Ratgeber
Simulieren geht über Studieren – so lässt sich vereinfacht das Grundprinzip einer elektronischen Last beschreiben. Es handelt sich dabei um ein Gerät, das sich gegenüber einer Stromquelle wie ein Lastwiderstand verhält und über sein Befinden per Display Auskunft erteilt. Hier erfahren Sie hier, wie elektronische Lasten funktionieren, welche Ausführungen es gibt und worauf Sie bei der Beschaffung achten sollten.
Die Rolle einer elektronischen Last in der Forschung, Entwicklung und Produktion lässt sich mit dem Dummy in der Automobilentwicklung vergleichen: Statt eines lebendigen Menschen wird eine mit zahlreichen Sensoren ausgestattete „Puppe“ ans Steuer gesetzt. Nach Crash-Tests verrät der Dummy dann genau, was in der Unfallsituation einem Menschen widerfahren wäre.
Elektronische Lasten funktionieren genauso. Ihre Sensorik erfasst allerdings elektrische Energie wie Spannung und Strom, geliefert beispielsweise von einem in der Entwicklung befindlichen Netzgerät. Statt einen echten und möglicherweise sehr empfindlichen Verbraucher an die Energiequelle anzuschließen – und dessen Beschädigung oder sogar Zerstörung in Kauf zu nehmen – übernimmt die elektronische Last dessen Rolle.
Als Gegenstück zu einer Stromquelle lässt sich die elektronische Last auch als Stromsenke bezeichnen. Bildlich gesprochen wird die elektrische Leistung in der Last sozusagen versenkt. Beim Laden einer Stromquelle über einen Festwiderstand beispielsweise kann man über die Wahl des Widerstands einen bestimmten Laststrom einstellen. Bei einer elektronischen Last dagegen ist der Laststrom in einem definierten Bereich einstellbar und variabel, er wird elektronisch geregelt.
Aus Strom wird Wärme
Eine elektronische Last entnimmt der Stromquelle elektrische Energie in Form definierter Spannung beziehungsweise definiertem Strom und wandelt diese in der Regel in Wärme um. Als Kühler sind Lüfter oder wassergekühlte Elemente im Einsatz. Unter bestimmten Voraussetzungen ist auch eine Energierückspeisung in das öffentliche Stromnetz möglich.
Elektronische Lasten sind in verschiedenen Anwendungen zu finden, insbesondere für den Test von Stromversorgungen, Batterien, Solar- und Brennstoffzellen oder Generatoren. Wechselspannungs-Lasten – kurz AC-Lasten – eignen sich zum Testen von Transformatoren, unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV), Bordstromversorgungen oder zum Testen von Impedanzen.
Die Ausstattung und das Leistungsspektrum solcher elektronischen Lasten beginnt mit einfachsten Schaltungen, die im Allgemeinen aus einem Potentiometer zur Stromeinstellung und einer Transistorschaltung zur Leistungstransformation bestehen. Weiterentwickelte elektronische Lasten liefern mehrere Betriebsarten, in den meisten Fällen Konstantstrom (CC), Konstantspannung (CV), Konstantleistung (CP) und Konstantwiderstand (CR).
Hochwertige Geräte lassen sich durch eine SPS oder durch einen PC steuern. Einstellungen und Messwerte wie die Spannung am Eingang und der tatsächliche Laststrom erscheinen bei allen elektronischen Lasten auf Displays, die von einer einfachen vierstelligen Segmentanzeige bis zum grafikfähigen Farbbildschirm reichen.
Die weitaus meisten elektronischen Lasten sind für die Verarbeitung von Gleichspannungen ausgelegt, es handelt sich hier um sogenannte DC-Lasten. Die maximale Einspeisung reicht von 25 bis 1500 Volt.
Beim Strom liegt die höchstmögliche Last zwischen 5 und 1890 Ampere. Während für einfache, seltene Tests rudimentäre Geräte mit lediglich analogen Drehreglern für Widerstand, Spannung und Strom sowie einer Viersegment-Anzeige reichen, verfügen hochwertige Lasten über Programmiermöglichkeiten und Schnittstellen zur Datenübertragung.
Bei Letzteren dominieren die Standardverbindungen USB und RS232.
Bei höherwertigen Geräten gehören Schutzeinrichtungen – zum Beispiel gegen zu hohe Werte bei Strom, Leistung, Spannung und Temperatur – oft zu den wichtigen Austattungsfeatures.
High-End-Systeme beherrschen zudem zahlreiche komplexe Testaufgaben. Typisch sind automatisierte Serienprüfungen von Batterien, Steuergeräten oder Solar- und Brennstoffzellen.
Programmierbare Sequenzen erlauben praxisnahe Simulationen neu entwickelter Produkte, um beispielsweise Stromtransienten, das Einschaltverhalten bei Spannungsschwankungen und Toleranzen gegenüber bestimmten Signaleinflüssen zu testen.
Oft vorhanden sind auch arbiträre Signalgeneratoren.
Damit lassen sich übliche Wellenformen wie Sinus, Rechteck, Trapez, Sägezahn und Rampe erzeugen. Im Industrie- und Automotive-Sektor vermeiden Testläufe mit elektronischen Lasten bereits im Vorfeld spätere, kostspielige Probleme in der Serienfertigung.
Wesentlicher Gesichtspunkt für die Beschaffung elektronischer Lasten ist der vorgesehene elektronische Einsatzzweck. So muss zunächst geklärt sein, ob die Last für Gleich- oder Wechselspannung ausgelegt sein soll und mit welchen Höchstbelastungen zu rechnen ist. In manchen Fällen reichen zwar Einstiegsmodelle aus, aufgrund ihrer universellen Verwendung setzen sich programmier- und steuerbare Lasten allerdings immer mehr durch. Sie besitzen in der Regel gleich mehrere Schnittstellen zur Kommunikation mit PCs, üblich sind USB, GPIB, Ethernet und RS-232. Einige Modelle verfügen auch über BNC-Buchsen für den Anschluss an Oszilloskope. Integrierte Sonderfunktionen für Batterietests sind ebenso praktisch wie kurze Anstiegs- und Abfallzeiten bei der Simulation von Transienten.
Bei Lasten mit hoher drei- oder gar vierstelliger Stromaufnahme kommt ein weiterer Aspekt zum Tragen: die Stromkosten. Denn die in die Last eingespeiste, nur gemessene aber nicht umgesetzte Leistung wird üblicherweise als Wärme abgestrahlt. Läuft die Simulation über einige Stunden oder Tage, kommen übers Jahr gesehen erhebliche Kosten auf den Betreiber zu.
Abhilfe bringen elektronische Lasten mit eingebautem Wechselrichter und automatischer Netzrückspeisung. Bei ihnen wird die überschüssige Leistung ins öffentliche Stromnetz geleitet, ihr Wirkungsgrad steigert sich damit bis auf rund 90 Prozent. Die Anschaffungskosten einer solchen Last liegen zwar deutlich über jenen mit konventioneller Wärmeableitung, häufige und lang andauernde Simulationen relativieren aber die höhere Investition. Schon nach relativ kurzer Zeit kann ein "Return-on-Investment" erzielt werden.
Sind elektronische Lasten kalibriert?
Geräte namhafter Hersteller sind in der Regel werkseitig kalibriert. Einige Modelle kommen auch mit einer Kalibrierung nach ISO oder durch ein DAkkS-akkreditiertes Labor in den Handel.
Spielt für die Geräte die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eine Rolle?
Wie alle Systeme mit transformator-ähnlichen Schaltungsstrukturen erzeugen auch Lasten elektromagnetische Felder. Deshalb sollten sie gemäß EN 61000-6-3 und EN 55022 funkenstört sein.
Was sind die typischen Betriebsarten?
Um für die meisten Fälle einer Simulation gerüstet zu sein, sollte die Last folgende Betriebsarten zur Verfügung stellen:
Konstanten Strom (CC) für eine Leistungsaufnahmeprüfung
Konstanten Widerstand (CR) zum Simulieren eines Widerstands
Konstante Spannung (CV) zur Prüfung der Stromquelle
Konstante Leistung (CP) zur Prüfung der Speicherkapazität
Gibt es auch Lasten für den Einbau in ein 19-Zoll-Rack?
Auch solche Bauformen sind im Handel. Wichtig ist hier die Verfügbarkeit entsprechender Montagesätze. Außerdem sollte die elektrischen Anschlüsse an der Rückseite des Geräts angebracht sein.