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21 Feb 2019, 13:54

Tipps zur Auswahl der richtigen Stromquelle für Ihr Design – beginnend mit genauen DC/DC-Wandlermessungen

Ein immer wiederkehrendes Thema bei Autobesitzern sind die Leistungsdaten ihres Fahrzeugs.

Viele Menschen sind der Meinung, dass Verbraucher in die Irre geführt werden, wenn ihre Autos 1 bis 2 Liter mehr als laut den Herstellerdaten verbrauchen. Aber ist „in die Irre führen“ der richtige Ausdruck? Oder handelt es sich um ein Thema, das Entwicklern in der Elektronikindustrie bereits vertraut ist: dass im Labor erfasste Daten von den während des tatsächlichen Gebrauchs erfassten Daten abweichen?

Doch wie kann das sein? Sind die Werte tatsächlich falsch oder gibt es Überlegungen, die berücksichtigt werden müssen, wenn eine AC/DC-Stromquelle oder ein DC/DC-Wandler in einen Stromkreis integriert werden?

Letztendlich sollte jedem klar sein, dass der Verbrauch eines Fahrzeugs, wenn es ohne Ladung auf einer festgelegten Teststrecke getestet wird, niedriger ist, als er das mit einer vierköpfigen Familie am Hang des nächstgelegenen Bergs wäre.

Generell bestimmen persönliche Umstände, wie z. B. das verfügbare Budget, welches Fahrzeug wir kaufen. Aber wie wählen wir die richtigen Komponenten für die Stromversorgung aus?

         

Abbildung: Verschiedene DC/DC-Module aus der Produktserie Traco Power

Bedarf analysieren

Zunächst sollten wir bestimmen, wofür die jeweilige Stromquelle erforderlich ist, und dabei kommen bereits vorab einige scheinbar einfache Fragen auf.

Das Hauptziel besteht darin, die Eingangsspannung für die Anwendung auf ein neues Potenzial zu bringen.

  • Sollte das Potenzial geteilt werden oder nicht?
  • Was sind die Eingangs- und Ausgangsspannungsbereiche und welcher Ausgangsstrom ist erforderlich?
  • Für welches Design habe ich Platz? Wird dieser beispielsweise durch andere Komponenten auf der Platine begrenzt?
  • Für welches Endprodukt wird der Stromkreis benötigt?
  • Welche Vorschriften müssen befolgt werden (Industrie, Eisenbahn oder Medizin)?
  • Unter welchen Umweltbedingungen wird die Anwendung verwendet?
  • Wie zuverlässig sollten oder müssen der gesamte Stromkreis und die Anwendung sein?

 

Ein Porsche 911 ist zwar ein großartiges Auto, aber es ist klar, dass er sich nicht für eine Expedition durch den südamerikanischen Regenwald eignet. Dort wäre vermutlich ein Jeep mit Vierradantrieb die bessere Wahl.

Die Wahl der richtigen Stromversorgung ist jedoch nicht immer so einfach wie Wahl des richtigen Fahrzeugs.

Nachdem die Standardfragen geklärt wurden, kommen wir zu denen, die wir in diesem Artikel näher untersuchen möchten:

  • Wie kann ich genau messen und Fehler vermeiden?
  • Wie gehe ich mit Restwelligkeit und Störspannung um?
  • Was geschieht bei Einschaltstrom?
  • Was muss ich hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) beachten?

 

Das Produktportfolio der Schweizer Herstellers Traco Power umfasst mehr als 25 3-Watt-DC/DC-Wandler-Baureihen. Dazu gehören etwa die Serie TVN mit extrem geringer Restwelligkeit und Störspannung, die Serie THM, die für medizinische Anwendungen zertifiziert ist, Ausführungen mit offener Bauform oder auch die Serie TMR-WIR, die für Eisenbahnanwendungen mit einer Isolationsspannung von 3000 V DC zugelassen ist – eine Fülle an Möglichkeiten also.

Wir hätten wahrscheinlich alle gerne einen Wandler, der alle notwendigen Anforderungen erfüllt – eine serienmäßige Lösung. Doch in der Regel müssen wir mehr dafür ausgeben – denn wir brauchen mehr als einen Wandler, um die Anforderungen zu erfüllen, oder zusätzliche Verkabelung, um die erforderlichen Werte zu erzielen.

Was müssen wir also tun, um eine Lösung zu finden? Der erste Schritt besteht darin, die benötigten Messwerte festzulegen – eine einfache Messung ermöglicht es uns, eine grobe Einschätzung vorzunehmen: Eingangs- und Ausgangsspannung und Strom auf dem Wandler und auf der Last sowie mögliche Änderungen der Effizienz.

Messfehler vermeiden

Ein grundlegender zu berücksichtigender Punkt ist, dass jede Messung den Zustand des Stromkreises ändert und etwaige Auswirkungen so gering wie möglich gehalten werden sollten.

Daher ist selbst für eine „einfache Messung“ eine 4-Draht-Messung ratsam. Die Messung von Strom und Spannung mit unabhängigen Messleitungen bedeutet, dass der Eigenwiderstand der Leitung weniger Auswirkungen auf die Werte hat.  

Zudem müssen Sie die Endnutzung berücksichtigen.

Beispielsweise können in einem Operationssaal 30 m Kabel zwischen der Stromquelle und der tatsächlichen Last liegen. Wenn die erforderliche Last 24 V beträgt, benötigt die Quelle eine höhere Ausgangsspannung, um den Spannungsverlust im Kabel auszugleichen.

Das bedeutet, dass sowohl Last als auch Quelle gemessen werden müssen. Nachfolgend finden Sie ein Beispiel für eine klassische 4-Draht-Spannungsmessung an der Quelle.

Abbildung: Schaltbild einer 4-Draht-Messung mit Quelle und Last

Restwelligkeit und Störspannung bestimmen und beeinflussen

Warum werden Restwelligkeit und Störspannung gemessen?

Unabhängig von der Anwendung können Restwelligkeit und Störspannung eines DC/DC-Wandlers im tatsächlichen Betriebsbereich liegen, z. B. in einer Messbrücke, daher muss dies separat geprüft und bewertet werden.

Worum handelt es sich genau und wie können sie genau gemessen werden?

Wir sprechen über Restwelligkeit im AC/DC- oder DC/DC-Stromkreis, wenn unregelmäßige Störungen durch interne Schaltungen verursacht werden. Dagegen bezeichnet die Störspannung regelmäßig wiederkehrende Spitzen, die durch sich ändernde Impulse der Schaltfrequenz erzeugt werden.

Zur Bestimmung der tatsächlichen Werte muss der Tastkopf in direktem Kontakt mit den Stiften, dem Erdungsring und der Messspitze stehen (siehe unten). Um die Ergebnisse mit den Herstellerdaten vergleichen zu können, ist die Bandbreite auf dem Oszilloskop auf 20 MHz, einen gängigen Wert für Laborarbeiten, begrenzt.

Abbildung: Korrekte Anwendung von Messspitzen an einen DC/DC-Wandler mit Stiften

In der Regel können Restwelligkeit und Störspannung durch zwei parallelgeschaltete Kondensatoren reduziert werden, z. B. durch einen 100-nF-Metallschichtkondensator und einen 10-µF-Elektrolytkondensator. Dabei muss immer berücksichtigt werden, dass die in den Datenblättern angegebenen Werte bei der Endnutzung durch andere Faktoren beeinflusst werden können.

Mit Einschaltstrom umgehen

Diese Informationen sind wichtig, um sicherzustellen, dass die vorgelagerten Komponenten die richtigen Maße haben.

  • Die Stromstärke hängt im Wesentlichen von der Schaltgeschwindigkeit ab, daher sollten im Labor idealerweise Quecksilberschalter verwendet werden.
  • Die Stromquelle sollte den niedrigstmöglichen internen Widerstand aufweisen.
  • Die Stromstärke wird mit einer entmagnetisierten Spitze gemessen.

Auch die Umgebungstemperatur hat einen großen Einfluss auf den Einschaltstrom. Beispielsweise ist die Verwendung von Elektrolytkondensatoren stark von der Temperatur abhängig.

Das folgende Diagramm zeigt ein Beispiel für die Einschaltspannung in einer LED-Leuchte (gelbe Linie). Die Abbildung zeigt auch das Spannungsmuster in der Leuchte in Lila. Es ist gut, eine Markierung an dem Punkt zu haben (T, in Orange), an dem das Gerät eingeschaltet wurde. Dieser erreicht seinen Maximalwert bei ca. 10 A und geht innerhalb von 10 m/s wieder auf 300 mA zurück.

Abbildung: Einschaltspannung eines DC/DC-Wandlers im nicht-aktiven Zustand (kalt = Raumtemperatur 25 °C)

Wenn sich die Einschaltspannung negativ auf einen Stromkreis auswirkt, kann ein Heißleiter (NTC) Abhilfe schaffen.

Elektromagnetische Verträglichkeit

Es ist auch wichtig, die EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) für die allgemeine Anwendung zu bestimmen. Die Verwendung eines DC/DC-Wandlers mit einem internen Filter bedeutet nicht automatisch, dass Sie die für die Anwendung angegebenen Werte einhalten, da die EMV häufig von mehreren Komponenten beeinflusst wird.

In vielen Fällen muss die Ausgangsspannung aus Sicherheitsgründen mit der Schutzerde verbunden sein. Dies kann erhebliche Auswirkungen auf die EMV haben. In der Regel kann Sie der Hersteller der Stromquellen zur Einhaltung der EMV-Werte beraten.

Die meisten Hersteller von Stromquellen bieten auf ihren Websites Hilfe in Form von Vorschlägen für geeignete Filter an. Unter www.tracopower.com können Sie diese etwa direkt von der entsprechenden Geräteseite herunterladen. Wenn Sie die Schaltbilder für das ausgewählte Produkt nicht finden können, wenden Sie sich direkt per Telefon oder E-Mail an den Hersteller.

Überblick

Insgesamt erfordert es keinen großen Aufwand, um die benötigten Stromquellenkomponenten zu ermitteln, wenn Sie die von Herstellern angebotene Hilfe und einige einfache Ressourcen nutzen.

Vor jeder Bewertung und Auswahl ist es wichtig, Ihre Anforderungen eindeutig festzulegen. Es gibt einen großen Unterschied zwischen der Entscheidung darüber, was Sie wirklich benötigen und was Sie gerne haben möchten.

Um auf die Autohersteller zurückzukommen, auf die wir zum Anfang dieses Artikels verwiesen haben: Es ist wichtig, darüber nachzudenken, wie Messungen korrekt durchgeführt werden können und wie sich jede Messung auf die gemessenen Werte auswirkt. Die Teststrecken und Laborbedingungen werden definiert, wenn ein Stromkreis gebaut wird. Aber unter welchen Bedingungen wird der Stromkreis tatsächlich verwendet?

Wenn auf dem Markt kein geeignetes Gerät verfügbar ist, bringen eventuell Reihen-/Parallelschaltungen oder die Verwendung eines Filters die gewünschten Ergebnisse.

Die Erfüllung der EMV-Anforderungen hängt wie Restwelligkeit, Störspannung und Einschaltstrom stark von der Anwendung und den vorausgesetzten Bedingungen ab.

Es ist wohlbekannt, dass es viele Hersteller gibt, daher gibt es bei Qualität und Preis eines bestimmten Produkts starke Abweichungen.

Reicht es aus, ein einfaches, massenproduziertes Nicht-Marken-Gerät zu wählen oder rächt sich später der Wunsch, Geld zu sparen? Muss es immer die High-End-Variante sein?

Die endgültige Entscheidung liegt, unabhängig von allen Empfehlungen, beim Kunden. Doch Traco Power hat den Vorteil, dass es sich um einen europäischer Hersteller handelt, der den Kunden mehrsprachigen Support, darunter auch auf Deutsch, anbietet.

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Innovative product and technology marketeer, enthusiastic writer and translator, and author of the ultimately underwhelming blog "Oneday711": technology, travel, sport. Particularly interested in the impact innovation has on our lives - good and bad.

21 Feb 2019, 13:54

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