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Leistungselektronik Die Wahl des Crest-Faktors in der Leistungsmesstechnik

| Autor / Redakteur: Francois Epp und Stuart Chappell * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Den Crest-Faktor durch den Anwender selbst am Messgerät einzustellen ist nicht unbedingt sinnvoll, da wichtige Informationen des Messsignal übersehen werden können. Entscheident für den Messtechniker ist, dass Messwerte in Echtzeit, lückenlos und mit voller Abtastrate verfügbar sind.

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Sinusförmige Wellen werden durch Wellen verdrängt, die stark Oberwellen aufzeigen oder komplex moduliert sind.
Sinusförmige Wellen werden durch Wellen verdrängt, die stark Oberwellen aufzeigen oder komplex moduliert sind.
(Bilder: Caltest)

Die meisten modernen Messinstrumente, die für AC-Signale (Wechselstrom) verwendet werden, geben normalerweise den Effektivwert (engl.: Root Mean Square – RMS) der gemessenen Größe aus. Ingenieure der Leistungselektronik sind mit diesem Begriff bestens vertraut und wissen, dass der Effektivwert einer Spannung, eines Stroms oder einer Leistung – im Rahmen der Bandbreite des jeweiligen Messinstruments – den echten Breitbandwert der Messung wiedergibt. Daraus folgt, dass ein analoges Design über den gemessenen Frequenzbereich hinweg eine lineare Charakteristik aufweisen muss.

Beim Messen der verzerrten Signale, die in Leistungselektronik-Anwendungen üblicherweise vorkommen, muss außerdem unbedingt sichergestellt sein, dass der gesamte Verlauf einer Schwingung in die Messung einbezogen wird. Gleichzeitig muss die Genauigkeit bei der Messung des Effektivwerts, der deutlich kleiner sein kann als der Scheitelwert, gewahrt bleiben.

Im Zusammenhang mit Leistungsmesser-Produkten stellt sich deshalb häufig die Frage, ob die Bereichseinstellung nach dem Effektivwert oder dem Scheitelwert erfolgen soll. Hierauf soll im Folgenden genauer eingegangen werden. Das Verhältnis zwischen Scheitel- und Effektivwert wird als Crest-Faktor (CF) bezeichnet. Auf dem Effektivwert basierende Bereichseinstellungssysteme messen den Effektivwert und legen den zulässigen Scheitelwert anhand eines angenommenen Crest-Faktor fest. Scheitelwert-Bereichseinstellungssysteme dagegen ermitteln den Maximalwert eines gemessenen Signals und stellen dementsprechend den Messbereich ein.

Unterschied zwischen Effektiv- und Scheitelwerteinstellung

In vielen Messprodukten kommen nach wie vor auf den Effektivwert bezogene Bereichseinstellungssysteme zum Einsatz. Dagegen ist weiterhin nichts einzuwenden, wenn es um konventionelle Anwendungen geht, in denen ausschließlich Sinuswellen vorkommen und in denen davon ausgegangen werden kann, dass der Scheitelwert ungefähr um den Faktor 1,414 (√2) über dem Effektivwert liegt.

In der modernen Leistungselektronik werden sinusförmige Schwingungen jedoch mehr und mehr von Wellen verdrängt, die mehr oder minder stark mit Oberwellen durchsetzt oder komplex moduliert sind. Dies hat zur Folge, dass die auf den Effektivwert bezogene, eine bestimmte Wellenform voraussetzende Bereichseinstellung nicht mehr verlässlich ist. Illustrieren lässt sich dies an den in Bild 1 gezeigten Wellenformen, wie sie in typischen Schaltnetzteilen vorkommen. Die rot wiedergegebene Sinuswelle und die blau dargestellte, mit Oberwellen versetzte Welle haben den gleichen Effektivwert (lila). Man erkennt jedoch sofort, dass das verzerrte blaue Signal einen deutlich höheren CF aufweist als die rote sinusförmige Welle.

Den CF-Wert einstellen nicht dem Anwender überlassen

Ein System, das einen bestimmten CF zugrundelegt, wird sich immer dem Risiko aussetzen, dass die Welle gekappt wird, wenn ihr Scheitelwert größer ist als angenommen. Gemäß Bild 1 wurde ein CF von 3 angenommen und man sieht, wie das System die Spitzen der als Beispiel dienenden Welle kappt, was präzise Messungen unmöglich macht. Einige Instrumente bieten dem Anwender die Möglichkeit, den CF einzustellen. Typisch sind CF-Werte von 3 oder 6.

Bild 2: Niedriger Dauerstrom und kurzzeitig fließender Burst-Strom eines im Standby-Modus befindlichen elektronischen Geräts.
Bild 2: Niedriger Dauerstrom und kurzzeitig fließender Burst-Strom eines im Standby-Modus befindlichen elektronischen Geräts.
(Bilder: Caltest)
Dem Anwender diese Einstellung zu überlassen ist allerdings keineswegs ideal, denn möglicherweise ist dem Anwender der CF des Signals nicht bekannt. Wichtiger noch ist aber die Tatsache, dass der CF in der modernen Leistungselektronik ohne weiteres größer als 6 sein kann. Deutlich machen lässt sich das an dem Signalverlauf in Bild 2. Es handelt sich um den niedrigen Dauerstrom und den kurzzeitig fließenden Burst-Strom eines im Standby-Modus befindlichen und deshalb mit geringem Tastverhältnis arbeitenden elektronischen Geräts.

Selbst entwickelte Algorithmen und hohe Rechenleistung

Man erkennt an diesen Beispielen sofort, dass präzise Messungen in jeder Anwendung darauf angewiesen sind, dass die zu messende Welle komplett analysiert wird. Ebenso wird deutlich, dass Bereichseinstellungssysteme, die sich auf den Effektivwert beziehen, für die Analyse von Schwingungen mit großem oder unbekanntem Oberwellengehalt ungeeignet sind. N4L-Power-Analyzer nutzen selbst entwickelte Algorithmen, mit denen die Datenberechnung eine Signalprobe nach der anderen in Echtzeit, lückenlos und mit voller Abtastrate möglich ist. Um eine solche Berechnung bei voller Abtastrate durchzuführen, wird eine hohe Rechenleistung vorausgesetzt, mit der andere Analyzer nicht aufwarten können.

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Die komplette Wellenform analysieren

Beim Design von Messprodukten für die moderne Leistungselektronik gilt es, einerseits bewährte messtechnische Verfahren anzuwenden und andererseits die praktischen Anwendungen im Blick zu behalten. Angesichts der stark verzerrten Signale, die heute in der Leistungselektronik vorkommen, sollten Messsysteme die Gewähr bieten, dass unabhängig vom Verzerrungsgrad immer die komplette Wellenform analysiert wird. Außerdem ist zu gewährleisten, dass die analoge Bandbreite und die Abtastrate der digitalen Quantisierungstechniken über den gesamten Frequenzbereich eines RMS-Signals hinweg die geforderte Genauigkeit einhalten.

Die Möglichkeit zum Anwenden der vollen Abtastrate beim Messen beliebiger Grundfrequenzen stellt sicher, dass die maximale Messbandbreite gewahrt bleibt. Instrumente dagegen, die bei der Messung niedrigerer Grundfrequenzen die Abtastrate absenken, schmälern nicht nur die effektive Bandbreite des Instruments, sondern erhöhen auch das Risiko, dass es zu Alias-Effekten kommt.

* Francois Epp ist Geschäftsführer bei der Caltest Instruments in Achern. Stuart Chappell ist Geschäftsführer Newtons4th in Loughborough, UK.

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