Labornetzgerät was ist zu beachten

Anwendungsbereiche von Labornetzgeräten

Labornetzgeräte kommen entsprechend zur Anwendung, um einzelne Verbraucher wie Bauteile oder Schaltungen mit definierten Spannungen und definierten Strömen zu versorgen. Sie werden beispielsweise im Service-, Bau- und Forschungsbereich bei der Reparatur elektronischer Geräte, bei der Montage und Kalibrierung von elektronischen Bauteilen sowie Analyse von Prototypen eingesetzt. Sie ermöglichen, das Verhalten der zu testenden Systeme bei optimalen Betriebsparametern (Spannung, Strom) sowie unter außergewöhnlichen Bedingungen zu überprüfen, um spezifische Merkmale zu identifizieren und das Sicherheitsniveau zu bestimmen.

Da Labornetzgeräte stabile Ausgangsspannungen und -ströme an die angeschlossenen Verbraucher liefern, können sie daneben bei Stromschwankungen und Überlast die Spannung in sensiblen Bereichen wie in einem Labor stabilisieren und so teure und empfindliche Laborelektronik schützen.

Grundfunktionen von Labornetzgeräten

Bei jedem Labornetzgerät können jeweils die Ausgangsspannung sowie der Ausgangsstrom zwischen 0 und einem jeweils vom Gerät definierten Maximalwert stufenlos eingestellt werden. Ausgangsspannung und -strom werden dabei über eine analoge oder digitale Anzeige angezeigt. Labornetzgeräte werden zumeist anhand folgender Kriterien unterteilt:

• Einkanal- und Mehrkanalgeräte
• programmierbare und nicht-programmierbare Geräte
• Geräte mit linearer Regelung und Schaltnetzgeräte (= unterschiedliche Art der Stromumwandlung)

Ein- oder Mehrkanalgeräte

Die Anzahl der Ausgänge definiert die Anzahl der maximal gleichzeitig zu testbaren Verbraucher. Labornetzgeräte können entweder lediglich einen (einkanalig) oder mehrere Verbraucher (mehrkanalig) mit stabilisiertem Gleichstrom versorgen. Abhängig vom spezifischen Model bieten mehrkanalige Geräte üblicherweise Anschlüsse für zwei bis vier Empfänger. Bei Mehrkanalgeräten können zudem die Kanäle in aller Regel in Reihe bzw. parallel geschaltet werden, so dass mehr Spannung bzw. Strom an die Verbraucher abgegeben wird.

Programmierbare und nicht-programmierbare Labornetzgeräte

Daneben lassen sich Labornetzgeräte hinsichtlich ihrer Steuerungsmethode und Beeinflussung von Betriebsparametern unterscheiden. Bei nicht-programmierbaren Geräten lassen sich Ausgangsspannung und -strom lediglich vor Beginn der Arbeit einstellen. Sollen die Betriebsparameter modifiziert werden, muss der Nutzer eingreifen und selbst die Parameter anhand der eingebauten Drehknöpfe und Tasten anpassen.

Programmierbare Labornetzgeräte bieten dagegen die Möglichkeit, über PC und mitgelieferter Software Spannungs- und Stromverläufe individuell zu programmieren. Die Betriebsparameter können entsprechend im laufenden Betrieb unterbrechungsfrei modifiziert und so eine Reihe nicht-standardisierter Stromversorgungsparameter getestet werden. Dabei werden die Informationen aus den verschiedenen Sequenzen beispielsweise über USB- oder RS-232/RS-485-Schnittstellen weitergegeben und von der Software verarbeitet. In einigen programmierbaren Labornetzgeräten sind zudem WLAN-Module verbaut, die eine Fernsteuerung über mobile Geräte via WLAN ermöglichen. Sinnvoll sind diese Spezialgeräte vor allem bei der Testung von Prototypen unter normalen und außergewöhnlichen Bedingungen.

Stromumwandlung: Lineare Regelung und Schaltnetzgeräte

Labornetzgeräte unterscheiden sich hinsichtlich der Methode, mit der Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt wird. Bei einer linearen Regelung, die im Grunde wie Trafotechnik aufgebaut ist, wird die sinusförmige Eingangsspannung am Eingang reduziert und in Abhängigkeit von den eingestellten Werten an die Ausgänge weitergegeben. Die Geräte sind in aller Regel größer und schwerer als Schaltnetzgeräte, die die Spannung sowohl am Eingang als auch am Ausgang Gleichrichtungsprozessen aussetzen. Zwischen diesen beiden Gleichrichtungsprozessen findet das Keyring statt.

Vor- und Nachteile der beiden Methoden der Stromumwandlung

Da die Ausgangsleistung bei Linearnetzgeräten vergleichsweise gering ist, kann die Strombegrenzung schnell ansprechen. Sie sind daher schneller. Schaltnetzgeräte haben dagegen den Vorteil, über einen besseren Wirkungsgrad zu verfügen. Sie erzeugen weniger Abwärme, sind kleiner und von einem geringeren Gewicht als ihre linearen Pendants mit analoger Leistung. Insbesondere Labornetzgeräte mit hoher Leistung werden daher als Schaltnetzteile angeboten. Nachteilig ist dagegen die im Vergleich zur linearen Regelung geringere Genauigkeit. Insbesondere im unteren Bereich kann die Ausgangsspannung unsauber ausgeregelt sein.

Linearnetzgeräte

• größer und schwerer als Schaltnetzgeräte
• sehr viel geringer Wirkungsgrad als Schaltnetzgeräte (etwa 50 Prozent)
• erfordern zumeist größere Kühlkörper als Schaltnetzgeräte
• einfachere Konstruktion als Schaltnetzgeräte
• geringeres Rauschen und Welligkeit im Ausgang
• geringere Leistung, Spannung und Stromstärke als Schaltnetzgeräte
• kostengünstiger als äquivalente Schaltnetzgeräte

Schaltnetzgeräte

• kompakter und leichter als lineare Geräte
• besserer Wirkungsgrad (90 Prozent)
• breiterer Bereich in Bezug auf Leistung, Spannung und Strom
• hohes Rauschen und Welligkeit
• führen oftmals zu instabilem Betrieb der Verbraucher
• komplizierterer Aufbau (= höherer Preis)

Bei Labornetzteilen in den kleineren Leistungsklassen besteht in aller Regel die Wahl zwischen linear aufgebauten und Schaltnetzteilen. Leistungsstarke Labornetzgeräte sind dagegen üblicherweise als Schaltnetzteil aufgebaut.

Labornetzgeräte mit erweiterten Funktionen

Daneben können Labornetzgeräte über zusätzliche Funktionen verfügen. Zu diesen Funktionen, die vorrangig in Geräten der gehobeneren Preisklasse verbaut sind, gehören:

• abschaltbarer Ausgang
• einstellbare Grenzwerte für Ausgangsspannung, Strom und Leistung
• Abschaltung bei Überschreitung der eingestellten Grenzwerte
• Anzeige von Ist- und Soll-Werten
• analoge Schnittstelle für Ist- und Soll-Werte

Viele der teureren Geräte haben zudem eine bessere Messgenauigkeit der Ist-Werte als einfache Geräte. Weitere bedeutende Kriterien für die Auswahl eines passenden Labornetzgerätes sind beispielsweise Kühlung und Verlustleistung.

Kühlung und Verlustleistung

Insbesondere bei linearen Geräten spielen Verlustleistung und Kühlung eine bedeutende Rolle. Gerätehersteller sparen gern genau an dieser Komponente, da eine hochwertige Kühlung preisintensiv ist. Passive Kühlungen sind geräuschlos, werden aber lediglich bei Geräten mit geringer Leistung eingesetzt. Eine lüftergestützte Kühlung kann dagegen schnell laut werden, insbesondere wenn die Hersteller bei diesem Bauteil gespart haben.

Aktive Kühlung

Bei einer aktiven Kühlung kühlt der von einem oder mehreren Kühlern produzierte Luftstrom die Hardware des Labornetzgerätes. Je schneller sich der Kühler dabei dreht, desto besser die Kühlung, in der Regel aber auch lauter. Daneben kann statt Luft Wasser als Kühlmittel zum Einsatz kommen, das wesentlich effizienter kühlt als Luft und den Lärmpegel deutlich reduziert.

Vorteile:

• hohe Kühlleistung erlaubt höhere Leistung
• kostengünstige Lösung

Nachteile:

• hoher Verschleiß und begrenzte Lebensdauer
• anfällig für Schocks und Vibrationen
• Geräuschentwicklung (oft auch bei geringer Auslastung), die mit steigender Auslastung zunimmt

Passive Kühlung

Bei einer passiven Kühlung sind keine Lüfter, sondern Kühlkörper verbaut. Diese führen die anfallende Wärme über lamellenförmige Kühlrippen nach außen ab. 

Vorteile:

• leise, da keine Geräuschemissionen
• hohe Lebensdauer

Nachteile:

• nur bei Labornetzgeräten mit vergleichsweise geringerer Leistung verbaut
• Umgebung muss Abwärme tolerieren können (Wärmestau vermeiden)
• teurer als aktive Kühlung

Leistungsstarke Labornetzgeräte erfordern – unabhängig davon, ob es sich um ein Linear- oder Schaltnetzgerät handelt – immer eine aktive Kühlung. Für diese muss für eine gute Liftzirkulation gesorgt werden. Zudem sollte auf eine möglichst leistungsstarke Kühlung mit möglichst ruhig laufenden Lüftern geachtet werden. Hier können Vergleichsseiten im Internet, die Leistung und Geräuschemissionen bei einzelnen Labornetzgeräten getestet haben bei der Auswahl behilflich sein. Ein weiteres Kriterium bei der Auswahl des Labornetzgerätes kann die jeweils verbaute Anzeige sein.

Anzeigen von Labornetzteilen

Die meisten Labornetzgeräte haben eine analoge oder digitale Anzeige für die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom, wobei sich mittlerweile digitale Anzeigen als Standard durchgesetzt haben. Üblicherweise werden folgende Displays verbaut:

• unbeleuchtete oder beleuchtete Analoginstrumente
• unbeleuchtete oder beleuchtete 7-Segment-LCD-Anzeige
• üblicherweise beleuchtete LCD-Punkt-Matrix-Anzeigen
• selbstleuchtende 7-Segment-LED-Anzeige
• selbstleuchtende OLED-Anzeigen
• selbstleuchtende VFD-Anzeigen

Beleuchtete und selbstleuchtende Displays sind in aller Regel besser ablesbar, insbesondere bei schlechter Beleuchtung oder ungünstigen Winkeln. Generell ist die Ablesbarkeit bei 7-Segment-LED-Anzeigen sehr gut. Da 7-Segment-Anzeigen lediglich Ziffern und beschränkt Buchstaben darstellen können, werden in Labornetzgeräten mit komplexen Einstellungen eher Punkt-Matrix-LCD-Anzeigen verbaut. Mit den VFD-Anzeigen, die sehr klare Zeichen ausgeben, lassen sich ebenfalls komplexe Menüs darstellen. Diese sind allerdings kostspielig und werden in aller Regel in höherpreisigen Geräten eingesetzt.

Wichtige Fragen, die bei der Auswahl eines Labornetzgerätes behilflich sein können

Welcher Gleichspannungsbereich ist erforderlich?

Werden für das geplante Projekt 0 bis 5, 0 bis 12, 0 bis 30 oder gar 0 bis 60 Volt benötigt. In den meisten Fällen genügen 0 bis 15 Volt, insbesondere wenn es sich um ein Mehrkanalgerät handelt.

Ist Qualität und Stabilität für das zu testende System sowie die Wiederholbarkeit der Sequenz für das Projekt bedeutend?

In diesem Fall können programmierbare Labornetzgeräte mit linearer Regelung sinnvoll sein.

Ist die Sicherheit der zu testenden Systeme bedeutend?

Wenn ja, sollten nur Geräte mit Überlast-, Überspannungs- und Wärmeschutz in die engere Auswahl kommen. Auch wenn mit Kurzschlüssen gerechnet werden und das Labornetzgerät im Bereich seiner Grenzwerte betrieben werden soll, gehört ein Überlastschutz zu den Mindestparametern.

Welche PC-Schnittstellen sind erforderlich?

Bei komplexen Anwendungen und Testreihen kann ein Labornetzgerät sinnvoll sein, bei welchem reproduzierbare Betriebsparameter über einen Computer programmiert und gesteuert werden können. Moderne Labornetzgeräte verfügen oftmals über Schnittstellen zum PC zur Überwachung und Fernsteuerung. Verbaut sind unter anderem RS-232//RS-485- oder USB-Schnittstellen. Ist beispielsweise eine Steuerung per Microcontroller erwünscht, ist ein RS-232 Anschluss zu bevorzugen.

Sind mehrere Systeme mit unterschiedlichen Betriebsparametern gleichzeitig zu testen?

Soll immer lediglich ein System getestet werden, genügt ein Einkanalgerät. Sollen mehrere Systeme mit unterschiedlichen Betriebsparametern gleichzeitig betrieben werden, ist ein Mehrkanalgerät mit ausreichender Leistungsreserve erforderlich.

Wie lange und häufig soll das Labornetzgerät genutzt werden?

Bei Schaltnetzgeräten ist der Wirkungsgrad höher und die Leerlaufleistung geringer. Daher bieten sich diese bei häufiger und langer Nutzung an.

Ist auf eine geringe Restwelligkeit zu achten?

Sollen beispielsweise unempfindliche Verbraucher wie Motoren oder Glühbirnen über das Labornetzgerät betrieben oder getestet werden (zumeist im Hobbybereich), ist eine Restwelligkeit von einigen mV unproblematisch. In Prüflaboren oder bei Testungen von empfindlichen Prototypen oder Schaltungen ist eine möglichst glatte Gleichspannung dagegen zum Schutz der Verbraucher sehr wichtig (weniger als 5 mV bzw. 5 mA). Hier sollte entsprechend auf eine möglichst geringe Restwelligkeit geachtet werden.

Linear- oder Schaltnetzteil?

Da der Aufbau von Linearnetzgeräten einfach ist, sind diese reparaturfreundlich und weniger anfällig für Störungen. Schaltnetzgeräte haben einen höheren Wirkungsgrad und sind daher kompakter (geringere Größe und Gewicht). Es mag trivial erscheinen, aber Ausmaße und Gewicht können gerade bei wenig Platz eine kaufentscheidende Rolle spielen.

Wie hoch ist das Budget?

Schließlich ist das zur Verfügung stehende Budget ein wichtiges Kriterium. Für häufige Anwendungen sollte generell auf ein Markengerät zurückgegriffen werden, das mehr kostet, aber stabiler und langlebiger ist. Für viele Hobbyisten genügen auch einfache No Name-Geräte für ein geringeres Budget.

Welche Kühlung ist sinnvoll?

Wird das Gerät in lauter Umgebung betrieben, stören die Geräuschemissionen nicht. Muss die Arbeitsumgebung dagegen möglichst leise sein, ist eine Passivkühlung sinnvoll.

Erweiterte Anwendungsbereiche von Labornetzgeräten

Labornetzgeräte sind unerlässlich in der Elektronikentwicklung, im Servicebereich, in der Hobbyelektronik und in Ausbildungsumgebungen. Sie werden eingesetzt, um Prototypen zu testen, defekte Geräte zu reparieren und das Verhalten elektronischer Bauteile unter verschiedenen Stromwellen zu analysieren. Ihre Vielseitigkeit ermöglicht es, die Funktionalität von Bauteilen unter realen Bedingungen zu überprüfen und damit zur Qualitätssicherung in der Elektronikentwicklung beizutragen.

• Prototypentwicklung: Testen und Validieren von Prototypen in der Elektronikentwicklung.

• Reparatur und Wartung: Diagnose und Reparatur defekter elektronischer Geräte.

• Bildung und Training: Einsatz in Ausbildungsstätten für praktische Schulungen in Elektrotechnik und Elektronik.

• Qualitätssicherung: Überprüfung der Zuverlässigkeit und Leistung von elektronischen Komponenten und Systemen.

• Forschung und Entwicklung: Experimentelle Forschung in Laboren zur Entwicklung neuer elektronischer Technologien.

• Produktionstests: Prüfung von Bauteilen und Geräten in der Produktionsphase zur Gewährleistung der Qualität.

• Stromversorgungssimulation: Simulation verschiedener Stromversorgungsszenarien für elektronische Geräte und Systeme.

• Automatisierte Tests: Integration in automatisierte Testsysteme für umfassende Leistungs- und Sicherheitsprüfungen.

• Elektromedizinische Geräte: Test und Kalibrierung von elektromedizinischen Geräten.

• Telekommunikation: Einsatz in der Entwicklung und Wartung von Telekommunikationsgeräten und -systemen.

Besondere Merkmale von Labornetzteilen

Labornetzteile zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, als elektronische Last zu arbeiten, was ihre Anwendungsmöglichkeiten erweitert. Sie bieten spezifizierte Impulsverhalten, Restwelligkeit und Rauschen der Ausgangsspannungen. Zudem sind sie mit festen oder einstellbaren Strombegrenzungen ausgestattet und verfügen über genormte, oft berührungssichere Anschlüsse, was sie von herkömmlichen Netzteilen unterscheidet. Diese Eigenschaften machen sie zu einer präzisen und zuverlässigen Option für anspruchsvolle elektronische Anwendungen

Sicherheitsaspekte bei der Verwendung von Labornetzgeräten

Die Sicherheit bei der Verwendung von Labornetzgeräten ist von höchster Bedeutung. Es gilt, den korrekten Anschluss an das Stromnetz sicherzustellen und einen geeigneten Standort für das Gerät zu wählen. Dieser sollte gut belüftet sein und darf nicht in beengten Räumen wie Regalen zwischen Büchern stehen, um Überhitzung oder Brandgefahr zu vermeiden. Die Beachtung dieser Sicherheitsaspekte ist entscheidend, um dauerhafte Schäden oder Gefahrensituationen zu vermeiden.

Funktionen und Schutzmechanismen von Labornetzgeräten

Labornetzgeräte bieten die Möglichkeit einer stufenlosen Einstellung der Ausgangsspannung und -stromstärke, was die präzise Anpassung an verschiedene Anforderungen ermöglicht. Viele Geräte sind mit Überlastungsschutz ausgestattet, der sowohl das angeschlossene Gerät als auch das Netzteil selbst vor Schäden schützt. Diese Schutzfunktionen sind essenziell, um eine sichere und effiziente Stromversorgung zu gewährleisten.

Praktische Tipps zur Nutzung von Labornetzgeräten

Bei der Verwendung von Labornetzgeräten ist es wichtig, die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom korrekt einzustellen, um eine optimale Leistung zu erzielen. Nutzer sollten sich mit den Einstellungsmöglichkeiten ihres spezifischen Modells vertraut machen und die Parameter entsprechend den Anforderungen des zu testenden Geräts anpassen. Eine effektive Nutzung erfordert ein gutes Verständnis der Funktionsweise des Geräts sowie der angeschlossenen Komponenten.

Fazit