Die optimale Systemkonfiguration
Stromversorgungen: Welche Parameter sind wichtig?
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Wichtig auch: gute Trennung zum AC-Eingang
Der Grad der Isolation des Ausgangs einer Stromversorgung von der Netzleitung ist ein wichtiger Aspekt für die Qualität einer Stromversorgung. Ein Schaltungskonzept mit hoher Isolations-impedanz minimiert Stör-Überlagerungen auf dem Ausgang. Die Isolationsimpedanz kann als sehr gut eingestuft werden, wenn die Impedanz größer als 1 GΩ parallel zu weniger als 1 nF ist sowie der Gleichtaktstrom unter 5 μA liegt. Leider erreichen nicht alle Stromversorgungen diesen Wert.
Lineare Designs können die Gleichtakt-Spezifikation erfüllen, erreichen aber oftmals nicht den DC-Widerstand und Kapazitätswert; Schaltnetzteile haben dagegen einen geringeren Kapazitätswert und eine höhere DC-Isolation, aber einen zu hohen Gleichtaktstrom. In einigen Anwendungen, wie beim Test einer potenzialfreien Stromversorgung, sind der DC-Isolationswiderstand und der Kapazitätswert die wichtigeren Spezifikationswerte. Aber auch eine Stromversorgung, die einen Widerstands-Spannungsteiler mit einer niedrigen Spannung oder ein Picoamperemeter mit einem sehr niedrigen Strom versorgt, können einen niedrigen Gleichtaktstrom erfordern, allerdings spielt hier die Isolationsimpedanz keine Rolle.
Die drei wichtigsten Isolationsparameter einer Stromversorgung sind erstens der Isolationswiderstand zwischen der Primär- und der Sekundär-Wicklung des Transformators, zweitens die Streukapazität zwischen den Wicklungen und drittens der Gleichtaktstrom.
Die Messung des Isolationswiderstands erfolgt durch eine DC-Charakterisierung der Isolation zwischen dem Masseausgang der Stromversorgung und dem Chassis. Gut entwickelte Stromversorgungen, wie beispielsweise die Produkte der Serie 2200 von Keithley, erlauben einen Spannungsunterschied zwischen dem Ausgang und dem Chassis von mindestens 100 V. Dies ist ein Hinweis auf einen hohen Isolationswiderstand zwischen der Primärwicklung und dem Masseausgang auf der Sekundärseite. Im Zuge eines Vergleichs wurden kürzlich die Isolationswiderstände von Stromversorgungen von zwei verschiedenen Anbietern ermittelt, wobei der Masseanschluss des offenen Ausgangs auf 200 V gelegt und dann der resultierende Strom mit einem Elek-trometer gemessen wurde (Bild 5a). Bei einer Stromversorgung lag der Strom bei 130 nA, was einem Isolationswiderstand von 1,5 GΩ entspricht; beim zweiten Gerät wurden 65 nA gemessen, wodurch sich ein Isolationswiderstand von 3 GΩ ergibt. Beide Ergebnisse sind als gute Werte einzustufen.
Die Streukapazität ist ein Wechselspannungs-Parameter, der Auskuft über interne Koppelpfade gibt: Bei einem unsauberen Design nämlich übertragen sich Störungen auf der Primärseite des Transformators auf die Sekundärseite. Der Kapazitätswert kann mit Hilfe eines LCR-Messgeräts zwischen dem Masseausgang und der Gerätemasse der Stromversorgung mit offenem Ausgang gemessen werden (Bild 5b). Bei der Messung mit 1 kHz ergab sich für die Streukapazität bei der ersten Stromversorgung ein Wert von über 18 nF; bei der zweiten Stromversorgung wurden 800 pF gemessen. Bei 100 Hz wurden Kapazitätswerte von 20 nF beziehungsweise 1,15 nF ermittelt.
Der Gleichtaktstrom ist ein Maß für den Störpfad zwischen dem Masseausgang und dem Chassis der Stromversorgung während des Betriebs der Stromversorgung. Eine gut entwickelte Stromversorgung mit richtiger Abschirmung sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite des Transformators zeichnet sich durch einen sehr kleinen Gleichtaktstrom aus (meist im μA-Bereich). Dieser kleine Strom kann mittels eines rauscharmen Oszilloskops und eines breitbandigen Stromverstärkers gemessen werden (Bild 6). Die mit dem Oszilloskop gemessenen Spannungen entsprechen dem jeweiligen Gleichtaktstrom der Stromversorgung (Bild 7 und 8). Für die erste Stromversorgung wurde ein Gleichtaktstrom von ungefähr 4 μA und für die zweite Stromversorgung von etwa 20 bis 30 μA ermittelt. Beide Stromversorgungen verfügen über eine gute Isolation, trotzdem können die jeweiligen Parameter sehr unterschiedlich ausfallen.
Trennung zwischen Primär- und Sekundärseite ist sehr wichtig
Im Allgemeinen gilt: Je geringer die Kopplung zwischen Primär- und Sekundärseite ist, desto niedriger sind die von der AC-Netzseite in die DC-Ausgänge eingekoppelten Stör-Überlagerungen. Das Problem wird aber komplizierter, wenn in der Anwendung noch zusätzliche Instrumente ins Spiel kommen. In diesem Fall kann eine ungenügende DC-Isolation in der Stromversorgung einen Leitungspfad für einen hohen Gleichtaktstrom von einem anderen Instrument darstellen.
Im Prinzip muss dadurch bei jeder Stromversorgungs-Anwendung sowohl die Auswirkung des Isolationswiderstands als auch des Kapazitätswerts der Stromversorgung auf das Testobjekt (DUT), aber auch der Pfad, auf dem der primäre und sekundäre Gleichtaktstrom fließt, betrachtet werden. Damit lässt sich die Störspannung (Gleichtaktstrom multipliziert mit der Pfadimpedanz) abschätzen. Falls die Störspannung zu hoch ist, müssen geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
Wenn das Testobjekt individuell isolierte Stromversorgungen benötigt, dann sind entweder mehrere individuell isolierte Stromversorgungen oder eine Stromversorgung mit mehreren galvanisch getrennten Ausgängen unerlässlich. Bei einer mehrkanaligen Stromversorgung muss immer sichergestellt werden, dass die Isolation zwischen den Kanälen besser ist als die zwischen den Schaltungen des Testobjekts gebotene Isolation.
Angaben hierzu sind oftmals nur schwer aus dem Datenblatt der Stromversorgung he-rauszulesen (dies gilt ebenso für die Anwendungsschaltung). Nicht alle Stromversorgungen haben vollständig galvanisch getrennte Kanäle, so dass der Anwender deren Charakterisierung bei hochwertigen Anwendungen selbst durchführen muss.
Wenn die Spannung an der Last sehr präzise eingestellt werden muss, sollten die Fehlerparameter im Ausgang der Stromversorgung und die Genauigkeit der Display-Anzeige genau untersucht werden. Natürlich kann die Gesamtgenauigkeit beeinträchtigt sein, wenn der Spannungs-Messwert direkt an den Ausgangsklemmen erfasst wird.
Die Messung sollte vielmehr direkt am Testobjekt erfolgen; hierzu benötigt die Stromversorgung aber zusätzliche Fühler-Messleitungen („Remote Sensing“) zum Testobjekt. Diese Messleitungen sollten am gleichen Punkt angeschlossen werden, an dem auch die Leistung in das Prüfobjekt eingespeist wird. Dadurch wird exakt die am Prüfobjekt anliegende Spannung gemessen, und die Stromversorgung kann einen Spannungsabfall auf den Verbindungsleitungen problemlos ausgleichen (Bild 9).
Weitere Informationen über die Auswahl der optimalen Stromversorgung für eine bestimmte Anwendung findet man übrigens in dem kostenlos zum Download angebotenen Applikationsbericht von Keithley.
Die Autoren:
Robert Green
ist Senior Market Development Manager bei Keithley, Cleveland, Ohio, das zum Test- und Messtechnik-Bereich von Tektronix gehört. Er hat einen B.S.-Abschluss in Electrical Engineering der Cornell University und einen M.S.-Abschluss in Electrical Engineering der Washington University, St. Louis, Missouri.
James Niemann
entwickelt als Ingenieur bei Keithley Instrumente zur Messung kleiner Signale. Er hat
einen Abschluss als Bachelor of Science in Electrical Engineering der University of Akron. Er kann auf eine Erfahrung von 23 Jahren in der Entwicklung von Messtechnik zurückblicken und hält drei Patente.
Qing D. Starks
ist seit 2006 Applikationsingenieurin bei Keithley. Zuvor war sie in der Entwicklung bei Infineon Technologies/Qimonda und Cypress Semiconductor tätig. Sie hat einen Abschluss als BSc in Electrical Engineering der University of Calgary und als MSc in Electrical Engineering der Stanford University.
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