Elektronische Last (trelload)

Zusammenfassung

Diese Schaltung ist eine einfache Elektronische-Last, die man selbst bauen kann. Man kann damit zum Beispiel Netzteile ausmessen.

Zusätzlich erforderliche Geräte

Für statische Tests braucht man zusätzlich noch ein Labornetzgerät und zwei Multi-Meter
Für dynamische Tests braucht man noch ein Oszilloskop und einen Puls- oder Funktions-Generator. Ich nehme dazu meinen einfachen Rechteck-Generator
Um die Netzteileffizienz zu bestimmen, braucht man zusätzlich noch ein Leistungs-Messgerät auf der 230 V-Seite.

Eigenschaften

Die trelload Elektronische-Last-Schaltung hat folgende Eigenschaften:

Die Schaltung "zieht" einen konstanten Strom. Dieser Strom kann mit einer externen Spannung gesteuert werden. Die Spannung kann z.B. von einem Labornetzgerät kommen
Wenn die externe Spannung von einem Pulsgenerator geliefert wird, kann man auch dynamische Laständerungen simulieren. Mit Rechteckwellen können plötzliche Lastwechsel simuliert werden
Die Schaltung kann kurzzeitig bis zu 50 W Leistung aufnehmen.

Entwurf

Als Stromsenke dient eine klassische spannungsgesteuerte Stromquelle mittels Bipolar-Transistor und Emitter-Widerstand. Der Transistor-Basis-Anschluß ist der Steuer-Spannungs-Eingang
Die Stromquelle wird direkt vom Prüfling gespeist über den Kollektor des Transistors
Transistor und Emitter-Widerstände sind auf Kühlkörpern befestigt. Der Transistor ist elektrisch isoliert befestigt, um Streu-Kapazitäten klein zu halten

Schaltplan

Schaltplan Elektronische Last

Statische Messungen

Bei einer statischen Messung zieht man aus dem Prüfling einen gleichbleibenden Strom. Um die elektronische Last so zu nutzen, muss man sie mit einer einstellbaren Steuer-Spannung ansteuern. Diese Spannung kann zum Beispiel von einem Labornetzgerät kommen. Der gezogene Strom ist in der Gegend von nur einigen 10 mA.

Vor Beginn muss man den Emitter-Widerstand (R2 - R5 im Schaltplan) der elektronischen Last geeignet wählen. Der Emitter-Widerstand muss zum maximalen Laststrom des Prüflings passen. Beispiel:

Der Prüfling sei ein 12 V Schaltnetzteil, das maximal 2 A Strom liefert
Am Emitter-Widerstand soll bei maximalem Strom ungefähr die Hälfte der Spannung abfallen, am 2N3055-Transistor die andere Hälfte. Also wird R_e = 6 V / 2 A = 3 Ω
Man kann den nächst größeren Widerstand wählen, also 4 Ω. Das bedeutet dann 8 V über dem Widerstand und 4 V über dem 2N3055 Transistor
Der 2N3055 den ich zur Verfügung habe, hat eine Stromverstärkung (beta) von ungefähr 80. Bei einem Emitterstrom (≈Laststrom) von 2 A ist der Transistor-Basisstrom dann circa 25 mA. Das Labornetzgerät wird folglich 8 V + 0,7 V + 56 Ω × 0,025 A = 10,1 V bei 0,025 A liefern müssen, damit man einem Laststrom von 2 A erzielt
- 8 V fallen über dem Emitter-Widerstand ab
- 0,7 V ist die typische Transistor-Basis-Emitter-Spannung
- 1,4 V gehen über dem Basis-Schutz-Widerstand R1 "verloren"

Achtung: Die treibende Spannung aus dem Labornetzgerät muss immer niedriger sein, als die Ausgangsspannung des Prüflings. Andernfalls würde die Basis-Kollektor-Diode des Transistors leitend. Der Widerstand R1 vor der Basis dient dazu, den Transistor zu schützen, falls diese Situation doch einmal eintritt.

Man muss beachten, dass die Ausgangsspannung des Prüflings in der Nähe des Maximalstromes plötzlich zurückgehen kann, falls im Prüfling eine Überstrom-Schutzschaltung eingebaut ist. Falls das der Fall sein könnte, kann man einen geringeren Emitterwiderstand wählen, um sicherzustellen, dass die Ausgangsspannung des Prüflings immer über der Treiberspannung der elektronischen Last bleibt. Im konkreten Beispiel könnten das 2 Ω sein, die man z.B. durch parallel-schalten von zwei 4 Ω Widerständen erhält.

Wie man die Lastregelung misst

Natürlich kann man die Abhängigkeit des Ausgangsstroms eines Netzteils vom Laststrom mit einfachen ohmschen Widerständen bestimmen. Allerdings muss man dazu verschiedene Widerstände zur Hand haben, die auch noch entsprechende Leistung vertragen müssen. Statt dessen kann man mit der hier vorgeschlagenen elektronischen Last den Laststrom einfach regeln und jeweils die Ausgangsspannung messen.

Aufbau

Der folgende Schaltplan zeigt, wie die trelload elektronische Last mit dem Prüfling und anderen Messgeräten zusammen geschaltet wird:

Prinzip-Schaltung

Spannungsquelle V1 ist der Prüfling, z.B. ein Schaltnetzteil
Spannungsquelle V2 ist ein Labornetzgerät. Mit seiner Ausgangsspannung wird der Strom eingestellt, den die elektronische Last zieht
Volt-Meter E1 ist ein Multimeter, mit dem die Ausgangsspannung des Prüflings gemessen wird
Volt-Meter E2 ist ein weiteres Multimeter, mit dem indirekt der Laststrom gemessen wird, den die elektronische Last zieht: I_Last = V_E2/R2. Diese einfache Gleichung vernachlässigt den Transistor-Basis-Strom, der auch durch den Emitter fließt.

Messvorgang

Man dreht Schritt für Schritt die Ausgangsspannung V2 des Labornetzgerät von 0 Volt beginnend hoch und notiert sich die Spannungen, die man an den beiden Multimetern E1 und E2 abliest.

Wie oben angegeben, kann aus V_E2 der Laststrom bestimmt werden. Man kann so die Ausgangsspannung des Prüflings zusammen mit dem Laststrom in eine Tabelle eintragen. Aus den Ergebnissen kann die Lastregelung bestimmt werden.

Messung der Effizienz

Ein wesentlichen Merkmal von Netzteilen ist die Effizienz, das heißt wieviel Leistung aus dem 230 V-Netz bezogen wird bei einer bestimmten Last auf der Sekundärseite. Oben genannter Aufbau lässt sich leicht erweitern, um diese Kennzahl zu bestimmen.

Aufbau

Der folgende Schaltplan zeigt zusätzlich das Leistungs-Messgerät auf der Primärseite des Prüflings:

Schaltung mit Leistungs-Messgerät

Messvorgang

Man misst wie oben, notiert sich aber zusätzlich für jeden Laststrom die Primärleistung auf der 230 V Netzspannungsseite. Die Sekundärleistung errechnet man, in dem man das Produkt von Ausgangsspannung und Laststrom bildet. Die Netzteil-Effizienz kann man errechnen, indem man die Sekundärleistung durch die Primärleistung teilt. Meist wird die Effizienz vom Laststrom abhängen.

Messung der Ausgangswelligkeit

Wenn man den Spannungsausgang des Prüflings mit einem Oszilloskop misst, kann die "Welligkeit" (Ripple) der Ausgangsspannung in Abhängigkeit vom Laststrom bestimmt werden. Der Y-Eingang des Oszilloskops ist dabei auf AC-Kopplung zu stellen.

Folgende Fälle sind dabei in der Regel von Interesse:

Bei klassischen Linearnetzteilen ist der Ausgangsspannung oft ein 100 Hz Ripple überlagert, der mit steigendem Laststrom manchmal größer wird
Bei Schaltnetzteilen ist der Ausgangsspannung prinzipbedingt ein Ripple mit der Schaltfrequenz überlagert. Dieser Ripple ist i.d.R. Laststromabhängig. Manchmal ist die Schaltfrequenz selbst vom Laststrom abhängig
Bei Schaltnetzteilen gibt es manchmal auch "Schalttransienten". Das sind schnelle, kurze Nadelpulse im Takt der Schaltfrequenz. Die Nadelpulse bedeuten starke Oberwellen und können angeschlossene Elektronik stören
Manche Schaltnetzteile wechseln bei bestimmten Lastsituationen in den sogenannten "lückenden Betrieb". Der bringt dann Ripple mit niedrigerer Frequenz als die Schaltfrequenz.

Aufbau

Schaltung mit Oszilloskop

Messvorgang

Die Ausgangsspannung wird am Oszilloskop überwacht und protokolliert, während der Laststrom Schritt für Schritt erhöht wird.

Ich hatte mehrere Prüflinge, bei denen der Ripple unerwartet bei mittelgroßen Lastströmen am größten war, mittelgroß im Verhältnis zum spezifizierten Maximalstrom.

Dynamische Messungen

Oben beschriebene Messungen testen das Verhalten des Prüflings bei konstantem oder langsam veränderlichen Laststrom. Mit der elektronischen Last kann auch das Verhalten des Prüflings bei schnellen Lastwechseln gemessen werden.

Aufbau

Statt mit einem Labornetzgerät, wird die elektronische Last mit einem Puls- oder Funktions-Generator angesteuert. Der Generator muss eine hinreichend kleine Ausgangsimpedanz haben

um den nötigen Basisstrom des Transistors liefern zu können
um die parasitären Kapazitäten des Transistors genügend schnell umzuladen.

Die meisten Generatoren haben 50 Ω-Ausgangsimpedanz. Die passt.

Schaltung mit Puls-Generator

Messvorgang

Um einen schnellen Lastwechsel von Null-Last auf einen bestimmten Laststrom zu testen, stellt man am Pulsgenerator eine Rechteckspannung ein, die von 0 V auf eine Spannung springt, die dem gewünschten Laststrom entspricht. Wenn der Pulsgenerator eine einstellbare Offset-Spannung hat, kann man auch Lastwechsel zwischen zwei bestimmten Lastströmen ausmessen.

Der dynamische Test zeigt

wie gut der Prüfling die Ausgangsspannung bei plötzlichen Laständerungen konstant hält, z.B. ob es kurzzeitige Über- oder Unter-Spannung gibt und wie groß die Spitzenspannungen dieser "Transienten" sind
wie schnell der Prüfling auf die Laständerngen reagiert.

Mechanik

Ich habe die trelload elektronische Last provisorisch auf einer Holzunterlage befestigt. Sowohl der Transistor, als auch die Emitter-Widerstände sind auf Kühlkörpern montiert. Allerdings ist mein Aufbau nicht für den Dauerbetrieb gedacht.

Ich habe Alles fliegend verdrahtet, mit Hilfe einer Reihe Lüsterklemmen. Der Prüfling wird an einer Buchse für Hohlstecker angeschlossen, da Hohlstecker an häufigsten vorkommen. Für den Steuer-Spannungseingang nutze ich eine BNC-Buchse, da mein Signalgenerator auch konstante Spannungen ausgeben kann. Das ist bequem, da ich so für die statischen Tests kein Labornetzgerät anschließen muss und ich den dynamischen Test eh immer mache.

Die Multi-Meter und das Oszilloskop schließe ich mit Krokodil-Klemmen und üblichem Tastkopf an.

Den Drehschalter im Schaltplan habe ich nicht eingesetzt. Statt dessen nutze ich einfach ein flexible Leitung mit einer Kroko-Klemme am Ende. Damit kann ich die Widerstände auch für andere Zwecke nutzen, z.B. als Lastwiderstände für Audioendstufen. Mit kurzem Patchkabel kann ich auch zwei 4 Ω Widerstände parallel schalten, um 2 Ω Emitterwiderstand zu erhalten.

Photo des Geräts

Rechtliches

Urheberrecht

Ich habe nicht vor, das käuflich anzubieten!

Ich veröffentliche die elektronischen Schaltpläne und den mechanischen Aufbau, damit Sie Ihr eigenes Gerät bauen können. Ich veröffentliche alle Dateien dieses Projekts nach der GPL2 Open-Source-Lizenz. Bitte lesen Sie die Datei COPYING.TXT. Dadurch ist dieses Projekt offengelegte Hardware.

Haftungs-Ausschluss

Der Bau dieses Geräts erfordert einiges Wissen über die Entwicklung und Bau elektronischer Schaltungen, was hier nicht vermittelt wird.

Der Autor, Dr. Thomas Redelberger, übernimmt keinerlei Haftung, Gewährleistung oder Garantie.