Ein unter Autobesitzern immer wieder gern diskutiertes Thema sind die Verbrauchswerte ihrer fahrbaren Untersätze. Manche sprechen schon von Irreführung der Verbraucher, wenn das Auto 1-2 Liter mehr Verbrauch zeigt, als die Hersteller angeben. Aber ist es tatsächlich ein Betrug am Kunden oder sind wir da in einem Bereich, der in der Elektronikentwicklung schon lange bekannt ist, dass sich Laborwerte und Istwerte unterscheiden. Wie kommt es dazu? Stimmen die Angaben tatsächlich nicht oder gibt es Punkte, die zu beachten sind, wenn ein AC/DC-Netzteil oder ein DC/DC-Wandler in einer Schaltung eingesetzt ist? Schließlich sollte jedem klar sein, dass ein Auto auf einer definierten Teststrecke ohne viel Gewicht weniger verbraucht, als voll beladen mit einer vierköpfigen Familie den nächsten Alpenpass hoch. Ein Auto kauft man im Regelfall nach den persönlichen Bedürfnissen bzw. dem Budget entsprechend. Doch wie wählt man nun die passenden Komponenten für die Stromversorgung aus?
Die Bedarfsanalyse
Zuerst einmal sollte man die Anforderungen an die Stromversorgung definieren. Dabei stellen sich vorab schon einige Fragen, die als trivial bezeichnet werden können. Prinzipiell möchte man für die Applikation die Eingangsspannung auf ein neues Potential bringen. Soll dieses getrennt sein oder nicht? Welchen Ein -und/oder Ausgangsspannungsbereich hat und benötigt man bei welchem Ausgangsstrom? Für welche Bauform habe ich Platz bzw. geben andere Komponenten auf der Platine schon etwas vor? Für welches Endprodukt wird die Schaltung benötigt? Auf welche Normen ist zu achten (Industrie, Bahn oder Medizin)? In was für Umgebungsbedingungen wird die Anwendung eingesetzt? Wie zuverlässig soll/oder muss die ganze Schaltung sowie die gesamte Applikation sein?
Ein Porsche 911 ist ein tolles Auto, aber für eine Expedition durch den Dschungel Südamerikas wohl denkbar ungeeignet. Ein Allrad-Jeep wird für dieses Unterfangen die bessere Wahl sein. Aber so einfach wie mit dem passenden Fahrzeug ist es bei der Wahl der Stromversorgung nicht immer. Sind die Standardfragen geklärt, kommen wir zu denen, die wir in diesem Artikel etwas näher betrachtet wollen. Wie messe ich korrekt und vermeide Messfehler? Wie gehe ich mit der Restwelligkeit (Ripple & Noise) um? Was passiert beim Einschaltstromstoß?
Was ist bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) zu beachten?
Schaut man z.B. ins umfangreiche Produktportfolio eines Herstellers wie Traco wird man zahlreiche DC/DC-Wandler-Serien im Bereich um 3 Watt finden. Da gibt es dann die TVN-Serie mit extrem geringen Ripple & Noise oder THM welches über Medizinzulassungen verfügt. Open-Frame Varianten oder die TMR-WIR-Serie mit einer Isolation von 3000 VDC und der Zulassung für den Bahnbereich.
Wir hätten wohl alle gerne einen fertigen Wandler, der die benötigten Anforderungen direkt erfüllt. Aber der Regelfall bedeutet mehr Aufwand - weil die Anforderungen vielleicht mehr als einen Wandler oder eine Zusatzbeschaltung benötigt, um die gewünschten Werte zu erhalten. Was muss nun bestimmt werden, um eine passende Lösung zu finden? Erst einmal: Welche zu messenden Werte benötigt werden? So kann mit einer einfachen Messung recht einfach eine grobe Qualifizierung gemacht werden, in dem man Eingangs- und Ausgangsspannung und Strom am Wandler, an der Last und eventuell Veränderungen des Wirkungsgrads ermittelt.
Messfehler vermeiden
Grundsätzlich ist zu beachten, dass jede Messung den Ist-Zustand der Schaltung verändert. Dieser Einfluss sollte möglichst gering gehalten werden. Daher wird selbst für eine einfache Messung empfohlen, eine 4-Leiter-Messung einzusetzen. Durch unabhängige Leitungen für die Messung von Strom und Spannung gibt es weniger Einfluss auf die Ergebnisse. Sie werden durch die Eigenwiderstände der Messleitungen hervorgerufen. Auch sollte man an die Endanwendung denken. So können zum Beispiel in einem Operationssaal schon einmal 30 m Leitungen zwischen der Stromversorgung und der eigentlichen Last liegen. Die Last benötigt vielleicht 24 V also muss die Quelle eine entsprechend höhere Ausgangsspannung haben, um die Spannungsverluste auf der Leitung auszugleichen. Also muss man an der Last als auch an der Quelle messen. Das Beispielschaltbild zeigt eine klassische Vierleitermessung der Spannung an der eigentlichen Quelle.
Bestimmung der Restwelligkeit
Warum wird die Restwelligkeit, auch Ripple & Noise genannt, bestimmt? Abhängig von der Applikation könnte eben die Restwelligkeit eines DC/DC-Wandlers im eigentlichen Arbeitsbereich z.B. einer Messbrücke liegen und sollten entsprechend separat betrachtet und beachtet werden. Worum handelt es sich bei diesen und wie lassen sie sich sauber messen? Bei AC/DC- und DC/DC-Schaltungen spricht man vom Ripple, wenn durch interne Schaltungen unregelmäßige Störungen verursacht werden. Wohingegen als Noise die periodisch wiederkehrenden Peaks bezeichnet werden, welche durch das Pulsen des Übertragers in der Schaltfrequenz entstehen. Um dabei die tatsächlichen Werte zu bestimmen, muss der Messkopf direkt an den Pins - sowohl mit dem Massering als auch der Tastspitze - kontaktiert werden. Um die Ergebnisse mit den Angaben des Herstellers vergleichen zu können, wird am Oszilloskop die Bandbreite auf laborübliche 20 MHz begrenzt.
Für eine einfache Reduzierung der Restwelligkeit reichen in der Regel zwei parallel geschaltete Kondensatoren beispielsweise ein 100-nF-Metallfilmkondensator und ein 10-µF-Elektrolytkondensator aus. Dabei ist zu beachten, dass Datenblattangaben unter Laborbedingungen gemessen werden und diese durch äußere Einflüsse in der Endanwendung variieren.
Umgang mit dem Einschaltstromstoß
Der Einschaltstrom muss ermittelt werden, um vorgeschaltete Bauteile richtig zu dimensionieren. Der Strom hängt maßgeblich von der Schaltgeschwindigkeit ab. Idealerweise wird deshalb im Labor mit Quecksilberschaltern gearbeitet. Die Quelle sollte einen möglichst geringen Innenwiderstand haben. Der Strom wird mit einer entmagnetisierten Zange gemessen. Ebenso hat die Umgebungstemperatur einen großen Einfluss auf den Einschaltstromstoß, denn beispielsweise ist der Einsatz von Elkos stark temperaturabhängig. Im Beispielbild sehen Sie einen Einschaltstromstoß an einer LED-Lampe (gelbe Linie). Dargestellt wird weiterhin der Spannungsverlauf in der Lampe (violett dargestellt). Schön zu sehen ist der Einschaltmoment T, der orange markiert ist, welcher bei circa 10 A das Maximum erreicht und binnen 30 ms wieder bei 300 mA angekommen ist. Hat man in seiner Schaltung Schwierigkeiten mit dem Einschaltstromstoß, kann der Einsatz eines Thermistors (NTC) helfen.
Die Elektromagnetische Verträglichkeit
Weiterhin sollte beachtet werden, dass durch die Gesamtapplikation das EMV-Verhalten (Elektromagnetische Verträglichkeit) maßgeblich bestimmt wird. Der Einsatz eines DC/DC-Wandlers mit internem Filter bedeutet nicht automatisch die Einhaltung der Grenzwerte einer Gesamtapplikation, da zumeist mehrere Bauteile Einfluss auf das EMV-Verhalten nehmen. In vielen Fällen wird aus Gründen der Sicherheit eine Verbindung der Ausgangsspannung mit PE gefordert, was die EMV maßgeblich beeinflussen kann. Hinweise zur Einhaltung der Grenzwerte kann dann im Regelfall der Hersteller der Stromversorgung geben.
Fazit
Zusammenfassend sei gesagt, dass die Qualifizierung von Stromversorgungskomponenten für ein Design mit einfachen Mitteln und mit wenig Aufwand realisiert werden kann. Vor der Auswahl und Qualifizierung sollten die Anforderungen klar definiert werden. Eine wichtige Unterscheidung ist aber: Was BRAUCHE ich wirklich und was HÄTTE ICH GERN. Um auf die eingangs erwähnten Autohersteller zurück zu kommen, denken wir an die korrekte Aufnahme der Messwerte und die daraus resultierende Beeinflussung eben dieser. Die Teststrecke ist definiert ebenso wie die Laborbedingungen, wenn eine Schaltung aufgebaut wird. Wichtig ist aber zu wissen, unter welchen Bedingungen kommt die Schaltung zum Einsatz? Wenn es auf dem Markt kein passendes Produkt gibt, sollte nach entsprechenden Serien-, Parallelschaltung oder Filter für das gewünschte Ergebnis Ausschau gehalten werden.
