Regelungstechnik – Teil 2 von 6 Messung des Frequenzgangs

Das stabile Netz im Fokus.
In diesem Teil wird der Frequenzgang des Netzteils gemessen und geprüft.

Auch im zweiten Teil der Serie von Omicron Lab steht das stabile Netzteil im Fokus: Diesmal wird der Frequenzgang des Netzteils gemessen und geprüft. Anhand der realen Messdaten wird erklärt, wie sich das Bode-Diagramm der Leistungsstufe, des Kompensators und der gesamten Schleife ermittelt lässt.

Der erste Teil der Artikelserie erläuterte die Grundlagen eines Bode-Diagramms und wie die in einem Bode-Diagramm dargestellten Informationen genutzt werden können, um die Stabilität eines Netzteils zu bewerten. Dabei wurde ein Bode-Diagramm mit realen Messdaten der Netzteil-Regelschleife abgebildet. Im diesem zweiten Beitrag wird nun erläutert, wie diese Messungen vorgenommen werden und welche Hardware dazu benötigt wird. Zusätzlich wird die Messung der Regelstrecke und des Reglers einzeln betrachtet.

In Bild 1 ist ein typisches Netzteil dargestellt. Es besteht aus einer Regelstrecke, die wiederum in eine Leistungsstufe, eine PWM-Stufe und einen Regler unterteilt werden kann. Die Ausgangsspannung wird als Rückführgröße in den Regler eingespeist, der – in analoger Form – mit Hilfe eines Operationsverstärkers sowie Kondensatoren und Widerständen realisiert wird. Die Ausgangsspannung des Reglers wird in einen Komparator geführt, wodurch sich ein neuer Wert für den Tastgrad ergibt und somit die Schleife geschlossen wird. Normalerweise sind die Operationsverstärker des Komparators und des Reglers in einem Mikrochip integriert.

Messung der Regelschleife

Für die Messung der Regelschleife muss lediglich ein sinusförmiges Signal in das System eingespeist werden. Anschließend lässt sich beobachten, wie sich das Signal beim Durchlaufen des Systems ändert. Dazu »unterbricht« man die Schleife, indem ein Einspeisewiderstand in den Rückkoppelzweig eingebaut wird.

Bild 1 zeigt die Position des Einspeisewiderstands. Die gängigste Position für den Einspeisewiderstand ist oberhalb des Spannungsteilers des Reglers. Verglichen mit den Werten des Spannungsteilers, sollte der Einspeisewiderstand gering sein, damit der Arbeitspunkt des Reglers nicht beeinträchtigt wird. Ein typischer Wert ist 10 Ω. Über den Einspeisewiderstand wird ein sinusförmiges Signal verschiedener Frequenzen eingebracht. Zur Messung dient der Vektor-Netzwerkanalysator Bode 100 von Omicron.

Der Ausgang des Bode 100 darf nicht direkt über den Einspeisungswiderstand angeschlossen werden, da die Spannung unterhalb des Einspeisewiderstands nicht der Geräte-Masse entspricht. Stattdessen kommt ein Einfüge-Übertrager zum Einsatz (Bild 1). Im Anschluss wird Kanal 1 des Bode 100 mit Punkt A und Kanal 2 mit Punkt B verbunden. Kanal 1 erfasst das Eingangssignal – zum Beispiel die eingespeiste Sinuskurve. Kanal 2 erfasst die Sinuskurve so, wie sie als Ausgangsspannung am Schaltnetzteil anliegt – beispielsweise nach dem Durchlaufen der Schleife. Dieser Aufbau ermöglicht es, den Frequenzgang des offenen Regelkreises des Netzteils zu messen.

Was genau gemessen wird, ist leicht zu erkennen: Zwischen Kanal 1 und Kanal 2 liegen folgende Schaltkreise: Zuerst kommt der Regler, dann die PWM-Stufe und abschließend die Leistungsstufe; es wird also die gesamte Schleife gemessen. 

Messung der Regelstrecke

Es ist immer ratsam, die Regelstrecke zu messen, um sicherzustellen, dass die berechnete Übertragungsfunktion korrekt ist und mit dem realen Netzteil übereinstimmt. Die gemessene und die berechnete Übertragungsfunktion können mithilfe von Biricha WDS problemlos übereinandergelegt und verglichen werden. Zur Messung der Regelstrecke muss lediglich die Position von Kanal 1 des Bode 100 zu Punkt C verschoben werden (Bild 2). Sowohl der Einspeisewiderstand als auch das eingespeiste Signal bleiben unverändert. Zwischen Kanal 1 und Kanal 2 durchläuft das Signal nun die PWM-Stufe und anschließend die Leistungsstufe; in diesem Fall wird also die Regelstrecke gemessen. Das Bode 100 vergleicht die beiden Signale und das resultierende Bode-Diagramm entspricht der Regelstrecke

Messung des Reglers

Bei der Messung des Reglers ist die Signaländerung während des Durchlaufs von Punkt A zu Punkt C des Schaltplans wichtig. Kanal 1 wird mit Punkt A und Kanal 2 wird mit Punkt C verbunden, wie in Bild 3 dargestellt. Diese Messung entspricht dem Frequenzgang des Reglers innerhalb des Systems und kann ebenfalls in Biricha WDS importiert werden, wodurch ein direkter Vergleich mit den berechneten Ergebnissen möglich ist.