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Wichtige Komponenten zum Einrichten einer Testeinrichtung : Ausgabe 10/2018, 14.06.2018

Netzbetriebene Schaltnetzteile sicher testen

Schalttransformatoren bieten eine hohe Effizienz bei kleiner Grösse und geringem Gewicht – sei es in Netzteilen, industriellen Bedienelementen, USV, DC/DC- oder DC/AC-Wandlern. Netzbetriebene Schaltnetzteile zu testen oder auf Fehler zu prüfen, birgt jedoch mehrere schwierige, sicherheitsrelevante Herausforderungen, so dass Entwickler bestimmte Vorsichtsmassnahmen ergreifen müssen.

Autor: Rich Miron, Applications Engineer, Digi-Key Electronics, Text und Bilder

Die Schwierigkeiten beim Test netzbetriebener Schaltnetzteile ergeben sich aus dem Umgang mit hohen Spannungen, hohen Temperaturen, Leitungsisolation, minimalen Belastungsanforderungen und Spannungsmessungen mit extremer Dynamik. Dieser Artikel beschreibt, was zur Einrichtung einer sicheren Teststation erforderlich ist, darunter Komponenten zur Regelung der Eingangsspannung, Netztrennung, Spannungsmessung mit breitem dynamischem Bereich und programmierbare Laststeuerung.

Sicherheitsbedenken beim Testen von Schaltnetzteilen

Schaltnetzteile (SMPS) schalten hohe Spannungen mit minimalen Übergangszeiten ein und aus, um Leistungsverluste zu minimieren. Ein typisches netzbetriebenes Schaltnetzteil weist mehrere sicherheitstechnische Probleme auf. Bild 1 zeigt ein netzbetriebenes Schaltnetzteil mit Flyback-Technologie. Die gelb hinterlegte Primärseite des Schaltkreises wirkt als Vollweggleichrichter der Eingangsspannung (Netzspannung) und gibt diese an die Primärschienen ab. Das bedeutet, dass zwischen der Hoch- und der Niederspannungsschiene bei einem 120-V-Netz Spannungsunterschiede von ca. 340 V auftreten und bei einem 240-V-Netz Unterschiede von über 670 V. Techniker und Entwickler, die an Spannungen unter 15 V gewöhnt sind, müssen möglicherweise daran erinnert werden, dass diese Spannungen tödlich sein können und bei der Arbeit mit diesen Geräten Vorsicht angebracht ist.

Die gleichgerichtete Netzspannung wird im primären Speicherkondensator C2 gespeichert. Das bedeutet: Auch wenn das Gerät von der Stromversorgung getrennt ist, ist die im Kondensator gespeicherte Spannung gefährlich. Vor einer Fehlersuche sollte das Gerät vom Netz getrennt und der Hauptspeicherkondensator vorsichtig über einen Widerstand entladen werden.

Der Transistor sitzt oft auf einem Kühlkörper

Der Schalt-FET Q2 schaltet zwischen den Hoch- und Niederspannungen hin und her. Obwohl dieser Transistor hocheffizient ist, wird er ziemlich heiss und ist in der Regel auf einem Kühlkörper montiert. Wer Tests durchführt, sollte in der Nähe der Kühlkörper vorsichtig sein, um sich nicht zu verbrennen.

Zu beachten ist, dass der primäre und der sekundäre Abschnitt des Netzteils durch den Sperrwandler L2 und den optisch isolierten Koppler Q4 elektrisch isoliert sind. Während der sekundäre Abschnitt an der negativen Ausgangsklemme mit Masse verbunden ist, ist der primäre Abschnitt nicht geerdet. Dieser Zustand wird dann problematisch, wenn man zur Fehlersuche geerdete Eingabeinstrumente wie Oszilloskope verwendet. Wird die Masseverbindung einer Oszilloskopmessspitze mit der Primärseite des Netzteils verbunden, kann dies zu einem Kurzschluss mit entsprechenden Schäden an den Primärkomponenten wie am Oszilloskop führen. Ein Schaltnetzteil benötigt in der Regel eine Mindestladung, um ordnungsgemäss zu funktionieren; ist dies nicht der Fall, schaltet es meist einfach ab. Schliesslich sind die Fehlerzustände in Anbetracht der hohen Spannungen oft Fehlerzustände der Superlative. Ein kurzgeschlossener Brückengleichrichter (D1–D4) kann beispielsweise Netzspannung an den Hauptspeicherkondensator leiten, so dass der Kondensator sein Dielektrikum über die Entlastungsöffnungen lüftet oder gar explodiert. Das heisst, es können Teile herausgeschleudert werden.

Sicherer Testaufbau für Schaltnetzteile

Ein Testaufbau für Schaltnetzteile sollte mehrere allgemein verfügbare Komponenten beinhalten, um Sicherheitsrisiken zu minimieren (Bild 2). Der Trenntransformator dient dazu, den primären Abschnitt des Schaltnetzteils elektrisch zu isolieren. Nach der Isolierung ist es möglich, die Masseseite einer Messspitze mit einem beliebigen Punkt des Primärschaltkreises zu verbinden. Dadurch wird verhindert, dass der Primärkreis kurzgeschlossen werden kann. Ein Trenntransformator wie der DU-2 von Bel Signal Transformer, verfügt über doppelte Primär- und Sekundärwicklungen und kann für Nenneingangsspannungen von 120 oder 240 V verdrahtet werden. Er kann 9 A bei 240 V oder 18 A bei 120 V (2 kVA) liefern. Trenntransformatoren mit Nennleistungen von bis zu 10 kVA sind üblich.

Der Spartransformator wird eingesetzt, um die an das getestete Gerät anzulegende Netzspannung langsam zu erhöhen. Dies er­folgt unter Überwachung des Eingangsstroms, so dass man defekte Bauteile vor einem Totalausfall erkennen kann. Das Modell 3PN1010B von Staco Energy Products ist ein typischer Spartransformator, der bis zu 10 A bei 0 bis 140 V (1,4 kVA) liefern kann. Da ein Spartransformator keine Netztrennung bietet, muss man ihn mit einem Trenntransformator zusammen verwenden, um eine Isolierung zu erzielen.

Programmierbarkeit ist ein wichtiger Aspekt für die Automatisierung

Wie bereits erwähnt, ist für einen Schaltnetzteiltest eine Last erforderlich. Oft werden nicht induktive Widerstände verwendet; dabei ist jedoch zu beachten, dass Widerstandslastbänke auch sehr heiss werden können und gegen unbeabsichtigte Berührung zu schützen sind. Eine Alternative sind elektronische Lasten, die feste Widerstandslastbänke durch regelbare Lasten ersetzen. Die Möglichkeit, die Last zu steuern, ist für die Durchführung von Tests wie Lastregelung und Ausgangsstrom-Foldback sehr wichtig. Programmierbarkeit ist ein wichtiger Aspekt, wenn Tests automatisiert werden sollen.

Das Modell 8514 von B&K Precision ist eine repräsentative elektronische Last mit einer Nennleistung von 1200 W, die über USB für einen Betrieb im Konstantstrom-, Spannungs-, Widerstands- oder Leistungsmodus mit Eingangsspannungen von 0,1 bis 120 V programmiert werden kann. Elektronische Lasten können auch dynamische Lasten simulieren, die sich über die Zeit ändern. Das Schutzgehäuse des Modells 8514 dient als physische Barriere zwischen dem zu testenden Gerät und dem Prüfer. Im Falle eines explosionsartigen Versagens schützt es in der Nähe befindliche Personen. Es kann auch eine Vorrichtung zur Kühlung des zu testenden Geräts und, falls eine solche verwendet wird, der Widerstandslastbank beinhalten. Solche Einrichtungen sind in der Regel so konstruiert, dass sie schnell mit dem zu testenden Gerät verbunden bzw. davon getrennt werden können.

Netztrennung

Ein einphasiges AC-Netz beinhaltet einen stromführenden Leiter und einen Neutralleiter. Der Neutralleiter ist im Verteilungssystem an Masse gelegt, seine Spannung kann aber immer noch mehrere Volt über der Masse am Netzteil liegen. Das Ergebnis ist, dass es im primären Abschnitt des Netzteils keine Bezugsmasse gibt. Kommt die Messspitze eines geerdeten Oszilloskops mit einem Punkt des Primärkreises in Verbindung, kann dies zu einem Kurzschluss führen. Viele Techniker und Entwickler versuchen, dieses Problem durch die Entfernung der Masseverbindungen des Oszilloskops zu lösen, so dass das Oszilloskop ungeerdet ist. Dies ist ein äusserst gefährliches Verfahren, da so das Gehäuse des Oszilloskops eine Spannung von mehreren Hundert Volt über Masse haben kann. Berührt jemand das Oszilloskop, kann diese Person einen schweren, tödlichen Stromschlag erhalten.

Eine Alternative dazu ist der Einsatz eines Trenntransformators, wie in Bild 2 gezeigt. Der Trenntransformator trennt das zu testende Netzteil vom AC-Netz. Nach dem Trenntransformator kann an einem beliebigen Punkt im Primärkreis eine Masseverbindung hergestellt werden, und dieser Punkt ist dann die Bezugsmasse.

Differenzmessspitze für Hochspannungsmessungen

Mit dieser Technik sind Spannungsmessungen möglich; besser ist es jedoch, eine Differenzmessspitze zu verwenden, die für Hochspannungsmessungen ausgelegt ist. Differenzmessspitzen haben zwei Eingänge (die beide nicht geerdet sind) und messen die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Eingängen. Dazu wird die Spannung an einem Eingang von der am anderen subtrahiert (Bild 3).

Der Differenzmesser der Differenzmessspitze dämpft Spannungssignale, die an beiden Eingängen auftreten (Gleichtaktsignale). Die Dämpfung von Gleichtaktsignalen ist eine Kenngrösse einer Differenzmessspitze, wird «Gleichtaktunterdrückung» oder CMRR genannt und in Dezibel (dB) angegeben.

Hochspannungs-Differenzmessspitzen nutzen eine hohe Dämpfung vor abgeglichenen Differenzeingängen zur Messung hoher Spannungen. In Bild 3 bilden die Widerstände R1 und R2 einen kompensierten Dämpfer, die Widerstände R3 und R4 den anderen. Die Ausgänge der Dämpfer werden an die Eingänge eines Differenzverstärkers mit drei Operationsverstärkern angelegt. Werden die Komponenten sehr sorgfältig aufeinander abgestimmt und ist das Leiterplattenlayout symmetrisch, ergeben sich sehr praktische CMRR-Niveaus.

Messspitzen mit wählbarer Dämpfung von Faktor 100 bis 1000

Der CMRR-Wert ist wichtig, weil Spannungsmessungen in einem Schaltnetzteil einen hohen dynamischen Bereich erfordern können. Die Primärseite des Netzteils schaltet Spannungen in Höhe von 340 V mit relativ kurzen Übergangszeiten. Diese Signale strahlen auf das gesamte Gerät aus. Wenn man versucht, das Gate-Ansteuerungssignal am Leistungs-FET zu messen, hat dieses Signal einen Wert von weniger als 10 V. Dieses Signal wäre bei diesen Hochspannungsgleichtaktsignalen schwer auszumachen. Bei Verwendung einer Differenzmessspitze mit hohem CMRR-Wert werden die Störsignale unterdrückt.

Messspitzen wie das Modell CT3681 von Cal Test Electronics enthalten eine vom Benutzer wählbare Dämpfung von Faktor 100 oder 1000 (Bild 4). Sie sind für maximal 700 V bzw. 7 kV bei einem CMRR-Wert von –80 dB bei 50 Hz und –60 dB bei 20 kHz und einer Bandbreite von 70 MHz ausgelegt. Diese Messspitze hat den Vorteil, dass am Ausgang ein Standard-BNC-Steckverbinder und keine proprietäre Messspitzen-Schnittstelle eingesetzt wird, so dass sie mit allen Oszilloskopen kompatibel ist.

Fazit

Netzbetriebene Schaltnetzteile sind zwar beliebt und nützlich, beinhalten jedoch Sicherheitsrisiken, wenn sie getestet werden sollen. Wie in diesem Beitrag gezeigt, reduzieren einige solide technische Verfahren kombiniert mit dem Einsatz allgemein verfügbarer Komponenten wie Trenntransformatoren, elektronischen Lasten und Differenzmessspitzen diese Risiken deutlich. 

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Bild 1: Bei einem typischen Schaltnetzteil mit Flyback-Topologie kann die Differenz zwischen Hoch- und Niederspannungsschiene über 670 V betragen


Bild 2: Für einen Schaltnetzteil-Testaufbau sind ein Trenntransformator, ein Spartransformator, ein Schutzgehäuse und eine Last erforderlich


Bild 3: Ein konzeptionelles Schaltbild einer Differenzmessspitze zeigt, dass der Messspitzenausgang die Differenz zwischen Plus- und Minuseingang ist


Bild 4: Hochspannungsdifferenzmessspitze CT3681 von Cal Test Electronics für 70 MHz