Labornetzgerät im CV/CC-Betrieb: Strombegrenzung und Übergang zwischen Konstantspannung und Konstantstrom verstehen

→ Produktkategorie: Stromversorgung

 

Am Labornetzgerät sind:

24 V

und:

1,0 A Strombegrenzung

eingestellt.

Nach dem Anschließen eines Prüflings zeigt das Netzgerät jedoch plötzlich nur noch:

8,5 V

bei:

1,0 A

an.

Ist das Netzgerät defekt?

In vielen Fällen nicht. Es ist lediglich vom Konstantspannungsbetrieb CV in den Konstantstrombetrieb CC gewechselt.

Genau dieser automatische Übergang gehört zu den wichtigsten Funktionen einer geregelten Laborstromversorgung.

Im normalen Betrieb versucht das Netzgerät zunächst, die eingestellte Ausgangsspannung konstant zu halten. Fordert der angeschlossene Verbraucher jedoch mehr Strom als durch die eingestellte Strombegrenzung erlaubt ist, reduziert das Netzgerät die Ausgangsspannung so weit, bis der Strom wieder dem eingestellten Grenzwert entspricht.

Vereinfacht gilt:

CV: Spannung wird geregelt, Strom ergibt sich aus der Last

und:

CC: Strom wird geregelt, Spannung ergibt sich aus der Last

.

Der Wechsel von CV zu CC ist deshalb normalerweise keine Fehlermeldung, sondern eine direkte Folge aus Last, eingestellter Spannung und eingestelltem Stromlimit.

Ein konkretes Beispiel hierfür ist der bei ICS Schneider angebotene 2229.2 Gleichspannungsregler. Das Tischgerät besitzt zwei regelbare Gleichspannungsausgänge mit jeweils 0 … 40 VDC und 0 … 2,5 A sowie eine automatische Betriebszustandsumschaltung zwischen CV und CC.

Weitere Lösungen finden Sie unter Laborstromversorgung sowie allgemein unter Stromversorgung.

Was bedeuten CV und CC?

Die beiden Abkürzungen stehen für:

CV = Constant Voltage

und:

CC = Constant Current

Im CV-Betrieb

regelt das Netzgerät die:

Ausgangsspannung

auf den eingestellten Wert.

Im CC-Betrieb

wird dagegen der:

Ausgangsstrom

auf den eingestellten Grenzwert geregelt.

Entscheidend ist

CV und CC sind keine zwei völlig getrennten Betriebsarten, die der Anwender bei jeder Last manuell auswählen muss. Der tatsächliche Regelzustand ergibt sich aus Spannungseinstellung, Strombegrenzung und angeschlossenem Verbraucher.

Beispiel

Eingestellt:

Usoll = 24 V

ILimit = 1 A

Nimmt der Verbraucher nur

300 mA

auf, bleibt das Gerät im:

CV-Betrieb

Versucht der Verbraucher dagegen

mehr als:

1 A

aufzunehmen, greift die Strombegrenzung ein.

Das Netzgerät wechselt in:

CC

Wie funktioniert der Konstantspannungsbetrieb?

Der Konstantspannungsbetrieb ist der typische Zustand beim Versorgen elektronischer Baugruppen.

Beispiel

Das Netzgerät ist eingestellt auf:

24 V

und:

2 A Stromlimit

Der Prüfling benötigt

0,5 A

Dann liefert das Netzgerät ungefähr

24 V / 0,5 A

Wichtig

Die Einstellung:

2 A

bedeutet nicht, dass das Netzgerät permanent 2 A in die Schaltung drückt.

Der angeschlossene Verbraucher bestimmt

seine Stromaufnahme entsprechend seiner elektrischen Eigenschaften.

Bei einer ohmschen Last gilt

I = U / R

Beispiel

Bei:

U = 24 V

und:

R = 48 Ω

ergibt sich:

I = 24 V / 48 Ω = 0,5 A

Da 0,5 A kleiner als das Stromlimit von 2 A sind

bleibt das Netzgerät im:

CV-Bereich

Wie funktioniert der Konstantstrombetrieb?

Im CC-Betrieb würde die angeschlossene Last bei der eingestellten Sollspannung mehr Strom aufnehmen, als das eingestellte Stromlimit erlaubt.

Das Netzgerät reagiert

indem es die Ausgangsspannung reduziert.

Die Regelung versucht dann

I = ILimit

einzuhalten.

Beispiel

Eingestellt:

24 V

1 A

Angeschlossene ohmsche Last

R = 10 Ω

Ohne Strombegrenzung würden bei 24 V fließen

I = 24 V / 10 Ω = 2,4 A

Zugelassen sind jedoch nur

1 A

Das Netzgerät reduziert deshalb die Spannung auf ungefähr

U = I × R

U = 1 A × 10 Ω = 10 V

Der Arbeitspunkt lautet damit ungefähr

10 V / 1 A / CC

Die eingestellten 24 V sind weiterhin relevant

Sie stellen jedoch lediglich die maximal gewünschte Ausgangsspannung dar. Wegen der aktiven Strombegrenzung werden sie an dieser Last nicht erreicht.

Wann wechselt das Netzgerät von CV zu CC?

Der Übergang erfolgt genau dann, wenn der für die gewünschte Ausgangsspannung erforderliche Strom das eingestellte Stromlimit erreicht.

Bei einer ohmschen Last gilt

I = U / R

Der Grenzpunkt ist erreicht bei

I = ILimit

Daraus folgt

RGrenze = Usoll / ILimit

Bei Lastwiderständen oberhalb dieses Werts

liegt das Gerät im:

CV-Bereich

Bei niedrigeren Lastwiderständen

wird die Strombegrenzung aktiv:

CC-Bereich

CV-/CC-Grenze berechnen

Ein Netzgerät wird eingestellt auf:

20 V

und:

2 A

Der Grenzwiderstand beträgt

RGrenze = 20 V / 2 A = 10 Ω

Last	Strom bei 20 V	Betriebszustand	Ausgang ungefähr
40 Ω	0,5 A	CV	20 V / 0,5 A
20 Ω	1,0 A	CV	20 V / 1,0 A
10 Ω	2,0 A	Übergangsbereich	20 V / 2,0 A
5 Ω	4,0 A theoretisch	CC	ca. 10 V / 2,0 A
2 Ω	10 A theoretisch	CC	ca. 4 V / 2,0 A

Strombegrenzung richtig einstellen

Das Stromlimit sollte nicht grundsätzlich auf den maximal möglichen Ausgangsstrom des Netzgeräts eingestellt werden.

Stattdessen sollte berücksichtigt werden

• normaler Betriebsstrom des Prüflings,
• zulässiger Maximalstrom,
• Einschaltstrom,
• Leiterquerschnitt,
• Belastbarkeit von Steckverbindungen,
• Belastbarkeit empfindlicher Bauteile.

Gerade bei einer Erstinbetriebnahme

kann ein bewusst begrenzter Ausgangsstrom helfen, Schäden durch:

• Kurzschluss,
• falsche Verdrahtung,
• verpolte Bauteile,
• Lötbrücken,
• defekte Halbleiter

zu begrenzen.

Das Limit darf aber auch nicht zu niedrig sein

Benötigt eine Schaltung beispielsweise beim Einschalten kurzzeitig:

800 mA

und das Stromlimit beträgt:

300 mA

kann die Ausgangsspannung so stark einbrechen, dass die Schaltung überhaupt nicht startet.

Wie schützt das Stromlimit den Prüfling?

Die Strombegrenzung verhindert, dass das Netzgerät bei Überlast automatisch seinen gesamten verfügbaren Ausgangsstrom zur Verfügung stellt.

Bei einem Fehler

wird die Spannung reduziert, sobald:

ILimit

erreicht ist.

Dadurch kann die elektrische Leistung begrenzt werden

denn:

P = U × I

Das kann helfen

• Leiterbahnen zu schützen,
• Bauteilschäden zu begrenzen,
• Fehler kontrollierter zu untersuchen,
• unplausibel hohe Stromaufnahme frühzeitig zu erkennen.

Wichtig

Eine einstellbare Strombegrenzung ersetzt nicht die für den Prüfling erforderlichen Sicherungen und Schutzmaßnahmen.

Was passiert bei einem Kurzschluss?

Bei einem idealisierten Kurzschluss gilt:

R ≈ 0 Ω

Bei einer geregelten und kurzschlussfesten Stromversorgung

geht das Gerät in die Strombegrenzung.

Dabei sinkt die Ausgangsspannung

stark ab, während der Ausgangsstrom auf den zulässigen beziehungsweise eingestellten Wert begrenzt wird.

Der 2229.2

wird bei ICS ausdrücklich als:

kurzschlussfest

beschrieben.

Zusätzlich nennt ICS

eine:

Temperaturüberwachung

für das Gerät.

Für die Anwendung gilt trotzdem

Ein absichtlicher Kurzschluss sollte nur dann als Einstell- oder Prüfverfahren genutzt werden, wenn dieses Vorgehen in der Bedienungsanleitung des konkreten Geräts vorgesehen ist.

Einschaltstrom und kapazitive Lasten

Ein kurzzeitiger Wechsel in den CC-Betrieb ist nicht automatisch ein Fehler.

Typisches Beispiel

Eine elektronische Baugruppe enthält große Eingangskondensatoren.

Unmittelbar nach dem Einschalten

sind diese entladen und können einen hohen Ladestrom verursachen.

Der typische Verlauf kann sein

Einschalten → CC → Kondensatoren laden → Strom sinkt → CV

Das Verhalten ist plausibel

wenn anschließend:

• die Sollspannung erreicht wird,
• der Strom auf den erwarteten Betriebswert sinkt,
• das Netzgerät stabil im CV-Modus arbeitet.

Problematisch ist dagegen

wenn das Gerät dauerhaft in CC bleibt und die Sollspannung nicht erreicht.

Motoren und hohe Anlaufströme

Gleichstrommotoren benötigen beim Anlaufen häufig deutlich mehr Strom als im stationären Betrieb.

Ist das Stromlimit zu niedrig

wechselt das Netzgerät in CC und reduziert die Spannung.

Dadurch kann ein ungünstiger Zustand entstehen

Motor steht → hoher Strombedarf → CC → Spannung sinkt → Anlaufmoment fehlt → Motor steht weiterhin

Bei Motoren müssen deshalb

• Nennspannung,
• Nennstrom,
• Anlaufstrom,
• Blockierstrom,
• erforderliche Leistung

berücksichtigt werden.

Spannung, Strom und Leistung gemeinsam betrachten

Für elektrische Verbraucher gilt:

P = U × I

Beispiel

24 V × 2 A = 48 W

Ein Netzgerät muss deshalb

nicht nur den erforderlichen:

• Spannungsbereich,
• Strombereich

bereitstellen.

Auch die erforderliche Ausgangsleistung muss zur Anwendung passen.

Beim 2229.2

gibt ICS für die beiden Ausgänge jeweils:

0 … 40 VDC / 0 … 2,5 A

an.

Die angegebene Ausgangsleistung beträgt

2 × 100 W

Spannungsabfall an Messleitungen

Zwischen Netzgerät und Prüfling entstehen Widerstände durch:

• Messleitungen,
• Stecker,
• Klemmen,
• Kontaktstellen.

Der Spannungsabfall beträgt

ULeitung = I × RLeitung

Beispiel

Gesamter Leitungswiderstand:

0,25 Ω

Strom:

2 A

Dann entstehen

ULeitung = 0,5 V

Bei 24 V am Netzgerät

liegen am Prüfling damit nur ungefähr:

23,5 V

Deshalb kann es sinnvoll sein

die Spannung zusätzlich direkt an den Anschlussklemmen des Prüflings zu kontrollieren.

CC als Diagnosehinweis nutzen

Der CC-Zustand kann bei Service und Fehlersuche sehr hilfreich sein.

Beispiel

Eine Baugruppe soll bei:

24 V

normalerweise:

250 mA

aufnehmen.

Nach dem Einschalten zeigt das Netzgerät jedoch dauerhaft

4,8 V / 1 A / CC

Dann ist klar

Die Sollspannung wird nicht erreicht, weil die Baugruppe bereits bei niedriger Spannung das eingestellte Stromlimit erreicht.

Mögliche Ursachen

• Kurzschluss,
• falsche Polarität,
• defekter Halbleiter,
• falsche Verdrahtung,
• zu niedriges Stromlimit.

Die richtige Reaktion ist nicht automatisch

Stromlimit erhöhen

Sondern zunächst

Ursache für CC-Betrieb feststellen

Typische Fehler beim CV-/CC-Betrieb

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Netzgerät arbeitet in CC statt CV	Stromlimit erreicht	Stromaufnahme und eingestellten Grenzwert vergleichen
Ausgangsspannung ist niedriger als eingestellt	Stromregelung ist aktiv	Last und Stromlimit prüfen
Prüfling startet nicht	Stromlimit zu niedrig für den Einschaltstrom	Einschaltstrombedarf prüfen
Kurzzeitiger CC-Betrieb beim Einschalten	Laden von Eingangskondensatoren	Prüfen, ob anschließend CV erreicht wird
Dauerhafter CC-Betrieb	Überlast, Kurzschluss oder zu niedriges Limit	Prüfling und Einstellungen kontrollieren
Elektronik startet zyklisch neu	Strombegrenzung verhindert vollständigen Start	Spannungs- und Stromverlauf beobachten
Motor läuft nicht an	Anlaufstrom überschreitet Stromlimit	Anlaufstrom und Geräteleistung prüfen
Spannung am Prüfling niedriger als am Netzgerät	Leitungs- und Kontaktwiderstände	Spannung direkt am Prüfling messen
Netzgerät wird stark warm	Hohe Dauerlast	Ausgangsleistung und Betriebsbedingungen kontrollieren

Empfohlener Ablauf bei der Erstinbetriebnahme

1. Nennspannung bestimmen: Datenblatt oder Schaltungsunterlagen des Prüflings prüfen.
2. Normalen Betriebsstrom ermitteln: Erwarteten Strombedarf abschätzen.
3. Einschaltstrom berücksichtigen: Kondensatoren, Motoren und andere dynamische Lasten beachten.
4. Polarität prüfen: Plus und Minus eindeutig kontrollieren.
5. Ausgangsspannung einstellen: Zulässige Spannung des Prüflings nicht überschreiten.
6. Strombegrenzung einstellen: Passenden Grenzwert für die konkrete Anwendung wählen.
7. Messleitungen prüfen: Ausreichenden Querschnitt und sichere Kontaktierung verwenden.
8. Prüfling verbinden: Vor dem Einschalten nochmals Verdrahtung kontrollieren.
9. Ausgang aktivieren: Spannung und Strom beobachten.
10. CV-/CC-Zustand beobachten: Regelzustand unmittelbar nach dem Einschalten kontrollieren.
11. Kurzzeitigen CC-Betrieb bewerten: Einschaltstrom von dauerhaftem Überstrom unterscheiden.
12. Bei dauerhaftem CC nicht automatisch das Limit erhöhen: Ursache überprüfen.
13. Spannung am Prüfling kontrollieren: Leitungsverluste berücksichtigen.
14. Leistungsaufnahme prüfen: P = U × I.
15. Temperaturentwicklung beobachten: Prüfling, Leitungen und Stromversorgung kontrollieren.

Praxisbeispiel: 24-V-Baugruppe prüfen

Eine reparierte Industrieelektronik soll nach dem Austausch mehrerer Komponenten erstmals wieder eingeschaltet werden.

Nennspannung

24 VDC

Normaler Betriebsstrom

ca. 300 mA

Erwarteter kurzzeitiger Einschaltstrom

ca. 600 mA

Schritt 1

Ein Ausgang des 2229.2 wird auf:

24 V

eingestellt.

Schritt 2

Das Stromlimit wird so gewählt, dass ein plausibler Einschaltstrom möglich ist, bei einem Fehler aber nicht sofort der maximal verfügbare Ausgangsstrom bereitsteht.

Schritt 3

Beim Einschalten erreicht der Strom kurzzeitig das eingestellte Limit.

Das Gerät arbeitet kurz im

CC-Bereich

Anschließend

steigt die Ausgangsspannung auf:

24 V

und der Strom fällt auf:

310 mA

Der Arbeitspunkt befindet sich nun im

CV-Bereich

Interpretation

Der kurze CC-Zustand ist mit dem erwarteten Einschaltstrom vereinbar.

Anderer Fall

Die Stromversorgung bleibt dauerhaft bei:

5 V / Stromlimit aktiv

Dann sollte geprüft werden

• Kurzschluss,
• Verpolung,
• Verdrahtungsfehler,
• defekte Bauteile,
• korrekte Einstellung des Stromlimits.

Ergebnis

Der Wechsel zwischen CV und CC ist nicht nur eine Schutzfunktion, sondern liefert unmittelbar Informationen über den elektrischen Arbeitspunkt des Prüflings.

2229.2 Gleichspannungsregler bei ICS Schneider

Als konkretes Gerät für die beschriebenen CV-/CC-Anwendungen eignet sich der:

2229.2 Gleichspannungsregler

Das Gerät ist direkt als Produkt bei ICS Schneider gelistet

und besitzt zwei unabhängig nutzbare geregelte Gleichspannungsausgänge.

ICS nennt folgende Kerndaten

• 2 × 0 … 40 VDC Ausgangsspannung,
• 2 × 0 … 2,5 A Ausgangsstrom,
• 2 × 100 W Ausgangsleistung,
• Linearregler,
• automatische Betriebszustandsumschaltung CV/CC,
• Spannungsregelung,
• Stromregelung,
• Kurzschlussfestigkeit,
• Temperaturüberwachung,
• Digitalanzeigen,
• galvanisch getrennte und erdfreie Ausgänge,
• 4-mm-Apparateklemmen, schraub- und steckbar.

Gerade für diesen Beitrag entscheidend

ist die von ICS ausdrücklich angegebene:

automatische Betriebszustandsumschaltung CV/CC

Damit eignet sich der 2229.2 beispielsweise für

• Entwicklung elektronischer Baugruppen,
• Service und Fehlersuche,
• kontrollierte Erstinbetriebnahmen,
• Versorgung von Sensoren und Steuerungskomponenten,
• Labor- und Ausbildungsaufbauten.

Zwei Ausgänge bieten zusätzliche Flexibilität

Bei Schaltungen mit zwei getrennten Versorgungsspannungen können beide geregelten Ausgänge genutzt werden.

Wichtig

Die zulässigen elektrischen Betriebsbedingungen und die konkrete Verschaltung müssen den technischen Unterlagen des Geräts entsprechen.

Fazit

CV und CC beschreiben zwei Regelzustände einer geregelten Gleichspannungsversorgung.

Im CV-Betrieb

Spannung konstant → Verbraucher bestimmt Strom

Im CC-Betrieb

Strom begrenzt → Ausgangsspannung wird reduziert

Der Übergang entsteht

wenn der Strombedarf des Verbrauchers das eingestellte Stromlimit erreicht.

Bei einer ohmschen Last kann die Grenze berechnet werden

RGrenze = Usoll / ILimit

Die Strombegrenzung ist besonders wertvoll

für:

• Erstinbetriebnahmen,
• Servicearbeiten,
• Fehlersuche,
• empfindliche Elektronik,
• definierte Stromtests.

Unerwarteter dauerhafter CC-Betrieb

ist ein Diagnosehinweis und sollte nicht automatisch durch Erhöhen des Stromlimits beseitigt werden.

Mit dem 2229.2 bietet ICS dafür ein konkret gelistetes Gerät

mit:

2 × 0 … 40 VDC + 2 × 0 … 2,5 A + automatische CV/CC-Umschaltung

Für die Praxis gilt

Nennspannung bestimmen → normalen und maximalen Strombedarf prüfen → Spannung einstellen → Stromlimit passend wählen → Polarität und Leitungen kontrollieren → Prüfling anschließen → Spannung, Strom und CV-/CC-Zustand beobachten → kurzzeitigen Einschaltstrom von dauerhaftem Überstrom unterscheiden → bei unerwartetem CC-Betrieb Ursache prüfen → erst anschließend Einstellungen verändern.

FAQ: CV und CC am Labornetzgerät

Was bedeutet CV?

CV steht für Constant Voltage beziehungsweise Konstantspannung. Die Stromversorgung hält die eingestellte Ausgangsspannung konstant, solange das Stromlimit nicht erreicht wird.

Was bedeutet CC?

CC steht für Constant Current beziehungsweise Konstantstrom. Das Netzgerät begrenzt den Strom und reduziert dazu bei Bedarf die Ausgangsspannung.

Warum wechselt ein Labornetzgerät von CV zu CC?

Weil der Verbraucher bei der gewünschten Spannung mehr Strom aufnehmen würde als durch die eingestellte Strombegrenzung erlaubt ist.

Ist CC eine Fehlermeldung?

Nein. CC beschreibt zunächst lediglich den aktuellen Regelzustand.

Warum sinkt die Spannung im CC-Betrieb?

Die Spannung wird so weit reduziert, dass der Ausgangsstrom den eingestellten Grenzwert nicht überschreitet.

Was bedeutet eine Einstellung von 24 V und 1 A?

Das Netzgerät versucht, 24 V auszugeben. Benötigt der Verbraucher weniger als 1 A, arbeitet es im CV-Betrieb. Würde der Verbraucher mehr als 1 A aufnehmen, wird der Strom begrenzt.

Wie berechnet sich die CV-/CC-Grenze?

Bei einer ohmschen Last mit RGrenze = Usoll / ILimit.

Warum geht das Netzgerät beim Einschalten kurz in CC?

Ein erhöhter Einschaltstrom, beispielsweise durch ungeladene Kondensatoren, kann das Stromlimit kurzzeitig erreichen.

Ist kurzzeitiger CC-Betrieb beim Einschalten problematisch?

Nicht zwangsläufig. Entscheidend ist, ob anschließend die Sollspannung erreicht wird und sich ein plausibler Betriebsstrom einstellt.

Warum startet meine Elektronik bei niedrigem Stromlimit nicht?

Der notwendige Einschaltstrom kann oberhalb des eingestellten Limits liegen. Die Ausgangsspannung steigt dann möglicherweise nicht weit genug an.

Sollte ich bei dauerhaftem CC einfach das Stromlimit erhöhen?

Nein. Zunächst sollte geklärt werden, ob Überlast, Kurzschluss, Verdrahtungsfehler oder ein tatsächlich zu niedrig gewähltes Stromlimit die Ursache sind.

Was passiert bei einem Kurzschluss?

Bei einem entsprechend ausgelegten Netzgerät mit Strombegrenzung fällt die Ausgangsspannung stark ab, während der Strom begrenzt wird.

Ist der 2229.2 kurzschlussfest?

Ja. ICS beschreibt den 2229.2 ausdrücklich als kurzschlussfest.

Besitzt der 2229.2 CV- und CC-Betrieb?

Ja. ICS nennt eine automatische Betriebszustandsumschaltung CV/CC sowie Spannungs- und Stromregelung.

Welche Ausgangsspannung bietet der 2229.2?

Das Gerät besitzt zwei Ausgänge mit jeweils 0 … 40 VDC.

Welchen Ausgangsstrom bietet der 2229.2?

ICS nennt für beide Ausgänge jeweils 0 … 2,5 A.

Welche Ausgangsleistung besitzt der 2229.2?

ICS gibt 2 × 100 W an.

Besitzt der 2229.2 Digitalanzeigen?

Ja. Das Gerät ist auf der ICS-Produktseite ausdrücklich mit Digitalanzeigen beschrieben.

Welche Regeltechnik verwendet der 2229.2?

ICS beschreibt das Gerät als Linearregler.

Sind die Ausgänge galvanisch getrennt?

ICS gibt eine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang sowie erdfreie Ausgänge an.

Welche Ausgangsanschlüsse besitzt der 2229.2?

ICS nennt 4-mm-Apparateklemmen, die schraub- und steckbar ausgeführt sind.

Wo finde ich den 2229.2 bei ICS Schneider?

Weitere Informationen finden Sie unter 2229.2 Gleichspannungsregler bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Laborstromversorgungen bei ICS Schneider?

Eine Übersicht finden Sie unter Laborstromversorgung bei ICS Schneider.