Messpraxis
Netzteil-Analyse mit dem Scope
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Charakterisierung des Netzteils: Welche Messungen sind wichtig?
Fast alle Komponenten eines Netzteils führen in irgendeiner Weise zu Energieverlust. In einem Schaltnetzteil tritt ein Großteil des Energieverlusts beim Wechsel des Schalttransistors vom Zustand „Aus“ zu „Ein“ (Einschaltverlust) und umgekehrt (Ausschaltverlust) auf. Weitere Ursachen für Energieverlust im System sind Leitungs- und Strahlungsverluste.
Der Verlust wird minimiert, wenn alle Komponenten des Systems innerhalb der angegebenen Leistungsgrenzen betrieben werden. Durch Überprüfung des sicheren Betriebsbereichs (SOA) des Schalttransistors wird sichergestellt, dass das Gerät nicht überbeansprucht wird und unter ordnungsgemäßen Betriebsbedingungen arbeitet.
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Schaltverlustmessungen: Schaltverluste treten sowohl beim Aktivieren oder Einschalten als auch beim Deaktivieren oder Abschalten des Schaltstromkreises auf. Einschaltverluste treten auf, wenn verschiedene (evtl. parasitäre) Kondensatoren aufgeladen oder wenn Spulen-Magnetfelder erzeugt werden und es zu transienten ohmschen Verlusten kommt. Beim Ausschalten wiederum ist noch zu entladende Energie vorhanden. Diese interagiert auch nach der Trennung mit verschiedenen Komponenten, so dass auch in dieser Situation Verluste auftreten. Bei der Messung des Schaltverlusts mithilfe der Leistungsmessungs-Software werden die Spannung und die Stromstärke im Schalttransistor mittels Tastkopfmessung ermittelt (Bild 2).
Hi-Power-Finder: Dynamisch variierende Lasten in einem Schaltnetzteil können sich auf den Gesamtleistungsverlust der Schaltkomponenten auswirken. Dadurch kann es zu einer Überschreitung der Spannungs- und Stromgrenzen und damit der Nennleistung kommen. Daher muss der Leistungsverlust in den Schaltkomponenten bei der Entwicklung aktiv analysiert werden, um sicherzustellen, dass die momentane Leistung innerhalb der angegebenen Grenzwerte liegt. Mit dem in die Leistungsmessungs-Software integrierten High-Power-Finder kann die momentane Spitzenleistung in der Signalform ermittelt werden. Das Analysewerkzeug berechnet und identifiziert jeden Spitzenleistungs-Datenpunkt und erstellt eine Übersicht über diese Leistungsspitzen. In Verbindung mit der Analyse der momentanen Leistungsspitze des Systems berechnet der High-Power-Finder zudem den Energieverlust an dem jeweiligen Spitzenwert.
Sicherer Betriebsbereich (SOA): Der sichere Betriebsbereich des Schalttransistors in einem Schaltnetzteil legt fest, welche Stromstärke bei einer bestimmten Spannung durch den Transistor fließen kann. Wenn der Transistor zwischen den Zuständen „Ein“ (gesättigt) und „Aus“ (unterbrochen) wechselt, ist es wichtig zu wissen, bei welcher Spannung und Stromstärke das Element schadfrei betrieben werden kann. Bei einer Überschreitung dieser Grenzwerte kann es zu einem Ausfall des Transistors kommen. Diese müssen daher für die Gewährleistung des sicheren Betriebs des Netzteils bekannt sein. Die DPOPWR-Software stellt diese Informationen in Form einer einzelnen Kurve dar. Diese kann bei der Entwicklung verwendet werden, um die Schalttransistoren in einem Schaltnetzteil unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu testen. Auf diese Weise wird die Entwicklung der Schutzschaltung vereinfacht (Bild 3).
Eine optimale Eingangsanalyse
Der Transport der elektrischen Energie von einem Kraftwerk zum Verbraucher ist ein sehr komplexer Ablauf, der von der Erzeugung und Übertragung bis hin zur Verteilung in einem Stromversorgungsnetz reicht. Neben der Änderung der Menge der erzeugten Energie und dem allgemeinen Energiebedarf wirken sich auch Schwankungen der Wetterbedingungen und der Qualität der Leitungen zum Endverbraucher auf die „Gesamtqualität“ der Energie aus, die letztendlich die Last erreicht.
Da Schaltnetzteile für die Netzversorgung eine nichtlineare Last darstellen, sind die Kurvenformen der Netz-Eingangsspannungen und der Stromstärken nicht identisch. Strom wird nur während einer bestimmten Phase des Eingangszyklus aufgenommen, wodurch Oberwellen für das Eingangsstromsignal entstehen. Power Quality, Total Power Quality und Stromoberwellen sind gängige Messgrößen zur Analyse des Einflusses eines Netzteils auf die Netzversorgung.
Power Quality: Mit diesem Be- griff, zu Deutsch „Leistungsqualität“, wird die Fähigkeit der Last bezeichnet, mit der erhaltenen elektrischen Energie ordnungsgemäß zu funktionieren. Durch Messung der Leistungsqualität lassen sich die Auswirkungen von Verzerrungen durch nichtlineare Lasten ermitteln. Dies umfasst auch die vom Schaltnetzteil selbst erzeugten nichtlinearen Lasten. Die Messung der Leistungsqualität am Eingang des Schaltnetzteils zeigt, wie gut das Gerät bei der vorhandenen Qualität der Netzleistung funktioniert (Bild 4).
Oberwellen im Stromsignal: Netzteile stellen in der Praxis nichtlineare Lasten dar. Das heißt, die Last nimmt zu und ab, wenn der Anwender die Betriebsfunktionen ändert und Geräte sich erwärmen oder abkühlen. Diese Laständerungen führen zu Verzerrungen der Spannungs- und Stromstärken-Wellenformen. Ursache dieser Nichtlinearität sind Stoßströme, die beim Ein- und Ausschalten eines Netzteils durch die ohmschen, kapazitiven und induktiven Lasten erzeugt und auf die eingehende Netzversorgung verteilt werden. Darüber hinaus können Änderungen der Quellspannung zu einer nichtlinearen Netzteilfunktion führen. Die Leistungsmessungs-Software bietet hierfür eine einfache und schnelle Möglichkeit zur Darstellung der Reaktion der Eingangsleistung auf diese Laständerungen.
Total Power Quality: Die DPOPWR-Software bietet eine Analyse der Gesamtleistungsqualität mit einer Zusammenfassung der Leistungsqualität sowie die spektralen Harmonischen des Systems.
- Netzteil-Analyse mit dem Scope
- Charakterisierung des Netzteils: Welche Messungen sind wichtig?
- Die Ausgangsanalyse, Vorab-Konfirmitätsprüfung und digital geregelte Netzteile
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