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Leistungsmesstechnik Wie sich der Energieverbrauch elektronischer Geräte optimieren lässt

Autor / Redakteur: Klaus Höing * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Energieeffizienz ist oft gleichbedeutend mit dem Energieverbrauch elektronischer Geräte. Wir zeigen eine Messlösung zur Leistungs- und Energiemessung, die gleichzeitig auch Oszilloskop ist.

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Energieverbrauch optimieren: Der IntegraVision von Keysight Technologies ist eine kombinierte Messlösung aus Leistungsmesser und Oszilloskop. Einsatz findet das Gerät überall dort, wo AC- und DC-Leistungen gemessen werden.
Energieverbrauch optimieren: Der IntegraVision von Keysight Technologies ist eine kombinierte Messlösung aus Leistungsmesser und Oszilloskop. Einsatz findet das Gerät überall dort, wo AC- und DC-Leistungen gemessen werden.
(dataTec)

Von Neuentwicklungen wird vorausgesetzt, dass sie eine energieeffiziente Betriebsweise einhalten. Entwicklungsingenieure stehen daher unter einem hohen Druck, die Forderung nach Effizienz, geringem Energieverbrauch, langer Betriebsbereitschaft von Batterien bzw. Akkus durch geringen Stromverbrauch zu gewährleisten. Bereits die Schaltungen für die Stromversorgung für elektronische Geräte wie beispielsweise DC/DC-Converter, DC/AC-Inverter, AC/DC-Netzteile, Solar-Invertern, Batterie-Management-Systemen, Kontrollsystemen für E-Mobil-Applikationen oder für Satelliten-Leistungs- und -Kommunikationssysteme stehen im besonderen Maß für die Energie-Effizienz eines Systems.

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In der Entwicklung gilt es die maximalen Betriebs-Ströme, Einschaltströme, die Einschaltzeitdauer oder die Standby-Dauer zu erfassen. Damit wird sicher gestellt, dass die Neuentwicklungen den Anforderungen entsprechen. Das geht soweit, dass mit diesen Leistungsmessern auch die Software überprüft werden kann, ob Schaltungs-Segmente bzw. –Module in den Standby-Pausen ausgeschaltet werden. Alles dient dazu, den Stromverbrauch, besonders bei Mobilgeräten zu reduzieren.

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Die Leistungsmessung auf einem Blick

Die IntegraVision von Keysight Technologies vereint Leistungsmessung und die Visualisierungsmöglichkeiten eines Oszilloskops. Gerade für Entwickler an elektronischen Energiewandlersystemen sind Messgeräte notwendig, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Solche Anwendungen finden sich beispielsweise in Wechselrichter, Umrichter, Universalstromversorgungen, Batteriesysteme, Energieversorgungssysteme für Autos/Flugzeuge und Vorschaltgeräte für Beleuchtungen.

Der Leistungsanalysator misst die AC- und DC-Leistungsaufnahme oder den Spannungswandlerwirkungsgrad. Das Messgerät analysiert zudem die Auswirkungen von Nennspannungsparametern wie Frequenz, Phase, Oberwellen auf das Betriebsverhalten elektronischer Produkte. Dazu bietet das Gerät eine Grundgenauigkeit von 0,05 Prozent und eine Auflösung von 16 Bit. Die Signale lassen sich mit einer Abtastrate von 5 MSample/Sekunde abtasten und das bei einer Bandbreite von 2 MHz. Für die unterschiedlichsten Testszenarien bietet der Leistungsanalysator erdfreie Eingänge mit einer Isolationsspannung von 1000 Veff (Cat II).

In unserem Beitrag stellen wir neue Messmöglichkeiten und Verfahren vor, die es dem Entwicklungsingenieur deutlich erleichtert, Leistungsmessungen exakt durchzuführen. Damit lassen sich dann Aussagen über den Energiebedarf der einzelnen Schaltungen oder der Schaltungselemente machen.

Die grundlegenden notwendigen Messungen

Entwicklungsingenieure wollen das DUT nach den Parametern Leistungsverbrauch und Energieeffizienz vermessen, um sicher zu stellen, dass ihre Entwicklung den Projektanforderungen entspricht. Um die Energie-Effektivität einer Schaltung zu bestimmen, muss die Eingangs- wie auch die Ausgangsleistung simultan bestimmt werden können. Ferner muss entschieden werden, wie hoch der Anteil kleiner Verlust-Leistungsanteile am Gesamt-Stromverbrauch in hocheffizienten Systemen ist. In dem Maß wie die Leistungseffektivität der Schaltung steigt, muss sich auch die Leistungsmessung verbessern da andernfalls kleine Leistungsverluste im Messfehler untergehen würden bzw. der Messfehler den größten Einfluss hat.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft Messtechnik, Sensorik und Test I erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar. Oder: Bestellen sie das Probeabo mit drei kostenlosen Ausgaben!

Das Messen der Verlustleistung ist ebenfalls von entscheidender Bedeutung, denn die Korrektur des Verlustleistungsfaktors ist für eine Aussage der Energie-Effizienz entscheidend. Der Leistungsfaktor ist das Verhältnis des reellen Leistungsanteils bezogen auf die in das Gerät fließende Scheinleistung. Ein Verbraucher mit einem Leistungsfaktor <1 benötigt mehr Strom wie ein Verbraucher mit einem Leistungsfaktor nahe 1.

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