So messen Sie Restwelligkeit und Einschwingverhalten von Spannungsversorgungen

Zwei übliche Spezifikationen in der Evaluierung einer Spannungsversorgung sind Restwelligkeit und Einschwingverhalten. Bei diesen scheinbar einfachen Messungen sollten Sie zur Berechnung der korrekten Daten jedoch auf zwei wichtige Aspekte achten. Der erste ist die Messmethode bei Verwendung eines Oszilloskop-Tastkopfs, während der zweite die speziellen Bedingungen zur Datenbestimmung betrifft.

Die richtige Messmethode bei Benutzung eines Oszilloskop-Tastkopfs

Vor dem Versuch Restwelligkeit oder Einschwingverhalten zu messen, ist etwas Hintergrundwissen zu Oszilloskopen gefragt. Da die Größe das zu messenden Signals normalerweise in Millivolt aufgeführt wird, kann jegliches verstärkte interne Signal oder aufgenommene externe Signal das Signal verfälschen oder verzerren und somit zu falschen Ergebnissen führen. Es ist daher extrem wichtig, dies dank richtiger Messmethoden zu minimieren.

Das Wichtigste, was der Tester zur Gewährleistung einer guten Messung tun kann, ist die Erdschleife des Tastkopfes zu minimieren. Die durch den Rückfluss des Tastkopfes entstehende Schleife verursacht eine Induktanz, die internes Rauschen verstärken und externes Rauschen aufnehmen kann. Tastköpfen ist meist eine Krokodilklemme zur Erdung beigelegt, ähnlich der unten im Bild dargestellten. Obwohl sie einfach anzustecken sind, führen diese Klemmen zu großen Erdschleifen, die bei dieser Art von Messung nicht zu empfehlen sind. Stattdessen führen zwei gängige und zu bevorzugende Methoden zu kleineren Erdschleifen: die „Spitze und Buchse”-Methode und die „Büroklammer”-Methode.

Durch eine lange Klemme verursachte große Erdschleife

Bei der „Spitze und Buchse”-Methode werden die Erdungskappe und die Tastkopfklemme entfernt, sodass die Spitze und Buchse des Tastkopfes freiliegen. Die Spitze des Tastkopfes wird dann an die Ausgangsspannung angelegt und die Buchse so angewinkelt, dass der Bodenkontakt möglichst nah an der Spitze hergestellt wird. Ein Nachteil dieser Methode ist, dass die für Sie zugänglichen Punkte des Tastkopfs – bzw. die Punkte, an denen sowohl die Spitze als auch die Buchse angebracht werden können – nicht optimal sind und/oder sich in einiger Entfernung vom Ausgangskondensator befinden. Idealerweise wird der Tastkopf so nah wie möglich am Ausgangskondensator platziert.

Idealer Aufbau der „Spitze und Buchse”-Methode

Die „Büroklammer”-Methode wiederum fügt der „Spitze und Buchse”-Methode eine kleine Drahtspule mit einer kurzen Leitung zur Buchse hinzu. So entsteht eine Art Pinzette an der Spitze des Tastkopfs, die das flexible Anbringen des Tastkopfs ermöglicht und gleichzeitig einen geringen Schleifenbereich gewährleistet.

Idealer Aufbau der „Büroklammer”-Methode

Obwohl dies nicht die einzigen in einem guten Signal resultierenden Methoden sind, ist stets darauf zu achten, dass unabhängig von der gewählten Methode die Erdschleife so klein wie möglich gehalten wird.

Restwelligkeit und Rauschen

Restwelligkeit ist die der Ausgangsspannung innewohnende AC-Komponente, die durch den internen Wechsel der Spannungsversorgung verursacht wird. Rauschen ist die Erscheinung parasitärer Störungen in der Spannungsversorgung, die in der Ausgangsspannung als Hochfrequenz-Spannungsspitzen angezeigt werden. Auf Datenblättern wird die maximale durch Restwelligkeit und Rauschen verursachte Peak-to-Peak-Abweichung der Ausgangsspannung aufgeführt. Wie oben beschrieben, sind gute Messmethoden wichtig, um Messungen zu gewährleisten, die die Restwelligkeit und das Rauschen der Spannungsversorgung präzise wiedergeben.

Beim Test von Restwelligkeit und Rauschen sind zudem einige Bedingungen zu bedenken. Erstens hat die Last eine erhebliche Auswirkung auf die Restwelligkeit. Daher ist es wichtig, die Messung unter den auf dem Datenblatt aufgeführten Bedingungen vorzunehmen, meist unter Volllast. Auch die Eingangsspannung beeinträchtigt die Restwelligkeit und der Test sollte für alle relevanten Eingangsspannungen durchgeführt werden. Zusätzlich zu den elektrischen Bedingungen bestimmen viele Hersteller externe Kondensatoren (meist einen Elektrolytkondensator mit einer Kapazität von 10 µF und einen Keramikkondensator mit 0,1 µF), die zu Messungszwecken an den Ausgang der Spannungsversorgung angebracht werden. Der Tastkopf sollte so nah wie möglich an diesen Kondensatoren platziert werden. Als letzte Bedingung wird gängigerweise der Kanal des Oszilloskops auf eine Bandbreite von 20 MHz begrenzt.

Im Allgemeinen wird zur Durchführung des Tests nur ein Tastkopf benötigt, wobei dieser mit den oben beschriebenen Methoden über einem Ausgangskondensator oder einem externen Kondensator platziert wird.

Beispiel für schlechte und gute Tastkopfmessungen: Restwelligkeit und Rauschen durch große Erdschleife (links) und „Büroklammer”-Methode (rechts)

Einschwingverhalten

Das Einschwingverhalten ist die Abweichungshöhe der Ausgangsspannung als Resultat einer Laständerung. Wenn die Last geändert wird, kann die Spannungsversorgung nicht sofort auf die neuen Bedingungen reagieren und hat somit entweder zu viel oder zu wenig gespeicherte Energie. Für den Energieüberschuss oder -mangel sind die Ausgangskondensatoren zuständig. Entweder verbrauchen sie ihre Ladung, um die Last zu erhalten, und verursachen eine Spannungssenkung oder sie speichern den Energieüberschuss und verursachen einen Spannungsanstieg. Die Spannungsversorgung passt sich über mehrere Umschaltzyklen hinweg an, sodass nur die für die Ladung benötigte Energie gespeichert wird und die Ausgangsspannung wieder zum Nennwert zurückkehrt. Bei der Messung des Einschwingverhaltens sind die Abweichungshöhe der Ausgangsspannung vom Nennwert, die Dauer des Einschwingens und die Zeit, während der die Spannung außerhalb der vorgeschriebenen Regelungsgrenzen liegt alle von Interesse.

Anders als bei Restwelligkeit und Rauschen, deren bestimmende Bedingungen auf die Last und Eingangsspannung begrenzt sind, können einige weitere Bedingungen die Messung des Einschwingverhaltens beeinflussen. Wichtige zu beachtende Bedingungen sind die Anstiegsrate der eingestellten Laststufe, der Anlaufstrom und der Endstrom. Die Anstiegsrate wirkt sich erheblich auf das Einschwingverhalten aus, denn je schneller die Last sich ändert, desto stärker weicht der Ausgang ab, bevor die Spannungsversorgung sich an die veränderten Bedingungen anpassen kann. Auch der Anlauf- und Endstrombereich hat Auswirkungen. Spannungsversorgungen verhalten sich bei geringer Last oft anders, sodass das zwischen unterschiedlichen Bereichen stattfindende Einschwingen sich anders auf die Spannungsversorgung auswirkt als ein Einschwingen innerhalb desselben Bereiches. Der Anlauf- und Endstrom bestimmen gemeinsam mit der Anstiegsrate auch die Dauer der Spannungsänderung und sollten den spezifizierten Bedingungen entsprechen.

Um das Einschwingverhalten zu messen, werden zwei Tastköpfe benötigt. Der erste Tastkopf wird über dem Ausgang der Spannungsversorgung und in Nähe des Ausgangspins oder des Regelungspunktes platziert. Die Messung der Ausgangsspannung abseits des Regelungspunktes bewirkt durch den Spannungsabfall im Ausgangskabel einen DC-Offset zwischen den beiden Ladungszuständen. Der zweite Tastkopf sollte den Strom erfassen oder ein mit der Laständerung synchrones Signal messen. Dieser Tastkopf fungiert als Auslöser, sodass die daraus resultierende Abweichung der Ausgangsspannung deutlich sichtbar wird.

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

Fazit

Restwelligkeit und Einschwingverhalten sind gängige Bestandteile der Evaluierung von Spannungsversorgungen. Bei der Messung dieser Eigenschaften mithilfe eines Oszilloskops ist es wichtig, die Tastkopfschleife zu minimieren, um eine Verzerrung der zu messenden Signale zu vermeiden. Zusätzlich zu den richtigen Messmethoden sind auch die im Datenblatt aufgeführten Bedingungen für eine solche Messung zu bestimmen und einzuhalten, um die Gültigkeit jeglicher Vergleiche zu gewährleisten.

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