Ratgeber
Als Elektronische Last bezeichnet man ein Gerät, das einen Lastwiderstand simuliert. Elektronische Lasten werden auch Stromsenken genannt und stellen das funktionale Gegenteil einer Stromquelle in Form eines Labornetzgerätes dar.
Im Gegensatz zu einem ohmschen Widerstand mit einem Festwert verfügen elektronische Lasten über mehrere Betriebsarten. Erlauben einfach ausgestattete, analog bediente Geräte in der Regel nur die Einstellung eines bestimmten Widerstandswertes und einen Stromkonstantbetrieb, so beherrschen digitale und in der Regel programmierbare elektronische Lasten zudem einen Konstantspannungs- und Konstantleistungsbetrieb und bieten deutlich erweiterte Funktionen.
Elektronische Lasten werden in Entwicklung, Forschung, Produktion und der Wareneingangskontrolle eingesetzt.
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen DC- und AC-Lasten und Kombinationsgeräten, die für beide Stromarten einsetzbar sind. Elektronische Lasten der Einstiegsklasse verfügen meist über analoge Drehregler zur Einstellung von Widerstands- und Stromwert und einfache Siebensegment-Anzeigen. Diese preiswerten Geräte eignen sich für einfache Aufgaben und eher gelegentliche Anwendung; zumal es nicht möglich ist, definierte Parameter für wiederkehrende Messaufgaben abzuspeichern und wieder aufzurufen.
Fortschrittlichere elektronische Lasten verfügen über Programmiermöglichkeiten, welche komplexe Prüfszenarien abdecken und über Schnittstellen zur Steuerung und Datenaufzeichnung via PC oder Testsysteme. Teils frei einstellbare Schutzeinrichtungen gegen Überstrom, Überleistung, Über- und Unterspannung und Temperaturüberschreitung sind hier ebenso vorhanden wie ausführliche Anzeigen diverser Parameter über grafikfähige Displays. Hochwertige elektronische Lasten können eine Vielzahl anspruchsvoller Testaufgaben erfüllen, beispielsweise eine automatisierte Serienprüfung von Batterien, Steuergeräten, Solar- und Brennstoffzellen, sowie viele andere Produktprüfungen. Mit ihren programmierbaren Sequenzen erlauben sie praxisnahe Simulationen neu entwickelter Produkte, zum Beispiel in Bezug auf Stromtransienten, Einschaltverhalten bei Spannungsschwankungen und der Toleranz gegenüber bestimmten Signaleinflüssen. Mittels eines eingebauten arbiträren Signalgenerators können nicht nur übliche Wellenformen wie Sinus, Rechteck, Trapez, Sägezahn und Rampe teils bis in den Kilohertz-Bereich realisiert werden, sondern zusätzlich ganze Sequenzen mit komplexen Abläufen über die Geräteschnittstelle gesteuert werden. Insbesondere im Industrie- und Automotive-Sektor lassen sich mit derartig erweiterten Möglichkeiten durch entsprechende Testläufe spätere, kostspielige Probleme in der Serienfertigung bereits im Vorfeld zuverlässig vermeiden.
Zunächst einmal interessiert natürlich, ob es um DC- oder AC-Lasten geht. Die Leistungsparameter der elektronischen Last in Bezug auf den benötigten Spannungs-, Strom- und Leistungsbereich müssen ausreichend dimensioniert sein, eventuell benötige Schutzeinrichtungen und Alarmausgänge sind zu berücksichtigen. Einstiegsmodelle stellen funktional nicht viel mehr als einen einstellbaren ohmschen Widerstand dar. Das kann für sehr einfache Zwecke durchaus ausreichend sein, allerdings setzen sich aufgrund ihrer weit universelleren Nutzbarkeit zunehmend programmier- und steuerbare elektronische Lasten durch:
Müssen Prüfabläufe und Messwerte dokumentiert werden, oder gilt es mehrere elektronische Lasten zu koordinieren, ist eine entsprechende Schnittstelle erforderlich. Üblich sind USB-, GPIB-, Ethernet- und RS-232-Interfaces.
Für Batterietests ist es praktisch, ein Gerät mit bereits implementierten Batterietestfunktionen in Betracht zu ziehen.
Sollen Transienten simuliert werden oder sind sehr schnelle Änderungen der Parameter notwendig, dann sind entsprechend kurze Anstiegs- und Abfallzeiten wichtig.
Gerade in den höheren Leistungsklassen sollte man einen Blick auf Geräte mit Netzrückspeisung werfen. Elektronische Lasten herkömmlicher Bauart setzen die entstehende Verlustleistung komplett in Wärme um, was bei größeren Lasten nicht nur zu unangenehmer Wärmentwicklung im Umfeld führt, sondern daneben einen erheblichen Kostenfaktor in Sachen Stromverbrauch und für notwendige Klimatisierungs- und Lüftungsmaßnahmen bedeuten kann. Elektronische Lasten mit Netzrückspeisung hingegen sind durch einen eingebauten Wechselrichter in der Lage, über 90 Prozent der aufgenommenen Energie ins Stromnetz zurück zu speisen und damit den eigenen Stromverbrauch zu senken.
Für Anwendungen, die eine hohe Regelpräzision erfordern, sind Sense-Anschlüsse vorteilhaft, um die Leitungs- und Übergangswiderstände zu kompensieren.
Anwendungsbeispiel 1:
Batterieprüfung
Um die Kapazität zu ermitteln, wird der geladene Akku oder die Batterie an die elektronische Last angeschlossen und mit dem gewünschten konstanten Strom (Betriebsart „CC“) entladen, bis die vorher eingestellte Ladeschlussspannung erreicht ist. Nach Abschluss der Entladung kann die Kapazität abgelesen werden.
Anwendungsbeispiel 2:
Verhalten einer Stromversorgung bei wechselnden Lasten ermitteln
Spannungs- und Stromversorgungen sollen unter schwierigen Lastbedingungen zuverlässig arbeiten. Neben Prüfungen wie Dauerbelastbarkeit und Einhaltung der Ausgangsspannung(en) unter sämtlichen spezifizierten Betriebsbedingungen müssen oft Tests bezüglich kurzzeitiger Überlastbarkeit und Transienten sowie dem Verhalten bei sich schnell ändernden Strömen durchgeführt werden. Programmierbare elektronische Lasten ermöglichen durch vom Anwender definierbare Sequenzen die unkomplizierte Simulation derartiger Ereignisse.
Wie funktioniert eine elektronische Last? Sind in den Gehäusen regelbare Widerstände (Drahtpotentiometer) oder Widerstandskaskaden verbaut?
Nein. Selbst wenn eine elektronische Last in Schaltbildern mit dem Formelzeichen „R“ dargestellt wird, funktioniert sie ihrem Namen entsprechend rein elektronisch. Der technische Aufbau ist in etwa vergleichbar mit einem Labornetzgerät, mit dem Unterschied, dass hier ein Lastkreis vorliegt und Leistung aufgenommen statt abgegeben wird.
Was passiert mit der aufgenommenen Leistung?
Sie wird komplett in Wärme umgewandelt und über Lüfter aus dem Gerät befördert. Alternativ speisen elektronische Lasten mit eingebautem Wechselrichter den größten Teil der Energie wieder zurück ins Stromnetz.
Kann ich zwei oder mehrere elektronische Lasten in Serie schalten, wenn der Eingangsspannungsbereich zu klein für die vorliegende Spannung ist?
Nein, davon ist aus technischen Gründen unbedingt abzuraten. Es kann zur Zerstörung der Geräte und unkontrollierter Belastung der Stromquelle kommen. Es ist stets eine elektronische Last auszuwählen, die den erforderlichen Spannungsbereich abdeckt.
Achten Sie darauf, dass die benötigten Betriebsarten abgedeckt sind. Dies sind im Einzelnen:
- CC (Konstantstrom, der eingestellte Stromwert wird beibehalten)
- CR (Konstantwiderstand, der eingestellte Widerstandswert wird beibehalten)
- CV (Konstantspannung, der eingestellte Spannungswert wird beibehalten)
- CP (Konstantleistung, die eingestellte Leistung wird beibehalten)
- Kombinationen/Verknüpfungen sind zusätzlich möglich
Für rein statische Werte wird keine programmierbare elektronische Last benötigt. Ein einfaches Einstiegsmodell mit analogen Einstellmöglichkeiten ist ausreichend. Wenn Rampen gefahren, bestimmte Betriebsbedingungen simuliert werden sollen oder eine universelle Nutzbarkeit erforderlich ist, führt allerdings kein Weg an einer programmierbaren elektronischen Last mit entsprechenden Schnittstellen und Speicherfunktionen vorbei. Netzrückspeisung kann eine sinnvolle Option bei häufigen Prüfungen im gewerblichen Umfeld sein. Ein Rechenbeispiel hierzu: Es fällt eine Verlustleistung von lediglich 1 kW an. Bei 24-h-Testläufen sind das 8760 kW/h im Jahr, entsprechend EUR 2628,00 bei einem Strompreis von 30 Cent. Ein Gerät mit Netzrückspeisung und 90 Prozent Wirkungsgrad verursacht hingegen lediglich Betriebskosten von knapp EUR 263,00. Hier wird deutlich, dass sich der zunächst vorteilhaft erscheinende günstige Anschaffungspreis sehr schnell ins Gegenteil verkehren kann.
Für eine Integration in 19-Zoll-Racks ist auf die Verfügbarkeit entsprechender Montagesätze und rückwärtig angebrachte elektrische Anschlüsse zu achten.