Leistungswandler Fünf Tipps zur Auswahl einer Stromversorgung

Stromversorgungen gehören zu den am häufigsten eingesetzten Tools im Labor von Wissenschaftlern, Ingenieuren und Technikern, die mit elektronischen Bauelementen, Bauteilen und Systemen arbeiten. Während die Festlegung der Spannungs-, Strom- und Leistungsanforderungen meist sehr einfach ist, erfordern die weiteren Funktionen einer Stromversorgung eine eingehendere Betrachtung der technischen Daten.

Nachfolgend sind einige Tipps zusammengestellt, die dabei helfen sollen, die wichtigsten technischen Parameter zu verstehen und gute Prüfergebnisse zu gewährleisten.

Tipp 1: Stellen Sie sicher, dass die erforderliche Genauigkeit erreicht wird

Bei allen Stromversorgungen wird eine Einstellgenauigkeit angegeben. Diese gibt an, wie nah der geregelte Parameter, Spannung oder Strom, am gewünschten programmierten Ausgangswert ist. Die Ausgangsgenauigkeit ist von der Toleranz der internen Bauelemente, beispielsweise der Linearität und Quantisierungsfehler der A/D- und D/A-Umsetzer, abhängig. Die Genauigkeit wird normalerweise in der Form ±(% der Einstellung + Offset) angegeben und von der Entwicklung mittels einer Fehlerabschätzung unter Berücksichtigung der Bauelementtoleranzen, Temperatur und Zeit ermittelt. Die im Datenblatt angegebenen Werte werden zudem durch Messungen mit einem Messsystem überprüft, das vier- bis zehnmal engere Toleranzen hat als die erwartete Genauigkeit der zu prüfenden Stromversorgung. Die Instrumente werden dabei mittels einer statistischen Stichprobe ausgesucht. In der Regel gelten diese Werte im Datenblatt für einen Temperaturbereich von 20 °C bis 30 °C und meist für einen Zeitraum von einem Jahr. Danach sollte das Instrument geprüft werden, um sicherzustellen, dass es immer noch innerhalb der spezifizierten Genauigkeit arbeitet. Falls notwendig, sollte eine Kalibrierung durchgeführt werden.

Die spezifizierte Genauigkeit lässt sich für einen bestimmten Wert wie folgt berechnen: Die angegebene Spannungsgenauigkeit der Stromversorgung Modell 2200-32-3 von Keithley ist: ±(0,03 % + 3 mV). Bei einer Ausgangsspannung von 5 V liegt der mögliche Fehler am Ausgang dann bei (0,0003 × 5 V + 3 mV) = 4,5 mV.

Dabei ist ein weiterer wichtiger Punkt zu beachten: die spezifizierte Genauigkeit der Ausgangsspannung der Stromversorgung gilt für die Ausgangsklemmen. Das zu prüfende Bauteil (Testobjekt) oder die Last sind aber nur selten direkt an den Ausgangsklemmen angeschlossen. Meist sind die Stromversorgung und die Last über Anschlussleitungen verbunden. Diese Leitungen haben einen gewissen Widerstand. Zum Beispiel hat ein Draht AWG 16 (ca. 1,3 mm²) einen Widerstand von rund 13,3 mΩ/m. Bei einer 0,9 m langen Leitung und -einem Strom von 2 A durch die Last ergibt sich für jede Leitung ein Spannungsabfall von 13 mΩ/m × 0,9 m × 2 A = 24 mV. Beide Leitungen zusammen ergeben 48 mV. Wenn die Stromversorgung am Ausgang 5 V liefert, dann liegt die Spannung an der Last nicht mehr bei 5 V, sondern bei 5 V abzüglich des Spannungsabfalls über den Leitungen, also 5 V - 48 mV = 4,952 V. Dies kann zum Problem werden, wenn die Leitungen mehrere Meter lang sind. Dann kann die Spannung an der Last mehr als 320 mV (6 m lange Zuleitungen) unter der Ausgangsspannung der Stromversorgung liegen. Wenn nun eine bestimmte Spannung für einen fehlerfreien Betrieb des Testobjekts notwendig ist, dann können die Prüfergebnisse fehlerhaft sein.

Dieses Problem lässt sich durch den Einsatz von zusätzlichen Sense-Leitungen lösen. Diese Leitungen melden die Spannung am Testobjekt zurück an die Stromversorgung. Deren Steuerung erhöht daraufhin die Ausgangsspannung, um den Spannungsabfall auf den Leitungen zu kompensieren. Dadurch liegt genau die programmierte Spannung am Testobjekt an. Die Sense-Leitungen sind an eine Messschaltung mit einer hohen Eingangsimpedanz angeschlossen, so dass sich in den Sense-Leitungen ein vernachlässigbarer Spannungsabfall ergibt und somit auch der Fehler in der Rückkopplungsschleife unerheblich ist.

Bild 1 zeigt die Einstellung der Spannung am Testobjekt mit und ohne zusätzliche Sense-Leitungen. Wenn eine genaue Regelung der Spannung am Testobjekt für die Charakterisierung und den Test entscheidend ist, dann muss sichergestellt werden, dass die Stromversorgung die notwendige Ausgangsgenauigkeit aufweist. Für eine hohe Genauigkeit ist unbedingt eine Stromversorgung mit Sense-Leitungen erforderlich. Dies ist meist auch im Datenblatt vermerkt. In einigen Datenblättern wird ein maximaler Wert für den zulässigen Spannungsabfall auf den Zuleitungen angeben. Ein typischer Wert liegt bei 1 V. Das ist im Allgemeinen kein Problem. Wenn die Eingangsimpedanz des Gegenkopplungsverstärkers nur bei 10 kOhm liegt, wird bei 5 V der Strom durch die Sense-Leitungen maximal 0,5 mA erreichen. Bei 30 m langen 16-AWG-Sense-Leitungen beispielsweise liegt der Spannungsabfall unter 1 mV.

Tipp 2: Hohe Stromgenauigkeit und Auflösung reduzieren die Komplexität

Alle Laborstromversorgungen verfügen über Anzeigen, um den Ausgang zu überwachen. Bei den meisten lässt sich sowohl die Ausgangsspannung als auch der Strom messen und anzeigen. Die Messgenauigkeit (Rücklesegenauigkeit) ist ähnlich spezifiziert wie die Ausgangsgenauigkeit mit ±(% der Einstellung + Offset).

Zusätzlich zu den Genauigkeitsangaben sind auch die Ausgangseinstellung und die Auflösung der Rücklesefunktion angegeben. Die Auflösung ist definiert als die kleinste Änderung des Parameters, die entweder in der Ausgangsgröße möglich ist oder mit der Rücklesefunktion gemessen werden kann. Die Auflösung kann in Prozent des Vollausschlags angegeben werden, wird aber meist als Spannungs- oder Stromwert angegeben. So liegen die Einstell- und Rückleseauflösungen bei der Stromversorgung Modell 2200-32-3 von Keithley bei 1 mV und 0,1 mA (Bild 2).

Wenn man auf die spezifizierte Rücklese-Genauigkeit achtet, wird man feststellen, dass viele Stromversorgungen eine ausreichende Strommessgenauigkeit haben, um den Laststrom genau zu messen. Stromversorgungen erreichen oft eine Strommessungenauigkeit von 0,05 %, was der Genauigkeit eines 6½-stelligen DMMs entspricht oder sogar noch besser ist. Damit verfügt die Stromversorgung über eine direkt integrierte Messmöglichkeit mit DMM-Qualität. Außerdem bieten einige Stromversorgungen eine ausreichende Auflösung, z.B. 0,1 mA, um den Standby-Strom eines batteriebetriebenen Produkts im Zuge der Entwicklung oder des Tests zu messen.

Durch den Einsatz einer Stromversorgung mit einer hohen Genauigkeit und Auflösung lassen sich somit Kosten sparen und die Komplexität reduzieren, da sonst zusätzlich ein DMM in den Lastkreis eingebaut werden muss. Ein in die Schaltung integriertes DMM verwendet einen Sense-Widerstand, um den Strom für das DMM in eine Spannung umzuwandeln. Das DMM verursacht dadurch einen Spannungsabfall in der Schaltung. Bei einer festen Ausgangsspannung zieht die Last weniger Strom, so dass der Messfehler beim Laststrom durch das zusätzliche DMM in der Schaltung zunimmt. Alternativ lässt sich ein sehr kleiner externer Sense-Widerstand in die Schaltung (z.B. 1 Ω oder weniger) integrieren, um die Spannung genauer zu messen. Jedoch ergibt sich durch die Toleranz des Sense-Widerstands und durch die fehlende Kompensation der Erwärmung ein Fehler.