Damit Stromversorgung und Testanwendung zueinander finden

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Von den Ursachen der Gleichtaktstörungen

Lineare Stromversorgungen haben normalerweise niedrigere Gleichtaktstörungen als getaktete Stromversorgungen. Gleichtaktstörungen entstehen, wenn Spannungsänderungen wie AC-Spannungen oder Transienten (dv/dt) auf der Primär- oder Sekundärseite eines Transformators einen Strom über die voneinander isolierten Wicklungen induzieren. Ein auf der Primärseite oder Sekundärseite generierter Störstrom muss auf die Primärseite (Sekundärseite) zurückkommen, um die Schaltung vollständig zu durchlaufen.

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Sobald dieser Strom durch eine Impedanz fließt, wird eine Störspannung generiert, die das Verhalten der Last oder des Testobjekts (DUT) beeinflussen oder eine Messungenauigkeit verursachen kann. Der Absolutwert der Störung ist direkt von der Spannungsanstiegszeit und der Streukapazität des isolierten Transformators der Stromversorgung abhängig.

Zu den anderen Ursachen von Gleichtaktstörungen gehören Spannungsspitzen durch das Ein- und Ausschalten von Gleichrichterdioden (auf der Sekundärseite) aber auch Spannungsschwankungen der 50/60Hz-Netzspannung oder kurzzeitige Spannungsänderungen auf der Primärseite von Schaltnetzteilen.

Bild 2 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Stromversorgung. Die Qualität des Transformators, wie eine ausreichende Schirmung zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen, kann die Streukapazität zwischen Primär- und Sekundärseite reduzieren. Bei einer minimalen Kopplungskapazität ist der Einfluss des Störstroms, der durch die Last fließt, sehr gering und wirkt sich meist nicht auf die Last oder die Messungen an der Last aus.

Wenn die Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators nicht ausreichend gegeneinander abgeschirmt sind, dann kann die Kopplungskapazität sehr groß sein und ein Strom von einigen Milliampere in die Last fließen. Dies kann zu Funktionsproblemen und Messfehlern beim Laststrom führen. Für Bauteile, Module oder Endprodukte, die mit geringer Leistung arbeiten oder empfindlich sind, sollte die verwendete Stromversorgung im Hinblick auf niedrige Gleichtaktstörungen überprüft werden. Bei den Geräten der Serie 2200 von Keithley liegen die Gleichtaktstörungen unter 10 µA. In der Randbox finden Sie weitere Details zur Messung der Gleichtaktstörungen einer Stromversorgung.

Die Isolation gegenüber Erde überprüfen

Ein weiteres Kriterium für die Qualität einer Stromversorgung ist die Isolation des Ausgangs gegenüber dem Stromnetz. Eine Stromversorgung mit hoher Isolation minimiert die Störungen am Ausgang der Stromversorgung. Eine gute Isolation wird bei mehr als 1 GOhm parallel zu weniger als 1 nF und einer ausreichenden Schirmung erreicht, so dass der Gleichtaktstrom niedriger als 5 µA ist. Leider erfüllen nur wenige Instrumente diese Anforderungen. Designs, die mit einer niedrigen Frequenz von 60 Hz arbeiten, erreichen zwar den geringen Gleichtaktstrom, zeigen aber Schwächen beim DC-Widerstand und Kapazitätswert.

Schaltnetzteile haben dagegen einen geringeren Kapazitätswert und eine höhere DC-Isolation aber einen zu hohen Gleichtaktstrom. Es gibt Anwendungen in denen eine hohe Impedanz besonders wichtig ist, beispielsweise wenn die Stromversorgung eine Schaltung versorgt, die von einem linearen Verstärker angesteuert wird. In diesem Fall ist die Stromversorgung Teil der Last des linearen Verstärkers, dann kann ein hoher Kapazitätswert der Stromversorgung zu Stabilitätsproblemen beim Verstärker führen.

Aber auch eine Stromversorgung, die einen Widerstands-Spannungsteiler mit einer niedrigen Spannung versorgt oder ein Messschaltung für sehr niedrige Ströme können einen geringen Gleichtaktstrom erfordern, allerdings spielt hier die Isolationsimpedanz keine Rolle. Die Bilder 5a, 6 und 7 zeigen Messmethoden zur Beurteilung der Qualität einer Stromversorgung hinsichtlich der Isolation gegenüber dem Erdepotential des Stromnetzes.

Im Allgemeinen gilt, je höher die Isolation, desto geringer ist die Einkopplung von Störungen durch die Stromversorgung aus dem Wechselstromnetz. Das Problem wird komplexer, wenn die Anwendung weitere Instrumente beinhaltet. In diesem Fall kann eine ungenügende DC-Isolation in der Stromversorgung einen Leitungspfad für einen hohen Gleichtaktstrom von einem Instrument zum anderen ermöglichen.

Bei allen Anwendungen sollte der Einfluss des Isolationswiderstands und des Kapazitätswerts der Stromversorgung auf das Testobjekt eingehend betrachtet werden. Dies gilt auch für den Pfad oder die Schleife, in denen die Primär- und Sekundär-Gleichtaktströme fließen. Hier ist zu bestimmen, ob eine Störspannung (Gleichtaktstrom × Impedanz) entsteht und ob diese Störspannung zu hoch ist.

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