Ratgeber
Labornetzgeräte, auch Labornetzteile genannt, zählen überall dort zur Standardausstattung, wo elektronische Komponenten entwickelt, getestet oder charakterisiert werden, sei es im Labor oder in der Werkstatt.
Sie kommen zum Einsatz, wenn eine flexibel einstellbare Ausgangspannung bzw. ein definierter Ausgangsstrom benötigt wird, was beispielsweise beim Aufbau von Schaltungen oder bei Lastensimulationen der Fall sein kann.
Oft können Spannung und Strom getrennt voneinander eingestellt und angezeigt werden.
Die meisten Labornetzgeräte bieten zudem Schutzfunktionen wie eine Strombegrenzung, einen Überspannungsschutz oder einen Kurzschlussschutz.
Über Schnittstellen wie USB oder Ethernet können manche Modelle an den PC angeschlossen und darüber gesteuert oder programmiert werden, was unter anderem bei der Automatisierung von Testabläufen vorteilhaft ist und mehr Kontrolle im Dauerbetrieb ermöglicht.
In diesem Ratgeber erfahren Sie mehr über die Funktionen und verschiedenen Arten von Labornetzgeräten und erhalten nützliche Tipps zum Kauf.
Labornetzgeräte dienen der Spannungsversorgung von elektronischen Schaltungen und Geräten. Sie kommen vorrangig zu Forschungs-, Entwicklungs- und Ausbildungszwecken zum Einsatz, werden aber auch im Prüf- und Servicebereich genutzt, beispielsweise bei Fehlerdiagnosen. Im Gegensatz zu konventionellen Netzteilen bieten Labornetzgeräte die Möglichkeit, Ausgangsspannung und Ausgangsstrom individuell einzustellen. Beide Größen sind stufenlos regelbar, so dass Schaltungen, Bauteile oder Geräte unter kontrollierten Bedingungen und angepasst an den jeweiligen Bedarf mit Energie versorgt werden können.
Ein weiterer Unterschied zu einfachen Netzteilen besteht darin, dass Labornetzgeräte umfangreiche Zusatzfunktionen wie eine Strombegrenzung und Spannungsstabilisierung bieten und mit mehreren Kanälen, unterschiedlichen Anschlüssen sowie Schnittstellen für die Anbindung an den PC ausgestattet sein können. Dadurch eignen sie sich nicht nur für einfache Versuchsaufbauten, sondern auch für anspruchsvolle Prüf- und Automatisierungsaufgaben.
Die Hauptfunktion eines Labornetzgeräts besteht darin, einen bestimmten Spannungs- oder Stromwert zur Verfügung zu stellen. Üblicherweise handelt es sich dabei um eine Gleichspannung bzw. einen Gleichstrom (DC), es gibt aber auch Varianten, die Wechselspannungen und -ströme (AC) bereitstellen. In welchem Bereich die Werte regelbar sind, ist von Modell zu Modell unterschiedlich. Manche Geräte bieten beispielsweise ein Spektrum von 0 bis 18 Volt und 0 bis 20 Ampere, andere gehen deutlich darüber hinaus und ermöglichen Einstellungen in einem Bereich von 0 bis 1500 V und 0 bis 120 Ampere. Spannung, Strom und Leistung werden im Regelfall gut ablesbar auf einer Digitalanzeige dargestellt. Vereinzelt gibt es aber auch noch Geräte mit analoger Skala.
Des Weiteren sind Labornetzgeräte mit zusätzlichen Funktionen ausgestattet, um die Betriebssicherheit zu erhöhen und eine Steuerung, Programmierung und Weiterverarbeitung zu ermöglichen. Dazu zählen:
- Strombegrenzung: Eine Strombegrenzung verhindert, dass der Ausgangsstrom einen bestimmten Wert überschreitet. Auf diese Weise werden Schäden an angeschlossenen Schaltungen und Geräten vermieden.
- Überlastungs-, Überhitzungs- und Kurzschlussschutz: Diese Schutzmechanismen schützen sowohl das Netzgerät selbst als auch angeschlossene Verbraucher, wenn es zu Spannungsspitzen, Übertemperatur oder Fehlerströmen kommt.
- Mehrkanalbetrieb: Manche Labornetzgeräte sind für den Mehrkanalbetrieb ausgelegt, um mehrere Verbraucher mit Spannung bzw. Strom zu versorgen. Die Kanäle können separat oder synchron betrieben werden.
- Mess- und Speicherfunktionen: Labornetzgeräte sind in der Lage, Spannung und Strom präzise zu messen. Manche erfassen Messwerte über längere Zeiträume hinweg und legen sie auf einem internen Speichermedium ab, etwa für Langzeittests oder zur Fehleranalyse.
- Schnittstellen für Fernzugriff: Viele Labornetzgeräte sind mit Schnittstellen wie USB, LAN, RS232, GPIB oder sogar WLAN ausgestattet, über die sie an einen PC angebunden, gesteuert, programmiert oder auch in automatisierte Prüfablaufe integriert werden können, um komplexere Tests und Messungen durchzuführen.
Grundlegend lassen sich zwei Typen von Labornetzgeräten differenzieren: Lineare Netzgeräte und Schaltnetzgeräte. Sie unterscheiden sich im Hinblick auf ihren Aufbau, ihre Funktionsweise und ihre Einsatzgebiete.
Lineare Labornetzgeräte
Lineare Labornetzgeräte arbeiten mit einem Transformator, einem Gleichrichter, einem Filter und einem Regler oder einer Steuerschaltung. Die eingehende Netzspannung wird vom Trafo auf eine geringere Spannung heruntertransformiert und vom Gleichrichter in eine Gleichspannung umgewandelt. Diese Spannung wird dann vom Filter „geglättet“ und per Regler oder Schaltung stabilisiert, um einen konstanten Soll-Wert zu erhalten. Die Funktionsweise bringt Vor- und Nachteile mit sich:
+ Sehr geringe Restwelligkeit: Da lineare Netzgeräte eine besonders glatte Spannung ausgeben, eignen sie sich sehr gut für die Versorgung von empfindlichen Mess- und Signalschaltungen.
+ Hohe Regelgeschwindigkeit: Änderungen in Last oder Spannung werden schnell und exakt kompensiert. Somit punkten lineare Netzgeräte mit einer hohen Stabilität.
+ Einfacher Aufbau: Aufgrund ihres einfachen Aufbaus sind lineare Netzteile leicht zu warten und zu reparieren. Die vergleichsweise wenigen Komponenten lassen sich unkompliziert austauschen.
- Geringer Wirkungsgrad: Lineare Netzteile erzeugen mehr Verlustwärme und arbeiten daher gerade im Dauerbetrieb weniger effizient. Abhängig von der jeweiligen Last kann der Wirkungsgrad von 90 Prozent auf unter 50 Prozent abfallen.
- Größe und Gewicht: Lineare Netzteile sind relativ groß und schwer. Das hat damit zu tun, dass sie mit großen Trafos arbeiten und aufgrund der hohen Abwärme eine aktive Kühlung benötigen. Aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichts sind sie schwieriger zu transportieren und beanspruchen mehr Stellfläche, was zum Problem werden kann, wenn sie andere Prüf- und Messgeräte behindern und weniger Platz bleibt, um komplexe Testumgebungen aufzubauen.
Schaltnetzgeräte
Schaltnetzteile enthalten ebenfalls Transformatoren. Diese sind jedoch deutlich kleiner gebaut, da sie aufgrund einer getakteten Spannungsregelung mit höheren Frequenzen arbeiten und aufgrund dessen kleinere Ferritkerne und Kupferwicklungen benötigen. Die Funktionsweise ist wie folgt: Die Eingangsspannung wird zunächst gleichgerichtet und geglättet. Anschließend schalten ein oder mehrere Transistoren diese Spannung mit hoher Frequenz (20 kHz bis > 100 kHz) ein und aus. Die hochfrequenten Impulse werden dann durch den Trafo geleitet und am Ausgang erneut gleichgerichtet und gefiltert, so dass eine stabile Gleichspannung entsteht. Ein Regelkreis überwacht die Ausgangsspannung und passt das Schaltverhalten dynamisch an, so dass sie auch bei Laständerungen oder Netzschwankungen konstant bleibt.
+ Hoher Wirkungsgrad: Schaltnetzteile haben geringere Energieverluste zu verzeichnen. Im Vergleich zu linearen Netzgeräten wandeln sie mehr Eingangsleistung in Ausgangsleistung um, haben somit einen höheren Wirkungsgrad und arbeiten effizienter.
+ Kompakte, leichte Bauweise: Da in Schaltnetzgeräten kleinere Transformatoren zum Einsatz kommen und aufgrund der geringen Verlustwärme keine Kühlung erforderlich ist, können sie leichter und kompakter gebaut werden. Dadurch beanspruchen sie weniger Platz und sind auch mobil einsetzbar.
- Restwelligkeit und Oberflächenrauschen: Schaltnetzgeräte haben eine höhere Restwelligkeit und erzeugen ein Oberflächenrauschen. Dadurch eignen sie sich nicht für die Stromversorgung empfindlicher Messtechnik.
- Höhere Störempfindlichkeit: Schaltnetzgeräte können aufgrund der hohen Schalttaktung sowohl hochfrequente Störsignale aussenden als auch selbst durch hochfrequente Einstreuungen gestört werden.
Damit Labornetzgeräte zuverlässig funktionieren und lange Zeit gute Dienste leisten, müssen sie sachgemäß behandelt und regelmäßig gepflegt werden. Wir verraten Ihnen, worauf es dabei ankommt.
1. Einsatz in sauberer Umgebung
Staub, Schmutz und Feuchtigkeit gehören zu den häufigsten Ursachen für Störungen oder Defekte. Labornetzgeräte sollten daher stets in einer sauberen, trockenen Umgebung betrieben werden. Es empfiehlt sich, Lüftungsschlitze und Gehäuseöffnungen regelmäßig und am besten mit Druckluft von Staub zu befreien. Besonders bei Geräten mit aktivem Lüfter kann es passieren, dass die Kühlung nicht mehr richtig funktioniert, wenn sich im Inneren zu viel Staub ansammelt.
2. Schonender Umgang
Auch wenn die meisten Labornetzgeräte für den Dauerbetrieb ausgelegt sind, sollten Sie übermäßige mechanische Belastungen (etwa beim Transport) und schnelle Spannungswechsel vermeiden. Achten Sie auch auf einen sachgerechten Anschluss der Leitungen – insbesondere beim Umklemmen unter Last, um Kontaktproblemen und Verschleiß vorzubeugen.
3. Regelmäßige Funktionskontrolle
Prüfen Sie in regelmäßigen Abständen die Genauigkeit des Labornetzgeräts – etwa mithilfe eines Multimeters oder eines Referenznetzteils. So können Sie Abweichungen frühzeitig erkennen.
4. Schutz vor Überspannung und Kurzschluss
Zwar verfügen die meisten Labornetzgeräte über integrierte Schutzmechanismen, es kann jedoch nicht schaden, zusätzliche Maßnahmen zu ergreifen und beispielsweise Sicherungen oder Trenntrafos einzurichten. Das schont das Netzgerät und empfiehlt sich vor allem dann, wenn die angeschlossenen Schaltungen und Geräte häufig wechseln.
5. Herstellerempfehlungen beachten
Viele Gerätehersteller geben Hinweise zur Pflege, zu empfohlenen Wartungsintervallen oder zum Austausch bestimmter Komponenten (bspw. Lüfter). Daran sollten Sie sich halten.
Bei der Prüfung und Entwicklung von Elektronik sind exakte Spannungs- und Stromwerte enorm wichtig, denn schon kleine Abweichungen können sicherheits- und qualitätsrelevant sein. Labornetzgeräte müssen daher regelmäßig kalibriert und gewartet werden, damit sie präzise und zuverlässige Werte liefern.
Kalibrierung
Unter Kalibrierung versteht man die Überprüfung und gegebenenfalls Justierung der Messwerte eines Labornetzgeräts unter Zuhilfenahme eines zertifizierten Referenzmessgeräts. Dabei wird kontrolliert, ob die Werte, die das Netzteil misst, mit den tatsächlichen Werten übereinstimmen. Liegen die Abweichungen außerhalb der zulässigen Toleranz, wird das Labornetzgerät nachjustiert. Die Kalibrierung erfolgt je nach Einsatzgebiet jährlich oder im Rahmen der Qualitätssicherung nach DIN EN ISO 9001 häufiger. Es gibt viele Hersteller sowie externe Dienstleister, die Kalibrierungen anbieten und dafür ein Zertifikat als Nachweis ausstellen.
Mehr zum Thema Kalibrierung erfahren Sie hier.
Wartung
Zur Wartung gehören eine regelmäßige Reinigung und Sichtprüfung aller Anschlüsse, Bedienelemente und Lüftungseinrichtungen. Auch Lüfter – falls vorhanden – sollten auf Funktionalität und Geräuschentwicklung geprüft werden. Bei intensiver Nutzung kann es sinnvoll sein, mechanische Verschleißteile prophylaktisch auszutauschen. Manche Labornetzgeräte sind in der Lage, Selbsttests oder Diagnosen durchzuführen. Falls Firmware-Updates angeboten werden, sollten Sie diese regelmäßig aufspielen, um das Gerät auf dem neuesten Stand zu halten.
Beim Kauf eines Labornetzgeräts sind mehrere Aspekte zu beachten. Wir geben Ihnen einen Überblick über die wichtigsten Auswahlkriterien.
Ausgangsspannung und -strom
Die zentrale Frage ist: Welche Spannung und welchen Strom soll das Labornetzgerät bereitstellen können? Um das zu beantworten, müssen Sie die elektrischen Parameter der Schaltungen und Geräte kennen, die Sie perspektivisch an das Labornetzgerät anschließen möchten. Generell ist es sinnvoll, einen Puffer einzukalkulieren und ein Modell zu wählen, das in einem etwas größeren Bereich eingestellt werden kann.
Genauigkeit und Auflösung
Bei der Arbeit mit sensiblen Schaltungen, in der Qualitätssicherung und im Labor kommt es in besonderem Maß auf Präzision an. In solchen Fällen müssen Labornetzgeräte Spannungs- bzw. Stromwerte bis aufs Millivolt oder Milliampere genau liefern. Hochwertige Modelle sind dazu in der Lage und bieten eine entsprechend fein abgestufte Auflösung.
Restwelligkeit, Regelverhalten und Wirkungsgrad
Für empfindliche Anwendungen, etwa in der Audio- oder Messtechnik, ist eine geringe Restwelligkeit wichtig. Auch die Geschwindigkeit, mit der das Labornetzgerät auf Laständerungen reagiert (Regelverhalten), sollte berücksichtigt werden. Gleichzeitig kommt es auf einen hohen Wirkungsgrad an. Vor allem wenn das Gerät für den Dauerbetrieb vorgesehen ist, muss es effizient arbeiten, da es sonst unnötige Kosten verursacht.
Anzahl der Kanäle (Einkanal oder Mehrkanal)
Wichtig zu wissen ist, wie viele Kanäle das Labornetzgerät haben soll. Müssen mehrere Schaltungen oder Geräte parallel mit Spannung versorgt werden, benötigen Sie zwei oder mehr Ausgänge. Diese sollten idealerweise unabhängig voneinander regelbar sein. Das eröffnet mehr Flexibilität für zukünftige Anwendungen.
Anschlüsse und Schnittstellen
Achten Sie auf die Anschlussoptionen des Labornetzgeräts, um es mit der zu versorgenden Komponente verbinden zu können. Manche Modelle sind zu diesem Zweck mit Bananenbuchsen ausgestattet, andere ermöglichen den Anschluss über Schraubklemmen, wieder andere über USB und so fort. Prüfen Sie auch, ob Schnittstellen für die Anbindung an den PC oder ähnliche Peripherie vorhanden sind, vor allem wenn Sie Messdaten digital auswerten möchten oder sich ein programmierbares Labornetzgerät wünschen.
Komfort und Sicherheit
Ein übersichtliches, gut ablesbares Display und intuitive Bedienelemente sollten zur Grundausstattung eines Labornetzgeräts gehören. Zusatzfunktionen wie das Speichern von Messwerten oder häufig genutzten Einstellungen können die Arbeit erleichtern. Wichtig ist auch, dass alle notwendigen Sicherheitsmechanismen (Strombegrenzung, Überspannungs-, Überhitzungsschutz etc.) vorhanden sind.
Nicht jedes Labornetzgerät kann bei jeder Ausgangsspannung den maximalen Strom liefern. In manchen Fällen sinkt die Stromabgabe mit steigender Spannung – ein Verhalten, das als Derating bezeichnet wird. Achten Sie daher unbedingt auf die Leistungskennlinie im Datenblatt, um sicherzustellen, dass das Gerät Ihre Anforderungen in vollem Umfang erfüllt.
Wie schließe ich ein Labornetzgerät sicher an und bediene es richtig?
Für einen sicheren Anschluss müssen Sie geeignete Messleitungen verwenden und auf die korrekte Polarität (Plus/Minus) achten. Stellen Sie die Spannung und Strombegrenzung ein, bevor Sie das Labornetzgerät mit der zu versorgenden Komponente verbinden und den Ausgang aktivieren. Anderenfalls kann es zu unkontrollierten Einschaltströmen kommen, die gerade empfindlichen Bauteilen zusetzen.
Was kann ich tun, wenn mein Labornetzgerät nicht funktioniert?
Im ersten Schritt sollten Sie die Anschlüsse und die Ausgangsspannung prüfen. Kontrollieren Sie dann, ob der Ausgang aktiviert ist und ob ein Fehler bzw. Defekt an der Leitung oder an der Last vorliegt. Wenn das nicht weiterhilft, schlagen Sie im Handbuch nach oder wenden Sie sich direkt an den Hersteller.
Welche typischen Fehler sollte man bei der Verwendung von Labornetzgeräten vermeiden?
Es gibt drei Fehler, die Sie beim Umgang mit einem Labornetzteil in jedem Fall vermeiden sollten:
- Nie Spannung oder Strom unter Last ändern.
- Leitungen nicht mit falscher Polung anschließen.
- Strombegrenzung nicht deaktivieren.
Achten Sie außerdem auf saubere Lüftungsschlitze und führen Sie regelmäßige Funktionstests durch.