Netzteil-Charakterisierung mit elektronischer Last

Bild 1: Die elektronische Last DL3000 für eine maximale Leistung von 350 W. Rigol Technologies

Die elektronische Last DL3000 enthält zur Netzteil-Charakterisierung neben den vier statischen Test-Modi (konstanter Strom [CC], k. Spannung [CV], k. Widerstand [CR], k. Leistung [CP]) und vier dynamischen Test-Modi (kontinuierlicher Puls, einmaliger Puls, Umschalt-Puls und Listen-Modus) auch drei integrierte Applikationen (Batterie-, Überleistungsschutz-, Überstromschutz-Test) sowie eine kostenlose Software mit integriertem Bedienerpanel. Rigol bietet genauso wie bei den Netzteilen der Serie DP800 zu den Basismodellen noch eine erweiterte A-Version und damit maximale Sicherheit beim Testen an. Die unterschiedlichen Modelle sind in Tabelle 1 dargestellt.

Netzteil-Charakterisierung

Die elektronische Last DL3000 eignet sich besonders zur Charakterisierung eines Netzteils (Power Supply Unit, PSU). Sie funktioniert hierbei als Verbraucherkomponente mit variabel einstellbaren Leistungsparametern. Zum Beispiel kann mit der Last unter anderem der maximal definierte Stromverbrauch über einen längeren Zeitraum gemessen werden, um eine Aussage über die Lebensdauer und das Temperaturverhalten zu ermitteln.

Tabelle 1: Unterschiedliche Modelle der elektronischen Lasten der Serie DL3000. Rigol Technologies

Mit der DL3000 kann bei Netzteilen die integrierte Strombegrenzung durch eine stufenweise Erhöhung des Stromes analysiert werden. Die Strombegrenzung liegt üblicherweise zwischen 150 und 200 Prozent über dem definierten Nennstrom. Mit dem integrierten Listen-Modus im DL3000 lässt sich hierfür im CC-Betrieb eine stufenweise Erhöhung, bis zu 512 unterschiedliche Werte mit einer maximalen Wiederholrate von 99999, der Strom von 0 A (Leerlauf) bis auf den maximalen Stromwert, dann die jeweilige Ausgangsspannung ermitteln. Der Punkt, an dem die Spannung einbricht, entspricht dem Punkt, bei der die PSU von CV in CC umschaltet. Dieser Punkt entspricht dann der Strombegrenzung (Bild 2).

Belastungsregelung eines Netzteils

Bild 2: Messung der Strombegrenzung mit der List-Funktion in der Software Ultra Load und DL3000. Rigol Technologies

Ein weiterer wichtiger Wert für die Genauigkeit und Stabilität der Ausgangsspannung im CV- oder des Ausgangsstroms im CC-Betrieb ist die Belastungsregelung (Load Regulation) einer PSU. Dieser Wert definiert zum Beispiel die Spannungsstabilität bei einer unterschiedlichen Belastung der PSU im CV-Betrieb. Die Belastungsregelung der PSU im CV-Betrieb kann mit der Ausgangsspannung im Leerlauf (U_LL bei 0 A) und den Ausgangsspannungen bei dem maximalen Stromwert (U_Imax) ermittelt werden. Die Spannungswerte können mit einem 6-1/2-stelligen Multimeter DM3068 gemessen werden (Bild 3). Die Messung der Belastungsregelung der PSU im CC-Betrieb kann man ebenfalls mit dem Multimeter unter Verwendung eines Widerstandes (zum Beispiel 0,022 Ω) durchführen. Hierbei wird die Spannungsänderung über den Widerstand bei unterschiedlichem Ausgangsstrom durch Einstellung der DL3000-Last im Kurzschluss (I_KS bei 0 V) und dem maximalen Spannungswert (U_Last) gemessen.

Einige Netzteile verfügen über einen Überstromschutz (OCP, Over Current Protection) oder einen Überspannungsschutz (OVP, Over Voltage Protection). Die elektronische Last verfügt speziell für diese zwei Schutzarten über eine eingebaute Testapplikation. Diese integrierten Applikationen dienen dazu, einen Sicherheitslevel eines Abschaltschutzes der PSU zu überprüfen. Bei der OCP-Applikation 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 die elektronische Last ein Pass aus, sonst gibt die Last ein Fail aus (Bild 4).

Bild 3: Messung der Lastregelung einer PSU im CC-Betrieb (rechts) und CV-Betrieb (links). Rigol Technologies

Transienten-Antwort des Spannungssignals

Um die Fähigkeit einer PSU zu ermitteln, auf schnelle Stromänderung der Verbraucherschaltung zu reagieren, kann mit der Last DL3000 und einem Oszilloskop (hier: Rigol MSO2202A) die Transienten-Antwort des Spannungssignals gemessen werden. Durch die schnelle Stromänderung entsteht im Spannungspegel einer PSU ein Transienten-Impuls, da sich die PSU auf den neuen Wert wieder einschwingen muss. Hierbei ist es wünschenswert, das der transiente Impuls eine möglichst kurze Zeitdauer (kurze Einschwingzeit) hat und sich der Spannungspegel nach Pulswechsel nur minimal ändert. Für diesen Test ist eine elektronische Last wünschenswert, die eine hohe Frequenz des Umschaltpulses und eine schnell ansteigende/abfallende Flanke des Pulses (hohe Slew-Rate) ermöglicht, die in etwa der fünffachen Geschwindigkeit der PSU entspricht. Die Last DL3000A ermöglicht eine Slew-Rate von bis zu 5 A/µs mit einem maximalen Frequenzbereich von 30 kHz und eignet sich so optimal für diesen Test. Für diesen Test ist der Messaufbau in Bild 3 (PSU im CV-Betrieb) vorzunehmen. Das Multimeter wird hier durch ein MSO2202A ersetzt. Die Kanalkopplung im Oszilloskop wird auf AC gestellt. Hierbei wird das DC-Signal (im unteren Beispiel 8 V)

Bild 4: Beispiel eines OCP-Tests mit einer schrittweisen Erhöhung des Stromes bis zum OCP-Limit. Rigol Technologies

ausgekoppelt und es werden nur die periodischen Abweichungen (Transienten-Antwort) gemessen (gelbe Kurve in Bild 5). Die Last DL3000 hat auf der Rückseite zwei BNC-Ausgänge, wo entweder die Stromabweichung oder die Spannungsabweichung der Last ausgegeben werden kann. Für diese Messung wird die Stromabweichung ausgegeben und im Oszilloskop als blaue Kurve in Bild 5 dargestellt. Die zeitliche Änderung und die Änderung des Spannungspegels kann jetzt mit dem Marker ausgemessen werden. Die Pulsänderung kann auch auf dem großen Display der Last bis zu einer Zeitdauer von 800 s und einer Auflösung von 4 µs/Messpunkt dargestellt werden (Bild 5, rechts oben).

Bild 5: Transienten-Antwort der Ausgangsspannung einer PSU durch kontinuierliche Strompulsänderung (Parameter links oben) durch die DL3000 Last (rechts oben: Darstellung in der Last). Unten: Messung mit dem Oszilloskop MSO2202A. Rigol Technologies

(jj)