Messen von Welligkeit und Transienten in Netzteilen

23. April 2019 verfasst von Ron Stull

Messen von Welligkeit und Transienten in Netzteilen

Zwei der häufigsten technischen Daten bei der Bewertung einer Stromversorgung sind Welligkeit und Transiente. Obwohl es sich dabei um einfache Messungen handelt, sollten zwei wichtige Aspekte beachtet werden, um korrekte Daten zu erhalten. Die erste betrifft die Messtechnik unter Verwendung einer Oszilloskopsonde, während sich die zweite auf die jeweiligen Bedingungen bezieht, unter denen diese Daten spezifiziert werden.

Geeignete Messtechniken unter Verwendung einer Oszilloskopsonde

Bevor Sie versuchen, die Welligkeit oder Transiente zu messen, sollten einige Hintergrundinformationen zum Abtasten mit einem Oszilloskop näher betrachtet werden. Da die Amplitude des betreffenden Signals gewöhnlich in Millivolt gemessen wird, kann jedes verstärkte interne Signal oder jedes aufgenommene externe Signal das Signal leicht verdecken oder verzerren und zu falschen Ergebnissen führen. Es ist äußerst wichtig, dies durch geeignete Messtechniken der Sonde zu verringern.

Am besten kann der Tester eine gute Messung durch die Minimierung der von der Sonde erzeugten Massenschleife sicherstellen. Die durch den Rückweg der Sonde erzeugte Schleife verursacht eine Induktivität, die internes Rauschen verstärken und externes Rauschen aufnehmen kann. Sonden werden in der Regel mit einer Erdungskrokodilklemme geliefert, die der im Bild unten gezeigten ähnlich ist. Diese Erdungsklemmen sind zwar einfach anzuschließen, führen jedoch zu großen Massenschleifen, die für diese Messungen nicht empfohlen werden. Stattdessen gibt es zwei gängige und bevorzugte Verfahren, um eine kleine Massenschleife zu erreichen: Das Verfahren „Tip and Barrel“ (Spitze und Zylinder) und das Verfahren „Paperclip“ (Büroklammer).

Beispiel einer großen Massenschleife der Sonde, verursacht durch eine lange Erdungsklemme
Große Massenschleife, verursacht durch eine lange Erdungsklemme

Beim Tip-and-Barrel-Verfahren werden die Bodenabdeckung und die Sondenklemme entfernt, wobei die Spitze und der Zylinder der Sonde frei liegen. Die Spitze der Sonde wird dann an die Ausgangsspannung angelegt und der Zylinder ist so gewinkelt, dass er an einem Punkt nahe der Spitze auf Masse trifft. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die zugänglichen Prüfpunkte oder Punkte, an denen Sie sowohl Spitze als auch Zylinder anbringen können, möglicherweise nicht ideal sind und/oder weit von einem Ausgangskondensator entfernt sind. Idealerweise sollte die Sonde so nahe wie möglich am Ausgangskondensator platziert werden.

Beispiel für den idealen Aufbau des Tip-and-Barrel-Sondenverfahrens
Idealer Aufbau des Tip-and-Barrel-Verfahrens

Auf der anderen Seite verwendet das Paperclip-Verfahren das Tip-and-Barrel-Verfahren und fügt dem Zylinder eine kleine Drahtspule mit einem kurzen Anschlussdraht hinzu. Dadurch erhält die Sonde eine pinzettenähnliche Spitze, die eine flexiblere Sondenposition ermöglicht und dabei einen kleinen Schleifenbereich beibehält.

Beispiel für den idealen Aufbau des Paperclip-Sondenverfahrens
Idealer Aufbau des Paperclip-Verfahrens

Obwohl dies nicht die einzigen Verfahren zur Erfassung eines guten Signals sind, sollte versucht werden, die Massenschleife unabhängig vom gewählten Verfahren so klein wie möglich zu halten.

Welligkeit und Rauschen

Welligkeit ist die inhärente Wechselstromkomponente der Ausgangsspannung, die durch das interne Schalten des Netzteils verursacht wird. Rauschen ist die Manifestation von Störungen innerhalb der Stromversorgung, die als Hochfrequenzspannungsspitzen der Ausgangsspannung auftreten. Datenblätter geben eine maximale Spitze-zu-Spitze-Abweichung der Ausgangsspannung an, die durch Welligkeit und Rauschen verursacht wird. Wie oben erwähnt, ist es wichtig, gute Prüfverfahren zu verwenden, um sicherzustellen, dass die Messung die Welligkeit und das Rauschen der Stromversorgung genau darstellt.

Beim Testen der Welligkeit und des Rauschens sind einige Bedingungen zu beachten. Zunächst hat die Last einen erheblichen Einfluss auf die Welligkeit. Daher ist es wichtig, dass die Messung unter den gleichen Lastbedingungen durchgeführt wird, normalerweise unter Volllast, wie im Datenblatt angegeben. Die Eingangsspannung wirkt sich auch auf die Welligkeit aus. Und der Test sollte bei allen Eingangsspannungen von Interesse durchgeführt werden. Zusätzlich zu den elektrischen Bedingungen geben viele Hersteller einige externe Kondensatoren an (üblicherweise wird ein Elektrolytkondensator in der Größenordnung von 10 µF und ein Keramikkondensator von 0,1 µF verwendet), die für die Zwecke der Messung am Ausgang der Stromversorgung angewandt werden. Die Sonde sollte sich in der Nähe dieser Kondensatoren befinden. Schließlich ist es üblich, für diese Messung eine Bandbreite von 20 MHz im Oszilloskopkanal festzulegen.

Im Allgemeinen ist nur eine Oszilloskopsonde erforderlich, um diesen Test durchzuführen. Dabei wird die Sonde mit den oben erörterten Sondenmessverfahren über einem Ausgangskondensator oder einem bestimmten externen Kondensator angeordnet.

Diagramme, die schlechte und gute Welligkeits- und Rauschmessungen zeigen
Beispiel für schlechte und gute Sondenmessungen: Messung der Welligkeit und des Rauschens der Massenschleife (links) und „Paperclip“-Verfahren (rechts)

Einschwingverhalten

Das Einschwingverhalten ist der Betrag, um den die Ausgangsspannung aufgrund eines Lastwechsels abweichen kann. Bei Lastwechseln kann die Stromversorgung nicht sofort auf die neuen Bedingungen reagieren und hat entweder zu viel oder nicht genug gespeicherte Energie. Die Ausgangskondensatoren sind für die überschüssige oder fehlende Energie verantwortlich. Sie werden entweder ihre Ladung aufwenden, um die Last aufrechtzuerhalten, was zu einer Abnahme der Spannung führt, oder sie speichern die überschüssige Energie, was einen Spannungsanstieg verursacht. Über mehrere Schaltzyklen wird das Netzteil so eingestellt, dass nur die Energie gespeichert wird, die die Last benötigt, während die Ausgangsspannung wieder zu ihrem Nennwert zurückkehrt. Bei der Messung des Einschwingverhaltens sind der Betrag, um den die Ausgangsspannung von ihrem Nennwert abweicht, die Erholungszeit oder die Zeit, in der die Spannung außerhalb der angegebenen Regelgrenzen liegt, von Interesse.

Im Gegensatz zu Welligkeit und Rauschen, deren Bedingungen auf die Belastung und die Eingangsspannung beschränkt sind, hat das Einschwingverhalten einige zusätzliche Bedingungen, die sich auf die Messung auswirken können. Wichtige zu beachtende Bedingungen sind die Anstiegsgeschwindigkeit der angewendeten Laststufe, der Start- und der Endstrom. Die Anstiegsgeschwindigkeit hat einen großen Einfluss auf das Einschwingverhalten, denn je schneller sich die Last ändert, desto stärker wird die Leistung abweichen, bevor die Stromversorgung die sich ändernden Bedingungen einholen kann. Der Start- und der Endstrom kann ebenfalls Auswirkungen haben. Stromversorgungen verhalten sich bei leichten Lasten oft unterschiedlich. Und eine Transiente, die diese Regionen kreuzt, kann dazu führen, dass die Stromversorgung anders reagiert, als wenn die Transiente in einem einzelnen Bereich aufgetreten wäre. Die Start- und Endströme bestimmen zusammen mit der Anstiegsgeschwindigkeit die Zeit, in der sich der Strom ändert, und sollten den angegebenen Bedingungen entsprechen.

Um die Messung des Einschwingverhaltens durchzuführen, benötigt der Benutzer zwei Oszilloskopkanäle. Die erste Sonde sollte sich über dem Ausgang der Stromversorgung in der Nähe der Ausgangspins oder des Regelungspunkts befinden. Das Messen der Ausgangsspannung außerhalb des Regelungspunkts führt zu einem Gleichstromversatz zwischen den beiden Lastzuständen, der durch einen Spannungsabfall in der Ausgangsverkabelung verursacht wird. Die zweite Sonde sollte den Strom oder ein Signal messen, das synchron zum vorübergehenden Lastwechsel ist. Diese Sonde wird als Auslöser verwendet, damit die resultierende Ausgangsspannungsabweichung deutlich erkennbar ist.

Diagramm der Messung des Einschwingverhaltens mit Ausgangsspannung und Last
Messung des Einschwingverhaltens mit Ausgangsspannung (oben) und Last (unten)

Fazit

Welligkeit und Einschwingvorgang sind ein üblicher Bestandteil der Stromversorgungsbewertung. Bei der Messung dieser Eigenschaften mit einem Oszilloskop ist es wichtig, die Sondenschleifenfläche zu minimieren, um Verzerrungen der betreffenden Signale zu vermeiden. Neben geeigneten Sondenmessverfahren müssen die Bedingungen, unter denen das Datenblatt diese Messungen angibt, auch bekannt sein und eingehalten werden, damit ein Vergleich gültig ist.

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Ron Stull

Ron Stull

Stromversorgungsingenieur

Seit Ron Stull 2009 zu CUI kam, hat er eine Reihe von Kenntnissen und Erfahrungen in den Bereichen der analogen und digitalen Stromversorgung sowie der AC/DC- und DC/DC-Energieumwandlung gesammelt. Er spielt eine Schlüsselrolle im Engineering-Team von CUI, mit Verantwortlichkeiten wie Anwendungsunterstützung, Test und Validierung sowie Design. Außerhalb der Energietechnik spielt Ron Gitarre, joggt und unternimmt mit seiner Frau Ausflüge in die Natur. Sie haben vor, alle US-Nationalparks zu besuchen.

 
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