Elektronische Last für den Batterie- bis zum Überstromschutz-Test

Autor / Redakteur: Boris Adlung * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Mit seiner elektronischen Last der Serie DL3000 bietet Rigol dem Anwender vier statische und vier dynamische Test-Modes. Außerdem sind Batterie-, Überleistungsschutz- und Überstromschutz-Tests möglich.

Firmen zum Thema

Elektronische Last: Seit Juni 2017 bietet Rigol mit der Serie DL3000 eine elektronische Last bis zu einer Leistung von 350 W.
Elektronische Last: Seit Juni 2017 bietet Rigol mit der Serie DL3000 eine elektronische Last bis zu einer Leistung von 350 W.
(Bild: Rigol)

Die elektronischen Lasten von Rigol der Serie DL3000 sind bis zu einer maximalen Leistung von 350 W erhältlich. Sie bietet vier statische Test-Modes: Konstanter Strom, -Spannung, -Widerstand, -Leistung und vier dynamische Test Modes: Kontinuierlicher Puls, Einmaliger Puls, Umschalt-Puls und Listen-Modus. Zudem sind drei integrierte Applikationen dabei: Batterie-, Überleistungsschutz-, Überstromschutz- Test.

Der Hersteller bietet genauso wie bei den Netzteilen der Serie DP800 zu den Basismodellen noch eine erweiterte A-Version an. Die A-Version bietet eine Anstiegsrate [Slew-Rate] von 5 A/µs und einen maximalen Frequenzbereich von 30 kHz. Die elektronischen Lasten bietet als Messgeräte einen großen Bildschirm sowie übersichtliche Einstellmöglichkeiten. Auf dem Bildschirm lässt sich der Kurvenverlauf in einem Graph bis zu einer Zeitdauer von 800 s und einer Auflösung von 4 µsek./Messpunkt darstellen

Bildergalerie
Bildergalerie mit 6 Bildern

Die vier statischen Einstellungen der Last

Die gewonnene Messkurve kann man auf einen externen USB-Datenträger gespeichert werden. Sämmtliche Geräte verfügen über USB, RS232 sowie LAN- (als Option oder als A-Version). Mit der Software S1501 – ULTRA LOAD ist zusätzlich ein virtuelles Bedienerpanel integriert, mit dem man alle Funktionen der Last über den PC schnell und effektiv einstellen kann. Durch die sogenannte Rekorder-Funktion kann die Software speziell für Langzeitaufzeichnungen genutzt werden. Die erfassten Daten lassen sich dann als *.CSV-Datei abspeichern. Auch die Settings lassen sich über die Software abspeichern. Zu den vier unterschiedlichen statischen Einstellungen gehören:

  • Konstanter Strom (Constant Current): Die Funktion misst die Spannungsquelle. Außerdem lässt sich mit der Einstellung die Genauigkeit und Kapazität einer Leistungsversorgung (Power Supply Unit [PSU]) überprüfen. Dazu kann in der Last ein maximaler Stromwert eingegeben werden. Nach Aktivierung der Last stabilisiert diese sich auf den eingestellten Stromwert unabhängig davon, ob das Testobjekt [DUT] einen höheren Strom liefern könnte. Der Strom bleibt immer stabil auf dem eingestellten Wert, unabhängig von der DUT Spannung. Sobald der Strom des DUT den eingestellten Stromwert unterschreitet, wirkt die Last wie ein Kurzschluss und die Spannung geht auf 0 V. An der Vorderseite der Last sind zwei weitere Eingänge (Sense) vorhanden. Bei hohen Strömen wird ein nicht unwesentlicher Teil der Spannung an die Messkabel abgegeben. Durch die Verwendung der Sense Eingänge, kann dieser Messfehler beseitigt, also kompensiert werden.
  • Konstante Spannung (Constant Voltage): Mit der Funktion lässt sich eine Stromquelle messen oder die Stromgrenze einer PSU herausfinden. Eine weitere Applikation könnte die Analyse des unterschiedlichen Stromverbrauchs bei einem Aufweckszenario einer IoT-Komponente sein. Genau wie bei konstantem Strom kann ein maximaler Spannungswert eingegeben werden und die Last stabilisiert sich darauf. Die Höhe des Stromes kann dabei vom DUT variieren. Sobald die Spannung des DUT unterhalb des eingestellten Wertes liegt, senkt sich der Strom auf 0 A ab, da die Last wie ein Leerlauf wirkt.
  • Konstanter Widerstand (Constant Resistance): Dazu wird an der Last die Einstellung CR verwendet. Hier kann ein Widerstandswert von 0,08 Ω bis 15 kΩ in der Last eingestellt werden und die Spannung des DUT stabil gehalten. Der Strom wird konstant zur Spannung so verändert, bis der eingestellte Widerstandswert erreicht wird. Falls der maximale Strom vom DUT gezogen wird, senkt sich die Spannung soweit ab, dass der Widerstandswert erreicht werden kann.
  • Konstante Leistung (Constant Power): Mit der Funktion lässt sich die Leistungskapazität einer Batterie oder Solarzelle ermitteln. Hierzu wird der Strom linear auf die eingestellte Leistung reguliert. Sobald der Strom vom DUT den eingestellten Stromwert unterschritten hat, wirkt die Last wie bei der Einstellung CC als ein Kurzschluss und die Spannung geht auf 0 V zurück

Die dynamischen Tests werden außer im Listen-Modus ausschließlich im Modus des konstanten Stroms betrieben. Um zu überprüfen, wie schnell sich eine PSU nach einem Strompegelwechsel stabilisiert, kann ein kontinuierlicher Strompuls mit unterschiedlichen Strompegeln von der PSU gezogen werden. Wichtig dabei ist die schnelle Umschaltfrequenz und eine steile Anstiegs- und Absenkflanke.

Die Last hat die Möglichkeit zwischen zwei unterschiedlichem Strompegel kontinuierlich bis zu einer Frequenz von 30 kHz umzuschalten. Die Anstiegsflanke wird mit der Slew-Rate bestimmt und kann mit einer maximalen Steilheit zwischen 10 und 90 Prozent von bis zu 5 A/µs gesetzt werden. Im Display des Gerätes kann man den Puls direkt darstellen. Die Last kann auf einen einmaligen Strompuls programmiert werden. Das wird benötigt, wenn eine kurzfristige Stromänderung zu einem bestimmten Ereignis stattfinden soll. Die Änderung des Strompegels für einen Puls wird durch das Auslösen eines Trigger-Ereignisses über das Frontpanel, einem SCPI-Befehl oder einem externen Trigger-Signal erreicht.

Kapazität und Entladeverhalten einer Batterie

Eine weitere Möglichkeit bietet die Last mit dem Umschaltpuls (Toggle) an. Hier wird ein niedriger und ein hoher Pegel eingestellt. Sobald die Last aktiviert wird, wird der niedrige Pegel ausgegeben. Beim auslösen des Triggers wird der hohe Pegel ausgegeben. Bei jeder weiteren Triggerung ändert sich der Zustand des Pegels zwischen niedrig und hoch.

Die Last kann in einem Listen-Modus mit bis zu 512 unterschiedlichen Werten bei einem Zyklus von maximal 99.999 Wiederholungen eingestellt werden. Die Liste kann man für je eine der statischen Einstellungen (CC, CV, CR und CP) verwenden. Diese Liste lässt sich dann im internen Speicher oder in einem externen USB-Stick abspeichern. Mit dem Batterietest, Überspannungsschutz und Überstromschutz bietet die Last drei Applikationen an, die schnell und hinzugeschaltet werden können.

Mit einem Batterietest ist es möglich, eine qualitative Aussage über die Kapazität und das Entladeverhalten einer Batterie über die Zeit zu erhalten. Damit lassen sich beispielsweise akkubetriebene Schaltungen entwickeln. Mit dem integrierten Batterietest kann die Entladekapazität in Ampere-Stunden [mAh], die Entladezeit und der Spannungsverlauf bei unterschiedlichen Stromwerten gemessen werden. Hier kann man variable Abbruchkriterien definieren, wie das Unterschreiten eines Spannungswertes, die Erfüllung einer Entladekapazität oder das Erreichen einer bestimmten Zeitdauer einzustellen.

Den Strom schrittweise erhöhen

Bei einer P100 Nickel-Metallhybrid-Batterie mit 18 V kann ein konstanter Entladestrom von 1 A gezogen werden. Als Abbruchkriterium empfiehlt es sich, die halbe Spannung von 9 V einzustellen. Die Spannungskurve des Langzeittests kann mit der Software S1501 – ULTRA LOAD aufgezeichnet und in einer *.CSV Datei abgespeichert werden. Die Kapazität und die Zeitdauer werden von der Last gemessen.

Die Applikation Überstromschutz (Over Current Protection [OCP]) oder Überleistungsschutz (Over Power Protection [OPP]) dient dazu, einen Sicherheitslevel eines Abschaltschutzes eines Netzteils zu überprüfen. Am Beispiel des OCP wird der Strom schrittweise von einem definierten Anfangswert erhöht. Außerdem wird ein Fenster mit minimaler und maximaler Grenze für eine Pass/Fail-Messung definiert in dem der Abschaltstrom liegen darf. Sobald der Wert innerhalb der Grenzen liegt gibt das Gerät ein „Pass“ aus, sonst ein „Fail“.

Einsatz findet die Last sowohl in Forschung und Entwicklung von Netzteilen, DC-DC-Konverter oder im Design von batteriebetriebenen Komponenten sowie bei LED-Tests.

* Boris Adlung ist Applikations-Ingenieur bei Rigol in München.

(ID:44851327)