Netzgeräte - Carl-Engler

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Laborgerät: Netzgerät und elektronische Last
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Laborgerät: Netzgerät und elektronische Last
1.
Begriffserläuterungen
1.1
Quellen, Senken und Lasten
Für die elektrische Versorgung von Schaltungen und Geräten, für die Generierung von Signalen und zur
Simulation von Lastfällen werden Geräte bzw. Schaltungen eingesetzt, die als Quellen (Abgabe
elektrischer Energie) bzw. Senken (Aufnahme elektrischer Energie) bezeichnet werden. Als Laborgerät
wird eine Senke häufig das Verhalten eines ohmschen Widerstandes mit veränderbarem Widerstandswert
simulieren und heißt dann „elektronische Last“.
1.2
2. Bezeichnungen von Quellen
Die Quellen lassen sich bezüglich der Größe, auf die steuernd oder regelnd Einfluss genommen werden
kann, in Strom- bzw. Spannungsquellen unterscheiden. Spezielle Bezeichnungsweisen ergeben sich aus der
Arbeitsweise oder dem Verwendungszweck.
Strom- und Spannungsquellen
Eingangs-Energieform
Elektrische Energie
Power Supply
Merkmal:
Ausgangsleistung
Calibrator
Merkmal:
Genauigkeit
Sonstige, z.B.
Gleichrichter
Wechselrichter
DC-DC-Umformer
Eingangs-Energieform
Sonstige
z.B. Batterie
Akku
Solarzelle
Thermogenerator
Dynamo
Netzgeräte sind Geräte zur Strom- und Spannungsversorgung, die für den Anschluss ans Versorgungsnetz
(230V) vorgesehen sind.
Einspannungsgeräte besitzen einen einzigen Ausgang für Strom bzw. Spannung.
Bei Mehrspannungsgeräten sind mehrere Quellen zu einer baulichen Einheit zusammengefasst.
Weiter lassen sich Quellen daran unterscheiden, ob ihre Ausgangsgröße (Strom, Spannung, Leistung) fest
vorgegeben, bzw. stufenweise oder kontinuierlich einstellbar ist.
Ist die Polarität der Ausgangsspannung festgelegt, spricht man von einem unipolaren Ausgang. Wenn die
Polarität der Ausgangsspannung auch wechseln kann, heißt der Ausgang bipolar.
Sind bei einem Mehrspannungsgerät zwei Spannungen mit gemeinsamem Bezugspunkt immer von gleichem
Betrag, aber umgekehrter Polarität, so heißen diese beiden Spannungen zueinander symmetrisch.
Bei einem potentialfreien Ausgang besteht keine leitende Verbindung zwischen der Ausgangsschaltung der
Quelle und anderen elektrischen Systemen. Ein Ausgang wird massebezogen, wenn ein Pol mit der
Gerätemasse verbunden ist. Besteht darüber hinaus eine Verbindung zur Erde (z.B. über den Schutzleiter
des Versorgungsnetzes), heißt der Ausgang geerdet, sonst erdfrei.
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potentialfrei
Positive Spannung
massebezogen
Negative Spannung
massebezogen
Symmetrische Spannungen
massebezogen
Potentialbezug von Quellen und Senken
Die Bauformen von Quellen, Senken und Lasten reichen vom Integrierten Schaltkreis (IC) über steckbare
Module, Leiterplatten-Einschübe, Einschübe für 19“-Systeme oder sonstige Standards bis zu Stand-AloneLaborgeräten.
Ein solches Laborgerät heißt systemfähig, wenn es über eine Schnittstelle mit anderen Laborgeräten zu
einem Messsystem vernetzt werden kann und wenn die Gerätefunktionen über dieses Netz (z.B. IEC-Bus)
gesteuert werden können.
2.
Verhalten realer Quellen
Eine reale Strom-/Spannungsquelle wird durch ihre Belastungskennlinie beschrieben. Bei zunehmender
Belastung sinkt normalerweise die an den Anschlussklemmen anstehende Spannung (Klemmenspannung).
Bei einem linearen Zusammenhang zwischen Strom- und Spannungsänderung lässt sich das Verhalten auch
durch den Wert eines Innenwiderstandes angeben. Im allgemeinen Fall wird das Verhalten durch die
Funktion des differentiellen Innenwiderstandes beschrieben.
Bei spannungsgeregelten Quellen ist der differentielle Innenwiderstand Null, d.h. ∆U=0 und damit
Ri=∆U/∆I=0. Bei stromgeregelten Quellen ist der differentielle Innenwiderstand unendlich groß, d.h. ∆Ι=0
und damit Ri=∆U/∆I=“unendlich“.
Im unbelasteten Fall (Lastwiderstand unendlich) liegt an den Klemmen die Leerlaufspannung. Es fließt
kein Strom. Bei einem Kurzschluss über den Ausgangsklemmen fließt der Kurzschlussstrom, die
Klemmenspannung ist Null.
Die maximale Leistung wird dann im angeschlossenen Widerstand umgesetzt, wenn Innenwiderstand =
Außenwiderstand gilt (Leistungsanpassung).
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3.
Regelverfahren
3.1
Regelung
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3 (13)
Bei einer ungeregelten Quelle sind alle Ausgangsgrößen (Spannung, Strom, Leistung) voneinander abhängig
und ändern sich somit bei wechselnder Belastung bzw. bei wechselnder Versorgung.
Der Regler hat die Aufgabe, die zu regelnde Ausgangsgröße durch Variation einer anderen Größe auf einem
vorgegebenen Wert zu halten. So wird bei einer Spannungsregelung der Strom so lange verändert, bis der
Sollwert der Spannung erreicht ist.
3.2
Linearregler
Ein Linearregler kann seinen Widerstand
kontinuierlich verändern. Er wirkt wie ein
steuerbarer Widerstand. Im Beispiel wird
der Widerstand der Collector-EmitterStrecke eines bipolaren Transistors durch
einen Basisstrom verändert. Vorteilhaft
sind die guten Regeleigenschaften, geringe
Brummspannungen
und
geringe
Bauteilekosten. Nachteilig ist die große
Wärmeleistung,
die
im
Stellglied
umgesetzt wird.
3.3
Schaltregler
Beim Schaltregler wird in schnellem Wechsel ein- und ausgeschaltet. Die Variation im Tastgrad führt zu
unterschiedlichen Effektivwerten. Da im Schalter immer entweder die Spannung oder der Strom gleich
Null ist, gibt es dort (fast) keine Verlustleistung. Die Schaltfrequenz liegt häufig bei 20kHz (außerhalb des
Hörbereichs), kann aber auch wesentlich höher liegen (300kHz). Mit Filterschaltungen müssen die entstehenden hochfrequenten Anteile der Rechteck-Signale wieder unterdrückt werden.
Bei der sekundär-getakteten Regelung wird die Netzspannung zuerst transformiert, gleichgerichtet und
geglättet und dann durch den Schaltregler in Einzelimpulse mit variablem Tastgrad zerhackt.
Bei der primär-getakteten Regelung findet der Schaltvorgang bereits auf der Primärseite des Netz-Trafos
statt. Um die beim Schalten auftretenden hohen Induktionsspitzen zu vermeiden, kann mit Hilfe einer
entsprechenden Logik dafür gesorgt werden, dass der Schaltvorgang immer zur Zeit des Nulldurchgangs
der Spannung stattfindet. Dies macht die Regelung allerdings sehr langsam, so dass man statt dessen
lieber zuerst die Netzspannung gleichrichtet und glättet und dann die Spannung in viele Ein zelpulse
zerhackt. Dann kann wegen der höheren Schaltfrequenz ein viel kleinerer Trafokern (auch Ferrit-Kern)
eingesetzt werden. Die Regelelektronik überbrückt hier allerdings wieder die durch den Trafo erreichte
galvanische Trennung vom Netz (daher z.B. Zerhackersignal durch Lichtschranke trennen).
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Der Vorteil des Schaltreglers liegt beim hohen Wirkungsgrad, bei geringer thermischer Belastung und der
Gewichts- und Volumeneinsparung durch den kleineren Trafo. Nachteilig sind die großen Induktivitäten
bzw. Kapazitäten, die zur Glättung notwendig sind. Damit nimmt auch die Regelungsgeschwindigkeit ab.
Eine Erhöhung der Schaltfrequenz könnte dies ausgleichen, erhöht aber die Streuverluste des Trafos.
3.4
Hybridregler
Beim Hybridregler wird durch eine Schaltfunktion (z.B. Thyristor-Phasen-Anschnittssteuerung) eine Vorregelung vorgenommen, die die Verlustleistung reduziert. Die nachfolgende Linearregelung nutzt alle Vorteile dieses Reglertyps.
4.
Betriebsarten
4.1
Kennlinien-Darstellungen
Wenn durch die Regelung eine Ausgangsgröße konstant gehalten werden soll, dann müssen andere Größen
frei variiert werden können. Der in der Praxis am häufigsten anzutreffende Fall ist die
Spannungsstabilisierung. Bei wechselnder Belastung muss sich der Strom (und damit auch die Leistung) so
verändern können, dass die Spannung konstant gehalten werden kann.
Im Gegensatz zur Darstellung von Bauteile-Kennlinien werden bei der Darstellung der Kennlinien von
Quellen und Senken manchmal die Achsen von Strom und Spannung vertauscht. Die folgende
Unterscheidung orientiert sich nicht an einer Kennlinien-Systematik, sondern an den verfügbaren GeräteRealisierungen.
4.2
Spannungsstabilisierung
(CV: Constant Voltage)
U
Über einen bestimmten Belastungsbereich wird durch Variation
des Stroms die Spannung konstant gehalten. Der differentielle
Innenwiderstand
liegt
bei
0
Ohm.
Oberhalb
des
Stabilisierungsbereichs (Lastwiderstand zu klein) sinkt die
Spannung mit zunehmender Belastung.
I
4.3
Stromstabilisierung (CC: Constant Current)
Über einen bestimmten Belastungsbereich wird durch Variation der Spannung der Strom konstant
gehalten. Der differentielle Innenwiderstand liegt bei unendlich. Unterhalb des Stabilisierungsbereichs
(Lastwiderstand zu groß) sinkt der Strom mit größer werdendem Belastungswiderstand.
4.4
Spannungsstabilisierung mit Strombegrenzung (Current Limiting, Fold Back)
Eine Strombegrenzung verhindert das Anwachsen des Stroms über
einen festgelegten Wert hinaus. Dieser Begrenzungswert ist oft
nicht sehr stabil (Temperatur, Alterung). Im Übergangsbereich
zur einsetzenden Strombegrenzung sind häufig weder Strom noch
Spannung stabil.
U
U
I
I
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Mit Hilfe einer Stromrücknahme (fold back) ergibt sich ein
zusätzlicher Schutz der angeschlossenen Schaltung, allerdings
ohne die Möglichkeit der Stromstabilisierung.
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4.5
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Spannungs- und Strom-Stabilisierung
Es kann jeweils nur eine der beiden Regelungen aktiv sein. Bei
großem Belastungswiderstand (steile Widerstandskennlinie)
stellen sich die Werte für Strom und Spannung ein, die sich
durch den Schnittpunkt mit der waagrechten Linie konstanter
Spannung
ergeben.
Eine
kleine
Variation
des
Belastungswiderstandes führt zu einer Stromänderung bei
konstanter Spannung. Erst bei stärkerer Belastung (kleiner
Widerstand, flache Widerstandskennlinie) wird der Arbeitspunkt
auf der senkrechten Linie liegen. Kleine Widerstandsänderungen
führen dort zu Änderungen der Spannung bei konstantem Strom.
4.6
U
Bereich CV
Bereich
CC
I
Leistungsregelung
Eine Quelle ist sowohl in der Maximalspannung und im
Maximalstrom, als auch in der maximalen Leistungsabgabe
begrenzt. Die Leistungsgrenze stellt sich im U-I-Diagramm als
Hyperbel dar. Bei den meisten Geräten ist diese Kurve keine
eindeutige Linie. Sie kann von der Temperatur, der
Betriebsdauer und der Belastungsvorgeschichte abhängen. Nur
wenn Spannung und Strom permanent auf einen konstanten Wert
der Leistung hin nachgeregelt werden, bleibt der Arbeitspunkt
auf einer Linie konstanter Leistung.
4.7
5 (13)
U
Bereich CV
Constant
Power
Bereich
CC
I
Derating
Die bei der Regelung entstehende Verlustleistung (Wärme)
begrenzt die Leistung im oberen Spannungs- und Strombereich.
Diese Einschränkung wird Derating genannt.
U
Bereich CV
Derating
Bereich
CC
I
4.8
Hinweis:
Neben der Stabilisierung der Spannung (CV: Constant Voltage), der Stabilisierung des Stroms (CC: Constant
Current) und der Stabilisierung der Leistung (CP: Constant Power) lassen sich manche Geräte auch als
Stromsenke (elektronische Last) mit dem Betriebsmodus konstanter Widerstand (CR: Constant Resistor)
betreiben.
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5.
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Kenngrößen von Quellen
Die Eigenschaften einer Quelle werden durch technische Daten (Kenndaten) beschrieben, die
normalerweise im Gerätehandbuch zu finden sind. In der rechten Spalte der Tabelle sind hier
Beispielswerte oder beschreibende Begriffe aufgeführt.
Größe
Beispiel
Spannungsbereich
Auflösung
Genauigkeit
3.0 Volt bis 25.0 Volt
0.05 Volt
0.1 Volt
Strombereich
Auflösung
Genauigkeit
0.0 Ampere bis 4.0 Ampere
0.005 Ampere
0.01 Ampere
Maximale Leistung
100 Watt
PARD
(Periodic And Random
Deviation=
Restwelligkeit und
Rauschen)
2 mV effektiv
Einschaltverhalten
Einschaltstrom
auf Netzseite
Anlauf
Regelverhalten
Verhalten bei
Laständerung
Testprozedur
Einstellzeit
Grenzfrequenz
12 Ampere (hoher Strom zum Laden der
Kondensatoren)
Soft Start (kein Vorteil für Anwender)
Ohne / mit Ausgangskapazität
Umschalten mit f=1kHz zwischen 10%
und 90% von Imax
für +/- 50 mV Toleranzband
für analoge bzw. digitale Steuerung
Störfestigkeit
z.B. Burst 2 kV, 2.5 kHz auf Netz
(normale industrielle Umgebung nach VDE)
z.B. Einzelimpuls auf Netz 700V
Leistungsgrenzen
Overrating
Derating
Leistungsbereich
erweitert bei geringerer Temperatur
eingeschränkt bei erhöhter Temperatur
Kühlung
Kühlblech, Kühlkörper, Lüfter
Gerätesteuerung
Frontplattenbedienung (Front Panel)
Slave-Funktion mit Analog-Eingang
Computerschnittstelle
Gerätefunktionen steuerbar
Strom- und Spannungswerte rücklesbar
Service Request (SRQ)
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6.
Schutzfunktionen
6.1
Gerät und Schaltung
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Schutzfunktionen haben einerseits die Aufgabe, das Gerät vor Überlastung und Störung zu schützen und
andererseits, Schäden in der angeschlossenen Schaltung zu vermeiden.
6.2
Stromabschaltung (Current Cutoff)
Sobald ein vorgegebener oder voreingestellter Strom erreicht ist, wird der Ausgang abgeschaltet. Der
Ausgang muss entweder neu eingeschaltet werden, oder er schaltet sich von selbst wieder ein, wenn die
Belastung so verringert wird, dass der Strom wieder im zulässigen Bereich liegt. Die Stromabschaltung
kann bei angeschlossenen Induktivitäten zu hohen Induktionsspannungen führen.
6.3
Strombegrenzung (Current Limiting)
Beim Erreichen einer festgelegten Stromgrenze geht das Gerät in einen ungeregelten Zustand über, in dem
der Strom den ungeregelten Grenzwert annimmt und die Spannung unstabil ist, oder es findet eine
Umschaltung auf Stromstabilisierung statt.
6.4
Stromrücknahme, Leistungsrücknahme (Foldback)
Beim Erreichen der festgelegten Grenze des Stroms oder bei Überschreitung einer festgelegten
Gerätetemperatur werden Strom und Spannung auf einen ungeregelten Zustand (mit I <> 0)
zurückgenommen. Diese Funktion dient dem Schutz des Gerätes und ist besonders bei Serienregelungen
sinnvoll, da sonst die Verlustleistung im Gerät zu groß wird.
6.5
Ausgangskurzschluss (OPV: Over Voltage Protection)
Bei Überspannungen am Ausgang oder am Sensing-Eingang wird der Ausgang durch eine sehr schnelle
Elektronik kurzgeschlossen. Dadurch wird die angeschlossene Schaltung geschützt (z.B. bei Gerätefehler,
Bruch der Fühlerleitungen oder Geräte-Fehlbedienung).
6.6
Ausfall-Überwachung (Power Fail Signal)
Dieses Signal meldet dem Anwender bzw. der Anwenderelektronik einen bevorstehenden Zusammenbruch
der Spannung. Die Leistung aus den Ladekondensatoren reicht z.B. für 20 ms, so dass während dieser Zeit
auf eine Ersatzquelle umgeschaltet werden kann oder noch Daten eines numerischen Prozesses gerettet
werden können. Man unterscheidet zwei Arten der Ausfall-Überwachung:
●
PPF: Primary Power Fail (überwacht den Ladekondensator)
●
SPF: Secondary Power Fail (überwacht die Ausgangsspannung auf Unterschreitung)
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7.
Fühlerleitungen
7.1
Spannungsrichtiges Messen
8 (13)
Bei langen Zuleitungen oder niederohmigen Lasten entsteht auf den Zuleitungen ein Spannungsabfall, der
häufig nicht mehr vernachlässigt werden kann. Es kann zwar die Ausgangsspannung an den Klemmen der
Quelle auf einen Sollwert geregelt werden, nicht aber die Spannung an der Last. Separate Fühlerleitungen
erfassen den Istwert der Spannung an der Last. Über diese Fühlerleitungen fließt praktisch kein Strom, so
dass der Widerstand dieser Leitungen die Messung nicht beeinflusst (spannungsrichtiges Messen). Die
Spannung wird so lange nachgeregelt, bis der Istwert an der Last dem vorgegebenen Sollwert entspricht.
V
7.2
Sensing
Achtung !
Bei einer Unterbrechung der Fühlerleitungen oder einem Kurzschluss erhält der Regelkreis als Istwert den
Wert Null und regelt an den Anschlussklemmen auf den höchstmöglichen Spannungswert nach. Hier hilft
die oben beschriebene OVP-Schutzmaßnahme.
Damit die Fühlerleitungen nicht zu Aufnehmern von Störungen werden, sollten sie immer verdrillt verlegt
oder als geschirmte Leitung ausgeführt werden.
Beim Verzicht auf die Remote-Sensing-Funktion müssen die Sensing-Anschlüsse (Fühlerleitungen) direkt
mit den zugehörigen Ausgangsklemmen verbunden werden.
V
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Sensing
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8.
Fernsteuerung (Remote Control)
8.1
Ferngesteuerte Grössen
9 (13)
Der Sollwert der Regelgröße eines Gerätes muss während eines Versuchslaufs verändert werden können.
Bei Quellen ist die Regelgröße meist Spannung oder Strom. Bei einer elektronischen Last kann dies
Spannung, Strom, Leistung oder Widerstand sein. Verfahren zur Steuerung dieser Größen sind:
●
Analoge Steuerung (Tracking)
●
Binäre Steuerung (Remote Inhibit Line)
●
Digitale Steuerung
8.2
Analoge Steuerung (Tracking)
Die Ausgangsgröße (z.B. Spannung) folgt der am Steuereingang anliegenden Spannung entweder direkt
oder proportional. Das Verhalten gleicht einem Gleichspannungsverstärker hoher Ausgangsleistung. Auch
eine proportionale Steuerung des Stroms bzw. eine proportionale Regelung der Leistung ist möglich.
Analoge Ansteuerungen sind nicht abhängig von Taktzeiten oder Nachrichten-Laufzeiten. Sie erfordern
wegen möglicher Störungen allerdings eine räumliche Nähe der Signalquelle.
Bei Mehrfach-Quellen lassen sich mit einer Steuerspannung mehrere Ausgänge synchron steuern. So ist es
auch möglich, mit einer Steuerspannung symmetrische Spannungen zu steuern.
8.3
Binäre Steuerung (Remote Inhibit Line)
Für einfache Steuerungen, wie das Ein- und Ausschalten von Funktionen, kann ein binärer Eingang am
Netzgerät vorgesehen sein. Über diesen lässt sich (z.B. mit einem TTL-Signal) die zugehörige Funktion
ausführen (Enable/Disable).
8.4
Digitale Steuerung
In automatisierten Mess- und Steuereinrichtungen müssen sämtliche Gerätefunktionen, insbesondere
natürlich der Sollwert der Regelgröße, fernsteuerbar sein. Dies geschieht meist mit digitalen Signalen über
eine genormte Schnittstelle.
Bei komplexen Abläufen (z.B. zur Simulation von Störungen) kann es erforderlich sein, den Sollwert der
Ausgangsgröße nach komplizierten Zeitfunktionen zu steuern. Manche Geräte besitzen bereits eingebaute
Standardfunktionen wie z.B. "Puls", "Sprung", "Rampe" oder "Burst", andere ermöglichen die punktweise
Vorgabe einer Zeitfunktion über die Schnittstelle (Arbitrary-Funktion).
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9.
Mehrere Lasten bzw. Quellen
9.1
Anschluss mehrerer Lasten
Beim
Anschluss
mehrerer
Lasten
an
eine
spannungsstabilisierte Quelle
sollten die Zuleitungen und die
Sensing-Leitungen
auf
Verzweigungspunkte in der
Nähe der Lasten führen, wobei
von hier aus die Zuleitungen zu
den einzelnen Lasten möglichst
kurz gehalten werden. Der
Spannungsabfall
auf
den
Zuleitungen
bis
zum
Verzweigungspunkt kann so
ausgeregelt werden.
9.2
V
10 (13)
Sensing
Gemeinsame Potentiale mehrerer Quellen
Die Strom-, Spannungs- und Leistungsbereiche lassen sich durch geeignete Kombination von Quellen
erweitern. Zu beachten ist dabei vor allem die Festlegung eines gemeinsamen Bezugspunktes und die
Verteilung der Belastung auf die beteiligten Quellen. Sind die Ausgänge der Quellen bereits auf ein
bestimmtes Potential bezogen, dann lässt sich jede Spannung in Bezug auf dieses Potential als positiv oder
negativ angeben. Sind alle Quellen potentialfrei, dann kann ein gemeinsames Potential frei gewählt
werden.
9.3
Reihenschaltung von Quellen
Bei der Reihenschaltung addieren sich die Teilspannungen zur Gesamtspannung. Die Teilspannungen
spannungsstabilisierter Quellen müssen nicht gleich groß sein. Der maximale Gesamtstrom wird durch die
schwächere Quelle bestimmt. Stromstabilisierte Quellen sind in Reihenschaltung nicht stabil.
9.4
Parallelschaltung von Quellen
Bei der Parallelschaltung von Quellen ergibt sich der Gesamtstrom aus der Summe der Teilströme. Die
beiden Teilströme stromstabilisierter Quellen müssen nicht gleich groß sein. Spannungsstabilisierte
Quellen sind in Parallelschaltung nicht sinnvoll, da sich immer eine der Quellen selbst abschaltet.
9.5
Gemeinsame Steuerung: Folgesteuerung (Tracking)
Bei Reihen- oder Parallelschaltung von Quellen, aber auch dann, wenn mehrere einzelne Quellen eine
Versuchseinrichtung versorgen, kann es erforderlich werden, die Ausgangsgröße (meist Spannung) synchron
zu verändern. Neben dem synchronen Ein- und Ausschalten kommen folgende Fälle vor:
●
●
●
alle Spannungen sind gleich groß
alle Spannungen sind betragsgleich (umgekehrte Vorzeichen möglich)
alle Spannungen stehen in einem festen Verhältnis zueinander
Folgende Steuerverfahren sind hierfür gebräuchlich:
●
Der Ausgang einer jeden Quelle wird über einen analogen Steuereingang an jedem Gerät von einer
einzigen Steuerspannung geführt
●
Der Ausgang einer Quelle (Master) wird auf die Steuereingänge der anderen Quellen (Slaves)
geführt, deren Ausgangsgröße gleich oder proportional von ihrem Steuereingang abhängt
Mit einer digitalen Gerätesteuerung (z.B. über ein Computerinterface) werden nacheinander die neuen
Einstellparameter an die Einzelgeräte übertragen und mit einem gemeinsamen Trigger ausgelöst.
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10.
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Masse-Anschlüsse
10.1 1. Masse (CP: Common Point) und Erde (GND: Ground)
Als Bezugspunkt der Spannungsmessung dient häufig das
mechanische Gerüst oder Gehäuse des Gerätes (Masse)
Dieses Massepotential ist bei
Geräten, die am elektrischen
Versorgungsnetz
betrieben
werden, über den Schutzleiter
(S.G.: Save Guard) mit der
Erde verbunden.
V
Sensing
Bei massefreien bzw. erdfreien elektronischen Schaltungen
besteht
diese
Verbindung
isolierte Quelle
nicht. Man nennt diese Schaltungen auch "mit schwebendem Potential". Empfindliche
Elektronikbauteile
können
zerstört oder beschädigt werden, wenn minimale Ladungen, die über den hohen Isolationswiderstand zur Erde abV
Sensing
fließen, zu großen elektrischen Spannungen führen.
Diese Ladungen entstehen z.B.
beim Gehen über einen Kunststoffboden (statische Elektrizität) und entladen sich beim
geerdete Quelle
Berühren der Schaltung. Normalerweise ist ein Punkt einer
elektronischen Schaltung mit der "Erde" verbunden (außer bei Batteriebetrieb).
geerdete Last
isolierte Last
10.2 Masse-Schleife bzw. Erd-Schleife
Bestehen mehrere Verbindungen zur "Masse" bzw. "Erde", so
können Leiterschleifen entstehen, die als Induktionsschleifen wirken. Störungen des Magnetfeldes induzieren über
diese Leiterschleifen StörspanV
Sensing
nungen in die Elektronik. Die
beiden Masse- bzw. Erdpunkte
liegen nicht mehr auf gleichem
elektrischem Potential. Es ist
daher sinnvoll, alle MasseleiMasse-Schleife
tungen sternförmig auf einen
geerdete Last
geerdete Quelle
zentralen Massepunkt zu führen, der dann als einziger mit
der "Erde" verbunden wird. Als weitere Maßnahme zur Vermeidung von Induktionsschleifen sollten längere
Leitungspaare miteinander verdrillt verlegt werden.
10.3 Wechselspannungsmasse
Manche Schaltungen, wie z.B. Brückenschaltungen müssen massefrei mit Gleichspannungen versorgt
werden (schwebende Gleichspannung). Mit einem Kondensator (ca. 1µF) zwischen dem Bezugspunkt
"Masse" der Schaltung und "Erde", kann die Schaltung wechselspannungsmäßig geerdet werden.
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Vier-Quadranten-Betrieb
11.1 Quelle und Senke
Quelle und Senke unterscheiden sich durch die Richtungen von Spannungs- und Strompfeil. Die Quelle gibt
einen Energiestrom ab, die Senke nimmt einen Energiestrom auf.
I
I
U
U
Quelle
Senke
11.2 Betriebsarten
Zusammen mit den beiden Polungsmöglichkeiten ergeben sich vier verschiedene Betriebszustände, die sich
den vier Quadranten des Koordinatensystems mit der Spannung bzw. dem Strom als Achsen zuordnen lassen.
Bisher wurde der Betrieb im 1. Quadranten betrachtet (unipolare Quelle). Bei einem bipolaren Ausgang
kann die Polarität der Spannung gewechselt werden. Bei einer Quelle wechselt damit auch die Polarität
des Stroms. Dieser Fall wird im 3. Quadranten dargestellt.
An eine Senke wird von außen eine Spannung angelegt. Das Regelungsprinzip einer Senke unterscheidet sich nicht von
dem einer Quelle, lediglich die Stromrichtung ist umgekehrt.
Nicht alle Quellen lassen sich auch als
Senken einsetzen. Als Stellglied der Regelung muss ein System eingesetzt sein,
bei dem beide Stromrichtungen möglich
sind. Dies ist z.B. bei einem bipolaren
Transistor nicht der Fall.
Typisch Kombinationen möglicher Betriebszustände bei Labor-Netzgeräten sind:
Unipolare Quelle
1. Quadrant
Unipolare Quelle / Senke
1. und 2. Quadrant
Bipolare Quelle
1. und 3. Quadrant
Bipolare Quelle / Senke
1. bis 4. Quadrant
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11.3 Elektronische Last
Als "Elektronische Last" bezeichnet man elektronisch geregelte Systeme, die nur im 2. Quadranten oder im
2. und 4. Quadranten arbeiten.
Elektronische Lasten werden in Testsystemen eingesetzt, wo sie verschiedene Belastungsfälle simulieren.
Die zugeführte Energie wird in der Regel in Wärme umgesetzt. Manche Systeme verwenden auch die
zugeführte Energie zum Betrieb der Regelelektronik. Dadurch kann auf eine zusätzliche Versorgung
verzichtet werden. Als Regelgröße kommen Spannung, Strom, Widerstand und Leistung vor, deren Sollwert
in gewissen Grenzen variiert werden kann.
●
Regelgröße Spannung:
Der Innenwiderstand der Senke verändert sich so, dass die Spannung der belasteten Quelle auf den
vorgegebenen Wert zusammenbricht.
●
Regelgröße Strom:
Der Innenwiderstand der Senke verändert sich so, dass die angeschlossene Quelle mit dem
vorgegebenen Strom belastet wird.
●
Regelgröße Widerstand:
Die Senke verhält sich wie ein einstellbarer ohmscher Widerstand mit festlegbarem
Widerstandswert.
●
Regelgröße Leistung:
Durch eine Rechenschaltung wird aus Strom und Spannung der Istwert der Leistung bestimmt und
der Widerstand der Senke entsprechend nachgeregelt.
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