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.

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.

• Hinweise zum Selectrix-Format am Ende der Seite 

Allgemeines zur Messung digitaler Signale

Die üblichen Gleichrichter-Schaltungen in analogen und digitalen Multimetern sind für sinusförmige Spannungen von Netzfrequenz bis ein paar hundert Hertz optimiert.  Messwerte digitaler Signale werden z.T. mit erheblichen Fehlern angezeigt. Häufig werden deshalb zur Messung von digitalen Gleisspannungen Messgeräte mit TRMS-Messung (True Root Mean Square = wahrer Effektiv-Wert) und/oder auch Oszilloskope empfohlen.

Dabei wird leider oft übersehen, dass viele 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 über den unterstützen Frequenzbereich bei der TRMS-Messung. Sind in seltenen Fällen doch mal Angaben vorhanden, liegt die Grenze oft unter 1 kHz. 

• Vom Kauf solcher TRMS-Multimeter, nur in der Annahme einer genauen Messung digitaler Gleisspannungen, wird deshalb abgeraten. 

Weitere Informationen

Brauchbare Messwerte von DCC- u. MM-Gleisspannungen liefern die oben genannte 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 aktuelle Digitaloszilloskope auch bei höheren Frequenzen TRMS-Messwerte berechnen können, wenn genügend Proben aus dem Messsignals gesampelt werden. Teure Spezial-ICs enthaltende TRMS-Messgeräte werden so überflüssig.

Neuere Entwicklungen

Seit einiger Zeit werden Oszilloskope und Digital-Multimeter mit oszilloskopischer Darstellung der Messsignale schon sehr günstig angeboten, z.B. für 100 bis 200 €. Dabei werden die Messwerte meistens bis zur angegeben maximalen Frequenz der Geräte gesampelt und so auch bei den digitalen Gleisspannungen (9 kHz und mehr) korrekt erfasst und als TRMS (Im Display: "Vrms") korrekt angezeigt. 

Allerdings verliert die Anzeige der TRMS für den MoBa-Betrieb an Bedeutung, da durch die oszilloskopische Darstellung der digitalen Gleisspannung der Nutzwert weit höher ist.

Die Daten solcher besonders preiswert erscheinender 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.  

• • Fazit:

Spezielle TRMS-Digitalmultimeter und teure Oszilloskope werden für den Betrieb digitaler MoBa-Anlagen nicht benötigt.

Prüfen von Messgeräten mit unbekannten Eigenschaften

Ohne eine Prüfung sollten Messgeräte, die keine oszilloskopische Darstellung gesampelter Messwerte bieten, für Messungen digitaler Gleisspannungen 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. 

• Achtung: Bei allen folgenden Messungen muss sichergestellt sein, dass die Ausgangsspannung des Funktionsgenerators unverändert beibehalten wird.  

Prüfschritte

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.

3. Wenn der angezeigte Wert deutlich und evtl. bis zum 1,4-fachen der ersten Messung ansteigt, ist von einer Effektivwert-Gleichrichtung auszugehen. Dann muss das Multimeter für Gleisspannungs-Messungen mit der separaten Spitzenwert-Gleichrichtung im DC-Betrieb verwendet werden.

4. 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. 

5. Werden hierbei zufriedenstellende Ergebnisse erzielt, kann auf die Verwendung der separaten Spitzenwert-Gleichrichtung verzichtet werden.

6. Sind die Abweichungen gegenüber den Messungen bei 50 Hz zu groß, muss auch dieses Multimeter für Gleisspannungs-Messungen mit der separaten Spitzenwert-Gleichrichtung 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:

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.

Hinweise zum Selectrix-Format

Digitalsignale des Selectrix-Formats haben eine Taktlänge von 50 µs zwischen den Polaritätswechseln, die sich aber in 40 µs mit Spannung und 10 µs 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.

• Hinweis: Wird beim Selectrix-Format ein Messgerät mit oszilloskopischer Darstellung gesampelter Messwerte verwendet, sind die beschriebenen Signal-Eigenschaften sichtbar und bei den Messwerten berücksichtigt.