Es gibt in der Praxis jedoch einige Anwendungsfälle und Lasten, die unter bestimmten Bedingungen diese Schutzmechanismen auslösen können. Dies kann zu Verwirrung hinsichtlich der Fehlerquelle führen. Um zu verstehen, ob es sich um eine Störung der Stromversorgung oder der von ihr versorgten Geräte handelt, ist es wichtig, die verwendeten Schutzmechanismen und ihre Grenzen zu kennen.
Was ist ein Kurzschluss?
Die meisten Ingenieure haben schon einmal die Folgen eines Kurzschlusses erlebt. Das abisolierte Ende eines spannungsführenden Drahtes berührt ein geerdetes Gehäuse, und - plopp - der magische Rauch einer elektronischen Komponente wird freigesetzt. Bei der Entwicklung einer Stromversorgung ist es notwendig zu definieren, wann ein Kurzschluss vorliegt , um eine geeignete Schutzschaltung zu entwerfen. Ein Kurzschluss ist in der Regel definiert als eine Verbindung mit einem Widerstand unter 1Ω oder einem Nebenschlusswiderstand, der dazu führt, dass die Ausgangsspannung unter 100 mV abfällt. Bei einer Stromversorgung mit einem Ausgang würde der Kurzschluss zwischen +VOUT und -VOUT liegen.
Die Schutzmethoden reichen von der Strombegrenzung bei konstanter Spannung über die „Fold-Back“-Strombegrenzung bis hin zum „Hiccup-Mode“ Schutz. Allerdings ist es für den Benutzer nicht unbedingt ersichtlich, dass der Schutz ausgelöst wurde, was es schwierig macht, die Ursache eines Fehlers festzustellen. Außerdem sehen einige kapazitive Lasten oder etwa Motoren, unter bestimmten Bedingungen elektrisch wie Kurzschlüsse aus.
Wie funktioniert die Strombegrenzung bei konstanter Spannung?
Stromversorgungen mit Konstantstrombegrenzung reduzieren im Falle eines Kurzschlusses ihre Ausgangsspannung bei gleichbleibender Stromstärke auf nahezu Null. Bei der Messung können einige Millivolt vorhanden sein. Unter diesen Bedingungen sorgt die Schutzschaltung dafür, dass die Ausgangstransistoren des Netzteils nicht beschädigt werden. Das Gerät gewährleistet die Sicherheit unter diesen Bedingungen.
Es ist wichtig zu verstehen, dass dies ein Unterschied zum Konstantstrom-Überlastschutz ist, den einige Netzteile bieten. Im Datenblatt kann ein Konstantstrommodus für einen Ausgangsstrom von 105 - 130% der maximalen Nennleistung angegeben sein. Ein langfristiger Betrieb unter solchen Bedingungen führt jedoch zur Überlastung und potentiell auch zur Zerstörung eines Netzteils.
Welchen Schutz bietet die Fold-Back-Strombegrenzung?
Ein alternativer Schutzmechanismus ist die Fold-Back-Strombegrenzung. Dabei werden Strom und Spannung reduziert, sobald die Stromentnahme einen vordefinierten Wert überschreitet. Wenn mehr Strom entnommen wird, werden sowohl Strom als auch Spannung weiter reduziert. Da dieser Mechanismus nicht allgemein definiert ist, steht es den Entwicklern von Stromversorgungen frei, ihn so zu implementieren, wie es für die jeweilige Anwendung am besten passt. Bei der Fehlersuche in solchen Geräten kann dies zu Verwirrung führen, da die Spannung und der Strom außerhalb der Datenblattangaben zu liegen scheinen.
Angenommen, die Applikation nimmt regelmäßig mehr als den angegebenen Höchststrom aus dem Netzteil auf, aber die Werte sind nicht hoch genug, um als Kurzschluss zu gelten: In solchen Fällen wird eine dauerhafte Beschädigung oder gar ein Ausfall des Netzteils risikiert. Unter echten Kurzschlussbedingungen bietet die Fold-Back-Strombegrenzung einen besseren Schutz für die Ausgangstransistoren des Netzteils als der Ansatz der Konstantstrombegrenzung.
Nichtlineare und nicht ohmsche Lasten können jedoch Probleme verursachen. Der große Einschaltstrom, den solche Lasten verursachen, kann zu einer Verriegelung führen, eine Situation, in der das Netzteil die Strombegrenzung aktiviert, aber nicht mehr ausschalten kann.
Wie werden Stromversorgungen durch „Hiccup-Modes“ geschützt?
Um solche Verriegelungsbedingungen zu vermeiden, verwenden einige Konstruktionen einen digital gesteuerten „Hiccup-Mode“. Wie der Name schon sagt, versucht das Netzteil nach der Erkennung eines Kurzschlusses in regelmäßigen Abständen, seinen Ausgang neu zu starten. Da die Ausgangsschaltung ausgeschaltet ist, wird das Risiko einer thermischen Überlastung von Transistoren, MOSFETs und Schottky-Dioden erheblich reduziert. Auch hier gibt es, wie bei der Foldback-Strombegrenzung, keine Standards für die Umsetzung, so dass die Zeit zwischen den Neustartversuchen variiert. Die Zeitspanne zwischen den Versuchen kann von einigen zehn Millisekunden bis zu Sekunden reichen.
Hohe Einschaltströme, z. B. beim Laden von Kondensatoren bzw. kapazitiven Lasten, können ebenfalls den „Hiccup-Mode» auslösen. Wenn die Last nicht angeschlossen ist, können sich die Kondensatoren über einige „Hiccup“ Zyklen aufladen, was zu einem normalen Betrieb führt. Auch Kurzschlüsse über lange Kabelstrecken können die Fehlersuche erschweren, da die „Hiccup“-Periode nach jedem Wechsel berücksichtigt werden muss und es einen Moment dauern kann, bis die gewünschte Spannung erreicht ist.
Sollte ich die interne Sicherung eines Netzteils auswechseln?
Sicherungen sind eine weitere Methode zum Schutz von Stromversorgungsausgängen. Sie sind jedoch schwierig zu spezifizieren, da, wie wir gesehen haben, nicht alle Kurzschlüsse hochstrombedingt sind. Wenn die Sicherungen durchgebrannt sind, muss der richtige Ersatz beschafft werden, der nicht immer zur Hand ist. Aus diesem Grund gehören elektronische Schutzmechanismen heute zum Standard moderner Stromversorgungen.
Stromversorgungen verfügen über interne Sicherungen, die vor Fehlern schützen sollen. Es ist jedoch ratsam, sich für eine Analyse an den Lieferanten wie Traco Power zu wenden. Sie sollten ein Netzgerät nicht selbst öffnen oder verändern.
