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Netzgeräte & Lasten

Netzgeräte, AC-Quellen und Lasten große Auswahl an Stromversorgungen für jede Anforderung

Labornetzgeräte, Lasten und AC- Quellen / Stromversorgung für jede Anforderung

Das klassische Netzgerät bzw. Netzteil (engl. Power Supply Unit, PSU) wird von jedem von uns als Energieversorgung für eine Vielzahl von Alltagsgeräten wie z. B. Smartphone, Laptop, Küchengeräte etc. täglich eingesetzt. Auf ein Netzgerät bzw. Netzteil sind Geräte angewiesen, welche andere Spannungen und Ströme benötigen als vom Stromnetz bereitgestellt wird. Dabei können die Ausgangsspannung und der maximale Ausgangsstrom fest eingestellt oder variabel und entweder Gleich- oder Wechselstrom sein.

Als Labornetzteil / Labornetzgerät oder Laborstromversorgung werden in der Regel leistungsstärkere universell einsetzbare Netzgeräte bezeichnet, welche vorwiegend im professionellen Umfeld (mit variabel einstellbarer Ausgangsspannung / -strom) wie z. B. in der Elektronikentwicklung, in Prüfsystemen und dem Servicebereich eingesetzt werden. Die Laborstromversorgungen kommen aber auch in der Hobbyelektronik oder in der Ausbildung, z.B. an Hochschulen, zum Einsatz.

Arten von Netzgeräten

Aus technischer Sicht gibt es zwei wesentliche unterschiedliche Arten, nach denen die Netzgeräte konzipiert sind: die längs/linear geregelten Netzgeräte und die Schaltnetzgeräte.

Längs/linear geregelte Netzgeräte

Diese Art von Netzgerät beinhaltet einen Transformator, der die Eingangsspannung (Netzspannung) auf eine gewünschte Sekundärspannung transformiert. Die nachgeschaltete Gleichrichtung erzeugt eine gleichgerichtete Spannung, die dann von einer nachfolgenden Schaltung (Regler) auf die geforderte Gleichspannung gebracht wird. Die variable Ausgangsspannung wird mit dem Linearregler verwirklicht. 

Vorteil dieser Schaltungsmethode ist, dass die Ausgangsspannung kaum Störprodukte enthält und die Restwelligkeit (Ripple) relativ gering ist. Diese Schaltungsart wirkt sich aber nachteilig auf das Gewicht und vor allem auf den sehr geringen Wirkungsgrad, der nur um ca. 50 % liegt, aus. 

Schaltnetzgeräte (getaktet)

Ganz anders ist dies bei den Schaltnetzgeräten, hier liegt der Wirkungsgrad bei ca. 70 % bis über 90 %, was sich vor allem bei Netzgeräten mit sehr hohen Leistungen auszahlt. Erreicht wird dies durch sogenannte Hoch- oder Nieder-Setzsteller, die einerseits bei wesentlich höherer Arbeits-Frequenz, im 10 kHz bis 100 kHz-Bereich, betrieben werden und andererseits mit Ferritkern-Spulen, die einen wesentlich höheren Wirkungsgrad der Gesamtschaltung zulassen.

Von Hochsetzsteller spricht man, wenn die Ausgangsspannung über der Netzeingangsspannung liegt, von Niedersetzsteller, wenn die Ausgangsspannung unter der Netzeingangsspannung ist. Nachteil dieses Konzeptes sind die geschalteten Spannungen, die man als Störung oder Rauschen auf der Ausgansgleichspannung wiederfindet. Die Qualität des jeweiligen Netzgerätes wird also durch die nachfolgenden Filter zur Glättung der Ausgangsspannung bestimmt. Für höhere Anforderungen werden in der Regel Linearregler diesen Schaltnetzteilen nachgeschaltet.

Verbreitung und Anwendung der beiden Arten

Die längs/linear geregelten Netzgeräte sind eine „aussterbende" Art. Selbst die Ladenetzteile von Handys sind zwischenzeitlich Schaltnetzteile. Bereits bei diesen kleinen Netzteilen ist der Gewichtsunterschied deutlich zu spüren. Trotzdem werden linear/längs geregelte Netzgeräte aufgrund der geringen Restwelligkeit immer wieder angefragt, besonders bei Anwendungen im Labor bzw. in der Entwicklung.

Die wichtigsten Auswahlkriterien: Spannung, Strom und Leistung

Diese drei Größen sind die wichtigsten Entscheidungskriterien bei der Auswahl eines Netzgerätes. Im Angebot von dataTec sind Netzgeräte mit Ausgangsspannungen von betragsmäßig 0 V bis 12 kV verfügbar. Netzgeräte mit Ausgangsströmen von bis zu 1.000 A sind möglich. Die verfügbare Ausgangsleistung ist das Produkt aus Ausgangsspannung und Ausgangsstrom. Bei manchen Geräten gibt es hier aber Einschränkungen der Gestalt, dass die gesamte Ausgangsleistung über den gesamten Ausgangsspannungsbereich abverlangt werden kann, jedoch der Ausgangsstrom ab einer bestimmten Ausgangsspannung entweder hart begrenzt ist oder der folgenden Formel folgt:

Die Ausgangsleistung variiert in unserem Angebot an Labor-Netzgeräten von ca. 25 W bis zu 15 kW pro Gerät, wobei es Hersteller gibt, bei denen 10 Geräte parallel geschaltet werden können und damit 150 kW an Ausgangsleistung zur Verfügung stehen. Als Vergleich: Ein Einfamilien-Reihenhaus kommt mit einer Heizleistung von ca. 5 kW durch den „dicksten" Winter.

Bauformen

Labornetzgerät Hameg HM 7042-5
 

Labornetzgeräte (Tischgeräte)

Als Labornetzteil oder Labornetzgerät werden in der Regel leistungsstärkere universell einsetzbare Netzgeräte bezeichnet, welche vorwiegend im professionellen Umfeld wie z. B. in der Elektronikentwicklung und dem Prüf- und Servicebereich eingesetzt werden. Die Laborstromversorgungen kommen aber auch in der Hobbyelektronik oder in der Ausbildung, z.B. an Hochschulen, zum Einsatz. Sie dienen dazu ein in der Entwicklung oder in der Produktion bzw. Im Prüffeld befindliches Modul oder Schaltung mit Strom zu versorgen.

TDK-Lambda Netzgerät GEN30-25, 19 Zoll-Einbausystem
 

19 Zoll-Einbausysteme (Für Testsysteme und Prüfstände)

Eine weitere Netzgeräte-Modellreihe sind die sogenannten „19 Zoll Einschubsysteme" (19 Zoll bezieht sich auf die Breite der Geräte), die in ein 19-Zoll-Rack-Einbaurahmen/Chassis oder Schrank eingesetzt werden. Damit hat der Anwender die Möglichkeit in automatischen Testsystemen unterschiedliche Spannungen auf sehr engem Raum unterzubringen.

Modulares Netzgerät N6700B von Keysight, Grundgerät für 4 Module, 400W
 
Modulare Netzgeräte (Mehrkanal-System)

Modulare Netzgeräte sind wie die Einbaunetzgeräte eine einzelne Geräteeinheit jedoch nicht in sich abgeschlossen sondern mit entsprechenden Modulen, auch im Nachhinein noch, beliebig konfigurierbar. Das Gehäuse des Grundgeräts für den Einbau in entsprechende Systeme konzipiert. Diese Geräte sind sehr kompakt aufgebaut um Platz zu sparen. Die modulare Bauweise ermöglicht eine einfache und relativ günstige Anpassung des Netzgeräts an neue Anforderungen und die Umsetzung von individuellen, mehrkanaligen Systemen mit unterschiedlichen Spannungs- / Leistungsbereichen.

Einbaunetzgeräte von Elektro AutomatikEinbaunetzgeräte

Es gibt Einbaunetzteile in gekapselten oder vergossenen Modulformen, die direkt in eine Platine eingelötet werden können oder als fertig bestückte Platinen, die in eine Schaltung eingesetzt werden kann. Einbaunetzgeräte welche eine in sich abgeschlossenen Geräteeinheit sind, diese in Systemen verbaut werden kann, stellen eine andere Bauform von Stromversorgungen dar. Bei manchen dieser Geräte ist die Ausgangsspannung in der Varianz beschränkt z. B. 11 V bis 16 V. Der Leistungsbereich geht bis 1.500 W. Diese Geräte sind sehr kompakt aufgebaut, um Platz zu sparen.
 

Hutschienen-Netzgeräte

Eine andere Spezies sind die Hutschienen-Netzgeräte. Im Schaltschrankbau wird oft ein Befestigungssystem mit Namen Hutschiene eingesetzt, das auch entsprechend genormt ist. Alle Elemente, Module, die in einem Schaltschrank Platz finden werden an dieser Schiene befestigt, so dass Sicherungen, Relais und auch die Netzteile an dieser Schiene befestigt und nebeneinander positioniert werden können.

Zusammenschaltung von Netzgeräten

Netzgeräte lassen sich nicht ohne weiteres in Reihe oder Parallel schalten. Dazu müssen sie entsprechende Steuereingänge aufweisen bzw. darauf vorbereitet sein. So lassen sich bei einigen Herstellen bis zu 10 Netzgeräte parallel schalten und dadurch eine Ausgangsleistung von 150 kW „produzieren". Bei Reihenschaltung (oder auch Serienschaltung) von Netzgeräten ist darauf zu achten, dass die Ausgangsspannungen potentialfrei am Ausgang zur Verfügung stehen, andernfalls würde man einen heftigen Kurzschluss generieren. Oft lassen sich aufgrund der Spannungsfestigkeit nur zwei Geräte in Serie schalten.

Programmierbarkeit von Netzgeräten

Viele Größen der Netzgeräte lassen sich programmieren. Dazu zählen nicht nur die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom und die Ausgangsleistung sondern auch Kenngrößen wie maximale Spannungs-, Strom- und Leistungsgrenzen zum Schutz des Prüflings. Bei manchen Geräten lassen sich auch der Einschaltstrom und die Einschaltspannung definiert nach einem Zeitverlauf bestimmen. Auch lassen sich Ausgangsgrößen entsprechend einer vorgegebenen Funktion oder Kurve entweder durch einen integrierten Arbiträr- oder Funktionsgenerator oder durch einen analogen Eingangskanal steuern. Die Arbiträr- oder Funktionsgeneratoren können im Netzgerät integriert sein oder am analogen Eingang angeschlossen werden.

Die meisten (Labor-) Netzgeräte bieten zudem entsprechende Schnittstellen (GPIB, LAN, USB, RS232, RS485 usw.) an, um sie in automatischen Testsystemen oder in Produktionsumgebungen über einen automatischen Programmablauf steuern zu können. Auch hierüber lassen sich die Ausgangswerte des Netzgerätes steuern und verändern. Eingesetzt wird dieses z. B. um die Versorgungsspannung des zu testenden Moduls schrittweise zu reduzieren, um damit herauszufinden, wann das Modul Fehlfunktionen aufgrund zu geringer Versorgungsspannung zeigt.

Ein Beispiel:
In der Weise, wie die Forderung nach Energieeinsparung bzw. die Nutzung von elektrischer Energie auch in der Automobilindustrie Einzug hält, desto intensiver wird auch für die Optimierung von Batterien / Akkus im Automobilbereich geforscht. Zwischenzeitlich gilt das Motto: "Der Blei-Akku ist tot, es lebe der Lithium-Akku". Neuere Forschungen zu Lithium-Legierung / Kohlenstoff-Komposit-Batterien oder gar den noch in weiterer Zukunft liegenden Lithium-Schwefel-Batterien erfordern Testsysteme, die es erlauben die Anzahl der möglichen Lade- / Entlade-Zyklen festzustellen, Lebensdauerabschätzungen vornehmen zu können als auch Sicherheitsaspekte zu erfassen. Dabei geht es immer um eine höhere Energiedichte bei kleineren mechanischen Abmessungen.

Entsprechenden Testsystemen kommen diesbezüglich besondere Bedeutung zu, da diese mit variablen Größen wie Ausgangs-Spannungen, -Strömen, -Leistungen und Innenwiderständen die unterschiedlichen Charakteristika von Fahrzeugkomponenten wie Anlasser, Batterie / Akku bis in eine Leistungsklasse von 150 kW nachbilden können. Das nachfolgende Diagramm gibt z. B. eine Spannungskurve wieder, mit der ein Anlasser im Testbetrieb beaufschlagt wird.

Kfz-Anlasserkurve-Testsignal

AC-Quellen und elektronische Lasten

Stillschweigend sind wir bisher davon ausgegangen, dass man unter „Netzgeräte" die Geräte versteht, die die Wechsel-Netzspannung z. B. 230 V in die gewünschte Gleichspannung überführen. Es gibt aber auch andere Gerätearten, die unter den Begriff der Netzgeräte fallen: Die AC-Quellen (AC-Sources) und die elektronischen Lasten (DC- und AC-Lasten).

AC Quelle von Keysight, 500 VA, 1 V, bis 270 V, 40 bis 500 Hz, LAN, USB

AC-Quellen: Ideal zur Nachbildung / Simulation von technischen Netzen

Dies sind Wechselspannungsquellen (AC / Alternating Current / Wechselstrom), an deren Ausgang eine sowohl in der Amplitude als auch in der Frequenz variable Spannung zur Verfügung steht. Anwendung finden diese Geräte z. B. in der Entwicklung oder der Produktion von Geräten für den weltweiten Vertrieb mit unterschiedlichen Frequenzen in 50 Hz bzw. 60 Hz (USA) und z. B. auch im Bereich Avionik und Defence mit bis zu 400 Hz Bordnetzfrequenz. Mit diesen Geräten lassen sich andere Versorgungsspannungsnetzwerke simulieren, wie z. B. das Bordnetz eines Schiffes oder das DB-Netz (Deutsche Bahn) mit ihren 16 2/3 Hz.

Viele der AC-Quellen sind für einen Frequenzbereich von 15 Hz bis 2.000 Hz ausgelegt. Die Leistung die derartige Geräte liefern, reichen von einigen 100 VA bis in die Größenordnung von 6.000 VA bei einphasigen Geräten und bei 3-Phasen-Systemen mit Leistungen bis 12 kVA und Frequenzen von 15 Hz bis 1.200 Hz. Bei diesen Geräten ist zusätzlich sehr wichtig, dass im Rahmen einer Netzstörsimulation auch Störspannung bzw. kurzzeitige Netzeinbrüche simuliert werden können. Nur so ist es möglich die Reaktion eines zu testenden Gerätes auf reale Netzspannungsschwankungen, Netzspannungseinbrüche und Netzspitzen zu untersuchen.

Elektronische Last EL3160-60 von Elektro-Automatik, 160V/60A, 400W, analog

AC- und DC-Lasten (elektronischer Lastwiderstand)

Eine weitere Geräteklasse sind die AC- und DC-Lasten. Sie werden genutzt zum Test von Gleichstromquellen bei Geräten der Leistungselektronik und zum automatischen Test von Batterie- oder Akku-Arrays oder Brennstoffzellen. Ströme von bis zu 1.000 A oder Spannungen bis 1.500 V und Leistungen bis 15,6 kW können von den entsprechenden Lasten aufgenommen werden. Für die AC-Lasten reicht das Leistungsspektrum bis zu 4.500 W, Spannungen bis 350 Vrms und Ströme bis 45 Arms.

Vier-Quadranten Modelle

Eine Besonderheit stellen die Vier-Quadranten-Modelle dar. Sie bieten die Besonderheit, dass diese Geräte sowohl als Stromquelle als auch als Stromsenke fungieren können. Ebenso gilt dieses für die Polarität der Ausgangsspannung. Spitzenmodelle reichen bis zu einer Leistung von 45 kVA mit Rückspeiseleistung, bei Strömen bis zu 225 A und Spannungen bis 300 V in einem Frequenzbereich von 30 Hz bis 100 Hz.

Rückspeisung

Gerade die Möglichkeit der Energierückspeisung in das öffentliche Netz hat in der letzten Zeit deutlich an Bedeutung gewonnen. Zum Beispiel werden zum Test von Akku-Solar-Systemen Geräte benötigt, mit denen die aufgenommene Energie des Akkus wieder in das öffentliche Netz eingespeist werden kann. Damit sind die Energiekosten im Prüffeld oder Service deutlich reduzierbar.

Zusammenschaltung von AC- und DC-Lasten

Wie bei den Netzgeräten lassen sich auch AC-Quellen und Lasten nicht ohne weiteres in Reihe oder Parallel schalten. Wie oben bereits erläutert müssen sie hierzu entsprechende Steuereingänge aufweisen bzw. darauf vorbereitet sein. So lassen sich auch hier bei einigen Herstellern bis zu 10 Geräte parallel schalten und dadurch eine Ausgangsleistung von 150 kW „produzieren". Auch hier ist es äußerst wichtig bei Reihenschaltung (oder auch Serienschaltung) darauf zu achten, dass die Ausgangsspannungen potentialfrei am Ausgang zur Verfügung stehen, da sonst ein heftiger Kurzschluss generiert werden würde. Aufgrund der Spannungsfestigkeit lassen sich auch bei den AC-Quellen und Lasten oft nur zwei Geräte in Serie schalten.

Programmierbarkeit von AC-Quellen und elektronischen Lasten

Auch bei den AC-Quellen und Lasten sind die Ausgangkenngrößen programmierbar. Dazu zählen nicht nur die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom und die Ausgangsleistung sondern auch Kenngrößen wie maximale Spannungs-, Strom- und Leistungsgrenzen zum Schutz des Prüflings.

Wie bereits im Abschnitt zu den AC-Quellen beschrieben, kommt bei diesen noch eine wesentliche Eigenschaft hinzu: Die Simulation von anderen Versorgungsnetzen (z. B. Bordnetz eines Flugzeugs, Schiffes o.ä.) mit entsprechenden Maximal- und Minimalwerten für die Spannung, den Strom und die Frequenz.

Wie die meisten Netzgeräte bieten auch die meisten AC-Quellen und elektronischen Lasten entsprechende Schnittstellen (GPIB, LAN, USB, RS232, RS485 usw.) an, um sie in automatische Testsysteme oder in Produktionsumgebungen über einen automatischen Programmablauf steuern zu können. Somit eignen sich die entsprechenden AC-Quellen und Lasten ebenfalls zur Simulation der Bedingungen im späteren täglichen Einsatz eines Prüflings/Device Under Test (DuT) und für die damit verbundenen Fehlersuche.

Auswahlkriterien für Netzgeräte, Lasten und AC- Quellen

Damit stehen schon einige Auswahlkriterien für ein Netzgerät / eine Last / AC-Quelle fest:

  • Einsatzgebiet / Anwendung
  • Welche Ausgangs-Spannung, -Strom und -Leistung wird benötigt
  • AC oder DC
  • Welche Bauform passt zum jeweiligen Einsatzgebiet / zur jeweiligen Anwendung
  • Anzahl der Ausgänge / Kanäle
  • Kommunikationsschnittstelle (LAN, USB, GPIB)
Unser Portfolio umfasst:
  • DC-Netzgeräte mit bis zu 4 Ausgängen
  • 2- und 4-Quadranten DC-Netzgeräte
  • Präzisions-Strom- und Spannungs-Quellen (SMUs = Source Measure Units)
  • Modulare DC-Netzgeräte und Elektronische Lasten
  • Elektronische DC-Lasten (u.a. mit Netzrückspeisung) bis 150 kW
  • Kombinierte AC- und DC-Lasten (u.a. mit Netzrückspeisung) bis 60 kVA
  • AC-Quellen (u.a. mit Ein- und Drei-Phasen) bis 90 kW

Die Qual der Wahl - Netzgeräte, AC-Quellen und Lasten

Netzgeräte, AC-Quellen und Lasten gibt es wie Sand am Meer und so unterschiedlich wie der Sand in der Körnung, Farbe und dem Material ist, so unterschiedlich sind Netzgeräte, AC-Quellen und Lasten in Bauform, Spannungsbereich, Strom- und Leistungsbereich. Dazu kommen noch eine Vielzahl an zusätzlichen integrierten Komponenten wie Digitalmultimeter, Spannungs- und Strom-Überwachung, integrierte Funktionsgeneratoren, Schnittstellen usw. Die Anzahl der unterschiedlichen Arten und Ausführungen dieser Art von Stromversorgung ist nahezu unendlich.

dataTec bietet weit über 1.000 Laborstromversorgungen an, für jede Anwendung die passende Lösung. Lassen Sie sich unverbindlich von uns beraten.

Unsere Spezialisten stehen Ihnen mit Rat und Tat zur Seite, um das für Sie richtige Netzgerät zu finden.

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Kontakt über die Zentrale in Reutlingen:
Telefon: +49 7121 / 51 50 50 | Telefax: +49 7121 / 51 50 10 | E-Mail: info@datatec.de

 

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