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Die Stromversorgung muss über entsprechende Messeingänge (Remote Sensing) verfügen, die mit dem Einspeisepunkt der Spannung am DUT verbunden werden. Dadurch lässt sich die wirklich am Testobjekt anliegende Spannung messen.
Bei einer Reihenschaltung von Kanälen, zum Erhohen der Spannung, müssen die Sense-Leitungen zwischen dem DUT und dem gemeinsamen Punkt der beiden Kanäle verbunden werden.
Die Verdrahtung für eine parallele Verbindung von zwei Kanälen ist einfacher, da beide Kanäle die gleiche Spannung liefern.
Wird eine Stromversorgung mit einer Rücklesefunktion mit ausreichender Genauigkeit und Auflösung ausgewählt, dann kann diese den Laststrom direkt ohne einen extra Serienwiderstand oder DMM messen.
Einfaches Blockdiagramm einer Stromversorgung. Eine qualitativ hochwertige Transformatorkonstruktion mit ausreichender Abschirmung zwischen Primär- und Sekundärseite kann die Streukapazität minimieren.
Für DUTs mit kleinen Signalen sollten auch die Versorgungsleitungen abgeschirmt werden, um alle potenziellen Quellen von Störsignalen zu beseitigen.
Die programmierbaren mehrkanaligen DC-Stromversorgungen mit Remote-Sensing-Funktion, der Modelle 2220 und 2230.

Die Leistungshüllkurve der Stromversorgung zeigt beispielsweise, ob diese die benötigte Leistung bei den jeweiligen Spannungs- und Strom-Parametern liefern kann. Wird die Stromversorgung als eine genaue Spannungsquelle für den Test einer Schaltung über den gesamten Betriebsspannungsbereich oder als Kalibrierquelle genutzt, dann muss sichergestellt werden, dass die vorgegebene Genauigkeit der Spannungsquelle am Eingang des Testobjekts (DUT) erreicht wird. Für die Entwicklung, Charakterisierung und den Test von Schaltungen, die sehr kleine Signale generieren oder messen, muss die richtige Design-Topologie der Stromversorgung ausgesucht und das Störverhalten untersucht werden. Nur so lässt sich gewährleisten, dass die Stromversorgung die Funktion der Schaltung nicht stört. Anwendungen wie diese erfordern eine genauere Betrachtung der Eigenschaften einer Stromversorgung.

Wichtigster Punkt: die notwendige Spannungs- und Stromkapazität

Die wichtigste Entscheidung besteht darin, sicherzustellen, dass eine ausreichende Leistung für die Versorgung des Testobjekts zur Verfügung steht. Dies erscheint zwar offensichtlich, der Anwender sollte sich jedoch bewusst sein, dass die unterschiedlichen Arten von Stromversorgungen verschiedene Leistungshüllkurven haben. So gibt es Geräte mit einer rechteckigen Leistungshüllkurve. Diese können die Last bei jeder Spannung mit einem beliebigen Strom versorgen. Dies ist sicherlich die vielseitigste Stromversorgung und auch das Datenblatt ist einfach zu verstehen. Andere Geräte haben verschiedene Spannungsbereiche und damit mehrere rechteckige Leistungshüllkurven. Hier empfiehlt sich ein Blick in das Handbuch, da der maximale Ausgangsstrom der Stromversorgung nicht bei der maximalen Spannung verfügbar ist. Der Vorteil dieser Leistungshüllkurve besteht darin, dass ein Parameter auf Kosten des anderen Parameters höhere Werte erreichen kann. So ist zum Beispiel ein höherer Strom bei einer niedrigeren Spannung möglich. Andere Stromversorgungen haben eine hyperbolische Leistungshüllkurve, so dass anstatt mehrerer Bereiche ein kontinuierlicher Übergang vorliegt. Hier verhält sich ein Parameter umgekehrt proportional zum anderen. Sehr leistungsfähige Stromversorgungen arbeiten meist entweder mit mehreren Bereichen oder mit einer hyperbolischen Leistungshüllkurve. Die Leistungsaufnahme der jeweiligen Anwendung sollte daher genau untersucht werden, um sicherstellen zu können, dass die ausgewählte Stromversorgung die jeweils für den Test benötigten Spannungen und Ströme auch liefern kann.

Maximale Ausgangsgenauigkeit

Wenn eine genaue Regelung der Spannung an der Last für die Forschungsexperimente, Bauteilcharakterisierung oder den Produktionstest entscheidend ist, dann sollte die Ausgangsgenauigkeit der Stromversorgung und Rücklesefunktion sorgfältig betrachtet werden. Die Genauigkeit kann allerdings beeinträchtigt werden, wenn die Stromversorgung die Spannung nur an den Ausgangsklemmen misst. Besser ist eine Rückkopplung direkt vom Testobjekt. Das bedeutet, dass die Stromversorgung über entsprechende Messeingänge (Remote Sensing) verfügen muss, die mit dem Einspeisepunkt der Spannung am DUT verbunden werden. Dadurch lässt sich die wirklich am Testobjekt anliegende Spannung messen und die Stromversorgung kann den Spannungsabfall auf den Verbindungsleitungen problemlos ausgleichen (Bild 1). Bei einer mehrkanaligen Stromversorgung sollten alle Kanäle über eine derartige Funktion verfügen.

Auf einen Blick

Obwohl Stromversorgungen nur Instrumente mit einer einzigen Funktion sind, ist es trotzdem sehr ratsam die Leistungsfähigkeit und Funktionen einer Stromversorgung genau zu untersuchen. Nur so lässt sich sicherstellen, dass die Strom- und Spannungsanforderungen auch erfüllt werden. Die Leistungshüllkurve zeigt, ob das Gerät die benötigte Kapazität hat. Um eine maximale Genauigkeit zu erreichen, wird eine Remote-Sensing-Funktion benötigt, zudem muss die Messgenauigkeit ausreichend sein. Darüber hinaus sollte die Design-Topologie der Stromversorgung (linear oder getaktet) und das Störverhalten bekannt sein. Durch den Einsatz geeigneter Messverfahren lässt sich die Leistungsfähigkeit der Stromversorgung voll nutzen. Eine gute Vorbereitung gewährleistet, dass die eingesetzte Stromversorgung vom gleichen Kaliber ist wie der Rest des Messaufbaus.

Unabhängig davon, wie genau der Ausgang der Stromversorgung ist, kann nicht garantiert werden, dass die programmierte Ausgangsspannung auch der Spannung an der Last entspricht. Der Grund dafür ist, dass die Stromversorgung normalerweise die Spannung nur an ihren Ausgangsanschlüssen regelt. Jedoch sollte die Spannung am Testobjekt geregelt werden und nicht am Ausgang der Stromversorgung. Über Leitungen, die einen Widerstand RLead aufweisen, sind Stromversorgung und Last verbunden. Dieser ist abhängig von der Länge der Leitungen, der Leitfähigkeit des Leitermaterials und der Geometrie der Leitungen. Ohne Remote Sensing ergibt sich an der Last die folgende Spannung: VLoad = VProgrammed – 2*VLead = VProgrammed – 2*ILoad*RLead. Wenn die Last einen hohen Strom benötigt, dann kann der Spannungsabfall VLead aufgrund des hohen Ausgangsstroms ILoad einige Zehntel Volt betragen. Dies gilt besonders wenn die Versorgungsleitungen lang sind, wie in automatischen Testsystemen. Die Spannung an der Last kann ohne Weiteres 80 bis 160 mV niedriger sein, als die geforderte Spannung (bei 2 bis 4 A durch eine 1,5 m lange Leitung mit 0,013 Ω/m).

Das Remote-Sensing-Verfahren löst das Problem des Spannungsabfalls in den Leitungen, indem die Rückkopplungsschleife der Stromversorgung bis zum Eingang der Last erweitert wird. Dabei werden zwei Messleitungen von der Stromversorgung mit dem Eingang der Last verbunden. Diese Sense-Leitungen sind Spannungsmessleitungen, die mit einer hochohmigen Messschaltung in der Stromversorgung verbunden sind. Auf Grund des hohen Eingangswiderstands ist der Spannungsabfall in den Sense-Leitungen vernachlässigbar. Somit ist die Spannungsmessschaltung Teil der Regelung der Stromversorgung. Die wirklich an der Last anliegende Spannung wird über die Sense-Leitungen zurück zur Stromversorgung gemeldet. So kann die Stromversorgung die Ausgangsspannung VOut erhöhen und den Spannungsabfall in den Versorgungsleitungen ausgleichen bis gilt: VLoad = VProgrammed. Mit Remote Sensing erreicht die Genauigkeit der Stromversorgung damit auch die Last.

Potenzialfreie Kanäle

Bei mehrkanaligen Stromversorgungen ist zu berücksichtigen, dass diese potenzialfreie Kanäle haben sollten. Potenzialfreie Kanäle bieten die höchste Flexibilität für die Erweiterung der Spannungs- und der Stromkapazität. Bei potenzialfreien Kanälen können zwei identische Kanäle entweder in Reihe geschaltet, um die Ausgangsspannung zu verdoppeln, oder zur Verdoppelung des Ausgangsstroms parallel geschaltet werden. Um sicherzustellen, dass die programmierte Spannung die Last auch erreicht, sollte eine Remote-Sensing-Funktion für jeden Kanal vorhanden sein. Dadurch wird die Komplexität der Verdrahtung zwar höher, die bessere Genauigkeit der Spannung an der Last macht dies aber mehr als wett.

Werden mehrere Kanäle in Reihe oder parallel geschaltet, um die Spannung oder den Strom am Ausgang zu erhöhen, dann ist sicherzustellen, dass die Remote-Sensing-Verbindungen richtig konfiguriert werden. Die einzelnen Sense-Leitungen dürfen immer nur die Spannung des jeweiligen Kanals überwachen. Bei einer Reihenschaltung von Kanälen, um die Spannung zu erhöhen, müssen die Sense-Leitungen zwischen dem DUT und dem gemeinsamen Punkt der beiden Kanäle verbunden werden (Bild 2). Dies gewährleistet, dass die Sense-Leitungen nur den Ausgang des jeweils zugehörigen Kanals überwachen und die Gesamtspannung an der Last der Summe der programmierten Spannung ohne Verlust aufgrund eines Spannungsabfalls auf der Ausgangsleitung entspricht. Die Masseleitungen müssen am selben Massepunkt zusammenlaufen, um eine geringe differenzielle Spannung zwischen den Sense-Leitungen zu vermeiden. Dies kann sonst zu einer kleinen Fehlerspannung an der Last führen. Einfacher ist die Verdrahtung für eine parallele Verbindung von zwei Kanälen (Bild 3), da beide Kanäle die gleiche Spannung liefern.

Eine Stromversorgung mit mehreren Kanälen eignet sich auch für die Versorgung einer bipolaren Schaltung. Die Verbindungen sind ähnlich wie bei der Serienschaltung von zwei Kanälen, wobei zusätzlich eine Verbindung vom Massepunkt der beiden Kanäle zum Massepunkt des bipolaren DUT erforderlich ist.

Genaue Messung der Lastströme

Muss der in die Last fließende Strom gemessen werden? Das kann mit einem in die Leitung eingefügten Reihenwiderstand erfolgen. Mit einem DMM wird dann die Spannung über diesem Widerstand gemessen. Der Laststrom errechnet sich, indem die gemessene Spannung durch den Widerstandswert dividiert wird. Alternativ könnte auch das DMM in Reihe mit der Stromversorgung und der Last geschaltet werden, um den Laststrom direkt zu messen. Bei beiden Methoden wird ein weiteres Instrument in die Schaltung integriert, was einen zusätzlichen Spannungsabfall zur Folge hat. Und zwar entweder wegen des internen Widerstands des DMMs oder durch den Shunt-Widerstand. Wird eine Stromversorgung mit einer Rücklesefunktion mit ausreichender Genauigkeit und Auflösung ausgewählt, dann kann diese den Laststrom direkt ohne einen extra Serienwiderstand oder DMM messen. Einige Stromversorgungen bieten eine ausgezeichnete Strommessgenauigkeit von 0,05 Prozent. Dies entspricht der Genauigkeit eines 5 ½-stelligen DMMs manchmal sogar eines 6 ½-stelligen DMMs. Vermeiden lassen sich dann die zusätzliche Komplexität und Kosten für ein weiteres Instrument (Bild 4).

Minimierung interner und externer Störquellen

Bei der Versorgung einer Schaltung zur Messung kleiner Signale, wie einem Wandler für Millivolt- oder Mikroampere-Stromsignale, können Probleme durch Störquellen entstehen. Die Stromversorgung ist selbst eine Störquelle. In zwei Kategorien lassen sich diese Störungen aufteilen: Gegentakt- und Gleichtaktstörungen. Gegentaktstörungen liegen parallel zu den Ausgangsanschlüssen der Stromversorgung an und werden von der internen Schaltung der Stromversorgung generiert. Gleichtaktstörungen sind Störungen mit Massebezug, die über die Netzleitung und Streukapazitäten über den Haupttransformator entstehen. Für derartige Anwendungen sind daher lineare Stromversorgungen normalerweise besser geeignet, da die Gegentaktstörungen am Ausgang deutlich geringer sind als bei getakteten Stromversorgungen. Allerdings haben lineare Stromversorgungen einen geringeren Wirkungsgrad bei der Leistungsumwandlung und sind meist schwerer und größer. Getaktete Stromversorgungen bieten einen besseren Wirkungsgrad und können mehr Ausgangsleistung in einem kleineren Gerät unterbringen. Eine lineare Stromversorgung zeichnet sich durch einen um den Faktor fünf bis zehn geringeren Störpegel aus (< 5 mVpp gegenüber 50 mVpp) als getaktete Stromversorgungen. Stellen Störungen ein Problem dar, sollte eine lineare Stromversorgung verwendet werden.

Lineare Stromversorgungen haben außerdem normalerweise niedrigere Gleichtaktstörungen als getaktete Stromversorgungen. Gleichtaktstörungen entstehen, wenn Spannungsänderungen, wie AC-Spannungen oder Transienten (dv/dt), auf der Primärseite eines Transformators einen Strom über die voneinander isolierten Wicklungen induzieren. Sobald dieser Strom durch eine Impedanz fließt, wird eine Störspannung generiert, die unter gewissen Umständen eine Interferenz mit dem DUT oder eine Messungenauigkeit verursachen kann. Der Absolutwert des Störpegels ist hauptsächlich von der Streukapazität des Stromversorgungstransformators abhängig. Zu den anderen Ursachen von Gleichtaktstörungen gehören Spannungsspitzen durch das Ein- und Ausschalten von Gleichrichterdioden (auf der Sekundärseite) aber auch Spannungsänderungen der 50/60Hz-Netzspannung oder abrupte Spannungsänderungen auf der Primärseite von Schaltnetzteilen.Bild 5 zeigt ein einfaches Blockdiagramm einer Stromversorgung. Eine qualitativ hochwertige Transformatorkonstruktion mit ausreichender Abschirmung zwischen Primär- und Sekundärseite kann die Streukapazität minimieren. Wenn die Primär- und Sekundär-Wicklungen des Transformators nicht genügend gegeneinander abgeschirmt sind, kann die Kopplungskapazität groß sein und ein Strom von mehreren Milliampere in die Last fließen. Dieser Gleichtaktstrom kann Leistungsprobleme und Fehler bei der Messung des Laststroms verursachen. Bei der Entwicklung oder dem Test von Low-Power- oder empfindlichen Bauteilen, Modulen oder Endprodukten sollte eine Stromversorgung mit geringen Gleichtaktstörungen zum Einsatz kommen. Ein guter Wert für Gleichtaktstörungen liegt unter 10 µA.

Neben der Minimierung von Störquellen innerhalb der Stromversorgung, ist es bei empfindlichen Schaltungen wichtig auch die Störungen aus dem Umfeld zu minimieren. Aus diesem Grund sollten möglichst abgeschirmte Kabel für die Stromversorgungs- und Remote-Sense-Leitungen eingesetzt werden. Die Sense-Leitungen sollten immer abgeschirmt sein und von allen anderen Leitungen getrennt werden, da sie ein Signal zu einer hochohmigen Messschaltung übertragen. Selbst kleine Ströme können bei einer hochohmigen Eingangsschaltung große Fehlerspannungen verursachen. Für DUTs mit kleinen Signalen sollten auch die Versorgungsleitungen abgeschirmt werden, um alle potenziellen Quellen von Störsignalen zu beseitigen (Bild 6). Zudem ist sicherzustellen, dass die Schaltung an nur einem Punkt geerdet wird, um Masseströme, die Fehlerspannungen erzeugen können, zu vermeiden.