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6-2017

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Stromversorgung

Stromversorgung Messungen von Kenngrößen am Schaltnetzteil – gewusst wie Wichtige Messungen für Verifikation, Design-In und den Zulassungsprozess - verständlich erklärt Bild 1: Messung mit Prüfspitze und Masseleitung Bild 2: Messung mit Prüfspitze und Massering Messungen am Schaltnetzteil gehören nicht zu den alltäglichen Tätigkeiten eines Entwicklungsingenieurs. Sie unterscheiden sich teilweise grundlegend von Messungen digitaler Größen und führen zu teilweise unterschiedlichen Ergebnissen. Messungen auf der Sekundärseite - Restwelligkeit und Ripple Oftmals sind die Messbedingungen im Datenblatt des Netzteils vorgegeben z.B. „Abschluss der Prüfspitze (1:1) mit 10 µF Elektrolytkondensator parallel zu einem Folienkondensator; 20 MHz Begrenzung Oszilloskop“. Besonders wichtig ist aber auch zugleich der richtige Anschluss der Masse der Prüfspitze, denn er hat großen Einfluss auf das Messergebnis wie der folgende Vergleich von Bild 1 und 2 zeigt: Der Unterschied beträgt nahezu 100%. Es ist zu empfehlen eine solche Kombination aus Elko+Folienkondensator auch auf der Kundenplatine zu installieren Autoren: Dipl. Ing Heidrun Seelen, Vertriebsleitung, MBA Frank Cubasch, Geschäftsführer bei Magic Power Technology um die Peaks entsprechend zu dämpfen. - Lastwechsel und Sprungantwort Für eine richtige Messung der Lastausregelung ist es wichtig, die Spannung direkt an den Klemmen des Netzteils abzugreifen. Die nachfolgende Messung zeigt ein 12 V/100 W Netzteil mit einem Sprung von 1,66 A auf 8,33 A bei einer Frequenz von 500 Hz mit einem Stromanstieg von 2,5 A/µs. Je nachdem, ob die Spannung direkt an den Ausgangsklemmen oder am Ende eines im Beispiel 1000 mm langen Kabels an der Last gemessen wird, ergeben sich Unterschiede von >300% (Bild 3). Back Kennlinie und laufen nach dem Abschalten selbstständig wieder an, sofern die Last unterhalb des OCP Limits reduziert wurde (Bild 4). Messungen auf der Primärseite - Eingangsleistung - Überstrombegrenzung Nahezu jedes Schaltnetzteil hat eine elektronische Absicherung gegen Kurzschluss bzw. Überstrom auch OCP (over current potection) Last bei 1,41 ( genannt. Typischerweise liegen die Abschaltströme im Bereich von etwa 120 - 130% des maximalen Ausgangsstromes. Verglichen mit einem Transformator (weiche Abschaltkennlinie, U/I-Kennlinie) hält das Schaltnetzteil die Spannung konstant und schaltet erst bei Erreichen des OCP schlagartig ab. Hierdurch werden u.a. die angeschlossenen Komponenten und Leitungen besser geschützt, weil der maximale Strom durch den OCP setpoint gegeben ist. Die meisten Schaltnetzteile nutzen diese Fold- Messungen auf der Primärseite sind in aller Regel komplizierter durchzuführen. Neben der höheren Netzspannung per se, entstehen durch die Beschaltung mit einem Gleichrichter und nachfolgendem Siebkondensator nichtlineare Eingangsströme mit ungewöhnlichem Scheitelfaktor bezogen auf den Spannungsverlauf der Quelle (siehe Bild 5) . Dieser auch als Crest-Faktor bezeichnete Quotient aus Spitzenwert zu Effektivwert liegt bei Sinusspannungen und ohmscher ). Der eingesetzte Siebelko übernimmt maßgeblich zwei Funktionen. Zum Einen ist er für die Glättung der Eingangsspannung für die nachgeschaltete PWM zuständig, zum Anderen ist er der Puffer bei Netzunterbrechungen. Die Ladespannung orientiert sich am Scheitelwert. Dadurch erreicht der Stromflusswinkel nur kleine Werte (siehe Bild 5). Seitens des Gesetzgebers ist hier eine Limitierung u.a. in der IEC61000-3-2 definiert. Vereinfachend wird in diesem Zusammenhang oft von Phasenverschiebung gesprochen, wobei dies nicht die komplette Beschreibung darstellt. Gemäß der Norm erfolgt die Bestimmung der Eingangsleistung durch die Messungen von bis zu 40 Oberwellen. Je nach Art des Endprodukts sind unterschiedliche Limits definiert (Klasse A bis D), die entweder einen Absolutwert des Stroms für jede Oberwelle vorgeben oder prozentual auf die Eingangsleistung abstellen. Entsprechend der jeweiligen Eingruppierung in eine Klasse (A - D) werden entweder alle Oberwellen berücksichtigt (in A und B) oder nur ungeradzahlige Oberwellen (C und D + 2. OW). Geprüft werden müssen Produkte mit einer Betriebsspannung von 230 V AC , einem max. Strom von 16 A, mit Anschluss an das öffentliche Versorgungsnetz sofern sie eine Eingangsleistung von 75 - 1000 W (Klasse D 600 W) aufnehmen. Es ist anzuraten genau zu prüfen ob die Vorschrift im jeweiligen Fall zum Tragen kommt und falls ja, welche der Klassen (A - D) anzuziehen ist. Seitens der Stromversorgung sind hier deutliche Unterschiede im Design, Größe und letztendlich auch Kosten festzustellen. Für kleinere Leistungen kann man die Limits der Klasse A ohne aktive Korrektur erreichen. Im Falle von Klasse D ist in aller Regel eine Korrekturstufe vor dem Siebelelko notwendig. Diese auch aktive Power- Factor-Correction (PFC-Stufe) genannte Schaltung setzt die Eingangsspannung auf etwa 380 V DC 24 PC & Industrie 6/2017

Stromversorgung Bild 3: Lastwechsel am Netzteil (violett = Strom, gelb = Spannung direkt an den Klemmen, blau = Spannung am Ende der 1-m-Lastleitung) um und entnimmt dem Netz einen sinusähnlichen Strom, welcher phasengleich zur Versorgungsspannung fließt. In der Medizintechnik sind in der Regel Klasse A bzw. D anzutreffen, vereinzelt auch Klasse C. Bei identischer Leistung ist zu erkennen, dass ein Netzteil mit einer PFC der Klasse A einen geringeren Stromflusswinkel mit höherem Spitzenstrom aufweist. Die Betrachtung der entsprechenden harmonischen Oberwellen der Messungen aus den Bildern 5 und 6 stellen sich wie folgt in den Bildern 7 und 8 dar: Wie wirkt sich dies nun auf Messungen der Eingangsleistung aus? Je kleiner der Stromflusswinkel wird, desto kritischer wird die Messung mit einem Amperemeter. Selbst im RMS-Modus ist es schwierig die Eingangsleistung mit Volt- und Amperemeter genau zu bestimmen. Hier ist mit Fehlern im zweistelligen Prozentbereich zu rechnen. Somit ist die Messung nach dieser Methode nicht zu gebrauchen. Ein Leistungsmessgerät mit entsprechender Messgeschwindigkeit kann die Leistung unter der Spannungs- und Stromkurve deutlich genauer auflösen. Die Messung wird bei 110 V AC nicht einfacher, da hier naturgemäß höhere Ströme zum Tragen kommen. Damit verschlechtert sich der Wirkungsgrad i.d.R. um etwa 1 - 2%. Die Auswirkungen sind in den nachfolgenden Thermobildern bei 230 und 110 V AC sichtbar. Die Differenz ist hierbei in den Baugruppen Eingangsfilter, PWM-Stufe und Primärseite Transformator (oberer Bildteil) zu sehen, während die Ausgangsseite (unterer Bildteil) keinen Unterschied aufzeigt (Bild 9). - Leerlaufleistung Noch schwieriger ist die Messung der Leerlaufleistung. Ein Schaltnetzteil läuft im Leerlauf unter Umständen im Burstmode, was bedeutet, dass nicht mit jeder Halbwelle Leistung aufgenommen wird. Die Ausgangsspannung wird auf der Ausgangsseite einem Vergleicher zugeführt, der sie mit einem Sollwert abgleicht. Erst wenn dieser unterschritten wird, wird über einen Optokoppler zur Primärseite das Signal zum Schalten gegeben. Moderne Schaltnetzteile erreichen sehr niedrige Verluste im Leerlauf deutlich kleiner 1 W. Dementsprechend lang kann es dauern, bis die Eingangsseite wieder angesteuert wird. Dies mit einem Amperemeter zu messen führt zu Werten teilweise größer 10 W. In unserem Beispiel liegt der reale Leistungsbedarf dagegen nur bei

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