Elektronische Lasten lassen sich nicht in Serie schalten, um den Spannungsbereich zu erweitern

Viele Bauteile und Geräte arbeiten heute mit hohen Spannungen, seien es Siliziumkarbid-Halbleiter, Gleichspannungsverteiler oder Batterien für Elektrofahrzeuge. Zum Testen der Energiequellen ist eine elektronische Last nötig. Die meisten elektronischen Lasten einfacherer Bauart bieten die Wahl zwischen zwei Betriebsarten: Konstantstrom (Constant Current, CC) oder Konstantspannung (Constant Voltage, CV). Einige elektronische Lasten der gehobenen Preisklasse bieten zusätzliche Betriebsarten wie konstanter Widerstand (Constant Resistance, CR), konstante Leistung (Constant Power, CP) oder sogar konstante Impedanz (Constant Impedance, CZ). Doch alle diese erweiterten Betriebsarten lassen sich im Grunde auf die CC- und/oder CV-Modi zurückführen.

Bild 1: Vereinfachtes Blockschaltbild einer elektronischen Last im CC-Betrieb (Constant Current, Konstantstrom).Keysight

Zum Testen einer Konstantspannungsquelle – beispielsweise eines Gleichspannungswandlers – eignet sich eine elektronische Last mit CC-Funktion. Umgekehrt benötigt man zum Testen einer Konstantstromquelle eine elektronische Last mit CV-Funktion.

Funktionsweise

Eine programmierbare elektronische Last im CC-Betrieb (Bild 1) regelt den Strom, indem sie den Drain-Source-Widerstand (R_DS) eines Leistungs-FET verändert. Ihre Schaltung misst den Ist-Strom anhand des Spannungsabfalls über einem Serienwiderstand (Shunt). Die gemessene Spannung wird verstärkt und mit einer Referenzspannung verglichen, die den programmierten Strom (Soll-Strom) vorgibt. Ist I_L größer als das Soll, ändert sich die Gate-Spannung des FET derart, dass R_DS größer wird und I_L entsprechend abnimmt. Ist I_L kleiner als der Soll-Strom, ändert sich die Gate-Spannung in der Weise, dass R_DS kleiner wird und I_L entsprechend zunimmt.

Falls die elektronische Last nicht genug Strom ziehen kann, um den programmierten CC-Wert zu erreichen, sorgt die Regelschaltung dafür, dass R_DS den kleinstmöglichen Wert annimmt; in diesem Fall stellt der FET einen Fast-Kurzschluss dar. Der maximal mögliche Strom (I_max) errechnet sich nach dem Ohmschen Gesetz:

• I_max = U_Messobjekt / (R_DS(on) + R_shunt)

Bild 2: Da Last 1 den Strom auf 9,99 A konstant hält, kann Last 2 die programmierten 10,01 A nie erreichen und geht in den ungeregelten Fast-Kurzschlusszustand über. Dadurch liegen an Last 1 fast 100 V an: sie schaltet sich ab oder wird beschädigt.Keysight

Dabei bezeichnet U_Messobjekt die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers und R_DS(on) den Drain-Source-Widerstand des FET im voll leitenden Zustand. Ist dieser Maximalstrom erreicht, fungiert die elektronische Last nicht mehr als Konstantstromquelle, sondern geht in einen ungeregelten Zustand über. Für das Testobjekt wirkt sich das fast so aus, als wären die Eingangsklemmen der elektronischen Last kurzgeschlossen. Der sehr kleine Restwiderstand der Last in diesem Zustand heißt im Datenblatt oft minimaler On-Widerstand oder Kurzschlusswiderstand.

Elektronische Lasten in Serienschaltung

Jede elektronische Last ist für eine bestimmte maximale Spannung ausgelegt, beispielsweise 60 V. Wenn der Gleichspannungswandler eine Ausgangsspannung von 100 V liefert und die Messaufgabe lautet, ihn bei seinem maximalen Ausgangsstrom von 10 A zu testen, könnten Messtechniker versucht sein, zwei elektronische 60-V-Lasten in Serie zu schalten (Bild 2). Jede der beiden Lasten müsste in dieser Konfiguration auf einen Konstantstrom von 10 A programmiert sein, weil in Serienschaltung der Strom durch beide Lasten fließt.

Wegen unvermeidlicher Exemplarstreuungen ist es jedoch unmöglich, beide Lasten auf exakt die gleiche Stromstärke zu programmieren. Angenommen, Last 1 sei auf 9,99 A programmiert und Last 2 auf 10,01 A. Jetzt wird der Gleichspannungswandler eingeschaltet, und es fließt Strom. Die auf den niedrigeren Strom programmierte Last 1 arbeitet, wie vorgesehen, im CC-Betrieb und begrenzt den Strom auf 9,99 A. Dadurch erreicht Last 2 niemals die programmierten 10,01 A; stattdessen geht sie in den ungeregelten Zustand über und stellt einen Fast-Kurzschluss dar. Die Spannung über den Eingangsklemmen der Last 2 ist daher nahezu Null und fast die gesamten 100 V liegen an den Eingangsklemmen der Last 1 an. Wegen dieser Überspannung schaltet sich Last 1 automatisch ab und kann sogar beschädigt werden.

Mischbetrieb

Dieses Beispiel mit zwei in Serie geschalteten elektronischen Lasten lässt sich auch auf Serienschaltungen mit drei oder mehr Lasten übertragen. Es ist demnach fatal, zwei oder mehr elektronische Lasten in Serie zu schalten, die alle versuchen, den Strom im gleichen Pfad konstant zu halten.

Bild 3: Last 1 arbeitet im CC-Modus und hält den Strom auf 10 A konstant. Last 2 ist im CV-Modus. Wird der Stromkreis unterbrochen, wechselt Last 1 in den Fast-Kurzschlusszustand und Last 2 in den Fast-Leerlaufzustand. An Last 2 liegen nun fast 100 V an.Keysight

Man könnte nun auf die Idee kommen, nur eine elektronische Last im CC-Modus zu betreiben und die übrigen im CV-Modus, sodass nur eine Last den Strom regelt. In einer solchen Konfiguration kommt es jedoch zu Problemen, wenn eine der Lasten absichtlich oder durch eine interne Schutzfunktion automatisch abgeschaltet wird. Sobald der Stromfluss unterbrochen ist, geht die im CC-Modus betriebene Last in den Kurzschlusszustand über, weil sie versucht, den programmierten Strom zu ziehen. Die im CV-Modus betriebenen Lasten hingegen wechseln in den Leerlaufzustand (FET im Sperrzustand), weil sie versuchen, die programmierte Spannung zu erreichen, obwohl kein Strom fließt. Die Lasten bilden dann einen Spannungsteiler, und die hohe Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers verteilt sich auf die Lasten mit den höchsten Eingangswiderständen (Bild 3).

Bild 4: Der für einphasige AC-Messungen vorgesehene Zweikanal-Leistungsanalysator Keysight Integravision PA2201A kann bereits bestellt werden.Keysight

Keine gute Idee

Ein sicherer Betrieb mehrerer in Serie geschalteter elektronischer Lasten ist nicht möglich, wenn das Messobjekt eine Spannung liefern kann, die die spezifizierte maximale Eingangsspannung der in dieser Hinsicht schwächsten Last übersteigt. Die Auswirkungen von CC- und CV-Betrieb sind zwar unterschiedlich, führen aber beide dazu, dass die volle Spannung letztlich an einer der beiden Lasten anliegen kann.

Eine Serienschaltung mehrerer elektronischer Lasten wäre nur dann sicher, wenn jede der beteiligten Lasten für die volle Ausgangsspannung des Messobjekts ausgelegt ist. Dann kann man sich die Serienschaltung allerdings von vornherein sparen.

(lei)