Die gängigsten Arten von Netzgeräten

Basic types of power supplies based on different design principles:

Linear power supplies

Linear regulated power supplies provide highly constant output voltage, low ripple and noise and fast regulation, even with high line and load transients. They produce significantly less electromagnetic interference than switchedmode power supplies. A conventional mains transformer isolates the power-line from the secondary circuits (output stages). It is followed by a rectifier that supplies the unregulated voltage to a series actuator. Capacitors at the input and output of the regulator circuit serve as buffers and decrease the ripple.

A high precision reference voltage controls the analog output amplifier. This amplifier is generally fast and allows very short recovery times for load changes.

R&S Essentials linear power supplies: R&S®NGA100, R&S®NGL200, R&S®NGM200, R&S®NGU201/401.

Switched-mode power supplies (SMPS)

SMPS, e.g. R&S®NGP800, have much higher efficiency than linear regulated power supplies. In a first step, the line voltage is rectified. Due to the high input voltage, buffer capacitors with a small capacitance can be used. In a second step, the DC voltage to be converted is chopped at a high frequency.

This takes place in the switching transistor and requires only comparatively tiny and light ferrite chokes or transformers with low losses. The switching transistor is switched fully on and off, hence switching losses are low. The output voltage is usually regulated by changing the duty cycle of the switching transistor. A rectifier and low-pass filter improve the output quality.

Mixed architecture power supplies

Different combinations of the above basic designs are in use. For example, the R&S®NGE100B power supplies use a mains transformer at the input, followed by a rectifier and switched-mode circuitry to regulate the output voltage, providing high efficiency. A linear stage reduces unwanted signal components at the output. Another example for mixed achitecture is the R&S®HMP2000/4000.

Quadranten von DC-Netzgeräten

Fließt Strom in die positive Spannungsklemme, fungiert das Netzgerät als elektronische Last. Anstatt Leistung zu liefern, nimmt das Gerät dann Leistung auf. Mit Geräten, die auf diese Weise sowohl als Quelle als auch als Senke agieren können, lassen sich Batterien oder Verbraucher emulieren. Sie werden als Zwei-Quadranten- (oder Vier-Quadranten-) Netzgeräte bezeichnet. Rohde & Schwarz sind mit Zwei- und Vier-Quadranten-Architektur verfügbar. Diese Geräte wechseln automatisch vom Quellbetrieb in den Lastbetrieb. Sobald die von außen angelegte Spannung die eingestellte Soll-Spannung überschreitet, fließt Strom ins Netzgerät. Dies wird durch einen negativen Stromwert angezeigt.

Die Architektur eines Netzgeräts lässt sich mit Hilfe eines kartesischen Koordinatensystems vollständig beschreiben. Die vier Quadranten zeigen alle möglichen Kombinationen von positiver und negativer Spannung und Stromstärke. Die folgende Abbildung stellt ein Koordinatensystem mit der Spannung auf der vertikalen Achse und dem Strom auf der horizontalen Achse dar.

Wie bereits erwähnt, erzeugen gewöhnliche Netzgeräte in der Regel nur Spannungen positiver Polarität (d. h. sie arbeiten im ersten Quadranten), zum Beispiel von 0 V bis 20 V. Wenn ein Netzgerät an seinen Ausgangsklemmen entweder eine positive oder eine negative Spannung erzeugen kann, ohne dass die externe Verdrahtung angepasst werden muss, wird es als bipolares Netzgerät bezeichnet und arbeitet in den Quadranten 1 und 3, d. h. es liefert beispielsweise Spannungen von −20 V bis +20 V. Solche Geräte können unter anderem dazu verwendet werden, das Verhalten von Halbleitern bei bipolaren Spannungen um den 0-V-Punkt zu testen.

Netzgeräte, die in den Quadranten 1 und 3 arbeiten, bieten in der Regel auch eine Senkenfunktion für positive und negative Spannungen und Ströme. Sie sind damit also in allen vier Quadranten betreibbar und werden als Source Measure Units (SMUs)bezeichnet. Im ersten und dritten Quadranten fließt Strom aus dem Spannungsanschluss – das Gerät liefert Leistung. Im zweiten und vierten Quadranten hingegen fließt der Strom in den Spannungsanschluss. Dementsprechend wird Leistung „versenkt“.

Kanäle mit identischen Spannungsbereichen

Die meisten Rohde & Schwarz Netzgeräte bieten den gleichen Spannungsbereich für alle Kanäle. Es spielt also keine Rolle, welchen Kanal Sie für eine bestimmte Anwendung wählen. Jeder Kanal kann als separate Stromversorgung angesehen werden.

Welligkeit und Rauschen

Moderne, komplexe Elektronikschaltungen sind sehr empfindlich gegenüber Spannungsschwankungen auf den Versorgungsleitungen. Um Prüflinge störungsfrei mit Spannung zu versorgen, sind Netzgeräte erforderlich, die extrem stabile Ausgangsspannungen/-ströme liefern. Im Idealfall ist ein Ausgang frei von Spannungsschwankungen. In der Praxis treten zwei Arten von Schwankungen auf, die sich möglicherweise auf die Schaltung oder das Gerät auswirken können: periodische Schwankungen (Welligkeit) und zufällige Schwankungen (Rauschen), auch als periodische und zufällige Störungen (PaRD) bezeichnet. Lineare Netzgeräte weisen im Vergleich zu Schaltnetzteilen eine deutlich geringere Hochfrequenzwelligkeit auf.

Spezialnetzgeräte sowie einige Standardnetzgeräte wie das R&S®NGA100verwenden eine lineare Spannungsregelung für minimale Restwelligkeit und Rauschen.

Der lineare Aufbau der Ausgangsstufen ermöglicht es, empfindliche Designs wie komplexe Halbleiter mit einer störungsarmen Spannung zu versorgen. Niedrige Welligkeits- und Rauschwerte sind auch optimal für die Entwicklung von Leistungsverstärkern und MMICs.

Variable Ausgangsimpedanz

Die Ausgänge von Spezialnetzgeräten lassen sich in verschiedener Weise konfigurieren. So können beispielsweise Parameter wie die Ausgangsimpedanz, eine Einschaltverzögerung und verschiedene Triggermodi eingestellt werden. Netzgeräte sollten im Allgemeinen eine möglichst niedrige Ausgangsimpedanz bieten, um Belastungseffekte auf den Prüfling zu vermeiden. Es gibt jedoch Anwendungen, die eine kontrollierte Batteriesimulation oder die Simulation des Anstiegs des Innenwiderstands beim Entladen der Batterie erfordern. Die R&S®NGL200, R&S®NGM200und R&S®NGU201Netzgeräte unterstützen solche Anwendungen mit einer einstellbaren Ausgangsimpedanz.