Überlegungen zur Leitungs- und Lastregelung sowie Kaskadierung bei der Netzversorgung

Damit eine Netzversorgung einen stabilen Ausgang aufrechterhält, ist es wichtig sicherzustellen, dass sie einen bestimmten Ausgang unabhängig von Änderungen der Eingangsspannung, des angeschlossenen Geräts oder der Last aufrechterhalten kann. Die Leitungsregelung bezieht sich auf die Fähigkeit einer Netzversorgung, ihre Ausgangsspannung unter Berücksichtigung von Eingangsspannungsänderungen aufrechtzuerhalten. Dies ist besonders wichtig in Situationen, in denen die Eingangsquelle der Netzversorgung instabil ist oder wenn die Netzversorgung nicht leitungsgeregelt ist, was zu großen Ausgabeschwingungen führen kann.

Gleichstromversorgungen wandeln eine AC-Eingangsstromquelle in einen gewünschten DC-Ausgangspegel um. Einige Gleichstromversorgungen erfordern zusätzliche Strom von einer hilfsweisen Netzversorgung, um die gewünschten Ausgangspegel zu erreichen. Eine Leitungsregelung wird allgemein für Netzversorgungen veröffentlicht, die eine Hilfsstromversorgung benötigen, wird jedoch anderweitig nicht angegeben. Daher sollten Sie sich keine Sorgen machen, wenn für eine bestimmte Netzversorgung keine Spezifikation für die Leitungsregelung veröffentlicht ist.

Die Leitungsregelung bezieht sich auf die Stabilität einer Netzversorgung in Bezug auf ihre Eingangsspannung. Die Lastregelung ist die Fähigkeit einer Netzversorgung, einen konstanten Ausgangspegel unter Berücksichtigung von Laständerungen aufrechtzuerhalten. Wenn beispielsweise eine 10-W-Netzversorgung so eingestellt ist, dass sie im Konstantspannungsmodus 10 V ausgibt, sollte der Ausgang bei 10 V bleiben, unabhängig davon, ob sie 1 mA oder 1 A ausgibt. Die Lastregelung ist das Maß dafür, wie stark sich der Ausgang über die gesamte Ausgangsleistung der Netzversorgung ändern kann. Alternativ bezieht sich die Lastregelung im Konstantstrommodus auf die Änderung des Ausgangsstroms im Verhältnis zur Änderung des Spannungsabfalls.

Wie bereits erwähnt, können sich unterschiedliche Lastbedingungen auf die Fähigkeit einer programmierbaren Gleichstromversorgung auswirken, wie erwartet zu funktionieren. Bei der Stromversorgung mit kapazitiven, induktiven und Umkehrstromlasten ist Vorsicht geboten. Bei unsachgemäßer Verwendung kann es zu einem Nachschwingen des Ausgangssignals oder zu Schäden an der Netzversorgung kommen. Das Nachschwingen eines Netzversorgungssignals ist ein unerwünschtes Oszillieren der Ausgangsspannung, wenn die Netzversorgung versucht, von einem Transienten wieder in den Normalzustand überzugehen, nachdem ein solcher durch eine plötzliche Stromänderung verursacht wurde. Nachschwingungen beeinträchtigen die Stabilisierungsfähigkeit eines Systems, wodurch die Messzeit verlängert und bei ausreichend hohen Schwingungsspitzen sogar die angeschlossenen Schaltkreise beschädigt werden können. Nachfolgend finden Sie allgemeine Richtlinien für verschiedene Lastbedingungen; Im Zweifelsfall finden Sie jedoch weitere Informationen in der Dokumentation zu Ihrer Netzversorgung.

^{Abbildung 1: Das Einschwingverhalten kann sich auf die Messzeit und -genauigkeit auswirken, wenn es instabil oder zu langsam ist.}

Kapazitive Lasten

Im Allgemeinen bleibt eine Netzversorgung stabil, wenn eine kapazitive Last angetrieben wird. Bei bestimmten Lasten kann jedoch ein Nachschwingen im Einschwingverhalten des Geräts auftreten. Die Schwankungsrate einer Netzversorgung ist die maximale Veränderungsrate der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, die direkt mit dem Einschwingverhalten zusammenhängt. Wenn ein Kondensator mit einer Netzversorgung betrieben wird, ist die Flankensteilheit auf den Ausgangsstromgrenzwert dividiert durch die Gesamtlastkapazität begrenzt (vgl. Abbildung).

Mit der Formel für die Flankensteilheit können Sie sehen, dass sich die Ausgangsspannung umso langsamer ändert, je größer die Lastkapazität ist. Wenn das Einschwingverhalten zu langsam ist, kann sich das auf die Messzeit negativ auswirken, da Sie warten müssen, bis sich das System stabilisiert hat, bevor genaue Messungen durchgeführt werden. Wenn die Flankensteilheit jedoch zu hoch ist, kann es zu Nachschwingungen kommen. Darüber hinaus werden Kondensatoren häufig verwendet, um das Nachschwingen bei anderen Lastbedingungen zu dämpfen.

Induktive Lasten

Eine Netzversorgung bleibt normalerweise stabil, wenn eine induktive Last im konstanten Spannungsmodus betrieben wird. Wenn eine induktive Last von einer Netzversorgung im Konstantstrommodus angetrieben wird, insbesondere bei höheren Strombereichen, kann die Netzversorgung instabil werden. In diesen Situationen kann eine Erhöhung der Ausgangskapazität dazu beitragen, die Stabilität des Systems zu verbessern.

Einige Netzversorgungen verfügen über eine benutzerprogrammierbare Ausgangskapazität, wodurch Sie eine höhere Kapazität auswählen können, um die Wahrscheinlichkeit des Nachschwingens zu verringern. Alternativ können Sie eine externe Kapazität parallel zu Ihrer Last bereitstellen, die das Nachschwingen dämpft. Typische Kondensatorwerte zur Reduzierung des Nachschwingens beim Antrieb einer induktiven Last sind 0,1–10 μF. Wie im vorherigen Abschnitt beschrieben, ist die Ausgangsantwort jedoch umso langsamer, je größer die Kapazität ist. Daher sollten Sie die erforderliche Mindestkapazität verwenden, um die Auswirkungen des Nachschwingens zu reduzieren. In der Regel soll sich die Ausgangsspannung so schnell wie möglich von Transienten erholen, um die Dauer zu begrenzen, in der Ihre Schaltung unerwünschte Spannungspegel empfängt. Je schneller Ihr System auf einen stabilen Ausgangspegel zurückkehrt, desto schneller können Sie Ihre Messungen durchführen, was zu einer kürzeren Gesamttestzeit führt. Weitere Informationen finden Sie in der Dokumentation Ihrer Netzversorgung.

Sperrstromlasten

Gelegentlich kann eine aktive Last einen Sperrstrom an die Netzversorgung leiten. Netzversorgungen, die nicht für den 4-Quadranten-Betrieb ausgelegt sind, können beschädigt werden, wenn Sperrströme an den Ausgangsanschlüssen angelegt werden. Bei Sperrströmen kann die Stromversorgung in einen unregulierten Modus wechseln. Um Sperrströme zu vermeiden, können Sie den Ausgang des Geräts mit Hilfe eines Ableitwiderstands vorladen. Im Idealfall sollte ein Ableitwiderstand genauso viel Strom vom Gerät abziehen, wie eine aktive Last an die Netzversorgung weiterleiten kann. 

Abbildung 2: Verwenden Sie einen Ableitwiderstand, um die Netzversorgung vor den Schäden zu schützen, die durch Sperrstrom verursacht werden können.

Nehmen Sie z. B. an, Ihre Netzversorgung arbeitet im Konstantspannungsmodus und liefert 10 V zu einer aktiven Last, die einen Sperrstrom von 30 mA erzeugen kann. In diesem Fall dient ein paralleler Widerstand als Ableitwiderstand zum Vorladen des Ausgangs der Netzversorgung. Der Wert des Ableitwiderstands sollte so eingestellt sein, dass der am Ausgang der Netzversorgung ausgehende Strom größer oder gleich dem Sperrstrom ist, der von der aktiven Last erzeugt wird. Das Ergebnis der Division von 10 V durch 30 mA zeigt, dass ein Vorladungswiderstand von 333 Ω verwendet werden sollte, um den Sperrstrom effektiv anzupassen und Schäden an der Netzversorgung zu vermeiden.

Auswahl von Hardware mit Überlastschutz

Wie in den vorhergehenden Abschnitten beschrieben, ist es wichtig, die Lastbedingungen Ihrer Ausrüstung und der Testumgebung zu verstehen. Sie können aber auch Hardware auswählen, die beim Schutz Ihrer Investition hilft, falls etwas passiert. Die programmierbaren PXI-Netzversorgungen von NI umfassen Funktionen wie Kanalausgangsschutz, Hilfsspannungseingangsschutz und Übertemperaturschutz.

Ausgangsspannung und -strom können durch Kaskadieren der Ausgänge einer Mehrkanal-Netzversorgung oder mehrerer Netzversorgungen erhöht werden. Manchmal benötigt eine Anwendung mehr Spannung oder Strom, als ein einzelner Kanal einer Netzversorgung ausgeben kann. Das Kaskadieren von Netzversorgungskanälen kann die Spannungs- und Stromkapazität eines Ausgangs erhöhen, aber Sie sollten dabei äußerste Vorsicht walten lassen, da die Netzversorgung oder der Benutzer dadurch leicht zu Schaden kommen kann, wenn dies nicht ordnungsgemäß erfolgt. 

Kaskadierung von Netzversorgungskanälen zur Erhöhung der Spannungsausgabe

Wenn Ihre Netzversorgung isolierte Ausgänge bietet oder Sie über mehrere isolierte Netzversorgungen verfügen, können Sie den maximalen Spannungsausgangsbereich problemlos erweitern, indem Sie Kanäle in Reihe kaskadieren. Um mehrere isolierte Kanäle von einer Netzversorgung oder mehreren Netzversorgungen zu kaskadieren, verbinden Sie die Kanäle in Reihe, wie in Abbildung 3 dargestellt. Die resultierende Spannung, die an Ihre Last anliegt, entspricht der Summe der einzelnen Kanalspannungen.

^{Abbildung 3: Erhöhen Sie die Ausgangsspannung, indem Sie isolierte Netzversorgungskanäle kaskadieren.}

Wichtig: Stellen Sie bei der Kaskadierung von Netzversorgungskanälen sicher, dass die Spannung zwischen jedem Pin und der Gerätemasse kleiner als die angegebene maximale Isolationsspannung ist. Wenn die Isolationsspezifikation Ihres Geräts beispielsweise besagt, dass jeder Kanal bis zu 60 V DC von Masse isoliert ist, sollte die Spannung zwischen jedem Pin und Masse weniger als 60 V DC betragen. Die Nichteinhaltung dieser Spezifikationen kann das Gerät beschädigen und/oder den Benutzer verletzen.

Die programmierbaren PXI-Netzversorgungen von NI bieten Kanäle mit isolierten Ausgängen, sodass Sie mehrere Kanäle in Reihe schalten können, um eine höhere Ausgangsspannung zu erzeugen. Ausführliche Informationen und Empfehlungen zum Kombinieren von Ausgangskanälen finden Sie in der Dokumentation und den Spezifikationen.

Kaskadierung von Netzversorgungskanälen zur Erhöhung der Stromausgabe

Wenn Ihre Netzversorgung isolierte Ausgänge bietet oder Sie über mehrere isolierte Netzversorgungen verfügen, können Sie den maximalen Stromausgangsbereich problemlos erweitern, indem Sie Kanäle parallel verbinden. Verbinden Sie die Kanäle parallel, wie in Abbildung 4 dargestellt, um die Stromausgabe durch Kaskadierung mehrerer isolierter Kanäle von einem oder mehreren Netzversorgungen zu erhöhen. Der resultierende Strom, der von der Netzversorgung an Ihre Last geliefert wird, ist gleich der Summe der einzelnen Ströme der Kanäle.

^{Abbildung 4. Erhöhen Sie den Ausgangsstrom, indem Sie isolierte Netzversorgungskanäle kaskadieren.}

• Die Leitungsregelung ist die Fähigkeit einer Netzversorgung, die Ausgangsspannung bei Änderungen der Eingangsleitungsspannung aufrechtzuerhalten.
• Lastregelung ist die Fähigkeit eines Netzversorgungsausgangs, bei Laständerungen konstant zu bleiben.
• Bei der Stromversorgung mit kapazitiven, induktiven und Umkehrstromlasten ist Vorsicht geboten. Bei unsachgemäßer Verwendung kann es zu einem Nachschwingen des Ausgangssignals oder zu Schäden an der Netzversorgung kommen.
• Das Nachschwingen eines Netzversorgungssignals ist ein unerwünschtes Schwingen der Ausgangsspannung, wenn die Netzversorgung versucht, von einem Transienten wieder in den Normalzustand überzugehen, nachdem ein solcher durch eine plötzliche Stromänderung verursacht wurde. Dies kann die Testzeit verlängern oder sogar angeschlossene Schaltkreise durch hohe Spannungsspitzen beschädigen.
• Die Flankensteilheit einer Netzversorgung ist die maximale Änderungsrate der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit.
• Wenn eine induktive Last von einer Netzversorgung im Konstantstrommodus angetrieben wird, kann eine Erhöhung der Ausgangskapazität dazu beitragen, die Stabilität des Systems zu verbessern.
• Bei Sperrströmen kann die Stromversorgung in einen unregulierten Modus wechseln und Schäden verursachen. Vermeiden Sie Sperrströme, indem Sie den Ausgang des Geräts mit Hilfe eines Ableitwiderstands vorladen.
• Ausgangsspannung und -strom können durch Kaskadieren der Ausgänge einer Mehrkanal-Netzversorgung oder mehrerer Netzversorgungen erhöht werden.
• Stellen Sie bei der Kaskadierung von Netzkanälen sicher, dass die Spannung zwischen jedem Pin und der Gerätemasse kleiner als die angegebene maximale Isolationsspannung ist.
• Der Dauerstrom beschreibt die Strommenge, die durch ein zuvor geschlossenes Relais fließen kann, ohne Schäden zu verursachen. Der Schaltstrom wiederum ist der maximale Nennstrom, der beim Schließen oder Schließen des Kontakts durch das Schaltmodul fließen kann, ohne Schäden zu verursachen.