Moderne Elektroniklabore benötigen DC-Netzteile, die eine präzise Ausgangsregelung mit geeigneten Schutzfunktionen und einer flexiblen Einbindung in manuelle sowie automatisierte Testumgebungen verbinden. Programmierbare DC-Tischnetzteile von TPS bieten hierfür eine einstellbare Spannungs- und Stromregelung, geringe Restwelligkeit und geringes Rauschen, Fernsteuerungsschnittstellen sowie konfigurierbare Schutzfunktionen.
Für Anwendungen im Bereich der Sicherheitskleinspannung stellt das 40-V-Modell einen DC-Ausgang innerhalb des SELV-Spannungsbereichs bereit. Der Ausgangsbereich von 0–2 A und die Stromeinstellauflösung von 1 mA unterstützen zudem Prüfungen empfindlicher elektronischer Bauteile bei niedrigen Strömen.
Das Netzteil arbeitet mit einer Eingangsspannung von 90–264 V AC und verfügt über eine aktive Leistungsfaktorkorrektur (PFC). Es stellt eine geregelte DC-Ausgangsspannung für Labor-, Entwicklungs-, Ausbildungs- und automatisierte Prüfanwendungen bereit. Typische Einsatzbereiche sind die Halbleiterprüfung, die Entwicklung eingebetteter Systeme, IoT-Geräte, Automobilelektronik, Batteriemanagementsysteme sowie die Untersuchung von Niederspannungswandlern.
SELV-Ausgang für Niederspannungsprüfungen im Labor
SELV ist insbesondere dort relevant, wo berührbare Niederspannungsschaltungen von gefährlichen Spannungen getrennt bleiben müssen. Mit einer maximalen Ausgangsspannung von 40 V DC ist das TPS-Modell für Anwendungen vorgesehen, die einen Betrieb innerhalb des SELV-Spannungsbereichs erfordern.
Die Begrenzung der Spannung ist jedoch nur ein Aspekt des Schutzkonzepts im Labor. Ebenso wichtig ist eine präzise Strombegrenzung, wenn empfindliche Bauteile versorgt oder Schaltungen untersucht werden, bei denen ein zu hoher Strom den Prüfling – das Device Under Test (DUT) – beschädigen könnte.
Der programmierbare Ausgang bietet:
- Spannungsbereich von 0–40 V
- Strombereich von 0–2 A
- Stromeinstellauflösung von 1 mA
- Stromgenauigkeit von 0,1 % + 3 mA
- Programmierbarer Überstromschutz (OCP)
Damit lassen sich definierte Stromgrenzen einstellen, einschließlich Schwellenwerten im Bereich von 30 mA, sofern dies für den jeweiligen Prüfling und das Prüfverfahren geeignet ist.
Warum eine präzise Stromregelung im niedrigen Strombereich wichtig ist
Empfindliche elektronische Bauteile können wesentlich niedrigere Stromgrenzen erfordern als vollständige Baugruppen. CMOS-Bauteile, MEMS-Sensoren, Laserdioden und andere Low-Power-Komponenten können beschädigt werden, wenn unter Fehlerbedingungen ein zu hoher Strom fließt.
Ein programmierbares DC-Netzteil mit einer Einstellauflösung von 1 mA ermöglicht es, bei der Inbetriebnahme von Prototypen und bei der Bauteilcharakterisierung engere Betriebsgrenzen festzulegen. Ein Bauteil, das beispielsweise bei 5 V etwa 20 mA aufnimmt, kann mit einer oberen Stromgrenze geprüft werden, die näher am erwarteten Betriebsbereich liegt, anstatt mit einem deutlich höheren Standardgrenzwert zu arbeiten.
Dies kann unter anderem folgende Aufgaben unterstützen:
- Inbetriebnahme von Prototypen
- Bauteilcharakterisierung
- Leckstromprüfungen
- Fehleranalyse
- Firmware-Entwicklung
- Automatisierte Bauteilprüfung
Geeignete Stromgrenzen müssen stets anhand der Spezifikationen des DUT und der jeweiligen Prüfanforderungen festgelegt werden.
Konfigurierbare Schutzfunktionen
Überspannungsschutz (OVP)
Der OVP-Schwellenwert kann so konfiguriert werden, dass die maximal zulässige Ausgangsspannung begrenzt wird. Wird der festgelegte Grenzwert überschritten, schaltet die Schutzfunktion den Ausgang ab.
Überstromschutz (OCP)
Der programmierbare Überstromschutz ermöglicht die Festlegung eines maximalen Stromgrenzwerts für die jeweilige Prüfung. Niedrige Schwellenwerte können insbesondere bei empfindlichen Bauteilen sinnvoll sein, die durch überhöhte Ströme beschädigt werden könnten.
Überleistungsschutz (OPP)
Der Überleistungsschutz begrenzt den Betrieb, wenn der konfigurierte Leistungsgrenzwert überschritten wird. Damit steht ein zusätzlicher Schutzparameter für Prüfungen zur Verfügung, bei denen sowohl Spannung als auch Strom variieren.
Übertemperaturschutz
Die interne Temperaturüberwachung schützt das Netzteil vor übermäßiger thermischer Belastung, beispielsweise bei eingeschränkter Luftzirkulation.
Ausgangsentladung
Die integrierte Ausgangsentladung reduziert nach dem Abschalten des Ausgangs die verbleibende Restspannung. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn Ausgangskondensatoren nach Beendigung einer Prüfung noch Energie gespeichert haben.
Die Schutzschwellen sollten entsprechend den Grenzwerten des DUT und den vorgesehenen Prüfbedingungen konfiguriert werden. Sie sind nicht als Ersatz für Schutzmaßnahmen zu betrachten, die durch die jeweils anwendbaren Normen oder Laborverfahren vorgeschrieben sind.
Geringe Restwelligkeit und geringes Rauschen für empfindliche Elektronik
Für das Netzteil sind Restwelligkeit und Rauschen von weniger als 1 mVrms / 10 mVpp spezifiziert. Ein störungsarmer Ausgang ist insbesondere bei Schaltungen relevant, deren Verhalten durch Störungen auf der Versorgungsspannung beeinflusst werden kann.
Typische Beispiele sind:
- Analogschaltungen
- HF-Elektronik
- Sensoren
- Datenwandler
- Rauscharme Verstärker
- Halbleiterbauteile
Eine saubere DC-Versorgung kann dazu beitragen, das Verhalten des DUT von Störungen zu unterscheiden, die durch die Laborstromversorgung selbst eingebracht werden.
Remote Sensing für eine präzisere Spannung am DUT
Spannungsabfälle über Kabel und Prüfleitungen gewinnen bei Niederspannungsanwendungen zunehmend an Bedeutung. Bereits ein vergleichsweise kleiner Leitungswiderstand kann zu einer messbaren Differenz zwischen der Spannung an den Ausgangsklemmen des Netzteils und der tatsächlich am DUT anliegenden Spannung führen.
Remote Sensing kompensiert diese leitungsbedingten Spannungsabfälle, indem die Ausgangsregelung auf der direkt an der Last gemessenen Spannung basiert.
Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn:
- längere Prüfleitungen erforderlich sind,
- der Strom während des Betriebs deutlich variiert,
- das DUT mit niedrigen Spannungen arbeitet oder
- bereits kleine Spannungsabweichungen das Messergebnis beeinflussen können.
Bei einer Niederspannungsschaltung können selbst 0,1 V Spannungsabfall im Verhältnis zur Nennversorgungsspannung relevant sein. Remote Sensing unterstützt daher eine präzisere Bereitstellung der eingestellten Spannung direkt an den Anschlüssen des DUT.
Auto-Ranging-Leistungsstufe
Die Auto-Ranging-Leistungsstufe ermöglicht es, die verfügbare Ausgangsleistung über einen breiteren Bereich von Spannungs- und Stromkombinationen zu nutzen als bei einer konventionellen Architektur mit festem Ausgangsbereich.
Dies kann für Labore vorteilhaft sein, in denen unterschiedliche Geräte- und Bauteilklassen geprüft werden. Statt für verschiedene Spannungs- und Stromkombinationen jeweils separate Netzteile vorzusehen, kann ein programmierbares DC-Netzteil mit Auto-Ranging innerhalb seiner spezifizierten Grenzwerte einen breiteren Arbeitsbereich abdecken.
Dies erhöht die Flexibilität an Entwicklungsarbeitsplätzen, in Bauteillaboren und in automatisierten Prüfsystemen, bei denen sich die Prüfanforderungen häufig ändern.
Aktive PFC und Weitbereichseingang
Die Eingangsstufe arbeitet mit 90–264 V AC und verfügt über eine aktive Leistungsfaktorkorrektur (PFC) mit einem spezifizierten Leistungsfaktor von über 0,99.
Der Weitbereichseingang unterstützt den Betrieb an gängigen Stromnetzen ohne manuelle Umschaltung der Eingangsspannung. Die aktive PFC verbessert zudem die Form des Eingangsstroms gegenüber einer nicht kompensierten Gleichrichtereingangsstufe.
Für Labore, die Geräte international einsetzen oder Prüfinstrumente in Systeme für unterschiedliche Regionen integrieren, kann dies die Kompatibilität mit verschiedenen Netzspannungen vereinfachen.
USB, Ethernet, SCPI und analoge Steuerung
Programmierbarkeit gewinnt insbesondere in Laboren an Bedeutung, in denen wiederkehrende Messungen, Langzeittests oder automatisierte Validierungen durchgeführt werden.
Die programmierbaren DC-Tischnetzteile von TPS unterstützen die Fernsteuerung über verschiedene Schnittstellen.
USB-Anbindung
USB ermöglicht die direkte Kommunikation mit einem PC zur Gerätesteuerung, Konfiguration und Einbindung in softwaregestützte Prüfabläufe.
Ethernet-Anbindung
Eine optionale Ethernet-Schnittstelle ermöglicht die netzwerkbasierte Bedienung und eignet sich damit für ferngesteuerte Labore, automatisierte Prüfsysteme und Langzeittests.
SCPI-Befehle
Die Unterstützung von SCPI ermöglicht die Integration des Netzteils in bestehende automatisierte Testumgebungen. Geräteparameter können aus SCPI-kompatiblen Softwareumgebungen und Programmiersystemen gesteuert werden, einschließlich Python- und LabVIEW-basierter Prüfsoftware.
Typische automatisierbare Funktionen sind:
- Einstellen von Spannung und Strom
- Ein- und Ausschalten des Ausgangs
- Konfigurieren von Schutzschwellen
- Ausführen vordefinierter Prüfsequenzen
- Auslesen von Betriebsparametern
Galvanisch getrennte Analogschnittstelle
Eine galvanisch getrennte Analogschnittstelle unterstützt 0–10-V-Steuersignale für Spannung, Strom und Leistung und stellt entsprechende Monitor-Ausgänge bereit.
Diese Schnittstelle kann für industrielle Prüfsysteme und bestehende Automatisierungsarchitekturen relevant sein, die analoge anstelle digitaler Steuersignale verwenden.
Dynamische Ausgangssequenzen und Signalgenerierung
Optionale Funktionsgenerator- und Arbiträrsignal-Funktionen erweitern das Netzteil über den statischen DC-Betrieb hinaus.
Programmierbare Sequenzen mit bis zu 99 Schritten können verwendet werden, um veränderliche Versorgungsbedingungen nachzubilden. Dadurch lässt sich das Verhalten eines DUT bei kontrollierten Spannungs- oder Stromänderungen untersuchen.
Mögliche Anwendungen sind:
- Variation der Batteriespannung
- Versorgungsspannungseinbrüche
- Ein- und Ausschaltsequenzen
- Wiederholte Spannungssprünge
- Prüfung des Transientenverhaltens
- Belastungstests von Geräten und Komponenten
Beispielsweise kann eine Sequenz zwischen 3,3 V und 5 V wechseln, während gleichzeitig das Verhalten des DUT überwacht wird. Konfigurierbare Strom- und Schutzgrenzen bleiben während der Prüfung verfügbar.
In Anwendungen, bei denen programmierbare Änderungen von DC-Pegeln ausreichen, können diese Funktionen den Bedarf an separater Hardware zur Signalerzeugung reduzieren.
Anwendung: Low-Power-IoT und Embedded-Systeme
LoRa-, BLE-, NB-IoT- und andere eingebettete Funksysteme arbeiten häufig in deutlich unterschiedlichen Leistungszuständen. Für die Entwicklung kann daher eine Stromversorgung erforderlich sein, die sowohl niedrige stationäre Ströme als auch höhere Ströme im aktiven Betriebszustand bereitstellen kann.
Die programmierbare Spannungs- und Stromregelung kann Funktionstests während der Firmware-Entwicklung unterstützen. Gleichzeitig ermöglicht der konfigurierbare OCP die Festlegung einer oberen Stromgrenze, um unerwartete Betriebszustände wie Kurzschlüsse oder eine ungewöhnlich hohe Stromaufnahme zu erkennen.
Für eine detaillierte Leistungsanalyse im niedrigen Strombereich sollten jedoch die vollständigen Messspezifikationen des Netzteils mit dem benötigten Strombereich und der erforderlichen Messgenauigkeit abgeglichen werden.
Anwendung: Ausbildungslabore für Elektronik
Eine Stromquelle mit 40 V im SELV-Spannungsbereich kann auch für beaufsichtigte Ausbildungslabore geeignet sein, in denen mit elektronischen Niederspannungsschaltungen gearbeitet wird.
Vor Beginn eines Versuchs können Spannungs- und Stromgrenzen konfiguriert werden. Typische Ausbildungsprojekte arbeiten beispielsweise mit Versorgungsspannungen von 5 V, 12 V oder 24 V. Der OCP-Schwellenwert kann entsprechend der zu prüfenden Schaltung gewählt werden.
Programmierbare Schutzgrenzen können dazu beitragen, die Auswirkungen von Verdrahtungsfehlern oder Kurzschlüssen zu begrenzen. Die Ausgangsentladung reduziert nach dem Abschalten zudem die verbleibende Restspannung.
Diese Funktionen ergänzen die erforderlichen elektrischen Sicherheitsmaßnahmen des Labors, ersetzen sie jedoch nicht.
Anwendung: Automatisierte Bauteilprüfung
Über SCPI und Ethernet lässt sich das Netzteil in automatisierte Systeme zur Bauteilprüfung integrieren.
Eine Prüfsequenz kann beispielsweise die Spannung einstellen, einen definierten Stromgrenzwert festlegen, den Ausgang aktivieren, Betriebsparameter überwachen und die Ergebnisse über eine externe Prüfsoftware erfassen.
Dieser Ansatz kann für die automatisierte Prüfung unterschiedlicher Komponenten eingesetzt werden, beispielsweise:
- Kondensatoren
- Dioden
- Transistoren
- Sensoren
- Low-Power-ICs
Die konkreten Werte für Spannung, Strom und Prüfzeit sowie die Pass/Fail-Kriterien müssen aus den jeweiligen Bauteilspezifikationen und dem verwendeten Prüfverfahren abgeleitet werden.
Anwendung: Prüfung von Leistungswandlern und Computer-Stromversorgungen
Ein programmierbarer DC-Ausgang kann außerdem die Charakterisierung von DC/DC-Wandlern und anderen leistungselektronischen Baugruppen unterstützen.
Ein 24-V-Wandler lässt sich beispielsweise unter unterschiedlichen Eingangsbedingungen untersuchen, während Remote Sensing den Spannungsabfall zwischen Stromquelle und DUT kompensiert. Programmierbare Sequenzen können Änderungen der Versorgungsspannung nachbilden, um die Reaktion des Wandlers auf veränderte Eingangsspannungen zu untersuchen.
Bei der Prüfung von Computer-Stromversorgungen oder in vergleichbaren Anwendungen der Leistungselektronik kann die programmierbare DC-Quelle als Bestandteil eines umfassenderen Prüfaufbaus zur Untersuchung des Eingangsverhaltens und transienter Betriebsbedingungen eingesetzt werden.
SELV und Strombegrenzung: wichtige Unterschiede
SELV und eine programmierbare Strombegrenzung adressieren unterschiedliche Aspekte des elektrischen Schutzes und sollten nicht als gleichwertige Schutzmaßnahmen betrachtet werden.
SELV betrifft die Begrenzung der Spannung sowie die Trennung von Stromkreisen mit gefährlichen Spannungen unter definierten Bedingungen. Ein Ausgang von 40 V DC liegt unterhalb der häufig herangezogenen SELV-Spannungsgrenze von 60 V DC. Ob die Anforderungen tatsächlich erfüllt werden, hängt jedoch vom vollständigen Schaltungsaufbau und von der jeweils anwendbaren Sicherheitsnorm ab.
Die Strombegrenzung beziehungsweise der OCP kontrolliert dagegen den maximal für das DUT verfügbaren Ausgangsstrom. Ein Grenzwert von beispielsweise 30 mA kann für bestimmte Bauteilprüfungen sinnvoll sein, sollte jedoch nicht als allgemeingültiger Grenzwert für den Personenschutz dargestellt werden.
Die physiologische Wirkung elektrischen Stroms hängt von mehreren Faktoren ab, darunter Stromweg, Einwirkdauer, Hautzustand, Spannung, Signalform und Umgebungsbedingungen. Ein programmierbarer OCP darf daher nicht als Ersatz für Schutzmaßnahmen betrachtet werden, die beispielsweise nach IEC 61010-1, IEC 62368-1 oder anwendungsspezifischen Sicherheitsanforderungen erforderlich sind.
Für die Bauteilprüfung im Labor liegt der technische Nutzen einer präzisen Stromregelung vor allem darin, Stromgrenzen entsprechend den Anforderungen des DUT und des jeweiligen Prüfverfahrens festlegen zu können.
Saubere DC-Versorgung und dynamische Prüfungen kombinieren
Die Kombination aus geringer Restwelligkeit und geringem Rauschen, programmierbarer Spannungs- und Stromregelung, Remote Sensing, Schutzfunktionen und optionaler Signalgenerierung ermöglicht sowohl statische als auch dynamische Prüfungen mit demselben Gerät.
Im Normalbetrieb kann das DUT zunächst mit einer stabilen DC-Spannung versorgt werden. Anschließend lassen sich kontrollierte Spannungsänderungen anwenden, um das Verhalten unter variierenden Versorgungsbedingungen zu untersuchen. Bei der Prototypenvalidierung kann dies vorteilhaft sein, da der Prüfaufbau unverändert bleibt, während sich die elektrische Anregung gezielt verändern lässt.
Über die Fernsteuerungsschnittstellen können diese Abläufe zusätzlich automatisiert und softwaregesteuert wiederholt werden.
Bedienung am Gerät und gespeicherte Konfigurationen
Für den manuellen Laborbetrieb bieten der Farb-Touchscreen und die separaten Bedienelemente direkten Zugriff auf die wesentlichen Betriebsparameter.
Fünf Benutzerprofile können häufig verwendete Einstellungen speichern und später wieder aufrufen. Dies ist insbesondere dann nützlich, wenn dasselbe Labornetzteil für wiederkehrende Prüfkonfigurationen oder unterschiedliche DUT-Typen verwendet wird.
In automatisierten Umgebungen können die zentralen Funktionen über die verfügbaren Fernsteuerungsschnittstellen angesprochen werden.
Auswahl eines programmierbaren DC-Netzteils für Prüfungen im SELV-Bereich
Bei der Auswahl eines programmierbaren DC-Tischnetzteils für Niederspannungsanwendungen im Labor sollten nicht ausschließlich die maximale Ausgangsspannung und der maximale Ausgangsstrom betrachtet werden.
Zu den relevanten Auswahlkriterien gehören:
- Erforderlicher Spannungs- und Strombereich
- Einstellauflösung für Spannung und Strom
- Ausgangsgenauigkeit
- Restwelligkeit und Rauschen
- Schutzfunktionen und deren Einstellbereiche
- Remote-Sensing-Funktion
- Verhalten der Ausgangsentladung
- Auto-Ranging-Eigenschaften
- AC-Eingangsbereich und PFC
- Anforderungen an USB-, Ethernet-, SCPI- oder Analogsteuerung
- Sequenz- und Signalgeneratorfunktionen
- Integrationsanforderungen für automatisierte Prüfsysteme
Bei der Prüfung empfindlicher Komponenten sollte insbesondere das Zusammenspiel von Stromauflösung, Genauigkeit, Schutzschwellen und den absoluten Grenzwerten des DUT berücksichtigt werden.
Fazit
Programmierbare DC-Tischnetzteile von TPS kombinieren eine einstellbare Spannungs- und Stromregelung mit geringer Restwelligkeit und geringem Rauschen, Remote Sensing, konfigurierbaren Schutzfunktionen sowie verschiedenen Möglichkeiten zur Fernsteuerung und Systemintegration.
Das 40-V-Modell ist insbesondere für Laboranwendungen relevant, die einen Betrieb innerhalb des SELV-Spannungsbereichs erfordern. Die Stromeinstellauflösung von 1 mA unterstützt kontrollierte Prüfungen bei niedrigen Strömen. USB-, Ethernet-, SCPI- und Analogschnittstellen ermöglichen die Einbindung in manuelle und automatisierte Testumgebungen.
Für Entwicklungsingenieure, die mit Embedded-Elektronik, Halbleiterbauteilen, Sensoren, Leistungswandlern, Ausbildungssystemen oder automatisierten Bauteilprüfungen arbeiten, bieten diese Funktionen eine flexible Plattform für eine kontrollierte DC-Stromversorgung. Spannung, Strom und Schutzparameter sollten dabei stets anhand der Spezifikationen des DUT, des jeweiligen Prüfverfahrens und der anwendbaren Sicherheitsanforderungen festgelegt werden.
