Wenn man mit einem Voltmeter oder Multimeter die Spannung messen will braucht man normalerweise zwei Hände. Aber meistens man nur eine Hand frei. Man kann sich natürlich mit Krokodil-Klemmen oder ähnliches behelfen, aber das ist in der Regel umständlich. Besonders bei Versuchsaufbauten muss man oft an verschieden Stellen die Spannung messen um das Verhalten der Schaltung zu analysieren.
Die Lösung für mein Problem ist das Mini-Voltmeter, dass ich in der Vergangenheit schon viele Male in verschiedenen Projekten eingebaut habe. Meistens reicht die Genauigkeit der Mini-Voltmeter aus und meine Projekte bewegen sich auch eher im Niedrigvolt-Bereich. Dazu kommt, dass die Mini-Voltmeter verhältnismäßig preisgünstig sind und man sie überall bekommt.
Ich benutze auch USB-Multimeter zum Messen von Spannung und Stromstärke, die gleichzeitig die Werte speichern. Auf Bild 1.0 sind einige USB-Multimeter dargestellt, die mehr oder weniger Spannung vertragen. Manche Geräte sind sehr teuer und wie viel Ampere maximal gemessen werden kann unterscheidet sich ebenfalls. Wer nur Spannung messen will und nicht viel Budget hat, ist bei meinem Projekt genau richtig.
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Liste der Komponenten
- Mini-Voltmeter DSN-DUM-368 /oder DSN-DMU-368k (Bild 2.0.1)
- Hohlbuchse 5,5×2,1 (Bild 2.0.2)
- Hohlstecker 5,5×2,1 (Bild 2.0.3)
- USB Micro Adapterplatine optional (Bild 2.0.4)
- M2 x 10 Senkkopfschraube 6x (ohne Bild)
- M2 x 4 Zylinderkopfschraube 2x optional (ohne Bild)
- Kabel 0,5mm² (ohne Bild)
Wie auf Bild 3.0 zu sehen ist gibt es zwei verschiedene Arten von Mini-Voltmetern. Die mit zwei Kabeln (Bild 3.0.1) und die mit drei Kabeln (Bild 3.0.2).
Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass bei dem Mini-Voltmeter mit zwei Kabeln die Versorgungsspannung gleich der zu messenden Spannung ist (Bild 3.0.1).
Bei dieser Variante gibt es aber ein Problem. Wenn die Spannung unter 4,7V liegt, funktioniert das Mini-Voltmeter nicht mehr, da es mindestens eine Versorgungsspannung von 4,7V benötigt. Will man also eine Spannung unter 4,7V messen braucht man eine Versorgungsspannung über 4,7V und ein separates Kabel zum Messen der Spannung (Bild 3.0.2).
Man kann auch ein Mini-Voltmeter mit drei Kabeln zu einem Mini-Voltmeter mit zwei Kabeln umfunktionieren. Es muss nur eine Brücke zwischen +Ub und input bei jumper-1 gelötet werden (Bild 3.1.1). Die Jumper zwei bis vier dienen der Feinjustierung des Minivoltmeters (Bild 3.1.1), teilweise sind die Schrittweiten aufgedruckt wie bei Bild 3.0.1.
Wie so ein Mini-Voltmeter im Detail aufgebaut ist, ist beispielsweise hier oder hier dokumentiert.
Konstruktion
Wegen dieser zwei unterschiedlichen Typen habe ich mich dazu entschieden zwei Gehäuse zu konstruieren. Beginnen wir mit der Variante für das zwei Kabel Mini-Voltmeter. Ich habe in der Vergangenheit mehrfach Mini-Voltmeter in Gehäuse verbaut und dabei die Herausforderungen der Maßhaltigkeit und Variantenvielfalt verschiedener Hersteller kennengelernt. Trotz angeblich standardisierter Bauteile muss man oft mit geringfügigen Abweichungen in den Maßen rechnen. Daher ist es wichtig, bei der Konstruktion größere Toleranzen zu berücksichtigen.
Eines der Gehäuse, das ich konstruiert habe, war für das Step-up-Modul LM2587 (Bild 3.2.1) vorgesehen. Dieses Gehäuse erschien mir geeignet, um es für die neuen Anforderungen zu modifizieren. Es enthält bereits Halterungen für den Hohlstecker (2.0.3) und die Hohlbuchse (2.0.2), die ich verwenden möchte. Außerdem ist im Deckel bereits eine Aussparung für das Mini-Voltmeter (2.0.1) vorhanden. Mit den Abmessungen (Bild 3.2.2) bin ich größtenteils zufrieden, abgesehen von der Länge. Was mich jedoch stört, ist die Position des Voltmeters im Deckel – es sollte zentraler platziert werden, also näher zur Mitte.
Zuerst beginne ich mit der Modifikation des Deckels. Mit der Breite und Höhe bin ich zufrieden, jedoch ist das Gehäuse zu lang. Deshalb kürze ich den Deckel an der Seite, an der die Hohlbuchse (2.0.2) angebracht ist. Dadurch bleibt die Halterung des Hohlsteckers unberührt, da diese bereits passgenau auf den Stecker abgestimmt ist. Beim Kürzen muss darauf geachtet werden, dass sich die internen Bauteile nicht berühren und ausreichend Platz für die Verkabelung bleibt. Man sollte es mit der Reduzierung der Größe jedoch nicht übertreiben, da auch die Stabilität und Haptik wichtige Faktoren einer Konstruktion sind.
Nach Abwägung aller Faktoren kürze ich die Länge des Gehäuses bzw. des Deckels auf 63,5 mm, und die Position des Mini-Voltmeters wird nun mittig auf dem Deckel ausgerichtet (Bild 4.0.1). Die Bohrung zur Justierung des LM2587S (weiß markiert) und die Lüftungsschlitze habe ich entfernt, da keine Einstellung erforderlich ist und aufgrund der geringen Wärmeentwicklung auch keine Lüftung notwendig ist.
Auf Bild 4.0.2 (rot markiert) sieht man, dass ich die Aussparungen bzw. Taschen geändert habe, da bei manchen Mini-Voltmetern statt Laschen eine ebene Fläche vorhanden ist (Bild 4.0.3).
Im nächsten Schritt kürze ich das Gehäuse, ähnlich wie den Deckel, auf 63,5 mm. Dabei entferne ich auch die Befestigungssäulen für das LM2587S-Modul, wie auf Bild 4.1.1 zu sehen. Auf der Seite der Hohlbuchse entferne ich die Vertiefung und versetze das Bohrbild um 1 mm nach oben, in Richtung Deckel (Bild 4.1.2). Abschließend wird der Schriftzug auf VOLT METER korrigiert.
3D Druck der ersten Variante
Kommen wir zum Drucken der Teile von unserer Variante 1 mit zwei Kabeln. Wir benötigen für diese Variante nur drei Teile:
- Gehäuse Bild 5.0.1
- Deckel Bild 5.0.2
- Hohlbuchsen-Halter Bild 5.0.3
Für den Druck dieser Teile gibt es keine besonderen Anforderungen, und es wird kein spezielles Material benötigt. Ich verwende in diesem Fall preiswertes PLA von einem zuverlässigen Hersteller. Der Druck erfolgte auf einem Prusa MK4 mit den gängigen Standard-Einstellungen.
Bei der Nachbearbeitung der gedruckten Teile für Variante eins müssen lediglich vier M2-Gewinde ins Gehäuse geschnitten werden (Bild 6.0.1) sowie zwei M2-Gewinde an der Montagebrücke für die Hohlbuchse (Bild 6.0.2). Im Deckel müssen ebenfalls zwei M2-Gewinde geschnitten werden (Bild 6.0.3). Alternativ können auch selbstschneidende Schrauben verwendet oder die Teile teilweise verklebt werden.
Verlöten und Verkabeln der ersten Variante
Nachdem alle Teile für Variante eins gedruckt und bearbeitet sind, wird die Hohlbuchse mit den Kabeln verlötet. In Bild 6.1.1 sind die Plus- und Minuspole markiert, an denen die Kabel angelötet werden (Bild 6.1.2). Anschließend werden die Kabel der Hohlbuchse und des Mini-Voltmeters im Hohlstecker verschraubt (Bild 6.1.3). Ob man die Kabel verdrillt oder an den Enden verlötet, ist Geschmackssache. Die Kabel des Mini-Voltmeters verbinde ich immer mit dem Stromausgang. In Bild 6.1.4 sieht man das komplette Innenleben verlötet und verkabelt. Um die Lötstellen am Mini-Voltmeter zu stabilisieren, habe ich sie mit einem kleinen Tropfen Heißkleber verstärkt. Zum Abschluss wird die Hohlbuchse in die Rückseite des Gehäuses eingesetzt und der Hohlstecker in die vorgesehene Aussparung geschoben (Bild 6.1.5).
Im vorletzten Schritt schiebe ich das Mini-Voltmeter in den dafür vorgesehenen Ausschnitt im Deckel und befestige es durch Verschrauben oder Verkleben (Bild 6.2.1). Anschließend wird der Deckel mit dem Gehäuse verschraubt (Bild 6.2.2). Zum Schluss folgt ein Funktionstest (Bild 6.2.3).
Konstruktion der zweiten Variante
Wer nicht unter 4,7 V mit dem Mini-Voltmeter messen oder die Spannung anzeigen möchte, kann an dieser Stelle aufhören. Wie ich zu Beginn erwähnt habe, gibt es jedoch die Möglichkeit, diese Mini-Voltmeter mit drei Kabeln zu betreiben. Diese Option besteht, wenn der Jumper1 (Bild 3.1.1) nicht gesetzt bzw. nicht überbrückt wird. Da das Mini-Voltmeter eine Mindestversorgungsspannung von 4,7 V benötigt, um zu funktionieren, brauchen wir eine zweite Spannungsquelle, die über dieser Grenze liegt.
In Variante eins des Gehäuses gibt es jedoch nur einen Eingang, weshalb ein zweiter Stromeingang erforderlich ist. Da ich die Abmessungen des Gehäuses nicht ändern möchte und für eine zweite Hohlbuchse kaum Platz bleibt, muss eine alternative Lösung her. Die Lösung ist eine Micro-USB-Platine (Bild 2.0.4), die flach ist und auf dem weit verbreiteten Micro-USB-Standard basiert.
Nun stellt sich die Frage, wo der zweite Anschluss positioniert werden soll. Ein seitlicher Anschluss würde zu viel Platz benötigen, z. B. auf einem Tisch, da das Kabel im 90°-Winkel nach oben oder unten herausragen würde. Für mich ist die beste Lösung, den USB-Anschluss auf der gleichen Seite wie die Hohlbuchse zu platzieren.
Die nächste Frage betrifft die Montage der Micro-USB-Platine: Sollte sie direkt am Gehäuse befestigt oder einfach angeklebt werden? Nach reiflicher Überlegung entschied ich mich, die Platine an der Halterbrücke der Hohlbuchse zu montieren (Bilder 5.0.3, 6.0.2 und 7.0.1). Auf Bild 7.0.2 sieht man, wie ich eine Platte an der Halterbrücke angebracht habe. Diese Platte hat zwei M2-Gewindebohrungen (weiß markiert) zur Befestigung der Micro-USB-Platine sowie zwei Aussparungen für Kabel und Lötzinn.
Am Gehäuse (Bild 7.0.3) muss das Bohrbild (rot markiert) um 1,5 mm in Richtung Deckel verschoben werden, um Platz für den Schlitz des Micro-USB-Steckers zu schaffen. Der Schlitz (gelb markiert) wird unterhalb der Hohlbuchse angebracht.
Der Druck geht relativ zügig von statten. Wir brauchen das Gehäuse mit USB Schlitz (Bild 8.0.1), den Deckel (Bild 8.0.2) und den neuen Halter für Hohlbuchse und USB Platine (Bild 8.0.3).
In der Nachbearbeitung der gedruckten Teile für Variante „Zwei“ gilt es nun das Gewinde zu schneiden. M2 4x am Gehäuse (Bild 9.0.1) und 4x M2 Montagebrücke für die Hohlbuchse und USB Platine (Bild 9.0.2). Bei dem Deckel müssen ebenfalls zwei Gewinde M2 geschnitten werden (Bild 9.0.3).
Verlöten und Verschrauben der zweiten Variante
Nun müssen, wie bei Variante eins (Bild 6.1), die Teile verlötet und verschraubt werden. Dabei ist zu beachten, dass jetzt ein zusätzliches Kabel vorhanden ist und die Verkabelung anders als bei Variante eins verläuft. Die Stromversorgung des Mini-Voltmeters erfolgt nun extern über den Micro-USB-Anschluss. Der Minuspol wird von der Hohlbuchse (9.1.3) zur USB-Platine (9.1.1), dann zum Mini-Voltmeter (9.1.2) und schließlich zum Hohlstecker (9.1.4) geführt.
Die Plusleitung für die Stromversorgung des Mini-Voltmeters (9.1.2) geht vom Pluspol des Micro-USB (9.1.1) direkt zum Pluspol des Mini-Voltmeters (9.1.2). Die Hauptstromleitung führt vom Pluspol der Hohlbuchse (9.1.3) zum Pluspol des Hohlsteckers (9.1.4). Die Messleitung verläuft direkt vom Mini-Voltmeter (9.1.2) zum Pluspol des Hohlsteckers (9.1.4).
Wie man die USB-Platine (9.1.1) an die Hohlbuchsen Halter (9.0.2) schraubt ist in Bild 9.2.1 dargestellt. In Bild 9.2.2 sieht man die Hohlbuchse 9.1.3 und die USB-Platine 9.1.1 komplett verlötet, verschraubt mit dem Hohlbuchsen Halter und danach mit Heiß Kleber nochmals fixiert. Das Ergebnis sieht man im Bild 9.2.1.
Nach erfolgreichem Löten und Kleben, setze ich das Mini-Voltmeter Variante „Zwei“ zusammen. Als erstes stecke ich die Haltebrücke für die Hohlbuchse und USB-Platine in die Rückseite des Gehäuses und verschraube diese von außen (Bild 9.3.1).
Danach kommt der Hohlstecker in die vorgesehene Aussparung und wird bis zum Boden eingedrückt (Bild 9.3.2). Jetzt wird das Mini-Voltmeter in den Deckel gedrückt und entweder Verschraubt oder verklebt (Bild 9.3.3). Als letztes wir der Deckel aufgesetzt und mit den M2 Schrauben angeschraubt (Bild 9.3.4).
Funktionstest
Nun steht der unverzichtbare Funktionstest an. Dafür benötigen wir ein Micro-USB-Netzteil sowie ein 12V-Netzteil mit einem 5,5×2,1 mm Hohlstecker. Zuerst schließe ich das Micro-USB-Netzteil, das 5V liefert, an das Gehäuse an. Das Display des Mini-Voltmeters leuchtet auf und zeigt null an (Bild 9.4.1). Dies ist das erwartete Ergebnis, da noch keine Spannung an der zu messenden Leitung anliegt. Erst als ich das 12V-Netzteil mit Hohlstecker anschließe, zeigt das Mini-Voltmeter korrekt 12V an (Bild 9.4.2).
Alles funktioniert einwandfrei und bringt für mich einen Mehrwert in der Werkstatt.
