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Mess- und Prüfsysteme Wenn eine größere Leistung beim PXI-System zum Problem wird

| Autor / Redakteur: Bob Zollo und Jochen Zimmermann * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Testsysteme auf Basis von PXI bieten eine definierte Größe. Doch Gleichspannungsnetzteile sind nicht trivial, denn bei Leistungen über 20 Watt ist eine Integration in das PXI-Mainframe schwierig.

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Modulare Stromversorgung: Agilent bietet mit der N6700 eine Lösung, die über 1 bis 4 Ausgänge verfügt und auf eine 1-U-Bauhöhe kommt. Jeder Ausgang kann zwischen 34 verschiedene Stromversorungskarten mit bis zu 500 Watt Abgabeleistung wählen.
Modulare Stromversorgung: Agilent bietet mit der N6700 eine Lösung, die über 1 bis 4 Ausgänge verfügt und auf eine 1-U-Bauhöhe kommt. Jeder Ausgang kann zwischen 34 verschiedene Stromversorungskarten mit bis zu 500 Watt Abgabeleistung wählen.
(Bilder und Grafiken: Agilent Technologies )

Viele moderne Testsysteme sind auf Basis von PXI aufgebaut, was „ein komplettes Testsystem in einem Gehäuse“ ermöglicht. Dabei liegen die Vorteile von PXI auf der Hand: es bietet Geschwindigkeit, geringe Baugröße, Interoperabilität zwischen Messgeräten vieler Hersteller und eine große Vielfalt verfügbarer Steckkarten. Allerdings lässt sich ein Gleichspannungsnetzteil nicht so einfach in einem PXI-Slot unterbringen. Dank kompakter Bauform und der internen Kommunikationsverbindung ist es bei geringen Leistungen von bis zu 20 Watt sinnvoll, die Spannungsquelle in das PXI-Mainframe zu bauen. Wird mehr Leistung benötigt, lässt sich die Spannungsquelle nur schwierig in ein PXI-Mainframe integrieren.

Ergänzendes zum Thema
Der Vorteil von PXI in der Messtechnik

Der Erfolg eines PXI-Systems (PCI Extensions for Instrumentation) liegt in der einfachen und flexiblen Nutzung der verschiedenen Einsteckkarten. Zudem prognostiziert der Marktforscher Frost & Sullivan bis 2015 ein durchschnittliches jährliches Wachstum von knapp 17 Prozent. Für den Messtechniker kommen zwei weitere entscheidende Fakten hinzu: PXI-Lösungen werden von vielen Herstellern angeboten und das Preis/Leistungsverhältnis sprechen für das PXI-System. Vereint man noch programmierbare FPGA-Module lassen sich spannende und individuelle Lösungen entwickeln

Mehr Leistung aus einer PXI-Spannungsversorgungskarte

Tabelle: Maximale Leistung und Wärmeabfuhr pro Slot (aus der PXI-Express-Hardwarespezifikation).
Tabelle: Maximale Leistung und Wärmeabfuhr pro Slot (aus der PXI-Express-Hardwarespezifikation).
(Agilent )
In der Tabelle sind wesentliche Kennwerte eines PXI-Slots zu sehen. Auch eine Spannungsquelle mit hohem Wirkungsgrad kann nur einen Teil der vom PXI-Bus pro Slot zur Verfügung gestellten 30 Watt abgeben. Hinzu kommt, dass der Leistungsunterschied zwischen Eingangsleistung der Backplane und der DC-Ausgangsleistung als Wärme auf dem PXI-Karte verloren geht. Da jeder Slot im PXI-Mainframe nur eine Wärmeleistung von 30 Watt abgeben darf, schränkt die maximal erlaubte Wärmeabgabe eine Spannungsversorgungskarte ein. Der Trend geht jedoch dahin, mehr Leistung aus einer PXI-Spannungsversorgungskarte herauszuholen.

Hersteller von PXI-Karten versuchen auf verschiedenen Wegen, die Beschränkung bezüglich Leistung und Wärmeabfuhr pro Slot zu überwinden. Ein Ansatz ist es, ein leistungsfähigeres PXI-Mainframe mit stärkerer Spannungsversorgung und besserer Wärmeabfuhr pro Slot zubauen, in welches man Spannungs-versorgungskarten mit höherer Ausgangsleistung einbauen kann. Allerdings geht das auf Kosten der Interoperabilität, da solche leistungsstarken und wärmeproduzierenden Spannungsversorgungskarten nur in diesen speziellen PXI-Mainframes funktionieren.

Das Problem mit der Ausgangsleistung

Bild 1: Bestimmung der Ausgangsleistung abhängig vom Wirkungsgrad. Der maximal erlaubte Verlust pro Slot beträgt 30 Watt.
Bild 1: Bestimmung der Ausgangsleistung abhängig vom Wirkungsgrad. Der maximal erlaubte Verlust pro Slot beträgt 30 Watt.
(Agilent )
Der nächste Ansatz ist es den internen Bus des PXI-Mainframe von der Bereitstellung der Leistung zu entlasten und eine Spannungsversorgungskarte extern über die Frontplatte mit Gleich- oder Wechselspannung zu versorgen. Karten mit externer Wechselspannungsversorgung sind wenig verbreitet, da die Schaltung zur Konvertierung der Wechselspannung viel Platz in Anspruch nimmt. Meistens sind solche Karten daher mehrere Slots breit. Während dies das beschriebene Problem löst, büßt man den Vorteil der geringen Baugröße ein.

Eine verbreiterte Lösung ist es die Gleichspannungskarte mit einer externen Gleichspannungsquelle über die Frontplatte zu treiben. Die PXI-Karte stellt somit eigentlich einen programmierbaren Gleichstromwandler dar. Eine externe Gleichspannung von 24 und 48 Volt macht den Aufbau des Testsystems komplexer, da ein zusätzliches externes Netzteil neben dem PXI-Gehäuse benötigt wird, was des öfteren der Fall ist. Obwohl das auf den ersten Blick günstig erschient, muss man das Netzteil im Testsystem montieren, was ein weiteres Netzkabel erfordert. Das stellt zwar alles letztlich kein großes mechanisches Problem dar, aber man hat hinterher eben kein Kompakttestsystem in einem Gehäuse mehr.

Führt man die Speiseleistung einer PXI-Spannungsversorgungskarte in Form von Gleich- oder Wechselspannung von außen zu, ist man die Leistungsbeschränkung des PXI-Busses los, aber nicht das Problem der Wärmeabfuhr. Die maximale Wärmeabgabe jedes Slots ist nach wie vor auf 30 Watt beschränkt. Der Wirkungsgrad einer Linearspannungsversorgung beträgt typischerweise weniger als 50 Prozent, das begrenzt die Ausgangsleistung einer Spannungsversorgung auf maximal 60 Watt. Auch mit einem Schaltnetzteil, welches typischerweise einen höheren Wirkungsgrad hat, erreicht man nur eine Ausgangsleistung von 100 bis maximal 200 Watt.

Ergänzendes zum Thema
Interview mit Siegfried Gross
„Unser Name Keysight Technologies gibt den Kunden ein Versprechen“

Auf ein Wort: Siegfried Gross, Geschäftsführer von Agilent Technologies Deutschland und Vizepräsident Agilent Technologies, über Keysight Technologies. Künftig wird sich Agilent Technologies auf die Biowissenschaften und chemische Analysetechnik und Keysight Technologies auf die elektronische Messtechnik konzentrieren.
Auf ein Wort: Siegfried Gross, Geschäftsführer von Agilent Technologies Deutschland und Vizepräsident Agilent Technologies, über Keysight Technologies. Künftig wird sich Agilent Technologies auf die Biowissenschaften und chemische Analysetechnik und Keysight Technologies auf die elektronische Messtechnik konzentrieren.
( Agilent )

Ab November wird aus Agilent Keysight Technologies. Wie ist der Name entstanden?

Ab November 2014 wird Keysight ein eigenständiges Unternehmen sein. Viele Veränderungen spielen sich intern ab, andere auf weltweiter Bühne. Unsere Namensfindung war nicht einfach, soll er doch den Wert widerspiegeln, den wir unseren Kunden bieten möchten. Der Sinngehalt von Keysight leitet sich aus zwei englischen Worten ab, Key und Insight. Key steht für unverzichtbar oder wesentlich, während Insight für das Sehen oder das Vorstellungs- und Wahrnehmungsvermögen steht. Abgerundet wird das Logo von einer roten Wellenform, welche die elektronische Messtechnik symbolisiert. Die Unterzeile erinnert an das Jahr 1939, in dem Bill Hewlett und Dave Packard eine Testgeräte-Firma gründeten. Aus HP ging 1999 Agilent hervor und wird 2014 von Keysight fortgeführt.

Sie erwähnten die beiden Gründer: Wie hat alles bei Hewlett-Packard begonnen?

Unser Unternehmen baut auf einer Geschichte von weltweiten Innovationen auf. Die Chronik begann schon in den frühen Tagen der Zusammenarbeit von Hewlett und Packard. Angefangen hat alles in der berühmten Garage im kalifornischen Palo Alto. Die erste weltweite Innovation ist durch das US-Patent 2,268,872 dokumentiert, einen „Variable-Frequency-Oscillation-Generator“. Das Herzstück war nach Bill Hewletts Entwurf eine Glühlampe, die als temperaturabhängiger Widerstand in der Rückkoppelschleife eines Wienbrücken-Oszillators diente.

Das war eine von zahllosen Ideen, die wir dem Ideenreichtum unserer Ingenieure zu verdanken haben.

Wie sieht die Zukunft aus, was wird bleiben, was sich ändern?

Wir wollen weiterhin Technologieführer in der elektronischen Messtechnik bleiben. Wir bleiben die Nummer Eins in der Kommunikation, der Luft- und Raumfahrt und Verteidigung sowie Industrie, Halbleiter und Computer. Unser Angebot und die weitere Produktentwicklung bleiben gleich. Auch unser intellektuelles Eigentum, Patente und proprietäre ASIC-Designs bleiben bei uns. Dazu forschen unsere Measurement Research Labs, die seit 2010 von den Agilent Labs getrennt sind, an den Grenzen der Mess- und Prüftechnik. Und schließlich bleibt unsere weltweite Präsenz mit dem größten Vertriebs- und Support-Team aller Messtechnik-Anbieter erhalten.

Werfen Sie einen Blick in die Zukunft. Wie geht es weiter?

Eine Tradition wird fortgeschrieben: erst HP, dann Agilent und nun Keysight. Wir treten das 75-jährige Erbe mit dem Ziel an, neue Generationen von Innovationen zu schaffen und wieder die Pionier-Momente von damals aufleben zu lassen.

Eine leistungsfähigere Spannungsversorgung

Baut man die Stromversorgung breiter als einen Slot, vervielfachen sich die mögliche Speiseleistung aus dem Bus und die mögliche Wärmeabgabe. Das löst das Versorgungsproblem und das Problem der Wärmeabfuhr. Allerdings vergrößert sich dadurch aber auch der Platzbedarf und die Kosten, da jeder belegte Slot anteilig kostet. Darüber hinaus muss auch beachtet werden, dass die Wärmeentwicklung der Spannungsversorgungskarte in danebenliegenden Karten einen Wärmedrift verursachen kann. Auch werden in einem engen, vollbestückten Gehäuse empfindliche HF-Karten möglicherweise durch elektrische oder magnetische Emissionen eines leistungsfähigen Schaltnetzteils gestört.

Zwar bieten die unterschiedlichen Hersteller Lösungen für einen höheren Leistungsbedarf an, doch muss man hier Kompromisse bezüglich der Baugröße, der Kosten pro Slot, der Interoperabilität, der mechanischen Komplexität oder der Effizienz von benachbarten Karten eingehen. Es gibt noch einen anderen Weg, ein System mit einer leistungsfähigeren Spannungsversorgung zu konfigurieren. Werden höhere Leistungen und verschiedene Spannungen benötigt, ist eine externe Lösung wie die modulare Spannungsversorgung N6700 von Agilent sinnvoll.

Während eine ergänzende Lösung kein reines PXI-System mehr darstellt, unterliegt man nicht länger den Beschränkungen bezüglich Baugröße, Ausgangsleistung und Wärmeabgabe. Dedizierte Stromversorgungen wie das N6700 sind kompakt gebaut mit bis zu vier Gleichspannungsnetzteile in einem Gehäuse bei einer Bauhöhe von 1U. Die Stromversorgungen liefern Leistungen bis zu 500 Watt pro Ausgang in einem leistungs- und kostenoptimierten Gehäuse. Auf diese Weise bleibt das PXI-Mainframe frei für die eigentlichen Messinstrumente, welche effizient als kleine PXI-Karten aufgebaut werden können und von der schnellen Kommunikation des PXI-Backplanes profitieren.

* Bob Zollo und Jochen Zimmermann arbeiten als Applikationsingenieure bei Agilent Technologies.

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