DC-Leistungsanalyse Fehler oder Schutzreaktion: Transiente Vorgänge in DC-Bordnetzen messen

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Schließt ein Passagier sein Smartphone an die USB-Buchse im Flugzeug an, kann der Lastsprung das 28-V-DC-Bordnetz stark belasten. Um einen Spannungseinbruch zu klären, sind synchrone Messdatenerfassungen unerlässlich. Ein modularer Prüfansatz zeigt, wie es geht.

Wer im Flugzeug ein Smartphone, Tablet oder Notebook an die USB-Ladebuchse am Sitzplatz anschließt, erwartet einen störungsfreien Ladevorgang. Genau dort können jedoch Teile des Bordnetzes innerhalb von Millisekunden stark belastet werden: Ein Lastsprung trifft auf Schutzlogik, Schaltverhalten und gemeinsame Versorgungsimpedanzen. Was für den Passagier nur wie ein kurzer Ladeabbruch oder Wiederanlauf erscheint, kann weitere elektrische Systeme im Flugzeug beeinflussen. Damit rückt das Thema unmittelbar in den Kernbereich der Avionik. Geht es um das Verhalten elektrischer Bordgeräte unter realitätsnahen Versorgungsbedingungen, führt kaum ein Weg an der Norm RTCA DO-160 vorbei. Dieser Standard beschreibt Umwelt- und Versorgungsprüfungen für Bordgeräte und schafft einen etablierten Rahmen zur Bewertung von Komponenten, Baugruppen und Systemen.

Mehr Funktionen im Bordnetz

Zusätzliche Relevanz gewinnt das Thema mit der zunehmenden Elektrifizierung von Luftfahrzeugen. Mit der Einführung von „More Electric Aircraft“ (MEA) wandern Funktionen ins Bordnetz, die früher hydraulisch, pneumatisch oder mechanisch ausgeführt wurden. Flugzeugtypen wie die Boeing 787 Dreamliner und der Airbus A380 stehen beispielhaft für diesen Trend. Lastsprünge, Schutzreaktionen und Rückwirkungen auf weitere Versorgungszweige haben in MEAs direkte Konsequenzen für die Stabilität der elektrischen Versorgung. Solche kurzzeitigen Bordnetzereignisse verlangen deshalb nach einem Prüfansatz, der Fehlersimulation, Schutzverhalten und Rückwirkungen getrennt voneinander erfassbar macht. Im gezeigten Beispiel übernimmt LXinstruments diese Auslegung: Der Prüf- und Messtechnikspezialist stimmt Prüfablauf, Messkanäle und Auswertung auf die konkrete DC-Messaufgabe ab.

Vom Ladevorgang zur Netzreaktion

Wird in der Kabine ein mobiles Endgerät an die Ladebuchse angeschlossen, beginnt der Ladeprozess nicht immer störungsfrei. Technisch betrachtet kann der Anschlussvorgang eine kurzzeitige Reaktion im zugehörigen Versorgungszweig auslösen. Kritisch wird dies vor allem dann, wenn nach dem Start viele Passagiere ihre Geräte nahezu gleichzeitig anschließen. Die USB-Ladebuchsen am Seat-Power-Modul des Passagiersitzes werden aus dem 28-V-Gleichstrom-Bordnetz gespeist. Die Schutz- und Schaltfunktion zwischen 28-V-Einspeisung und Ladebuchse übernimmt in diesem Beispiel ein SSPC (Solid State Power Controller). Er überwacht den Strom zwischen Einspeisung und Ladebuchse, begrenzt Überströme, schaltet über integrierte MOSFETs im Fehlerfall ab und gibt die Einspeisung kontrolliert wieder frei.

Im Flugbetrieb wird der Ladevorgang oft nur kurz unterbrochen und läuft dann sofort weiter. Erst in der Instandhaltung kann durch Messungen bestimmt werden, ob die Störung vom Endgerät, vom Seat-Power-Modul, vom SSPC oder vom Versorgungsabschnitt ausgeht.

Den Ereignisablauf belastbar einordnen

Ziel der Messung ist es, die Busspannung sowie Strom und Spannung im Fehlerzweig synchron zu erfassen. Zeitgleich werden die Ein- und Ausgangsgrößen des SSPC sowie die Messgrößen im Beobachtungszweig gemessen. Eine gemeinsame Zeitachse ist erforderlich, um zu erkennen, ob das Ereignis von der Last ausgeht, erst durch die Schutzreaktion des SSPC entsteht oder sich über den gemeinsamen Versorgungspunkt auf einen parallel versorgten Zweig auswirkt. Ausgehend von der Prüfaufgabe klärt LXinstruments mit dem Anwender, welche Signale und Zustände im Test erfasst werden müssen und wie der Prüfstand diese Verläufe synchron auswertet.

Entscheidend sind der erste Stromanstieg im betroffenen Zweig, das Spannungsminimum am Bus und die zeitliche Abfolge der SSPC-Zustände LIMIT, TRIP und RETRY. Aus ihrer Korrelation lässt sich ableiten, ob die Ursache im Lastverhalten, in der Schutzreaktion des SSPC oder in einer Rückwirkung auf die gemeinsame Versorgung liegt.

Von der Messaufgabe zum Prüfstand

Als Prüf- und Auswertesystem kommen der modulare DC-Leistungsanalysator IT2705 und die Analysesoftware PV2700 des Herstellers ITECH zum Einsatz. Dieses System bildet die externe Quell- und Leitungsimpedanz intern nach und stellt den gemeinsamen 28-V-DC-Busknoten bereit. Von dort gehen die beiden für die Messung relevanten Zweige ab: der zu prüfende Fehlerzweig (Seat-Power-Zweig) und der parallel versorgte Beobachtungszweig. Die Kombination aus Hard- und Software bildet die Prüfsequenz ab, erfasst die Messgrößen synchron und führt die Zustandsinformationen auf einer gemeinsamen Zeitachse zusammen. LXinstruments stimmt den IT2705 auf die konkrete Messaufgabe ab: welche Kanäle genutzt werden, welche Leistungsbereiche erforderlich sind, wie die Prüfschritte ablaufen und wie PV2700 die Messverläufe auswertet.

Der Fehlerzweig umfasst SSPC, Seat-Power-Modul und externe Fehleranregung. So lässt sich der Ablauf im Fehlerzweig ebenso verfolgen wie eine mögliche Rückwirkung auf den Beobachtungszweig. Die Software PV2700 erfasst die Messgrößen in beiden Zweigen synchron. Damit die Auswertung verlässlich ist, müssen der SSPC und das Seat-Power-Modul im Beobachtungszweig nachweislich fehlerfrei sein. Ansonsten würde der Beobachtungszweig selbst das Fehlerbild verfälschen. Sind diese Voraussetzungen erfüllt, lässt sich aus den synchronisierten Messdaten zweifelsfrei ableiten, ob der Ursprung der Störung lastseitig liegt, der SSPC den Ablauf bestimmt oder tatsächlich eine Rückwirkung über die gemeinsame Versorgung vorliegt. Hinweis: Der hier gezeigte Aufbau ist nur ein Beispiel für eine messtechnische Untersuchung und bildet keinen bestimmten Flugzeugtyp ab.

Der Prüfablauf im Detail

Der Prüfablauf erfasst die Ausgangsgrößen vor der Fehlerauslösung, initiiert ein definiertes Ereignis im Fehlerzweig und vergleicht die gemessenen Spannungs-, Strom- und Schutzverläufe mit den Soll-, Grenz- und Referenzwerten. Die Prüffolge wird unter identischen und variierten Randbedingungen wiederholt. Im gezeigten Verlauf setzt bei t₁ der Lastsprung ein. Der Fehlerzweigstrom steigt sprunghaft an und belastet unmittelbar den 28-V-DC-Bus. Dabei fällt die Busspannung ab, bevor der SSPC vom Status NORMAL in LIMIT übergeht. Das ist messtechnisch ein wichtiger Punkt: Das erste Spannungsminimum liegt zwischen t₁ und t₂ und ist noch nicht Folge der Schutzreaktion des SSPC, sondern des Lastsprungs und seiner Wechselwirkung mit der vorgegebenen Quell- und Leitungsimpedanz. Der Einbruch entsteht also in der ersten Reaktion des Versorgungsnetzes auf die zugeschaltete Last. Bei t₂ geht der SSPC in die Strombegrenzung (LIMIT). Der weitere Stromverlauf wird nun nicht mehr allein von Last und Versorgung bestimmt, sondern durch den LIMIT-Zustand des SSPC.

Mit t₃ folgt die schutzbedingte Abschaltung (TRIP). Der Fehlerzweigstrom fällt ab, der belastete Bus wird entlastet, und bis t₄ steigt die Busspannung wieder an. Auch dieser Abschnitt ist für die Einordnung wichtig: Die Spannungsrückkehr zeigt, dass der Bus nicht dauerhaft eingebrochen ist, sondern auf die Entlastung durch die Abschaltung unmittelbar reagiert. Bei t₅ beginnt der Wiederzuschaltvorgang (RETRY). Der zweite Einbruch ist messtechnisch anders zu interpretieren als der erste. Er steht nicht am Beginn eines freien Lastsprungs, sondern im Zusammenhang mit dem Wiederanlauf nach einer Schutzabschaltung. Genau an dieser Stelle trennt das Messbild den lastseitigen Anteil des Ereignisses von dem Anteil, den der SSPC mit LIMIT, TRIP und RETRY in den weiteren Ablauf einbringt.

Für die Analyse ist entscheidend, ob das kritische Spannungsminimum im Fehlerzweig schon beim Zuschalten der Last entsteht oder ob es erst durch das Schutz- und Wiederzuschaltverhalten des SSPC verstärkt wird. Der Beobachtungszweig liefert die zweite entscheidende Information. Bleibt er ohne zeitgleich auftretende Spannungsabweichung oder Unterbrechung des Ladevorgangs, ist das Ereignis elektrisch auf den betroffenen Seat-Power-Zweig begrenzt. Zeigt er dagegen zeitgleich zum Spannungseinbruch am Bus oder während der LIMIT-, TRIP- oder RETRY-Phasen eine Reaktion, spricht das für eine Einkopplung über die gemeinsame Versorgung oder die Rückleiterimpedanz. So lässt sich unterscheiden, ob ein rein lokales Fehlereignis vorliegt oder der Fehlerzweig das gemeinsame Versorgungsnetz mitbeeinflusst.

Ein Prüfansatz über die Avionik hinaus

Der gezeigte Prüfansatz ist nicht auf die Avionik beschränkt, sondern lässt sich auf viele andere Gleichstrom-Versorgungssysteme mit gemeinsamem Einspeisepunkt übertragen. Das gilt beispielsweise für die Sitzplatzversorgung in Reisezügen und Reisebussen ebenso wie für End-of-Line-Prüfstände mit mehreren Prüflingen an einer gemeinsamen DC-Quelle. Überall dort kommt es darauf an, Fehlerverhalten, Schutzreaktionen und mögliche Rückwirkungen im Versorgungssystem unter praxisnahen Bedingungen sicher zu erfassen und einzuordnen.

Der IT2705 adressiert solche Prüf- und Messaufgaben, indem er als modularer DC-Leistungsanalysator und präzises, programmierbares Netzgerät viele Funktionen in einem System zusammenführt. In Verbindung mit der Analysesoftware PV2700 entsteht eine durchgängige Plattform, auf der Quelle, Last, Messdatenerfassung und Auswertung nahtlos ineinandergreifen. So lassen sich Prüfaufbauten an DC-Versorgungssystemen flexibel und realitätsnah umsetzen. (heh)

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