Tatsächlich unterscheiden sich im Labor gesammelte Daten von Daten, die während der praktischen Nutzung gesammelt werden. Wie das geht? Es sollte schließlich jedem einleuchten, dass ein Auto, ohne Gewicht im Innenraum, auf einer definierten Teststrecke, weniger verbraucht, als wenn eine Familie mit vier Personen im nächstgelegenen Gebirge das Auto nutzt.
Zur abschließenden Entscheidung für die Auswahl eines geeigneten Fahrzeugs, gilt es mehrere Umstände zu berücksichtigen. Warum? Der Porsche 911 ist bspw. ein fabelhaftes Auto, man würde dies jedoch nicht für eine Expedition durch Südafrika verwenden – hierbei wäre ein Jeep mit Allradantrieb eine bessere Option.
Die Auswahl der passenden Stromversorgung ist sogar noch komplizierter und dabei geht es größtenteils nicht um das Budget. Wie können wir die richtigen Komponenten auswählen, um die Stromleistung zu erzielen?
Analyse der Anforderung
Der erste Schritt besteht darin, festzulegen, wozu die entsprechende Stromversorgung gebraucht wird.
Das Hauptziel besteht darin, für die Eingangsspannung bei der Anwendung ein neues Potential zu erreichen.
- Soll das Potential verteilt werden oder nicht?
- Wie zuverlässig soll der gesamte Stromkreis und die Anwendung sein?
- Was ist das Endprodukt?
- Für welche Auslegung habe ich Platz? Beeinflussen weitere Komponenten auf der Platine die Auslegung?
- Unter welchen Umweltbedingungen wird die Anwendung eingesetzt?
- Was sind die Eingangs- und Ausgangsspannungsbereiche? Welche Leistung wird bei welchem Ausgangsstrom gebraucht?
- Welche Vorschriften (industrieller Bereich, Schienenverkehr oder Medizin) gilt es einzuhalten?
Wahrscheinlich jeder mag einen Wandler, der alle Anforderungen mit einem Mal erfüllt – eine schlüsselfertige Lösung – doch üblicherweise ist mehr Anstrengung erforderlich, da mehr als ein Wandler benötigt wird, um den Anforderungen gerecht zu werden oder da zusätzliche Drähte erforderlich sind, um die angestrebten Werte zu erreichen.
Was ist also erforderlich, um eine Lösung zu finden?
Der erste Schritt besteht darin, zu ermitteln, welche Messwerte wir brauchen – eine einfache Messung gibt uns die Möglichkeit, ohne Weiteres eine grobe Berechnung anzustellen; Eingangs- und Ausgangsspannung sowie die Stromstärke bei Wandler, Last und mögliche Veränderungen in der Effizienz.
1. Wie kann ich richtig messen und Fehler vermeiden?
Jede Messung verändert den tatsächlichen Zustand des Stromkreises und jede Auswirkung muss auf ein Minimum beschränkt werden.
Das heißt, dass auch bei einer „einfachen Messung“ eine Messung mit 4 Drähten empfehlenswert ist. Die Messung von Stromstärke und Stromspannung mit unabhängigen Prüfleitungen bedeutet, dass der Eigenwiderstand der Leitungen weniger Auswirkungen auf die Werte hat. Vergessen Sie nicht die Endnutzung.
In einem Operntheater bspw. können zwischen Stromversorgung und tatsächlicher Last 30 m lange Drähte liegen. Falls die erforderliche Last 24 V beträgt, braucht es an der Quelle mehr Ausgangsspannung, um den Spannungsabfall im Draht auszugleichen.
Das hat zur Folge, dass sowohl Last als auch Quelle gemessen werden müssen. Unten ist ein Beispiel für eine klassische Spannungsmessung mit 4 Drähten an der Quelle zu sehen.
Abb. 1: Spannungsmessung mit 4 Drähten bei Quelle und Last
2. Wie werde ich mit Welligkeit und Rauschen fertig?
Unabhängig von der Anwendung, kann die Welligkeit und das Rauschen eines DC/DC-Wandlers auf den tatsächlichen Betriebsbereich wie z. B. eine Messbrücke zurückgehen, sodass diese Faktoren gesondert berücksichtigt und bewertet werden müssen.
Die Welligkeit in einem AC/DC- und DC/DC-Stromkreis liegt vor, wenn unregelmäßige Störungen durch interne Stromkreise verursacht werden. Rauschen hingegen bezeichnet Spitzen, die in regelmäßigen Abständen wiederholt auftreten, und die durch den Wandelimpuls bei der Schaltfrequenz erzeugt werden.
Zur Bestimmung der tatsächlichen Werte muss der Sondenkopf direkten Kontakt haben zu:
- den Pins,
- dem Erdungsring,
- der Messspitze (siehe Abb. 2)
Um die Ergebnisse mit den Herstellerdaten vergleichen zu können, ist die Bandbreite des Oszilloskops auf 20 MHz beschränkt, ein gängiger Wert für die Laborarbeit.
Abb. 2: Korrekte Anwendung von Messspitzen bei einem DC/DC-Wandler mit Pins
Üblicherweise können Welligkeit und Rauschen einfach durch zwei parallel geschaltete Kondensatoren verringert werden. Zum Beispiel durch einen 100-nF-Metallfilmkondensator und einen 10-µF-Elektrolytkondensator. Stets vor dem Hintergrund, dass Werte auf Datenblättern während der Endnutzung durch andere Faktoren beeinflusst werden können.
Das Sortiment des Schweizer Herstellers Traco Power umfasst mehr als 25 Familien von DC/DC-Wandlern mit 3 Watt, darunter die TVN-Serie mit äußerst geringer Welligkeit und Rauschen oder die THM-Serie, die für medizinische Anwendungen zertifiziert ist, Open-Frame-Varianten oder die Serie TMR-WIR, die für Anwendungen im Schienenverkehr mit 3000 V DC Isolierspannung zugelassen ist – ein umfangreiches Spektrum an Möglichkeiten.
3. Was passiert im Fall von Einschaltstrom?
Diese Information ist wichtig, um sicherzustellen, dass vorgelagerte Komponenten die richtigen Dimensionen aufweisen.
- Die Stromstärke hängt im Wesentlichen von der Schaltgeschwindigkeit ab, sodass idealerweise Quecksilberschaltungen im Labor verwendet werden sollten.
- An der Quelle sollte der Eigenwiderstand so gering wie möglich sein
- Die Stromstärke wird über eine entmagnetisierte Spitze gemessen
- Die Umgebungstemperatur hat auch großen Einfluss auf den Einschaltstrom. Die Verwendung von Elektrolytkondensatoren z. B. hängt erheblich von der Temperatur ab.
Abb. 3: Einschaltstrom eines DC/DC-Wandlers in inaktivem Zustand (Kalt = Raumtemperatur von 25°C)
In dem Diagramm ist ein Beispiel für Einschaltstromspannung in einer LED-Lampe zu sehen (gelbe Linie). In lila ist zudem das Spannungsmuster in der Lampe zu sehen. Der Punkt, an dem das Gerät eingeschaltet wurde (T, in orange), ist gut sichtbar, der Höchstwert wurde bei etwa 10 A erreicht und innerhalb von 10 m/s kehrte der Wert auf 300 mA zurück.
Falls Sie Probleme mit Einschaltstrom haben, der sich auf den Stromkreis auswirkt, kann die Verwendung eines Thermostats (NTC) hilfreich sein.
4. Auf was muss ich hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMC) achten?
Diese ist für die generelle Anwendung wichtig. Die Verwendung eines DC/DC-Wandlers mit internem Filter bedeutet nicht automatisch, dass Sie die für die Anwendung spezifizierten Werte einhalten werden. Wie Sie wissen, kann die EMC-Verträglichkeit oftmals durch mehrere Komponenten beeinflusst werden.
In vielen Fällen muss die Ausgangsspannung aus Sicherheitsgründen mit einem Schutzleiter verbunden werden, der sich erheblich auf die EMC auswirken kann. Der Hersteller der Stromversorgung kann jedoch Ratschläge im Hinblick auf die Einhaltung der EMC-Werte geben.
Die meisten Hersteller von Stromversorgungen bieten Empfehlungen in Form von Vorschlägen für geeignete Filter auf ihren Webseiten an. Unter Traco Power können diese bspw. direkt von der betreffenden Geräteseite heruntergeladen werden.
Vor der Bewertung und Auswahl ist es wichtig, die Anforderungen klar abzustecken, und es gibt einen großen Unterschied zwischen der Entscheidung, was Sie wirklich benötigen, und dem, was Sie wirklich mögen.
Mit Blick auf die eingangs erwähnten Autohersteller ist es wichtig, daran zu denken, wie Messungen korrekt durchgeführt werden können und welche Auswirkungen jeder gesammelte Messwert hat. Prüfstreifen und Laborbedingungen werden bei der Erstellung eines Stromkreises definiert, doch was sind die Bedingungen, unter denen der Stromkreis tatsächlich genutzt wird?
Die Einhaltung von EMC-Anforderungen hängt stark von dem Anwendungsgebiet und den Voraussetzungen wie auch von Rauschen und Welligkeit sowie dem Einschaltstrom ab.
Bekanntermaßen gibt es viele Hersteller auf dem Markt, sodass die Qualität und Preise für ein bestimmtes Produkt erheblich abweichen können.
Falls Sie Interesse an weiteren Produkten von Traco Power haben oder weitere Informationen benötigen, dann kontaktieren Sie uns bitte über die E-Mail-Adresse verkauf@soselectronic.de
Quelle: Florian Haas, Traco Electronic AG,
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