Die optimale Systemkonfiguration Stromversorgungen: Welche Parameter sind wichtig?

Stromversorgungen werden meist als unkomplizierte Geräte oder Baugruppen angesehen, da sie „nur“ eine einzige Funktion erfüllen: die Ausgabe einer geregelten Gleichspannung. Doch in einer modernen Stromversorgung steckt meist viel mehr, als auf den ersten Blick zu vermuten ist. So gibt es eine ganze Reihe von Schaltungskonzepten, die unterschiedlichen Anforderungen bzw. Anwendungsbereichen gerecht werden.

Unabhängig von der jeweiligen Anwendung muss in jedem Fall sichergestellt werden, dass die ausgewählte Stromversorgung den Leistungsbedarf der Last erfüllen kann, was nicht immer ganz einfach ist. Je nach Anwendung müssen zudem weitere wichtige Parameter berücksichtigt werden, wie beispielsweise der Störpegel bei Anwendungen mit geringer Leistung oder bei störempfindlichen Komponenten, die mit kleinen Spannungen oder Strömen arbeiten. (Bei vielen physikalischen Tieftemperatur-Experimenten sind minimale Störpegel entscheidend.)

Und bei Modulen und Geräten, die mehrere Spannungen oder potenzialfreie Spannungen benötigen, kommt es auf die Isolation zwischen den Kanälen der Stromversorgung an. Und nicht zu vergessen die Testsysteme, die eine besondere Art von Stromversorgung brauchen, um zum Beispiel Lastströme mit hoher Präzision zu erzeugen und zu messen, um Pulse bei bestimmten Lastbedingungen zu charakterisieren oder um bipolare Spannungen für die Bauteilcharakterisierung zu erzeugen. Es ist also sinnvoll, einige entscheidende Parameter zu untersuchen, um die Auswahl der optimalen Stromversorgung für den jeweiligen Anwendungsfall zu erleichtern.

Die Leistungshüllkurve beachten

In einem ersten Auswahlschritt gilt es sicherzustellen, dass die Stromversorgung eine ausreichende Leistung für das Testobjekt (DUT, Device Under Test) liefern kann. Allerdings: Die verschiedenen Stromversorgungs-Typen können sehr unterschiedliche Leistungshüllkurven haben. Bei der vielseitigen rechteckigen Leistungshüllkurve kann die Last bei jeder spezifizierten Spannung mit dem maximalen Strom versorgt werden (Bild 1a).

Es gibt auch Stromversorgungen mit mehreren rechteckigen Leistungshüllkurven (Bild 1b). Dies hat den Vorteil, dass der eine Parameter auf Kosten des anderen Parameters höhere Werte erreichen kann. So kann zum Beispiel ein höherer Strom bei einer niedrigeren Spannung entnommen werden. Andere Stromversorgungen haben eine hyperbolische Leistungshüllkurve (Bild 1c), die anstatt mehrerer Bereiche einen kontinuierlichen Übergang aufweist. Hier ist ein Parameter invers 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.

In Schaltungen, die mit sehr kleinen Spannungen oder Strömen arbeiten (wie z.B. in der Sensorik), können Stör-Überlagerungen zu Problemen führen. Die in einer Stromversorgung festzustellenden Störungen lassen sich in zwei Kategorien aufteilen: in symmetrische Stör-Überlagerungen (Gegentaktstörungen) und asymmetrische Stör-Überlagerungen (Gleichtaktstörungen).

Für diesbezüglich sehr „sensible“ Anwendungen sind lineare Stromversorgungen normalerweise besser geeignet, da die Gegentaktstörungen am Ausgang deutlich geringer sind als bei Schalt-Stromversorgungen. Allerdings haben lineare Stromversorgungen einen geringeren Wirkungsgrad und sind meist schwerer und größer. Schaltnetzteile bieten dagegen den Vorteil eines höheren Wirkungsgrads und einer höheren Ausgangsleistung bei einer kleineren Baugröße. Für störempfindliche Schaltungen erzeugen lineare Stromversorgungen normalerweise nur ein Fünftel bis ein Zehntel der Gegentaktstörungen von Schaltnetzteilen und im Allgemeinen auch geringere Gleichtaktstörungen, die immer dann entstehen, wenn Spannungsänderungen entweder auf der Primär- oder Sekundärseite eines Transformators einen Strom über die voneinander isolierten Wicklungen induzieren.

 Ein auf der Primärseite (oder Sekundärseite) generierter Störstrom muss auf die Primärseite (Sekundärseite) zurückfließen, um die Schaltung physikalisch vollständig durchlaufen zu haben. Sobald dieser Strom aber durch eine Impedanz fließt, wird an dieser eine Rauschspannung generiert, die sich der Nutzspannung als Störung überlagert und verschiedene Probleme oder Messungenauigkeiten verursachen kann. Der Absolutwert der Störspannung ist direkt vom du/dt -Wert der AC-Leitung und der ungeschirmten Kapazität des isolierenden Transformators abhängig.

Zu den anderen Ursachen von Gleichtaktstörungen gehören Spannungsspit-zen durch das Ein- und Ausschalten von Gleichrichterdioden (auf der Sekundärseite), aber auch Spannungsschwankungen der 50/60-Hz-Netzspannung oder abrupte Spannungsänderungen auf der Primärseite von Schaltnetzteilen. Wenn Störüberlagerungen ein Problem darstellen, sollte, wenn möglich, eine lineare Stromversorgung verwendet werden.