R&S®Essentials | Grundlagen von DC-Netzgeräten

Die gängigsten Arten von Netzgeräten

Autor: Anja Fenske, Produktmanagerin R&S Essentials Netzgeräte

Zur Auswahl eines DC-Netzgeräts ist zunächst die Frage zu beantworten, welcher Netzgerätetyp für die jeweilige Anwendung am besten geeignet ist. Es gibt drei gängige Arten von DC-Netzgeräten. Die unterschiedlichen Konstruktionstypen bieten Vorteile im Hinblick auf eine hochkonstante Spannung, eine geringe Restwelligkeit und niedriges Rauschen oder einen höheren Wirkungsgrad.

Grundtypen von Netzgeräten mit unterschiedlichen Konstruktionsprinzipien:

Lineare Netzgeräte

Lineare Netzgeräte

Linear geregelte Netzgeräte bieten eine hochkonstante Ausgangsspannung, geringe Restwelligkeit und niedriges Rauschen sowie eine schnelle Ausregelung selbst bei hohen Netz- und Lasttransienten. Sie erzeugen deutlich weniger elektromagnetische Störungen als Schaltnetzteile. Ein herkömmlicher Netztransformator isoliert die Netzleitung von den Sekundärkreisen (Endstufen). Ihm folgt ein Gleichrichter, der die ungeregelte Spannung einem Serienaktuator zuführt. Kondensatoren am Eingang und Ausgang der Reglerschaltung dienen als Puffer und verringern die Restwelligkeit.

Eine hochpräzise Referenzspannung steuert den analogen Ausgangsverstärker. Dieser Verstärker ist im Allgemeinen schnell und ermöglicht sehr kurze Ausregelzeiten bei Lastwechseln.

R&S Essentials Linearnetzgeräte: R&S®NGA100, R&S®NGL200, R&S®NGM200, R&S®NGU201/401.

 Schaltnetzteile (SMPS)

Schaltnetzteile (SMPS)

SMPS, z. B. das R&S®NGP800, bieten einen wesentlich höheren Wirkungsgrad als linear geregelte Netzgeräte. In einem ersten Schritt wird die Netzspannung gleichgerichtet. Aufgrund der hohen Eingangsspannung können Pufferkondensatoren mit einer kleinen Kapazität verwendet werden. In einem zweiten Schritt wird die umzuwandelnde Gleichspannung mit einer hohen Frequenz zerhackt.

Dies geschieht im Schalttransistor und erfordert nur vergleichsweise kleine und leichte Ferritdrosseln oder Transformatoren mit geringen Verlusten. Der Schalttransistor wird vollständig ein- und ausgeschaltet, weswegen die Schaltverluste gering sind. Die Ausgangsspannung wird in der Regel durch Anpassung des Tastverhältnisses des Schalttransistors geregelt. Ein Gleichrichter und ein Tiefpassfilter verbessern die Ausgangsqualität.

Netzgeräte mit gemischter Architektur

Verschiedene Kombinationen der oben beschriebenen Grundkonstruktionen sind gebräuchlich. Die R&S®NGE100B Netzgeräte nutzen beispielsweise einen Netztransformator am Eingang, gefolgt von einem Gleichrichter und einer Schalteinheit zur Regelung der Ausgangsspannung, und bieten so einen hohen Wirkungsgrad. Eine Linearstufe reduziert unerwünschte Signalkomponenten am Ausgang. Ein weiteres Beispiel für eine gemischte Architektur ist das R&S®HMP2000/4000.

Quadranten von DC-Netzgeräten

Fließt Strom in die positive Spannungsklemme, fungiert das Netzgerät als elektronische Last. Anstatt Leistung zu liefern, nimmt das Gerät dann Leistung auf. Mit Geräten, die auf diese Weise sowohl als Quelle als auch als Senke agieren können, lassen sich Batterien oder Verbraucher emulieren. Sie werden als Zwei-Quadranten- (oder Vier-Quadranten-) Netzgeräte bezeichnet. Rohde & Schwarz sind mit Zwei- und Vier-Quadranten-Architektur verfügbar. Diese Geräte wechseln automatisch vom Quellbetrieb in den Lastbetrieb. Sobald die von außen angelegte Spannung die eingestellte Soll-Spannung überschreitet, fließt Strom ins Netzgerät. Dies wird durch einen negativen Stromwert angezeigt.

Die Architektur eines Netzgeräts lässt sich mit Hilfe eines kartesischen Koordinatensystems vollständig beschreiben. Die vier Quadranten zeigen alle möglichen Kombinationen von positiver und negativer Spannung und Stromstärke. Die folgende Abbildung stellt ein Koordinatensystem mit der Spannung auf der vertikalen Achse und dem Strom auf der horizontalen Achse dar.

Wie bereits erwähnt, erzeugen gewöhnliche Netzgeräte in der Regel nur Spannungen positiver Polarität (d. h. sie arbeiten im ersten Quadranten), zum Beispiel von 0 V bis 20 V. Wenn ein Netzgerät an seinen Ausgangsklemmen entweder eine positive oder eine negative Spannung erzeugen kann, ohne dass die externe Verdrahtung angepasst werden muss, wird es als bipolares Netzgerät bezeichnet und arbeitet in den Quadranten 1 und 3, d. h. es liefert beispielsweise Spannungen von −20 V bis +20 V. Solche Geräte können unter anderem dazu verwendet werden, das Verhalten von Halbleitern bei bipolaren Spannungen um den 0-V-Punkt zu testen.

Netzgeräte, die in den Quadranten 1 und 3 arbeiten, bieten in der Regel auch eine Senkenfunktion für positive und negative Spannungen und Ströme. Sie sind damit also in allen vier Quadranten betreibbar und werden als Source Measure Units (SMUs) bezeichnet. Im ersten und dritten Quadranten fließt Strom aus dem Spannungsanschluss – das Gerät liefert Leistung. Im zweiten und vierten Quadranten hingegen fließt der Strom in den Spannungsanschluss. Dementsprechend wird Leistung „versenkt“.

Kanäle mit identischen Spannungsbereichen

Die meisten Rohde & Schwarz Netzgeräte bieten den gleichen Spannungsbereich für alle Kanäle. Es spielt also keine Rolle, welchen Kanal Sie für eine bestimmte Anwendung wählen. Jeder Kanal kann als separate Stromversorgung angesehen werden.

Welligkeit und Rauschen

Moderne, komplexe Elektronikschaltungen sind sehr empfindlich gegenüber Spannungsschwankungen auf den Versorgungsleitungen. Um Prüflinge störungsfrei mit Spannung zu versorgen, sind Netzgeräte erforderlich, die extrem stabile Ausgangsspannungen/-ströme liefern. Im Idealfall ist ein Ausgang frei von Spannungsschwankungen. In der Praxis treten zwei Arten von Schwankungen auf, die sich möglicherweise auf die Schaltung oder das Gerät auswirken können: periodische Schwankungen (Welligkeit) und zufällige Schwankungen (Rauschen), auch als periodische und zufällige Störungen (PaRD) bezeichnet. Lineare Netzgeräte weisen im Vergleich zu Schaltnetzteilen eine deutlich geringere Hochfrequenzwelligkeit auf.

Spezialnetzgeräte sowie einige Standardnetzgeräte wie das R&S®NGA100 verwenden eine lineare Spannungsregelung für minimale Restwelligkeit und Rauschen.

Der lineare Aufbau der Ausgangsstufen ermöglicht es, empfindliche Designs wie komplexe Halbleiter mit einer störungsarmen Spannung zu versorgen. Niedrige Welligkeits- und Rauschwerte sind auch optimal für die Entwicklung von Leistungsverstärkern und MMICs.

Variable Ausgangsimpedanz

Die Ausgänge von Spezialnetzgeräten lassen sich in verschiedener Weise konfigurieren. So können beispielsweise Parameter wie die Ausgangsimpedanz, eine Einschaltverzögerung und verschiedene Triggermodi eingestellt werden. Netzgeräte sollten im Allgemeinen eine möglichst niedrige Ausgangsimpedanz bieten, um Belastungseffekte auf den Prüfling zu vermeiden. Es gibt jedoch Anwendungen, die eine kontrollierte Batteriesimulation oder die Simulation des Anstiegs des Innenwiderstands beim Entladen der Batterie erfordern. Die R&S®NGL200, R&S®NGM200 und R&S®NGU201 Netzgeräte unterstützen solche Anwendungen mit einer einstellbaren Ausgangsimpedanz.

Fazit

  • Es gibt drei gängige Arten von Netzgeräten: lineare Netzgeräte, Schaltnetzteile und Netzgeräte mit gemischter Architektur.
  • Lineare Netzgeräte liefern eine stabile, rauscharme Ausgangsspannung mit geringer Restwelligkeit. Sie eignen sich deswegen perfekt für empfindliche Elektronik.
  • Schaltnetzteile (Switched-mode Power Supplies, SMPS) sind effizienter als lineare Netzgeräte. Durch Hochfrequenz-Schaltbetrieb zur Spannungsregelung ermöglichen sie eine kompaktere Bauweise mit kleineren Komponenten.
  • Netzgeräte mit gemischter Architektur kombinieren Merkmale beider Varianten, um eine höhere Effizienz und geringes Rauschen zu erreichen.
  • Fließt Strom in die positive Spannungsklemme, arbeitet das Netzgerät als elektronische Last. Anstatt Leistung zu liefern, nimmt das Gerät dann Leistung auf.
  • Zwei- und Vier-Quadranten-Netzgeräte fungieren sowohl als Quelle als auch als Senke und können daher Batterien oder Verbraucher simulieren. Diese Geräte wechseln automatisch vom Quell- in den Lastbetrieb.
  • Source Measure Units (SMU) sind Netzgeräte, die in allen Quadranten arbeiten können. Sie bieten in der Regel auch eine Senkenfunktion für positive und negative Spannungen und Ströme.

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