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R&S®Essentials | Grundlagen von Netzgeräten

Konstantspannung und Konstantstrom verstehen

Autor: Paul Denisowski, Messtechnikexperte

Im Folgenden wird der Unterschied zwischen dem Konstantspannungs- und Konstantstrombetrieb eines DC-Tischnetzgeräts erläutert.

Der Benutzer eines Tischnetzgeräts beginnt in der Regel mit der Einstellung der Ausgangsspannung, und in den meisten Fällen arbeitet das Gerät im sogenannten Konstantspannungsbetrieb,in dem unabhängig von der angeschlossenen Last die gleiche (d. h. eine konstante) Spannung geliefert wird.

Der Ausgangsstrom ergibt sich gemäß dem ohmschen Gesetz aus dem Widerstand der angeschlossenen Last – er wird nicht direkt vom Benutzer konfiguriert oder festgelegt. Dennoch bieten die meisten DC-Tischnetzgeräte eine Einstellmöglichkeit für den Strom, die nachfolgend beschrieben wird.

Wie lässt sich übermäßiger Strom verhindern?

Moderne Tischnetzgeräte überwachen in der Regel den Ausgang und können in Echtzeit feststellen, wie viel Strom von der Last aufgenommen wird. Bei abnehmendem Lastwiderstand kann ein übermäßig und/oder unerwartet hoher Strom auftreten. Da hohe Ströme die Last beschädigen oder zerstören können, muss hiergegen vorgebeugt werden.

Es gibt zwei grundsätzliche Möglichkeiten, wie ein Netzgerät dies erreichen kann:

„Überstromschutz“ (oder „elektronische Sicherung“): Deaktiviert den Ausgang, wenn das Netzgerät feststellt, dass die Stromschwelle überschritten wird. Obwohl das Abschalten des Ausgangs die Last wirksam schützt, ist ein vollständiges Abschalten des Stroms manchmal unerwünscht.
„Konstantstrombetrieb“: Reduziert die Spannung, um den Strom unter dem Schwellenwert zu halten.

Was bewirkt der Konstantstrombetrieb?

Der für ein Netzgerät konfigurierte Stromwert legt den maximal zulässigen Strom oder die Strombegrenzung fest – unterhalb dieses Schwellenwerts wird der Ausgangsstrom nicht gesteuert oder beeinflusst. Im Konstantstrombetrieb wird der Ausgangsstrom durch Reduzierung der Ausgangsspannung unter einem Maximalwert gehalten.

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Viele Netzgeräte signalisieren den Wechsel in den Konstantstrombetrieb mit einer optischen Anzeige, z. B. durch Ändern der Displayfarbe oder Einblenden eines CC-Symbols. Der Konstantstrombetrieb wird auf Grundlage des Rücklesestromwerts aktiviert und deaktiviert. Es handelt sich also nicht um eine Schaltfläche oder Einstellung, die vom Benutzer umgeschaltet werden kann.

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1. Der Stromversorgungsausgang ist auf 10 V mit einer Strombegrenzung von 1,5 A eingestellt. Wenn der Lastwiderstand 10 Ω beträgt, ergibt sich gemäß dem ohmschen Gesetz eine Stromabgabe von 1 A, was unter der Strombegrenzung liegt.

2. Wenn der Widerstand auf 20 Ω erhöht wird, bleibt die Spannung konstant bei 10 V und der Strom sinkt auf 0,5 A.

3. Würde der Widerstand bei einer konstanten Spannung von 10 V auf nur 5 Ω reduziert, würde der Strom auf 2 A ansteigen. Damit wäre allerdings die Strombegrenzung überschritten.

4. Folglich wechselt das Netzgerät stattdessen in den Konstantstrombetrieb und reduziert die Ausgangsspannung auf 7,5 V, sodass der Ausgangsstrom auf den eingestellten Höchstwert von 1,5 A begrenzt wird. Fällt der Lastwiderstand erneut, dieses Mal auf nur 3 Ω, reduziert das Netzgerät die Ausgangsspannung entsprechend auf 4,5 V, um sicherzustellen, dass der Ausgangsstrom weiterhin auf 1,5 A begrenzt bleibt.

5. Im Konstantspannungsbetrieb bleibt die Spannung konstant und im Konstantstrombetrieb bleibt der Strom konstant.

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Konstantspannung, Konstantstrom, Konstantwiderstand

Je nach Anwendung ist es wichtig, entweder die Spannung, den Strom oder den Widerstand konstant zu halten. Dies wird mit dem CV-, CC- und CR-Modus erreicht.

Im Konstantspannungsbetrieb (CV-Modus)wird die Ausgangsspannung konstant auf dem eingestellten Wert, z. B. 5 V, gehalten, während der Strom in Abhängigkeit vom Verhalten des Prüflings und innerhalb der eingestellten Stromgrenzen variiert. Sämtliche Rohde & Schwarz Netzgeräte unterstützen außerdem den Konstantstrombetrieb (CC-Modus), in dem jeder Kanal separat konfiguriert werden kann. In diesem Modus fließt ein konstanter, voreingestellter Strom zum Prüfling, und die Spannung variiert, d. h. die Ausgangsspannung wird reduziert oder erhöht, um den Strom auf dem eingestellten Wert zu halten. Wenn das Netzgerät als elektronische Last arbeitet, steht auch der Konstantwiderstandsbetrieb (CR-Modus)zur Verfügung. Hier verhält sich das Netzgerät über den gesamten Lastbereich wie ein konstanter, vom Benutzer einstellbarer ohmscher Widerstand. Beispielsweise wird damit das Entladeverhalten einer Batterie mit konstantem Lastwiderstand simuliert.

Wenn der Laststrom des Prüflings niedrig ist und der aufgenommene Strom unter der eingestellten Stromgrenze liegt, arbeitet das Netzgerät standardmäßig im CV-Modus. Die Spannung wird auf einen konstanten Wert eingeregelt und der Strom variiert lastabhängig. Wenn der Laststrom hoch ist und die Last versucht, einen Strom oberhalb der eingestellten Strombegrenzung aufzunehmen, begrenzt das Netzgerät den Strom standardmäßig auf den eingestellten Wert und arbeitet im CC-Modus. Es wird also der Strom auf einen konstanten Wert eingeregelt, während sich die Spannung nach der Last richtet.

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Zusammenfassung

Die meisten DC-Tischnetzgeräte arbeiten normalerweise im Konstantspannungsbetrieb (CV-Modus):
- Der Benutzer gibt die gewünschte Ausgangsspannung ein
- Der Ausgangsstrom hängt vom Lastwiderstand ab (gemäß ohmschem Gesetz)
Der Konstantstrombetrieb (CC-Modus) wird verwendet, um die Last vor zu hohem Ausgangsstrom zu schützen.
- Der Benutzer gibt den maximal zulässigen Ausgangsstrom ein
- Das Netzgerät reduziert automatisch die Ausgangsspannung, um den Ausgangsstrom unter diesem Grenzwert zu halten.
Der Wechsel zwischen CV- und CC-Modus erfolgt auf Grundlage des Rücklesestromwerts.

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