Spannungsabfall bei DC-Laborstromversorgungen: Leitungsquerschnitt, Laststrom und Spannungsregelung richtig auslegen

→ Produktkategorie: Netzgeräte / Laborstromversorgung

 

Am Labornetzgerät sind:

24,0 V DC

eingestellt.

Der angeschlossene Prüfling benötigt unter Last:

30 A

.

Direkt an den Ausgangsklemmen des Netzgerätes stimmt die Spannung.

Am einige Meter entfernten Verbraucher werden jedoch beispielsweise nur:

22,9 V

gemessen.

Wird der Laststrom reduziert, steigt die Spannung am Verbraucher wieder an.

Das Netzgerät muss deshalb nicht defekt sein.

Die Ursache liegt häufig in der elektrischen Verbindung zwischen Stromversorgung und Verbraucher.

Jede Leitung, jede Klemme, jeder Steckverbinder, jede Sicherung und jeder Schaltkontakt besitzt einen elektrischen Widerstand. Bei hohen DC-Strömen kann bereits ein kleiner Gesamtwiderstand einen erheblichen Spannungsfall und eine hohe Verlustleistung verursachen.

Der grundlegende Zusammenhang lautet:

ΔU = I · R

und für die Verlustleistung:

PVerlust = I² · R

Gerade der zweite Zusammenhang ist für Hochstromversorgungen entscheidend.

Verdoppelt sich der Strom bei gleichem Widerstand, verdoppelt sich zwar der Spannungsfall – die Verlustleistung steigt jedoch auf das Vierfache.

Bei Laborstromversorgungen mit Ausgangsströmen von:

• 20 A,
• 30 A,
• 40 A,
• 60 A

kann eine für kleinere Ströme problemlos funktionierende Verdrahtung daher schnell ungeeignet werden.

Ein konkretes Beispiel aus dem ICS-Portfolio ist der:

2257.1 Hochleistungsgleichspannungsregler

mit:

0 … 30 V DC / 0 … 40 A / 1.200 W

Bei einem möglichen Ausgangsstrom von bis zu 40 A werden Leitungsquerschnitt, Kontaktwiderstände, Absicherung und thermische Belastung zu wesentlichen Bestandteilen der gesamten Stromversorgung.

Die Qualität einer DC-Versorgung endet deshalb nicht an den Ausgangsklemmen des Netzgerätes. Entscheidend ist die Spannung, die unter realer Last tatsächlich am Verbraucher ankommt.

Netzgeräte und Laborstromversorgungen finden Sie bei ICS Schneider unter Netzgeräte / Laborstromversorgung. Weitere Produkte finden Sie unter Stromversorgung.

Warum die Spannung am Verbraucher niedriger sein kann

Eine ideale elektrische Leitung hätte:

R = 0 Ω

In der Realität besitzt jedoch jeder Leiter einen endlichen Widerstand.

Das gilt auch für:

• Klemmen,
• Stecker,
• Sicherungen,
• Relaiskontakte,
• Schalter,
• Leiterplattenbahnen.

Die gesamte elektrische Verbindung zwischen Netzgerät und Last kann deshalb vereinfacht als Reihenwiderstand betrachtet werden.

Es gilt:

UNetzgerät = ULast + ΔU

beziehungsweise:

ULast = UNetzgerät − ΔU

Ohne Strom kein relevanter Spannungsfall

Im Leerlauf fließt nahezu kein Laststrom.

Damit gilt näherungsweise:

ΔU ≈ 0 V

Deshalb kann eine Versorgung im Leerlauf völlig unauffällig erscheinen.

Erst bei hoher Belastung zeigt sich:

ULast < UNetzgerät

Typisches Diagnosemerkmal

Wenn die Spannungsdifferenz zwischen Netzgerät und Verbraucher mit zunehmendem Laststrom wächst, sollte zuerst die stromführende Verbindung geprüft werden.

Spannungsfall mit dem Ohmschen Gesetz berechnen

Für einen ohmschen Widerstand gilt:

ΔU = I · R

mit:

• ΔU = Spannungsfall in V,
• I = Strom in A,
• R = Widerstand in Ω.

Beispiel

Der Gesamtwiderstand einer Anschlussstrecke beträgt:

0,04 Ω

Bei:

5 A

entstehen:

ΔU = 5 A · 0,04 Ω = 0,20 V

Bei:

20 A

werden daraus:

ΔU = 20 A · 0,04 Ω = 0,80 V

und bei:

40 A

bereits:

ΔU = 40 A · 0,04 Ω = 1,60 V

Relativer Fehler

Bei einer 24-V-Versorgung entsprechen 1,6 V ungefähr:

6,7 %

der Nennspannung.

Das kann bei empfindlichen Prüflingen bereits einen erheblichen Unterschied darstellen.

Hin- und Rückleiter gemeinsam berücksichtigen

Ein typischer Berechnungsfehler besteht darin, nur die räumliche Entfernung zwischen Netzgerät und Verbraucher zu verwenden.

Bei einer DC-Verbindung fließt der Strom jedoch über:

Plusleitung → Verbraucher → Minusleitung

zurück.

Beispiel

Abstand zwischen Netzgerät und Verbraucher:

5 m

Die stromdurchflossene Leiterlänge beträgt bei gleich langen Hin- und Rückleitungen:

5 m + 5 m = 10 m

Leiterwiderstand

Vereinfacht:

R = ρ · l / A

mit:

• ρ = spezifischer Widerstand des Leiterwerkstoffes,
• l = gesamte Leiterlänge,
• A = Leiterquerschnitt.

Einfluss des Leitungsquerschnitts

Der Leitungswiderstand ist umgekehrt proportional zum Leiterquerschnitt.

Das bedeutet:

größerer Querschnitt → kleinerer Widerstand → kleinerer Spannungsfall

Beispiel bei gleicher Leitungslänge

Eine größere Kupferquerschnittsfläche reduziert:

• Spannungsfall,
• Verlustleistung,
• Erwärmung.

Querschnitt nicht ausschließlich nach Strombelastbarkeit wählen

Eine Leitung kann thermisch einen bestimmten Strom vertragen und dennoch für eine präzise Niederspannungsversorgung zu viel Spannungsfall verursachen.

Für Prüfstände sollten deshalb mindestens zwei Bedingungen getrennt geprüft werden:

1. Ist die Leitung für den Strom thermisch ausreichend dimensioniert?
2. Ist der resultierende Spannungsfall für die Anwendung akzeptabel?

Gerade bei niedrigen DC-Spannungen ist häufig der zulässige Spannungsfall das strengere Auslegungskriterium.

Warum hohe Ströme besonders kritisch sind

Beim Spannungsfall gilt:

ΔU ∝ I

Beim Leistungsverlust dagegen:

PVerlust ∝ I²

Beispiel

Gesamtwiderstand:

R = 0,03 Ω

Strom	Spannungsfall	Verlustleistung
5 A	0,15 V	0,75 W
10 A	0,30 V	3,0 W
20 A	0,60 V	12,0 W
40 A	1,20 V	48,0 W

Von 10 A auf 40 A wurde der Strom vervierfacht.

Die Verlustleistung steigt dabei von:

3 W

auf:

48 W

und damit auf das:

16-Fache

Folge

Bei Hochstromprüfständen sind kleine Widerstände nicht automatisch unbedeutend.

Verlustleistung und Erwärmung berechnen

Die elektrische Verlustleistung wird in Wärme umgesetzt.

Es gilt:

PVerlust = I² · R

Nicht nur Kabel erwärmen sich

Die Verlustleistung kann lokal auch in:

• einem Steckverbinder,
• einer Schraubklemme,
• einem Sicherungshalter,
• einem Relaiskontakt

entstehen.

Lokale Widerstände sind besonders kritisch

Ein langer Leiter verteilt seine Verlustleistung auf mehrere Meter.

Ein hoher Übergangswiderstand in einer einzelnen Klemme setzt die Verlustleistung dagegen auf einer sehr kleinen Fläche um.

Dadurch können lokal deutlich höhere Temperaturen auftreten.

Wärme beschleunigt weitere Verschlechterung

Je nach Kontakt können erhöhte Temperaturen wiederum:

• Oxidation beschleunigen,
• Kunststoffe belasten,
• Federkräfte reduzieren,
• den Kontaktwiderstand weiter erhöhen.

Damit kann ein sich selbst verstärkender Fehler entstehen.

Kontaktwiderstände nicht unterschätzen

Ein Prüfaufbau besteht normalerweise nicht aus einer durchgehenden Kupferleitung.

Typischerweise befinden sich zwischen Netzgerät und Prüfling mehrere Übergänge.

Beispiel

Netzgerät → Anschlussklemme → Kabel → Sicherung → Relais → Steckverbinder → Prüfling

Jeder Übergang trägt zum Gesamtwiderstand bei

Vereinfacht:

Rgesamt = RKabel + RKlemme + RSicherung + RRelais + RStecker + ...

Schon Milliohm werden bei hohen Strömen sichtbar

Ein zusätzlicher Übergangswiderstand von:

10 mΩ = 0,010 Ω

erzeugt bei:

40 A

bereits:

ΔU = 40 A · 0,010 Ω = 0,40 V

und eine Verlustleistung von:

P = 40² · 0,010 = 16 W

an dieser Widerstandsstelle.

Bei 40 A kann deshalb ein einzelner schlechter Kontakt für einen erheblichen Spannungsverlust und eine deutliche Erwärmung verantwortlich sein.

Steckverbinder für hohe DC-Ströme richtig auswählen

Bei Prüfständen werden Verbraucher häufig über lösbare Steckverbindungen angeschlossen.

Der Steckverbinder muss dabei nicht nur zur Spannung passen.

Zu prüfen sind unter anderem

• zulässiger Dauerstrom,
• Kontaktwiderstand,
• zulässige Umgebungstemperatur,
• Anschlussquerschnitt,
• Steckzyklen,
• DC-Eignung.

Alterung berücksichtigen

Ein Steckverbinder, der im Neuzustand problemlos funktioniert, kann nach vielen Steckzyklen einen höheren Übergangswiderstand besitzen.

Deshalb sollte bei wiederkehrenden Prüfungen nicht nur die mechanische Funktion beurteilt werden.

Typisches Warnzeichen

Ist ein einzelner Stecker deutlich wärmer als die angeschlossene Leitung, sollte der Kontaktwiderstand geprüft werden.

Sicherungen und Sicherungshalter berücksichtigen

Eine Hochstromversorgung muss angemessen abgesichert werden.

Die Sicherung selbst besitzt jedoch ebenfalls einen Widerstand.

Der Sicherungshalter gehört zur Messkette

Bei der Fehlersuche sollten deshalb sowohl:

• Sicherung,
• Sicherungshalter,
• Anschlussstellen

betrachtet werden.

Sicherung nicht ausschließlich nach Nennstrom auswählen

Zusätzlich relevant sind:

• Auslösecharakteristik,
• Einschaltstrom,
• Leitungsquerschnitt,
• möglicher Kurzschlussstrom,
• Abschaltvermögen.

CV-Betrieb richtig verstehen

Labornetzgeräte arbeiten typischerweise mit einer Spannungs- und Stromregelung.

Ein wichtiger Betriebszustand ist:

CV = Constant Voltage

beziehungsweise:

Konstantspannung

Im CV-Betrieb

versucht das Netzgerät, die eingestellte Ausgangsspannung konstant zu halten.

Der Verbraucher bestimmt dabei innerhalb der zulässigen Grenzen den benötigten Strom.

Beispiel

Einstellung:

24 V / Stromgrenze 35 A

Benötigt der Verbraucher:

10 A

arbeitet das Netzgerät im CV-Betrieb.

CC-Betrieb und Strombegrenzung richtig verstehen

Der zweite wichtige Betriebszustand lautet:

CC = Constant Current

beziehungsweise:

Konstantstrom

Die Strombegrenzung wird erreicht

Versucht der Verbraucher mehr Strom zu ziehen als eingestellt beziehungsweise zulässig, begrenzt das Netzgerät den Strom.

Die Spannung sinkt dann soweit ab, wie für die Strombegrenzung erforderlich.

Beispiel

Netzgerät:

24 V

Stromgrenze:

20 A

Der Verbraucher versucht:

28 A

aufzunehmen.

Das Netzgerät kann dann in den CC-Betrieb wechseln.

Die Spannung ist anschließend kleiner als:

24 V

Spannungseinbruch oder Strombegrenzung unterscheiden

Eine niedrige Spannung am Prüfling kann zwei grundsätzlich unterschiedliche Ursachen haben.

Fall A: Spannungsfall in der Anschlussleitung

Direkt am Netzgerät:

24,0 V

Am Verbraucher:

22,8 V

Das Netzgerät arbeitet weiterhin im CV-Betrieb.

Dann liegt die Differenz wahrscheinlich in der Anschlussstrecke.

Fall B: Netzgerät befindet sich in Strombegrenzung

Direkt am Netzgerät:

21,5 V

Am Verbraucher:

20,8 V

Gleichzeitig zeigt das Netzgerät CC-Betrieb.

Dann muss zunächst geklärt werden, warum die Stromgrenze erreicht wird.

Beide Fehler können gleichzeitig auftreten

Bei hohen Strömen können sowohl:

• Strombegrenzung,
• Leitungsverlust

vorliegen.

Dynamische Lasten und Einschaltströme berücksichtigen

Nicht jeder Verbraucher zieht einen konstanten Strom.

Typische dynamische Lasten

• Motorsteuerungen,
• DC/DC-Wandler,
• Leistungselektronik,
• Heizungen,
• Magnetventile,
• kapazitive Eingänge,
• Industrie-PCs.

Einschaltstrom

Ein Gerät mit beispielsweise:

15 A Dauerstrom

kann beim Einschalten kurzfristig deutlich mehr Strom aufnehmen.

Mögliche Folgen

• Strombegrenzung spricht an,
• Spannung bricht kurzzeitig ein,
• Prüfling startet neu,
• Relais fallen ab,
• Kommunikation wird zurückgesetzt.

Statische Multimetermessung reicht dann nicht immer aus

Kurze Spannungseinbrüche können mit:

• Oszilloskop,
• schnellem Datenlogger

besser untersucht werden.

Spannung direkt am Verbraucher messen

Für die Diagnose sollten mindestens zwei Spannungen unterschieden werden:

UQuelle

direkt an den Ausgangsklemmen des Netzgerätes

und:

ULast

direkt an den Versorgungsklemmen des Verbrauchers.

Differenz

ΔU = UQuelle − ULast

Gesamtwiderstand abschätzen

Ist gleichzeitig der Laststrom bekannt:

Rgesamt = ΔU / I

Beispiel

Gemessen:

UQuelle = 24,05 V

ULast = 23,15 V

I = 30 A

Damit:

ΔU = 0,90 V

und:

Rgesamt = 0,90 V / 30 A = 0,030 Ω

also:

30 mΩ

Vierleiter-Messung zur Diagnose von Kontaktwiderständen

Bei sehr kleinen Widerständen kann eine normale Zweileiter-Widerstandsmessung ungenau werden.

Der Grund:

Die Messleitungen und deren Kontaktwiderstände werden mitgemessen.

Vierleiter- beziehungsweise Kelvin-Messung

Bei der Vierleitermessung werden:

• Strompfad,
• Spannungsmessung

getrennt geführt.

Damit lassen sich sehr kleine Widerstände deutlich zuverlässiger bestimmen.

Geeignet beispielsweise für

• Hochstromkabel,
• Schraubverbindungen,
• Sicherungshalter,
• Steckkontakte,
• Relais- und Schützkontakte.

Damit kann ein auffälliger Spannungsfall gezielt lokalisiert werden.

Mehrere Verbraucher richtig versorgen

Bei mehreren Lasten sollte eine ungünstige Kaskadierung vermieden werden.

Ungünstig

Netzgerät → Verbraucher A → Verbraucher B → Verbraucher C

wenn hohe Ströme über gemeinsame Leitungsabschnitte geführt werden.

Spannungsverteilung

Der entfernteste Verbraucher kann dann den größten Spannungsabfall erfahren.

Sternförmige Versorgung

Je nach Anwendung ist eine sternförmige Verteilung sinnvoll:

Netzgerät → zentraler Verteilungspunkt

von dort separat zu:

• Verbraucher A,
• Verbraucher B,
• Verbraucher C.

Vorteil

Die Spannungsabfälle einzelner Lastzweige beeinflussen sich weniger gegenseitig.

Lange DC-Leitungen richtig auslegen

Mit zunehmender Leitungslänge steigt der Widerstand proportional.

Vereinfacht:

R ∝ l

Doppelte Länge

Bei gleichem Querschnitt bedeutet:

doppelte Leitungslänge → ungefähr doppelter Widerstand → ungefähr doppelter Spannungsfall

Deshalb frühzeitig berücksichtigen

Bei einem Prüfstand sollte nicht zuerst das Netzgerät ausgewählt und anschließend irgendeine passende Leitung verlegt werden.

Stattdessen sollten zusammen betrachtet werden:

• Spannung,
• Strom,
• Leitungslänge,
• Querschnitt,
• Steckverbindungen,
• zulässiger Spannungsfall.

Temperatur und Leitungswiderstand berücksichtigen

Der elektrische Widerstand von Kupfer steigt mit der Temperatur.

Folge unter hoher Dauerlast

Eine Leitung erwärmt sich.

Damit steigt ihr Widerstand.

Dadurch steigen wiederum:

• Spannungsfall,
• Verlustleistung.

Praxisprüfung bei Betriebstemperatur

Bei Hochstromprüfständen sollte der Spannungsfall deshalb nicht nur unmittelbar nach dem Einschalten geprüft werden.

Eine Messung nach längerer Belastung kann zusätzliche Hinweise liefern.

Typische Fehler bei Hochstrom-Laborstromversorgungen

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Netzgerät zeigt 24 V, am Prüfling liegen nur 23 V an	Spannungsfall in Leitungen oder Kontakten	Spannung gleichzeitig an Quelle und Last messen
Spannungsdifferenz steigt mit dem Strom	Ohmscher Widerstand der Anschlussstrecke	ΔU/I berechnen
Netzgerät zeigt CC statt CV	Strombegrenzung erreicht	Laststrom und eingestellte Stromgrenze prüfen
Prüfling startet beim Einschalten mehrfach neu	Einschaltstrom erzeugt Spannungsabfall oder Strombegrenzung	Spannungsverlauf beim Einschalten messen
Stecker wird deutlich warm	Zu hoher Kontaktwiderstand oder zu geringe Stromtragfähigkeit	Kontakt und Steckverbinder prüfen
Sicherungshalter wird heiß	Hoher Übergangswiderstand	Spannungsfall über Sicherung und Halter messen
Spannung ist im kalten Zustand korrekt und sinkt später	Erwärmung erhöht Leitungs- oder Kontaktwiderstand	Temperatur und Spannungsfall im warmen Zustand prüfen
Nur der entfernteste Verbraucher hat Unterspannung	Ungünstige Verteilung oder zu lange Abzweigleitung	Spannungen an allen Lastpunkten vergleichen
Spannung bricht nur kurzzeitig ein	Dynamische Last oder Einschaltstrom	Oszilloskopmessung durchführen
Spannungsfall nimmt über Wochen zu	Alternder oder loser Kontakt	Klemmen und Steckverbinder prüfen
Kabel ist ausreichend dick, Spannung fällt trotzdem stark ab	Kontakt- oder Sicherungswiderstand	Spannungsabfall abschnittsweise messen

Systematischer Auslegungsablauf für eine DC-Hochstromversorgung

1. Benötigte Lastspannung bestimmen: Nennspannung und zulässigen Spannungsbereich des Verbrauchers dokumentieren.
2. Dauerstrom erfassen: Normalen Betriebsstrom bestimmen.
3. Spitzenstrom erfassen: Einschalt- und kurzzeitige Lastströme berücksichtigen.
4. Netzgerät dimensionieren: Spannungs-, Strom- und Leistungsbereich passend wählen.
5. CV-/CC-Verhalten berücksichtigen: Stromgrenze so festlegen, dass Prüfling und Versorgungsweg geschützt werden.
6. Leitungslänge bestimmen: Hin- und Rückleiter gemeinsam berücksichtigen.
7. Leiterquerschnitt berechnen: Strombelastbarkeit und zulässigen Spannungsfall prüfen.
8. Steckverbinder auswählen: Dauerstrom, Kontaktwiderstand und Anschlussquerschnitt beachten.
9. Sicherung auslegen: Leitung und Prüfling angemessen schützen.
10. Schaltkontakte berücksichtigen: Relais und Schütze auf ausreichende DC-Stromtragfähigkeit prüfen.
11. Verteilung planen: Bei mehreren Verbrauchern gemeinsame Hochstrompfade minimieren.
12. Spannung ohne Last messen: Grundfunktion prüfen.
13. Last schrittweise erhöhen: Spannung direkt an Quelle und Verbraucher vergleichen.
14. Spannungsfall bestimmen: ΔU = U_Quelle − U_Last.
15. Gesamtwiderstand abschätzen: R = ΔU / I.
16. Verlustleistung berechnen: P = I² · R.
17. Kontaktstellen prüfen: Auffällige Spannungsabfälle abschnittsweise lokalisieren.
18. Temperaturen beobachten: Kabel, Klemmen, Sicherungen und Steckverbinder nach längerer Last kontrollieren.
19. Dynamische Last testen: Einschalt- und Lastsprünge untersuchen.
20. Ergebnisse dokumentieren: Kabelquerschnitt, Leitungslänge, Stromgrenze und Spannungswerte festhalten.

Praxisbeispiel: 24-V-Prüfling mit 30 A

Ein industrieller Prüfling soll mit:

24,0 V DC

betrieben werden.

Der Dauerstrom beträgt:

30 A

Schritt 1: Spannung direkt am Netzgerät

Gemessen werden:

24,02 V

Schritt 2: Spannung am Prüfling

Unter 30 A Last werden am Eingang des Prüflings nur:

22,91 V

gemessen.

Schritt 3: Spannungsfall

ΔU = 24,02 V − 22,91 V

ΔU = 1,11 V

Schritt 4: Gesamtwiderstand

R = 1,11 V / 30 A

R = 0,037 Ω

also:

37 mΩ

Schritt 5: Verlustleistung

P = 30² · 0,037

P ≈ 33,3 W

Die Anschlussstrecke setzt damit insgesamt mehr als:

33 W

in Wärme um.

Schritt 6: Abschnittsweise Spannungsmessung

Die einzelnen Teilstrecken werden geprüft:

Abschnitt	Spannungsfall bei 30 A
Plusleitung	0,31 V
Minusleitung	0,30 V
Sicherung + Sicherungshalter	0,12 V
Steckverbinder	0,33 V
Sonstige Übergänge	0,05 V

Schritt 7: Auffälligen Steckverbinder identifizieren

Der Steckverbinder verursacht allein:

0,33 V

Spannungsfall.

Sein effektiver Widerstand beträgt:

R = 0,33 V / 30 A

R = 0,011 Ω

also:

11 mΩ

Schritt 8: Verlustleistung am Steckverbinder

P = 30² · 0,011

P ≈ 9,9 W

Fast 10 W werden damit allein im Steckkontakt in Wärme umgesetzt.

Schritt 9: Anschluss überarbeiten

Nach Austausch des Steckverbinders und Optimierung des Leitungsquerschnitts reduziert sich der gesamte Spannungsfall auf:

0,42 V

Am Prüfling liegen jetzt:

23,60 V

an.

Schritt 10: Sollspannung und Anwendung bewerten

Anschließend wird geprüft, ob die verbleibende Differenz für den Prüfling zulässig ist beziehungsweise der Leitungsquerschnitt weiter erhöht werden soll.

Ergebnis

Die ursprüngliche Unterspannung war kein Regelungsfehler des Netzgerätes. Ursache war der Widerstand der Anschlussstrecke – insbesondere ein ungeeigneter beziehungsweise auffälliger Steckkontakt.

Passendes ICS-Produkt für Hochstrom-DC-Prüfungen

2257.1 – Hochleistungsgleichspannungsregler

Für Anwendungen mit hohen DC-Strömen führt ICS Schneider den:

2257.1 Hochleistungsgleichspannungsregler

als Standgerät.

Die wichtigsten von ICS angegebenen technischen Daten sind:

Merkmal	2257.1
Ausgangsspannung	0 … 30 V DC
Ausgangsstrom	0 … 40 A
Ausgangsleistung	1.200 W
Dauerleistung	1.200 W
Eingang	230 V AC / 50 Hz
Trennung Eingang/Ausgang	galvanisch getrennt, erdfrei
CV-Stabilität bei Last 0–100 %	50 mV
CV-Restwelligkeit Ueff	1 mV
Ausregelzeit	30 ms
Betriebsarten	automatische Umschaltung CV / CC
Schutz	Übertemperaturschutz, kurzschlussfest
Regelung	Spannungs- und Stromregelung
Ausgangsanschluss	4-mm-Apparateklemmen, schraub- und steckbar
Kühlung	Lüfter
Gehäuse	Standgerät

Warum das 2257.1 gut zum Thema passt

Mit einem maximalen Ausgangsstrom von:

40 A

ist der Spannungsfall der externen Anschlussstrecke besonders relevant.

Bereits:

10 mΩ

Gesamtwiderstand erzeugen bei 40 A:

0,4 V

Spannungsfall.

Bei:

30 mΩ

wären es bereits:

1,2 V

CV-/CC-Regelung

Das 2257.1 verfügt über eine automatische Umschaltung zwischen:

CV = Konstantspannung

und:

CC = Konstantstrom

Damit lässt sich der Ausgangsstrom begrenzen und ein Prüfling kontrolliert versorgen.

Fernbedienung nicht mit Remote Sense verwechseln

ICS nennt für das 2257.1 auf Anfrage außerdem:

• Fernbedienungseingang,
• Monitorausgang.

Diese Funktionen dürfen nicht mit:

Remote Sense / externe Spannungsfühlung

gleichgesetzt werden.

Remote Sense wird für das 2257.1 auf der ICS-Produktseite nicht ausgewiesen und ist deshalb nicht Bestandteil dieses Beitrages.

Weitere Varianten

ICS führt innerhalb der Produktgruppe Hochleistungs-Standgeräte weitere Gleichspannungsregler mit anderen Kombinationen aus Ausgangsspannung und Ausgangsstrom.

Die Auswahl sollte deshalb nach:

• benötigter Spannung,
• Dauerstrom,
• Spitzenstrom,
• Leistung,
• Regelverhalten

erfolgen.

Weitere Informationen finden Sie unter 2257.1 Hochleistungsgleichspannungsregler bei ICS Schneider.

Eine Übersicht weiterer Geräte finden Sie unter Hochleistungs-Standgeräte bei ICS Schneider.

Fazit

Bei einer DC-Laborstromversorgung entscheidet nicht allein die eingestellte Ausgangsspannung über die tatsächliche Versorgung des Prüflings.

Zwischen Netzgerät und Verbraucher befinden sich reale elektrische Widerstände.

Der grundlegende Zusammenhang lautet:

ΔU = I · R

Bei hohen Strömen wird zusätzlich die Verlustleistung besonders relevant:

PVerlust = I² · R

Deshalb können bereits wenige Milliohm bei 30 oder 40 A erhebliche Auswirkungen besitzen.

Zum Gesamtwiderstand gehören nicht nur die Leitungen.

Zu berücksichtigen sind ebenso:

• Klemmen,
• Steckverbinder,
• Sicherungen,
• Sicherungshalter,
• Relais,
• Schütze,
• Verteilerstellen.

Ein Spannungsproblem sollte daher grundsätzlich durch Messung an zwei Punkten untersucht werden:

Spannung direkt am Netzgerät

und:

Spannung direkt am Verbraucher

Aus der Differenz und dem Laststrom kann der effektive Gesamtwiderstand der Anschlussstrecke abgeschätzt werden.

Zusätzlich muss unterschieden werden, ob das Netzgerät:

im CV-Betrieb

arbeitet und lediglich der Leitungsweg Spannung verliert oder ob:

der CC-Betrieb

aktiv ist und die Strombegrenzung bereits eingreift.

Bei dynamischen Lasten müssen außerdem Einschaltströme und kurzzeitige Spannungseinbrüche berücksichtigt werden.

Für Hochstromanwendungen ist der bei ICS gelistete 2257.1 Hochleistungsgleichspannungsregler mit 0 … 30 V DC, 0 … 40 A und 1.200 W ein konkretes Beispiel dafür, warum die externe Stromführung Bestandteil der gesamten Auslegung sein muss.

Für die Praxis gilt:

Lastspannung definieren → Dauer- und Spitzenstrom bestimmen → Netzgerät dimensionieren → Leitungslänge für Hin- und Rückweg erfassen → Querschnitt nach Strombelastbarkeit und Spannungsfall auslegen → Steckverbinder und Sicherungen berücksichtigen → CV-/CC-Grenzen einstellen → Spannung direkt an Quelle und Last messen → ΔU bestimmen → Gesamtwiderstand mit R = ΔU/I abschätzen → Verlustleistung mit P = I²R bewerten → auffällige Kontaktstellen lokalisieren → Temperatur unter Dauerlast prüfen → dynamische Lastwechsel testen → Aufbau dokumentieren.

FAQ: Spannungsabfall bei DC-Laborstromversorgungen

Warum ist die Spannung am Verbraucher niedriger als am Labornetzgerät?

Leitungen, Klemmen, Steckverbinder und andere Komponenten besitzen einen elektrischen Widerstand. Fließt Strom, entsteht daran ein Spannungsfall.

Wie berechnet sich der Spannungsfall?

Vereinfacht mit ΔU = I · R.

Warum wird der Spannungsfall bei hohem Strom größer?

Weil der Spannungsfall direkt proportional zum Strom ist.

Warum sind Hochstromversorgungen besonders kritisch?

Zusätzlich zum Spannungsfall steigt die Verlustleistung mit dem Quadrat des Stroms. Es gilt P = I² · R.

Was bedeuten 10 mΩ bei 40 A?

Bei 10 mΩ entstehen bei 40 A ein Spannungsfall von 0,4 V und eine Verlustleistung von 16 W.

Muss ich Hin- und Rückleitung bei der Berechnung berücksichtigen?

Ja. Bei einer zweipoligen DC-Versorgung fließt der Strom über Hin- und Rückleiter.

Warum ist eine 5 m entfernte Last elektrisch über 10 m Leitung angeschlossen?

Weil bei gleich langen Leitungen 5 m Hinleiter und 5 m Rückleiter vom Strom durchflossen werden.

Wie kann ich den Leitungswiderstand reduzieren?

Insbesondere durch einen größeren Leiterquerschnitt, eine kürzere Leitung und möglichst geringe Übergangswiderstände.

Reicht es aus, den Kabelquerschnitt nach Strombelastbarkeit auszuwählen?

Nein. Gerade bei niedrigen DC-Spannungen sollte zusätzlich der zulässige Spannungsfall berücksichtigt werden.

Können Klemmen einen relevanten Spannungsfall verursachen?

Ja. Besonders lose, oxidierte oder thermisch geschädigte Klemmen können einen erhöhten Übergangswiderstand besitzen.

Können Steckverbinder einen Spannungsabfall verursachen?

Ja. Kontaktwiderstand, Strombelastbarkeit und Alterung des Steckverbinders müssen berücksichtigt werden.

Warum wird ein schlechter Steckkontakt warm?

Durch seinen erhöhten Widerstand entsteht bei Last eine Verlustleistung nach P = I² · R.

Können Sicherungen einen Spannungsfall verursachen?

Ja. Sowohl die Sicherung als auch Sicherungshalter und Anschlussstellen besitzen einen elektrischen Widerstand.

Was bedeutet CV bei einem Netzgerät?

CV steht für Constant Voltage beziehungsweise Konstantspannungsbetrieb. Das Netzgerät hält die Ausgangsspannung konstant, solange die eingestellte Stromgrenze nicht erreicht wird.

Was bedeutet CC?

CC steht für Constant Current beziehungsweise Konstantstrombetrieb. Wird die Stromgrenze erreicht, begrenzt das Netzgerät den Strom und die Ausgangsspannung kann sinken.

Warum zeigt mein Netzgerät plötzlich CC an?

Die angeschlossene Last versucht mehr Strom aufzunehmen als die eingestellte Stromgrenze zulässt oder es liegt eine sehr niederohmige beziehungsweise kurzschlussartige Last vor.

Wie unterscheide ich Leitungsverlust und Strombegrenzung?

Messen Sie die Spannung direkt am Netzgerät und direkt am Verbraucher und prüfen Sie gleichzeitig, ob das Netzgerät im CV- oder CC-Betrieb arbeitet.

Kann beides gleichzeitig auftreten?

Ja. Das Netzgerät kann sich in der Strombegrenzung befinden und gleichzeitig können zusätzliche Spannungsverluste auf der Anschlussleitung auftreten.

Wie messe ich den Gesamtwiderstand der Anschlussstrecke?

Unter bekannter Last kann näherungsweise R = ΔU / I verwendet werden.

Warum sollte ich nicht einfach mit dem Ohmmeter messen?

Sehr kleine Widerstände werden bei einer normalen Zweileitermessung durch Widerstände der Messleitungen und Kontaktstellen beeinflusst.

Was ist eine Vierleiter-Widerstandsmessung?

Bei der Vierleiter- beziehungsweise Kelvin-Messung werden Strompfad und Spannungsmessung getrennt geführt. Dadurch können sehr kleine Widerstände präziser gemessen werden.

Warum sinkt die Spannung erst bei hoher Last?

Im Leerlauf ist der Strom sehr klein und damit auch der Spannungsfall. Erst mit zunehmender Belastung wird der Widerstand der Anschlussstrecke sichtbar.

Warum sinkt die Spannung nach längerer Betriebszeit stärker?

Eine mögliche Ursache ist die Erwärmung der Leitungen oder Kontakte. Der Widerstand von Kupfer steigt mit der Temperatur.

Wie erkenne ich einen schlechten Kontakt?

Hinweise sind ein ungewöhnlich hoher lokaler Spannungsfall, Erwärmung, Verfärbung oder ein mit der Zeit zunehmender Gesamtspannungsverlust.

Warum startet mein Prüfling beim Einschalten immer wieder neu?

Ein hoher Einschaltstrom kann die Strombegrenzung des Netzgerätes aktivieren oder einen starken Spannungsfall auf der Anschlussstrecke verursachen.

Wie messe ich kurze Spannungseinbrüche?

Für schnelle Vorgänge ist ein Oszilloskop oder ein entsprechend schneller Datenlogger geeigneter als eine rein statische Multimetermessung.

Sollte ich die Spannung direkt am Prüfling messen?

Ja. Die für den Betrieb relevante Spannung ist die Spannung an den Versorgungsklemmen des Prüflings.

Was bringt ein größerer Kabelquerschnitt?

Er reduziert den Leitungswiderstand und damit Spannungsfall, Verlustleistung und Erwärmung.

Kann ich mehrere Verbraucher über eine gemeinsame Leitung versorgen?

Grundsätzlich ja, die gemeinsamen Leitungsabschnitte müssen jedoch für die Summe der Ströme ausgelegt werden. Bei hohen Strömen kann eine sternförmige Verteilung vorteilhaft sein.

Was ist das ICS 2257.1?

Das 2257.1 ist ein bei ICS gelisteter Hochleistungsgleichspannungsregler für 0 … 30 V DC und 0 … 40 A.

Welche Leistung hat das 2257.1?

ICS nennt eine Ausgangs- und Dauerleistung von 1.200 W.

Hat das 2257.1 eine Strombegrenzung?

Ja. Das Gerät besitzt eine Spannungs- und Stromregelung sowie eine automatische Umschaltung zwischen CV- und CC-Betrieb.

Ist das 2257.1 kurzschlussfest?

Ja. ICS nennt das Gerät als kurzschlussfest.

Welche Restwelligkeit nennt ICS für das 2257.1?

ICS gibt eine CV-Restwelligkeit Ueff von 1 mV an.

Welche Laststabilität besitzt das 2257.1?

ICS gibt für die CV-Stabilität bei einer Laständerung von 0 bis 100 % einen Wert von 50 mV an.

Welche Ausregelzeit nennt ICS?

Für das 2257.1 nennt ICS eine Ausregelzeit von 30 ms.

Hat das 2257.1 Remote Sense?

Remote Sense wird auf der ICS-Produktseite des 2257.1 nicht als Funktion ausgewiesen und sollte deshalb für dieses Gerät nicht vorausgesetzt werden.

Was bedeutet der optionale Fernbedienungseingang beim 2257.1?

ICS nennt auf Anfrage einen Fernbedienungseingang und einen Monitorausgang. Diese Funktionen sind nicht mit Remote Sense beziehungsweise externer Spannungsfühlung gleichzusetzen.

Wo finde ich das ICS 2257.1?

Weitere Informationen finden Sie unter 2257.1 Hochleistungsgleichspannungsregler bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Hochleistungs-Labornetzgeräte?

Eine Übersicht finden Sie unter Hochleistungs-Standgeräte bei ICS Schneider.

Wo finde ich weitere Laborstromversorgungen bei ICS Schneider?

Weitere Geräte finden Sie unter Netzgeräte / Laborstromversorgung bei ICS Schneider.