRMS-Messwerte berechnen, wenn genügend Proben aus dem Messsignals gesampelt werden können. Solche Digitaloszilloskope sind durch die heutige Technologie auch schon für dreistellige Preise erhältlich. Teure Spezial-ICs enthaltende TRMS-Messgeräte werden so überflüssig.

Gute Digitaloszilloskope und TRMS-Multimeter sind für die meisten Modellbahn-Hobbyisten eine unvertretbar hohe Investition, wenn sie ausschließlich für die meist einfachen Messungen bei der Eingrenzung von Fehlern an Gleisen und Verkabelung oder z.B. für die Ermittlung von Differenzen der Spannungswerte zwischen Booster-Stromkreisen verwendet werden sollen.

Seit einiger Zeit werden günstig erscheinende Multimeter angeboten, die eine oszilloskopische Darstellung des Messsignals bieten. Die Daten dieser Geräte sollten aber sehr genau geprüft werden, da es z.T. starke Einschränkungen bei der Auflösung der Displays, den Messparametern und den max. messbaren Spannungen gibt. So ein Gerät wird ggf. leicht zum Regal-Hüter mit einem geringeren Nutzen, als ein Digitalmultimeter für ca. 20 €.

  • Fazit: Oszilloskope oder TRMS-Messgeräte werden für Messungen der Gleisspannung beim digitalen MoBa-Betrieb nicht benötigt.


Eigenschaften eines Messgerätes prüfen

Ohne diese Prüfung sollten Multimeter immer mit der unten beschriebenen separaten Spitzenwert-Gleichrichtung betrieben werden.

  • Achtung: Für diese Prüfung wird ein geeigneter Funktionsgenerator benötigt.

Wenn bei einem Multimeter unbekannt ist, ob es eine Spitzenwert-Gleichrichtung verwendet und sich für Gleisspannungs-Messungen eignet, kann das mit einem Funktionsgenerator geprüft werden.

:!: Bei allen folgenden Messungen muss sichergestellt sein, dass die Ausgangsspannung des Funktionsgenerators unverändert beibehalten wird.
  1. Zunächst wird mit einer Sinusspannung von 50 Hz der vom Multimeter im AC-Betrieb angezeigte Wert ermittelt.
  2. Anschliessend wird der Funktionsgenerator auf auf Rechteckspannung umgestellt.
    1. Wenn der angezeigte Wert deutlich und evtl. bis zum 1,4fachen der ersten Messung ansteigt, ist von einer Effektivwert-Gleichrichtung auszugehen. Dann muss das Multimeter für Gleisspannungs-Messungen mit der separten Spitzenwert-Gleichrichtung und im DC-Betrieb verwendet werden.
    2. Wenn sich der vom Multimeter im AC-Betrieb angezeigte Wert nicht oder nur sehr gering von der ersten Messung unterscheidet, liegt ziemlich sicher Spitzenwert-Gleichrichtung vor. Um zu prüfen, wie die Messgenauigkeit bei den 9 kHz der Gleisspannung ist, sollten die Messungen bei dieser Frequenz mit Sinus-und Rechtecksignal des Funktionsgenerators wiederholt werden.
      1. Werden hierbei zufriedenstellende Ergebnisse erzielt, kann auf die Verwendung der separten Spitzenwert-Gleichrichtung verzichtet werden.
      2. Sind die Abweichungen gegenüber den Messungen bei 50 Hz zu groß, muss auch dieses Multimeter für Gleisspannungs-Messungen mit der separaten Spitzenwert-Gleichrichtung und im DC-Betrieb verwendet werden.

Separate Spitzenwert-Gleichrichtung

Wenn z.B. einfache Messgeräte Werte anzeigen, die unrealistisch erscheinen oder die oben beschriebene Prüfung negativ ausfällt, können trotzdem ausreichend genaue Ergebnisse erzielt werden. Dazu muss lediglich dem dafür im DC-Betrieb verwendeten Messgerät diese sehr einfach zu realisierende Spitzenwert-Gleichrichtung vorgeschaltet werden:

Messgleichrichter für DCC- u. MM-Spannungen

Der Spannungsverlust in dieser Schaltung liegt bei ca. 1,4 V, sodass dieser Wert als feste Korrektur zum Ablesewert des Messgerätes addiert werden muss.

Die 4 Dioden bzw. der Brückengleichrichter sorgen dafür, dass das Digitalsignal mit seiner wechselnden Polarität als Gleichspannung an das Messgerät geliefert wird. Der Widerstand sorgt auch bei Messgeräten mit sehr hohem Innenwiderstand für einen Strom, der die Dioden im optimalen Kennlinenbereich betreibt und verhindert, dass in einem evtl. unbelasteten Stromkreis ein Kontaktfehler eine nahezu korrekte Spannung vortäuscht. Der Kondensator glättet den Spannungsverlauf während der Polaritätswechsel.

Hinweis zum Selectrix-Format

Digitalsignale des Selectrix-Formats haben eine Taktlänge von 50µs zwischen den Polaritätswechseln, die sich aber in 40µs mit Spannung und 10µs ohne Spannung aufteilt. Dadurch entspricht der Effektivwert nur 80% des Spitzenwerts und die beschriebene Schaltung wird deshalb falsche Messwerte liefern, da so weder Spitzen-, noch Effektivwert darstellbar sind.
Diese Schaltung wird ca. 80-90% des tatsächlichen Spitzenwertes der Digitalspannung anzeigen.

Für einfache Vergleiche, z.B. bei einer Fehlersuche, ohne dass absolute Messwerte benötigt werden, ist die o.g. Schaltung auch für Digitalssignale des Selectrix-Formats ausreichend.

1)
True Root Mean Square = warer Effektiv-Wert
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