Schaltnetzteile

Kenngrößen richtig messen

3. April 2018, 13:30 Uhr | Heidrun Seelen, Frank Cubasch, Magic Power Technology
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Messungen am Schaltnetzteil unterscheiden sich teilweise grundlegend von Messungen digitaler Größen und führen zu teilweise unterschiedlichen Ergebnissen. Im Folgenden werden wichtige Messungen für Verifikation, Design-in und Zulassungsprozess verständlich erklärt.

Schon im frühen Entwicklungsstadium ist es wichtig, Leistungs- und Einsatzkriterien von Applikation und Stromversorgung optimal aufeinander abzustimmen. Doch für viele Entwicklungsingenieure sind Messungen am Schaltnetzteil nicht alltäglich. Die beschriebenen Messmethoden sind hierfür eine Hilfe, die Sicherheit geben soll. Daher wollen wir uns zunächst mit wichtigen Messungen auf der Sekundärseite befassen, dann mit denen auf der Primärseite und schließlich mit der Temperaturmessung. 

Restwelligkeit und Ripple am Ausgang 

Aufgrund seines Aufbaus erzeugt ein Schaltnetzteil beziehungsweise DC/DC-Wandler eine Restwelligkeit auf der Ausgangsspannung im Frequenzbereich von 50 kHz bis 300 kHz, abhängig von der Schaltfrequenz. Bei Netzteilen ist unter Umständen auch noch die 50-Hz-Netzfrequenz überlagert. 

Dies und die elektromagnetischen Felder um das Netzteil herum legen nahe, beim Messaufbau die Prüfspitze mit Kondensatoren abzuschließen. Oftmals sind die Messbedingungen auch im Datenblatt des Netzteils vorgegeben beispielsweise »Abschluss der Prüfspitze (1:1) mit 10-µF-Elektrolytkondensator parallel zu einem Folienkondensator; Begrenzung des Oszilloskops auf 20 MHz «.

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Bild 1: Falscher (links) und korrekter Anschluss (rechts) der Prüfspitze bei Ripple-Messung.
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(rechts) der Prüfspitze bei Ripple-Messung.
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Welchen Einfluss der richtige Anschluss der Prüfspitze und der entsprechende Abschluss haben, soll folgender Vergleich zeigen: In Bild 1 sind links die falsche, rechts die richtige Anbindung der Prüfspitze für die Ripple-Messung zu sehen. Bild 2 wiederum zeigt das jeweilige Messergebnis. Der Unterschied beträgt nahezu 100 %. Es ist daher zu empfehlen, eine solche Kombination aus Elko plus Folienkondensator auch auf der Kundenplatine zu installieren, um die Signalspitzen 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 100-W-Netzteil mit einem Lastsprung 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 über 300 % (Bild 3). 

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Bild 2: Oszillogramm der Messergebnisse aus Bild 1. Während die falsche Messung eine Brummspannung von 88 mV (links) ergibt, sind es bei der korrekten Messung lediglich 48 mV (rechts).
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sind es bei der korrekten Messung lediglich 48 mV (rechts).
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Überstrombegrenzung 

Nahezu jedes Schaltnetzteil besitzt eine elektronische Absicherung gegen Kurzschluss beziehungsweise Überstrom, auch OCP (Over Current Protection) genannt. Typischerweise liegen die Abschaltströme im Bereich von etwa 120 % bis 130 % des maximalen Ausgangsstroms. Verglichen mit einem Transformator (weiche Abschaltkennlinie, U/I-Kennlinie) hält das Schaltnetzteil die Spannung konstant und schaltet erst bei Auslösen der OCP schlagartig ab (Bild 4).

Hierdurch werden unter anderem die angeschlossenen Komponenten und Leitungen besser geschützt, weil der maximale Strom durch den OCP-Schwellwert gegeben ist. Die meisten Schaltnetzteile nutzen eine eingezogene Ausgangskennlinie (Fold Back) und laufen nach dem Abschalten selbstständig wieder an, sofern die Last unterhalb der OCP-Schwelle reduziert wurde. 

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Bild 3: Lastwechsel am Netzteil (magenta: Strom, gelb: Spannung direkt an den Klemmen, blau: Spannung am Ende der 1 m langen Lastleitung).
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Bild 4: Überstromabschaltung (OCP) eines 115-W-Netzteils (blau: Strom, gelb; Ausgangsspannung).
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  1. Kenngrößen richtig messen
  2. Messungen auf der Primärseite
  3. Hold-up-Zeit und Temperaturmessungen

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