Messpraxis Netzteil-Analyse mit dem Scope

Stromsparende elektronische Designs werden immer wichtiger. Egal, ob es sich um Schaltnetzteile für elektronische Systeme, Solar-Wechselrichter zur Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom oder DC/DC- und AC/AC-Wandler handelt: Ziel ist immer ein möglichst umweltfreundliches Produkt mit möglichst geringem Energieverbrauch.

Entwickler müssen heutzutage immer öfter Wirkungsgrade von 80 Prozent und mehr bei Spannungswandlern erreichen. Ursache sind die steigende Nachfrage nach erneuerbaren Energien, medizinischen Technologien und Elektromobilität. Diese werden in Zukunft die wichtigsten Wachstumstreiber darstellen. Um dies zu erreichen, müssen Entwicklungsingenieure zahlreiche spezifische Leistungsmessungen zur Charakterisierung des Verhaltens eines Netzteils oder Wandlers sowie zur Fehlerbehebung durchführen. 

Bisher geschah dies auf Basis von statischen Strom- und Spannungsmessungen mit einem Digitalmultimeter und umständlichen Berechnungen auf einem Taschenrechner oder Computer. Inzwischen hat sich jedoch das Oszilloskop zum bevorzugten Messwerkzeug für Messungen der Wandlerleistung entwickelt. In diesem Artikel werden häufige Messverfahren für AC/DC-Schaltnetzteile mit den neuen Windows-basierten Oszilloskopen der Serie DPO/MSO 5000, die mit der neuesten Generation an Mess- und Analyse-Software ausgestattet sind, beschrieben.

Durch Einsatz dieser Software zur Leistungsmessung und -analyse (genannt DPO- PWR) wird das Oszilloskop zu einem sehr nützlichen Werkzeug, mit dem sich der Leistungsverlust von Schaltnetzteilen und magnetischen Komponenten rasch messen und analysieren lässt. Und es können auch detaillierte Testberichte in unterschiedlichen, flexiblen Formaten erstellt werden.

Vorbereitung von Stromversorgungsmessungen

Um präzise Ergebnisse zu erhalten, muss das Messsystem ordnungsgemäß für eine genaue Signalerfassung zur Analyse und Fehlerbehebung eingerichtet sein. Wichtige dabei zu berücksichtigende Themen sind:

1.) Beseitigen eines Phasenversatzes zwischen Spannungs- und Stromtastköpfen

2.) Beseitigen eines Tastkopf-Offset

3.) Entmagnetisieren von Stromtastköpfen 

Mit der DPOPWR-Anwendungs-Software von Tektronix wird die Durchführung des Versatzausgleichs automatisiert, sobald die Tastköpfe an die Deskew-Vorrichtung angeschlossen werden.

Bei Differenztastköpfen tritt häufig ein kleinerer Spannungs-Offset auf. Dieser kann die Messgenauigkeit beeinträchtigen und muss beseitigt werden, bevor die Messungen durchgeführt werden können. Die meisten Spannungsdifferenztastköpfe sind mit Reglern für die Anpassung des Gleichstrom-Offset ausgestattet. So wird die Beseitigung des Offset zu einer einfachen Aufgabe.

Gegebenenfalls muss vor den Messungen auch der Offset der Stromtastköpfe angepasst werden. Dazu wird der Gleichstromausgang auf einen Mittelwert von 0 A oder so nahe wie möglich bei 0 A gesetzt. Mittlerweile sind moderne Tastköpfe mit einer integrierten automatischen Funktion zur Entmagnetisierung und automatischem Nullabgleich ausgestattet. Für deren Aktivierung muss lediglich eine Taste am Tastkopfkompensationsmodul gedrückt werden.

Charakterisierung des Netzteils - magnetische Eigenschaften  

Magnetische Komponenten sind ein wichtiger Bestandteil eines jeden Stromversorgungssystems. Eine Charakterisierung dieser Komponenten ist erforderlich, um die Stabilität und die allgemeine Effizienz eines Netzteils zu ermitteln. 

Induktion: Die Induktionsparameter verschiedener Geräte, wie Spulen und Transformatoren, können mit einem Oszilloskop und der DPOPWR-Anwendung automatisch ermittelt werden. Dabei wird die Spannungsänderung bei Änderung der Stromstärke im Verhältnis zur Zeit gemessen und anschließend automatisch der Induktivitätswert berechnet.

Magnetischer Verlust: Zur präzisen Charakterisierung des Wirkungsgrades, der Zuverlässigkeit und der Leistung eines Schaltnetzteils muss der magnetische Verlust analysiert werden. Die beiden häufigsten Verlustkomponenten sind Kernverluste und Wicklungsverluste. In praxisnahen Messungen ist es nahezu unmöglich, Kernverluste von Wicklungsverlusten abzugrenzen. Um dieses Problem zu lösen, kann der gesamte magnetische Leistungsverlust gemessen und der Kernverlust subtrahiert werden, wie im Datenblatt der magnetischen Komponente beschrieben. Die DPOPWR-Software führt diese Schritte automatisch durch.

B-H-Diagramme: B-H-Kurven werden häufig eingesetzt, um die Sättigung der magnetischen Elemente in einem Schaltnetzteil zu überprüfen und den gemessenen Energieverlust pro Zyklus einer Volumeneinheit des Kernmaterials darzustellen. Die Leistungsanalyse-Software erfasst die Messwerte der Spannung und des Stroms im magnetischen Element und erstellt automatisch ein B-H-Diagramm (Bild 1).