Labornetzgeräte
Ein Labornetzgerät wird dazu verwendet, Schaltungen oder einzelne Bauteile mit einer definierten Spannung oder einem definierten Strom zu versorgen.
Funktionen
Labornetzgeräte sind im Gegensatz zu einfachen Festspannungs-Netzteilen sehr flexibel einsetzbar und haben üblicherweise mindestens folgende Einstellmöglichkeiten und Funktionen:
Einfache Labornetzteile
Einfache Labornetzgeräte haben eine einstellbare Ausgangsspannung, die normalerweise von 0 bis zu einem bestimmten Maximalwert eingestellt werden kann. Zusätzlich bieten diese Geräte eine einstellbare Strombegrenzung, die auch von 0 aus bis zum Nennstrom des Geräts eingestellt werden kann.
Labornetzgeräte haben außerdem noch eine Anzeige für Ausgangsspannung und Strom. Dafür sind entweder analoge oder digitale Instrumente eingebaut. Bei digitalen Anzeigen werden üblicherweise 3 Stellen angezeigt, die Genauigkeit der Anzeige liegt üblicherweise im Bereich 1%.
Der Ausgang sollte kurzschlussfest sein, was allerdings nicht bei allen Labornetzgeräten der Fall ist. Manche Geräte sind nur kurzzeitig kurzschlussfest (für einige Sekunden), normalerweise sind Labornetzgeräte dauerhaft kurzschlussfest.
Labornetzteile mit erweiterten Funktionen
Die Labornetzgeräte der gehobenen Preisklasse haben zusätzlich zu den Grundfunktionen noch weitere Funktionen, wie z.B.:
- Abschaltbarer Ausgang
- Getrennte Anzeige von Soll- und Ist-Werten
- Höhere Messgenauigkeit der Istwerte als bei einfachen Geräten
- Einstellbare Grenzwerte für Strom, Spannung, Leistung
- Alarm/Abschaltung bei Überschreitung von einstellbaren Schwellwerten
- Programmierbare Spannungs-/Stromverläufe
- Master-Slave-Funktion für Reihen-/Parallelschaltung von mehreren Geräten
- Analoge Schnittstelle für Soll- und Istwerte
- PC-Schnittstelle
Wichtige Eigenschaften
Lineare Netzgeräte vs. Schaltnetzgeräte
Es gibt bei Labornetzgeräten sowohl linear geregelte als auch Schaltnetzteile.
Lineare Netzgeräte haben den Vorteil, dass die Regelung üblicherweise schneller und genauer ist. Die Ausgangskapazität ist bei linearen Netzgeräten relativ klein, dadurch kann die Strombegrenzung sehr schnell ansprechen.
Schaltnetzgeräte haben dagegen einen besseren Wirkungsgrad, erzeugen also weniger Abwärme und sind kleiner und leichter als lineare Netzgeräte gleicher Leistung. Deshalb sind vor allem Labornetzgeräte mit hoher Leistung bevorzugt als Schaltnetzteil aufgebaut.
Wenn bei Schaltnetzgeräten eine sehr kleine Ausgangs-Spannung eingestellt wird, wird diese oft nicht sauber ausgeregelt. Meistens brauchen solche Geräte eine bestimmte Mindestspannung am Ausgang.
Weiterhin besteht bei Schaltnetzteilen die Gefahr, dass am Ausgang Störungen sichtbar sind, die durch die interne PWM erzeugt werden.
Weiterhin gibt es auch Geräte, bei denen ein Schaltnetzteil und eine lineare Regelung kombiniert sind. Dadurch werden die Vorteile von beiden Verfahren kombiniert, es ergeben sich dadurch aber auch einige Probleme:
- Bei schnellen Laständerungen kann es passieren, dass das Schaltnetzteil nicht schnell genug nachregelt. Dadurch ändert sich das Regelverhalten und die Ausgangsspannung bzw. Strom sind dann nicht mehr so stabil wie bei einem richtigen linear geregelten Netzgerät.
- Bei schnellen periodischen Laständerungen kann es zusätzlich passieren, dass die Verlustleistung im Linearregler sehr viel höher wird als im Betrieb mit konstanter Ausgangsleistung. Da die lineare Endstufe meistens nicht dafür dimensioniert ist, kann es hier thermische Probleme geben.
Verlustleistung und Kühlung
Das ist vor allem bei linear geregelten Geräten ein sehr wichtiges Kapitel, da eine gute Kühlung relativ viel Geld kostet und die Gerätehersteller hier gerne sparen. Folgende Punkte sollten hier beachtet werden:
Passive Kühlung oder Kühlung mit Lüfter
Geräte mit passiver Kühlung erzeugen keine Geräusche, was ein großer Vorteil ist. Passive Kühlung ist aber nur bei Geräten mit relativ geringer Leistung üblich. Bei Lüfter-gekühlen Geräten sollte darauf geachtet werden, dass der Lüfter relativ ruhig läuft.
Außenliegender Kühlkörper
Bei passiv gekühlten Geräten kann der Kühler ziemlich warm werden. Wenn der Kühler außen am Gehäuse montiert ist, besteht die Gefahr, dass man ihn versehentlich berührt und sich verbrennt oder dass wärmeempfindliche Gegenstände (z.B. kunststoffisolierte Leitungen) bei Berührung beschädigt werden. Deshalb sollte man Geräte bevorzugen, bei denen der Kühler innerhalb des Gehäuses montiert ist.
Dem steht entgegen, dass auch bei innenliegendem Kühler die Wärme nach draußen abgeführt werden muss. Im Gegensatz zum außenliegenden Kühler werden beim innenliegenden Kühler die Bauteile thermisch höher belastet. Typischerweise sind außenliegende Kühler an der Geräterückseite montiert, wo geringere Berührgefahr vorhanden ist. An den Außenseiten sind auch größere freie Flächen vorhanden, was den Einsatz großvolumiger Kühler ermöglicht, was gleichbedeutend mit einem schnelleren Wärmeabtransport ist. Eventuell ist dann sogar der Einsatz eines Lüfters nicht mehr nötig.
Lüftungsschlitze
Bei Geräten, die Lüftungsschlitze auf der Oberseite haben, besteht die Gefahr, dass Gegenstände reinfallen können, wodurch das Gerät beschädigt werden kann. Weiterhin kann es passieren, dass der Luftstrom durch die Schlitze behindert wird, wenn man etwas auf dem Gerät ablegt oder mehrere Geräte aufeinander stapelt. Je nach dem, wo das Gerät aufgestellt werden soll, können deshalb seitliche Lüftungsschlitze vorteilhaft sein. Allerdings sind seitliche Lüftungsöffnungen meistens mit einem aktiven Lüfter kombiniert.
Dimensionierung der Kühlkörper und Leistungstransistoren
Bei vielen billigen Netzgeräten ist die Kühlung zu knapp dimensioniert. Das kann man relativ einfach testen, indem man den Ausgangsspannung und Strom jeweils auf Maximalwerte einstellt und dann den Ausgang kurzschließt.
In diesem Zustand sollte das Gerät längere Zeit (einige Stunden) betrieben werden, bis alles thermisch eingeschwungen ist. Dann muss bei allen Leistungsbauteilen die Temperatur gemessen werden, am einfachsten geht das mit einer Wärmebildkamera. Es sollten nach Möglichkeit keine Temperaturen oberhalb von 100°C auftreten. Wärme-empfindliche Bauteile (z.B. Elkos) sollten nicht wärmer als 70°C sein.
Besonders kritisch sind hier:
- Netztrafo
- Gleichrichter
- Leistungstransistoren und Kühlkörper
Stabilität, Genauigkeit und Regelverhalten
Wichtige Eigenschaften bei Labornetzgeräten ist die Stabilität und die Genauigkeit.
Stabilität
Damit wird angegeben, wie konstant ein eingestellter Wert über einen längeren Zeitraum gehalten wird. Hier ist wichtig, dass das Gerät einen kleinen Temperaturkoeffizient hat, so dass die Ausgangsspannung auch bei Temperaturschwankungen möglichst stabil bleibt.
Genauigkeit
Hier muss unterschieden werden zwischen der Anzeigegenauigkeit und der Einstellgenauigkeit.
Die Genauigkeit der Anzeige gibt an, wie genau die angezeigte Ausgangsspannung oder Strom mit der tatsächlichen Spannung übereinstimmt (siehe dazu auch Artikel Auflösung und Genauigkeit).
Die Einstellgenauigkeit gibt an, wie genau ein bestimmter Sollwert eingestellt werden kann und wie gut die tatsächlichen Werte mit den Sollwerten übereinstimmen. Bei Geräten mit digitaler Sollwertvorgabe muss hier die kleinste Schrittweite beachtet werden.
Regelverhalten
Ein Netzteil sollte eine Laständerung möglichst schnell ausregeln. Einfache Netzteile brauchen zum Regeln verhältnismäßig lang. Als einfaches Kriterium für die Qualität der Regelung kann folgender Test gemacht werden: Die Stromregelung wird mit kurzgeschlossenem Ausgang auf z.B. 20mA für eine entsprechende vorhandene LED eingestellt. Danach wird die Ausgangsspannung ohne kurzgeschlossenen Ausgang auf das Maximum eingestellt. Wird nun die LED ohne Vorwiderstand mit dem Netzteil verbunden zeigen sich die waren Qualitäten der Regelung. Bei den meisten Chinakrachern wird man das Sterben der LED nicht mal wahrnehmen. Aber auch an hochwertigen Netzteilen z.B. von R&S oder Agilent/Keysight/HP wird die LED oftmals nur noch ein letztes Mal aufleuchten, weil sich ein am Netzteilausgang vorhandener Kondensator hoher Kapazität über die LED entlädt und die Stromregelung diesen Strom nicht begrenzen kann. Ein Verzicht auf diese Kapazität wird mit anderen Nachteilen erkauft.
Weitere Funktionen
Schnittstelle
Einige Labornetzgeräte bieten eine Schnittstelle zum PC, damit können sie als per Software steuerbares Netzgerät verwendet werden. Will man das Netzgerät per Mikrocontroller steuern, so sind Typen mit RS232 Anschluß den Typen mit USB vorzuziehen.
Beleuchtung
Folgende Display-Arten sind bei Labornetzgeräten üblich:
- Analoginstrument (unbeleuchtet oder beleuchtet)
- LCD 7-Segment Anzeige (unbeleuchtet oder beleuchtet)
- LCD Punktmatrix-Anzeige (in der Regel beleuchtet)
- LED 7-Segment Anzeige (selbstleuchtend)
- OLED-Anzeigen (selbstleuchtend)
- VFD-Anzeigen (selbstleuchtend)
Anzeigen mit Beleuchtung bzw. selbstleuchtende Anzeigen sind wesentlich besser ablesbar als unbeleuchtete LCD-Anzeigen. Da Labornetzgeräte immer am Netz betrieben werden, ist der Stromverbrauch der Beleuchtung nicht relevant.
Unbeleuchtete LCD-Anzeigen sind bei schlechter Beleuchtung oder ungünstigem Blickwinkel manchmal schlecht ablesbar, bei 7-Segment LED-Anzeigen ist die Ablesbarkeit wesentlich besser.
Mit 7-Segment Anzeigen lassen sich allerdings nur Ziffern und einige wenige Buchstaben darstellen. Für Geräte mit komplexen Einstellungen und Menu-Führung werden deshalb häufig Punkt-Matrix LCD-Anzeigen verwendet.
Mit VFD-Anzeigen [1], die ebenfalls sehr gut ablesbar sind, könnnen auch komplexe Menüs dargestellt werden. Diese haben einen sehr weiten Blickwinkel und sehr scharfe und klare Zeichen. Allerdings sind diese Anzeigen relativ teuer, weshalb sie vor allem in eher teueren Geräten eingesetzt werden.
Vergleichstabelle Labornetzgeräte
In den folgende Tabellen werden wichtige technischen Daten einiger aktueller Labornetzgeräte zusammengestellt. Um die Übersichtlichkeit zu erhöhen, werden die Geräte eingeteilt in einfache Geräte und Geräte mit Zusatzfunktionen
Die Einteilung geschieht aufgrund der Funktionen, die die Geräte bieten. Das ist also keine Aussage über die Qualität der Geräte.
Einfache lineare Labornetzgeräte
Hier werden Geräte aufgelistet, welche neben den Grundfunktionen (Strom- und Spannungseinstellung, Anzeige der Istwerte) keine weiteren Funktionen besitzen.
| Hersteller | Bezeichnung | Preis [EUR] | Spannung [V] | Strom [A] | Kanäle |
|---|---|---|---|---|---|
| Agilent | E3616A | 620 | 35 | 1.7 | 1 |
| Hameg | HM8040-3(Benötigt HM8001) | 280 | 20 + 20 + 5 | 0.5 + 0.5 + 1 | 3 |
| Peaktech | 6080 | 50 | 15 | 3 | 1 |
| McVoice | WNT0-15-2000 | 38 | 15 | 2 | 1 |
| Quatpower | LN-1803C | 30 | 18 | 3 | 1 |
| Statron | 2223.1 | 150 | 30 | 2.5 | 1 |
| Statron | 2250.0 | 225 | 40 | 5 | 1 |
| Statron | 2229.2 | 260 | 40 + 40 | 2.5 + 2.5 | 2 |
| Statron | 2229.5 | 340 | 32 + 32 + 5 | 3 + 3 + 3 | 3 |
| Statron | 2225.6 | 310 | 30 + 30 | 5 + 5 | 2 |
| Voltcraft | PS-1302 D | 95 | 30 | 2 | 1 |
| Voltcraft | VLP 1303pro | 180 | 30 + 6 | 3 + 2 | 2 |
| Voltcraft | VSP 2403 | 345 | 40 + 40 + 6 | 3 + 3 + 1.5 | 3 |
Einfache Schaltnetzgeräte
| Hersteller | Bezeichnung | Preis [EUR] | Spannung [V] | Strom [A] | Kanäle |
|---|---|---|---|---|---|
| Delta Elektronika | ES 030-5 | 624 | 30 | 5 | 1 |
| Quatpower | LN-3003 | 40 | 30 | 3 | 1 |
Netzgeräte mit Zusatzfunktionen
Diese Geräte haben mindestens folgende Funktionen:
- abschaltbare Ausgänge
- Anzeige der Sollwerte für Strom und Spannung
| Hersteller | Bezeichnung | Preis [EUR] | Spannung [V] | Strom [A] | Kanäle | linear/getaktet |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Agilent | U8001A | 290 | 30 | 3 | 1 | linear |
| Agilent | E3616A | 620 | 35 | 1.7 | 1 | linear |
| Agilent | E3643A | 690 | 35 / 60 (umschaltbar) | 1.4 / 0.8 | 1 | linear |
| Agilent | E3632A | 990 | 15 / 30 (umschaltbar) | 7 / 4 | 1 | linear |
| BK Precision | BK 1786 | 490 | 32 | 3 | 1 | linear |
| BK Precision | BK 1788 | 615 | 32 | 6 | 1 | linear |
| BK Precision | BK 9130 | 685 | 30 + 30 + 5 | 3 + 3 + 3 | 3 | linear |
| EA Elektro-Automatik | PSI 6032-03 | 425 | 32 | 3 | 1 | linear |
| EA Elektro-Automatik | EA-PS 2042-06B | 235 | 42 | 6 | 1 | getaktet |
| EA Elektro-Automatik | EA-PS 2342-06B | 580 | 42 + 42 + 6 | 6 + 6 + 4 | 3 | getaktet |
| EA Elektro-Automatik | EA-PS 3032-05B | 355 | 32 | 5 | 1 | linear |
| EA Elektro-Automatik | EA-PS 8032-10 DT | 940 | 32 | 10 | 1 | getaktet |
| ELV | PPS 5330 | 120 | 30 | 3 | 1 | linear |
| ELV | SPS 5630 | 200 | 30 | 6 (max. 75W) | 1 | getaktet |
| Hameg | HM7042-5 | 685 | 32 + 32 + 5,5 | 2 + 2 + 5 | 3 | linear |
| Hameg | HMP2020 | 1190 | 32 + 32 | 10 + 5 | 2 | getaktet + linear |
| Hameg | HMP2030 | 1500 | 32 + 32 + 32 | 5 + 5 + 5 | 3 | getaktet + linear |
| Korad | KA3005P* | 90 | 30 | 5 | 1 | linear |
| Rigol | DP832* | 362 | 30 + 30 + 5 | 3 + 3 + 3 | 3 | linear |
| Voltcraft | VLP 1405pro | 1190 | 40 + 6 | 5 + 2 | 2 | linear |
| PeakTech | 1885 | 270 | 40 | 5 | 1 | getaktet |
| Voltcraft | VLP 2403pro | 320 | 40 + 40 + 6 | 3 + 3 + 2 | 3 | linear |
| Voltcraft | VSP 2410 | 470 | 40 + 40 + 6 | 10 + 10 + 1.5 | 3 | getaktet |
| TTI | EX355R | 330 | 35 | 5 | 1 | Mixed-mode (getaktet + linear) |
| TTI | EX354RD | 480 | 35 + 35 | 4 + 4 | 2 | Mixed-mode (getaktet + linear) |
| TTI | EX354RT | 540 | 35 + 35 + (1,5-5) | 4 + 4 + 5 | 3 | Mixed-mode (getaktet + linear) |
* Rigol DP832(A), Kora KA3005P schalten die Ausgänge nicht physisch/galvanisch ab. Die Power-MOSFETs der Ausgangsstufe werden lediglich auf Soll-NULL gesetzt. Dies kann bei Drift auch durchaus ungleich 0,00 Volt bedeuten!
Selbstbau
Das Projekt "Labornetzgerät" zählt zu den typischen, insbesondere von vielen Anfängern in Betracht gezogenen, Selbstbauprojekten. Man sollte jedoch stets darüber nachdenken, ob es ökonomisch sinnvoll ist, ein Labornetzgerät selbst zu bauen. Die Preise für brauchbare Labornetzgeräte sind, wie für alle elektronischen Geräte, im letzten Jahrzehnt noch ein mal erheblich gefallen. Besonders die Kosten für Gehäuse, dessen Bearbeitung und beim linearen Labornetzgerät die des sehr großen Transformators werden gern außer Acht gelassen, obwohl diese den Löwenanteil der Kosten beim Selbstbau eines Labornetzgerätes ausmachen. Hat man natürlich ein passendes Gehäuse und einen großen Trafo zum Beispiel aus dem Elektroschrott holen können, kann der Selbstbau immer noch eine attraktive Möglichkeit sein, an ein hochwertiges linear geregeltes Labornetzgerät zu kommen. Der Lerneffekt ist beim Bau eines einfachen linearen Netzgerätes jedoch gering, die typischen Schaltungen sind seit Jahrzehnten bekannt. Für den Anfänger kann es trotzdem lehrreich sein, zudem gibt es manchmal die Anforderung, eine spezielle Spannungsversorgung für ein Gerät aufzubauen, wo das Wissen hilfreich ist.