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Spezifikationen Damit Stromversorgung und Testanwendung zueinander finden

Autor / Redakteur: Robert Green, James Niemann und Qing D. Starks * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Beim Einsatz einer Stromversorgung lohnt es, genauer hinzuschauen. Denn nicht alle Parameter wie beispielsweise Leistungshüllkurve oder Design-Topologie stehen in den Datenblättern.

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Stromversorgung: Zweikanalige programmierbare DC-Stromversorgung Modell 2220-30-1 und dreikanalige programmierbare DC-Stromversorgung Modell 2230-30-1.
Stromversorgung: Zweikanalige programmierbare DC-Stromversorgung Modell 2220-30-1 und dreikanalige programmierbare DC-Stromversorgung Modell 2230-30-1.
(Keithley)

Viele Elektronikingenieure glauben, dass sie die Funktionsweise von Stromversorgungen gut verstehen, da dies relativ einfache DC-Geräte mit nur einer einzigen Funktion sind und nur die Ausgangsspannung steuern. Obwohl die Spezifikationen einer Stromversorgung die Funktionalität für die meisten Anwendungen ausreichend beschreibt, wäre eine umfassende Spezifikation jedes möglichen Geräteverhaltens oder eines anderen Instruments zu zeitaufwändig und zu kostspielig.

Im Zuge des Auswahlprozesses sollte die Spezifikation einer Stromversorgung immer genau betrachtet werden, allerdings gibt es noch andere interessante Charakteristika. Aus der Perspektive eines Anwenders ist besonders die Leistungshüllkurve einer Stromversorgung wichtig. Sie zeigt, ob die Stromversorgung die Leistung mit der erforderlichen Spannung und dem Strom für die entsprechende Anwendung liefern kann.

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Für die Entwicklung, Charakterisierung und das Testen von Schaltungen, die kleine Signale generieren oder messen, ist die Auswahl der Design-Topologie der Stromversorgung sowie die Aufmerksamkeit des Gleichtaktstroms wichtig. Damit lässt sich sicherstellen, dass dieser nicht das Schaltungsverhalten beeinflusst.

Ebenso ist es für die Entwicklung eines Geräts mit mehreren potenzialfreien Schaltungen entscheidend, dass die Stromversorgung nicht die Potenzialfreiheit des Testobjekts gefährdet. Wenn eine Stromversorgung als genaue Spannungsquelle für den Test einer Schaltung über den gesamten Betriebsspannungsbereich oder als Kalibrierquelle genutzt wird, muss geprüft werden, ob die angegebene Genauigkeit der Stromversorgung auch am Eingang der zu prüfenden Schaltung zur Verfügung steht. Solche Anwendungen erfordern eine detaillierte Untersuchung der technischen Daten einer Stromversorgung.

Die Leistungshüllkurve betrachtet

Die wichtigste Entscheidung besteht darin sicherzustellen, dass eine ausreichende Leistung für die Versorgung des Testobjekts (DUT) zur Verfügung steht. Obwohl es ziemlich offensichtlich ist, sollte man sich im Klaren sein, dass verschiedene Arten von Stromversorgungen und Quellen unterschiedliche Leistungshüllkurven haben können. Beispielsweise gibt es Geräte mit einer rechteckigen Leistungshüllkurve. Diese können die Last bei jeder Spannung mit einem beliebigen Strom versorgen (Bild 1a). Dies ist sicher die vielseitigste Leistungshüllkurve.

Eine zweite Art von Stromversorgungen hat mehrere rechteckige Hüllkurven für mehrere Bereiche (beispielsweise zwei rechteckige Leistungshüllkurven, wie in Bild 1b). Der Vorteil dieser Leistungshüllkurve ist, dass ein Parameter auf Kosten des anderen Parameters höhere Werte erreichen kann. So ist zum Beispiel ein höherer Strom bei einer niedrigeren Spannung möglich.

Andere Stromversorgungen verfügen über eine hyperbolische Leistungshüllkurve (Bild 1c), die anstatt mehrerer Bereiche einen kontinuierlichen Übergang aufweist. Hier verhält sich ein Parameter umgekehrt proportional zum anderen. Sehr leistungsfähige Stromversorgungen arbeiten meist entweder mit mehreren Bereichen oder mit einer hyperbolischen Leistungshüllkurve.

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Praktisch: Die Isolation einer Stromversorgung charakterisieren

Die drei wichtigsten Isolationsparameter einer Stromversorgung sind 1. der Isolationswiderstand zwischen der Primär- und der Sekundär-Wicklung des Transformators, 2. die Streukapazität zwischen den Wicklungen und 3. der Gleichtaktstrom.

DC-Charakteristik – Isolationswiderstand: Die Messung des Isolationswiderstands erfolgt über eine DC-Charakterisierung der Isolation zwischen dem Masseausgang der Stromversorgung und dem Chassis. Eine gut entwickelte Stromversorgung kann eine Ausgangsspannung zwischen den beiden Anschlussklemmen mit einer erheblichen Spannung über dem Massepotential ausgeben. Zum Beispiel kann der Masseausgang der mehrkanaligen Stromversorgung der Serie 2200 von Keithley mehr als 240 V über dem Potential der Gehäusemasse liegen. Der Isolationswiderstand zwischen der Primärwicklung und dem Masseausgang auf der Sekundärseite ist eine wichtige DC-Charakteristik. Während die Stromversorgung ausgesteckt oder potentialfrei ist, wird eine Spannung von 200 V an den Masseausgang angelegt und der dann fließende Strom mit einem empfindlichen Strommessinstrument gemessen. Der Isolationswiderstand ergibt sich aus: 200 V/gemessener Strom. Die DC-Isolationsmessung wurde bei einer Stromversorgung der Serie 2200 von Keithley durchgeführt, wobei 200 V an den Masseanschluss angelegt wurden. Der dabei gemessene Strom lag bei 130 nA, was einem ausgezeichneten Isolationswiderstand von 1,5 GOhm entspricht.

AC-Charakteristik – Streukapazität und Gleichtaktstrom: Die Streukapazität ist eine AC-Charakteristik für die Isolation der Stromversorgung. Die Wechselstromkopplung zwischen den Wicklungen ist abhängig von der Fläche und dem Abstand der Primär- und Sekundärwicklung sowie der Charakteristik des Isoliermaterials. Bei einem unsauberen Design kann die Primärseite des Transformators den Betrieb auf der Sekundärseite stören. Der Kapazitätswert der Stromversorgung kann bei offenem Ausgang mit Hilfe eines LCR-Meters zwischen dem Masseausgang und der Gerätemasse gemessen werden.

Bei 1 kHz beträgt die Streukapazität einer Stromversorgung der Serie 2200 von Keithley etwa 18 nF; bei 100 Hz liegt die gemessene Kapazität bei 20 nF. Der Gleichtaktstrom ist ein Maß für den Störpfad zwischen dem Masseausgang und dem Chassis der Stromversorgung während des Betriebs der Stromversorgung. Eine gut entwickelte Stromversorgung zeichnet sich durch einen sehr geringen Gleichtaktstrom aus, meist im Mikroampere-Bereich. Das Design benötigt hierzu eine gute Abschirmung sowohl auf der Primär- als auch der Sekundärwicklungen des Transformators, um den Gleichtakt-Leckstrom zu reduzieren. Dieser geringe Strom kann mit einem sehr empfindlichen Oszilloskop mit einem Breitband-Stromverstärker erfasst werden.

Der Oszilloskop-Screenshot 1 zeigt die mit einem Stromverstärker auf 40 mV verstärkte Gleichtaktspannung einer Stromversorgung der Serie 2200 von Keithley. Dies entspricht einem Gleichtaktstrom von etwa 4 µA. Eine ähnliche Stromversorgung eines anderen Herstellers hat einen Gleichtaktstrom von 20-30 µA (Oszilloskop-Screenshot 2), also etwa fünf bis siebenmal mehr als bei der Stromversorgung von Keithley.

Zu überlegen ist welche Art von Hüllkurve die jeweilige Anwendung benötigt, um sicherzustellen, dass die ausgewählte Stromversorgung die erforderlich Leistung mit den jeweiligen Spannungs- und Stromwerten für den Test auch zur Verfügung stellen kann.

Was Gegentakt- und Gleichtaktstörungen unterscheidet

Bei Schaltungen mit sehr kleinen Spannungen oder Strömen können Störungen von externen Quellen Probleme verursachen. Solch eine Schaltung kann ein ein Messumformer sein, der Millivolt- oder Mikroampere-Signale aufnimmt. Dabei ist die Stromversorgung selbst eine Störquelle und die Störungen lassen sich in zwei Kategorien aufteilen: Gegentakt- und Gleichtaktstörungen.

Gegentaktstörungen liegen parallel zu den Ausgangsanschlüssen der Stromversorgung an und werden von der internen Schaltung der Stromversorgung generiert. Gleichtaktstörungen sind Störungen mit Massebezug, die über die Netzleitung und Streukapazitäten über den Haupttransformator entstehen. Für empfindliche Anwendungen sind daher lineare Stromversorgungen normalerweise besser geeignet, da die Gegentaktstörungen am Ausgang deutlich geringer sind als bei getakteten Stromversorgungen. Dafür erreichen aber lineare Stromversorgungen einen niedrigeren Wirkungsgrad als Schaltnetzteile und sind meist sperriger und schwerer.

Schaltnetzteile bieten normalerweise mehr Ausgangsleistung bei kleinerer Baugröße. Eine lineare Stromversorgung erzeugt nur ein Fünftel bis ein Zehntel der Störungen (5 mVp-p gegenüber >50 mVp-p) eines Schaltnetzteils. Wenn Gegentaktstörungen ein Problem sind, dann sollte eine lineare Stromversorgung verwendet werden, wie beispielsweise die ein- oder vielkanalige Stromversorgung der Serie 2200 von Keithley.

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