Semesterarbeit von Ivan Coray - ETH Seed Sustainability - ETH Zürich

EigenständigkeitserklärungIst jeder an der ETH verfassten schriftlichen Arbeit unterzeichnet beizufügen.Ich erkläre hiermit, dass es sich bei der von mir eingereichten schriftlichen Arbeit mit dem TitelAutomatisiertes Energieeffizienz-Messsystem für die Netzteile der Neptun-Laptopsum eine von mir selbständig und in eigenen Worten verfasste Originalarbeit handelt.VerfasserIn/VerfasserInnenNameCorayVornameIvanBetreuende/r DozentInNameBadstübnerVornameUweMit meiner Unterschrift bestätige ich, dass ich über fachübliche Zitierregeln unterrichtet wordenbin und das Merkblatt (http://www.ethz.ch/students/exams/plagiarism_s_de.pdf) gelesen undverstanden habe. Die im betroffenen Fachgebiet üblichen Zitiervorschriften sind eingehaltenworden.Eine Überprüfung der Arbeit auf Plagiate mithilfe elektronischer Hilfsmittel darf vorgenommenwerdenZürich, 8.8.11Ort, DatumUnterschrift* Bei Gruppenarbeiten sind die Unterschriften aller VerfasserInnen erforderlich.Durch die Unterschrift bürgen Sie für den vollumfänglichen Inhalt der Endversion dieser schriftlichen Arbeit.Formular drucken

KurzfassungDas Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Messsystems, welche die Energieeffizienz vonLaptopnetzteilen für verschiedene Belastungen automatisch messen kann. Dazu wurde eineLast realisiert, die mit der Verschaltung verschiedener Widerstände eine netzteilspezifischeBelastungskurve durchfährt. Die ein- und ausgangsseitigen Spannungen und Ströme des zuevaluierenden Netzteils werden für die eingestellten Lastpunkte mithilfe von Messschaltungenbestimmt, die während der Arbeit ausgelegt werden. Die Messdaten werden über die USB-Schnittstelle in den Computer eingelesen, die Wirkleistung wird berechnet und daraus wird dieEffizienz in Abhängigkeit verschiedener Lasten bestimmt. Die Eckpunktanalyse (’worst-case’)zur Berechnung der Genauigkeit des Messsystems ergab, dass die gemessene Effizienz um maximal± 3.1 % vom wahren Wert abweichen kann. Die Überprüfung des Messsystems mit einemhochgenauen Leistungsmessgerät resultierte in die gemessene maximale Abweichung von ± 1 %.Das entwickelte Messsystem ist für Netzteile mit einer ausgangsseitigen Maximalleistung vonbis zu 180 W und einem Maximalstrom von 10 A ausgelegt. Die ausgangsseitige Spannungsmessungist für Spannungswerte von 14.5 V bis 20 V ausgelegt, die u.a. bei den Herstellern HP,Lenovo oder Apple zu finden sind. Um die laptopspezifischen Lastpunkte analysieren zu können,wurde ein Anschluss für eine externe Last realisiert, an dem z.B. ein Laptop oder ein regelbarerWiderstand angeschlossen werden kann.Dem Benutzer der Messsystems steht eine Labview-Oberfläche zur Verfügung, mit der das Messsystemeinfach zu bedienen ist. In zwei Feldern werden die maximale Ausgangsleistung und dieAusgangsspannung des Netzteils angegeben. Anschliessend wählt der Benutzer zwischen derexternen und der internen Last und die Messung kann gestartet werden. Innerhalb wenigerSekunden wird eine Netzteil-spezifische automatisierte Messung der Effizienz für verschiedeneLastpunkte durchgeführt, auf dem Monitor dargestellt und auf Wunsch in eine Datei als Tabellezur weiteren Verarbeitung gespeichert.vii

VorwortDie vorliegende Semesterarbeit entstand im Frühjahressemester 2011 am Institut für Leistungselektronikund Messtechnik (PES) des Departements für Informationstechnologie und Elektrotechnik(D-ITET) der ETH Zürich. Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit dem ProjektNeptun und der seed sustainability, einer Projektplattform von ETH sustainability, umgesetzt.Insbesondere die Kombination des hard- und softwareseitigen Teils verlieh der Arbeit einen vielseitigenund interessanten Charakter. Spannend war auch die Tatsache, dass das Projekt selbständigwar und somit eine grosse Entscheidungsfreiheit bzgl. der Umsetzung aufwies. Nach demanfänglichen Hardware-Design der Messschaltungen und der Ansteuerungen zur Einstellung derLast folgte die Programmierung der Software auf der graphischen Oberfläche von Labview. Beider Inbetriebnahme konnten schliesslich verschiedene Netzteile miteinander verglichen werden.Das entwickelte Messsystem ermöglicht auch weitergehende Analysen des spezifischen Lastverhaltensder Laptops für sämtliche mögliche Betriebsmodi, welche im Einzelnen aus Zeitgründennicht evaluiert werden konnten. Besonders motivierend war die Tatsache, dass bei erfolgreichemAbschluss der Arbeit ein Messsystem vorliegt, die bei der nächsten Evaluation im Rahmen desProjekts Neptun verwendet werden kann.Besonders bedanken möchte ich mich an dieser Stelle bei meinem Betreuer Uwe Badstübnerfür seine Hilfsbereitschaft und die Unterstützung mit dem kompetenten Fachwissen. Ebenfallsbedanken möchte ich mich bei den Verantwortlichen beim Projekt Neptun, Dominik Candreja,und der seed sustainability, Pascal Mages und Michael Bürgi, für die gute Zusammenarbeit.Zürich, im Juni 2011Ivan Corayviii

InhaltsverzeichnisKurzfassungVorwortviiviii1 Automatisches System zur Effizienzmessung 11.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Anforderungen an die Messeinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Ziel & Vorgehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Aufbau des Messsystems 33 Hardware - Messschaltungen und Lastansteuerung 73.1 Messschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.1.1 Spannungsmessung am Eingang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.1.2 Strommessung am Eingang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.1.3 Spannungsmessung am Ausgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.1.4 Strommessung am Ausgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2 Messgenauigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.3 Last . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.4 Weitere Systemelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Software - Effizienzberechnung und Darstellung 154.1 Zuschaltung der Last . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.1.1 Erfassung der Benutzereingaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.1.2 Lastzustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.2 Berechnung der Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 Inbetriebnahme des Messsystems 276 Zusammenfassung 31A Messung zur Überprüfung der Messgenauigkeiten 33B Schemas der Platinen 37C Konstruktionszeichnungen 53Abbildungsverzeichnis 64Tabellenverzeichnis 65Literaturverzeichnis 67ix

1 Automatisches System zur Effizienzmessung1.1 MotivationIm Rahmen des Projekts ’Neptun’ werden jedes Jahr Laptops geprüft, ausgewählt und Studierendensowie Angestellten der Schweizer Hochschulen verkauft. Die Energieeffizienz konnte bisanhin aufgrund fehlender Ressourcen kaum im Auswahlverfahren berücksichtigt werden. EinenAnhaltspunkt für die Effizienz der Geräte liefern die jeweiligen Akkulaufzeiten. Um auch dieEnergieeffizienz der Netzteile berücksichtigen zu können, wird ein entsprechendes Messgerätbenötigt.Die Effizienz eines Netzteils hängt wesentlich von dessen Belastung ab. Bei welcher Last einNetzteil betrieben wird, hängt vom Gerät und von dessen Betriebsmodus (z.B. Ladung, Standby,Office-Anwendung) ab, das am Netzteil angeschlossen ist. Im Messsystem, das mit dieser Arbeitentwickelt wurde, werden die Netzteile verschiedener Hersteller an eine eingebaute, verstellbareLast angehängt, um somit die Effizienzkurve zu messen. Ausserdem bietet das Messsystem miteinem Anschluss für eine externe Last zudem die Möglichkeit, ein Laptop anzuschliessen umdie Netzteile in Bezug auf die typischen Betriebsmodi zu evaluieren.1.2 Anforderungen an die MesseinrichtungUm die Energieeffizienz eines Netzteils bestimmen zu können, werden die Spannungen unddie Ströme auf der Ein- und Ausgangsseite gemessen. Eingangsseitig ist das Netzteil mit demlokalen Wechselstromnetz (U rms = 230 V und f Netz = 50 Hz) verbunden, während auf der Ausgangsseiteeine Gleichspannung erzeugt wird, deren Wert je nach Hersteller von 14.5 V bis 20 Vvariieren kann. Die maximale Leistung der meisten Netzteile befindet sich je nach Herstellerzwischen 45 W und 180 W.Damit lässt sich festhalten, dass die Schaltung zur Messung der Eingangsspannung für einenSpannungsbereich von -325 V bis +325 V ausgelegt sein muss. Diejenige zur Messung der Ausgangsspannungwird für mindestens 0 V bis 20 V ausgelegt. Die höchsten Wechselströme berechnensich mit I rms = 180 W230 V= 782.6 mA. Je nach Belastung und verwendeter Netzteiltopologiekönnen bei bestimmten Lastzuständen hohe Spitzenströme auftreten. Messungen ergaben Spitzenwertevon I max = 4.5 A. Deshalb wird diese Messeinrichtung für einen Strombereich von-5 A bis 5 A ausgelegt. Die höchsten Gleichströme treten bei einem 180 W-Netzteil der FirmaHP auf und weisen einen Wert von I DC = 180 W19 V= 9.5 A auf. Somit wird die entsprechendeAusgangsstrommessschaltung für einen Strombereich von mindestens 0 A bis 9.5 A ausgelegt.Mit entsprechenden Reserven lassen sich die Anforderungen in Tabelle 1.1 zusammenfassen.1.3 Ziel & VorgehensweiseDas Ziel dieser Arbeit ist eine möglichst kompakte Einrichtung, mit der die Energieeffizienz derNetzteile von Laptops automatisch gemessen werden kann. Die Effizienz soll in Abhängigkeit1

1 Automatisches System zur EffizienzmessungEingangAusgangMesseinrichtungWechselspannungWechselstromGleichspannungGleichstromMessbereich-325 V bis 325 V-5 A bis 5 A0 V bis 25 V0 A bis 10 ATabelle 1.1: Messbereiche des Messsystems.der Belastung des Netzteils in einer entsprechenden Effizienzkurve herausgegeben werden. DieElemente dieser Einrichtung sind folgende:• analoge Schaltungen zur Messung der Spannungen und der Ströme auf der Ein- undAusgangsseite des Netzteils• eine variable Last, mit der das Netzteil unterschiedlich stark belastet werden kann• eine Computersoftware zur automatisierten Messdatenerfassung bei unterschiedlichen Belastungenund zur Steuerung der LastDie Arbeit setzt sich aus vier Teilen zusammen. Im ersten Teil wird der Aufbau der Einrichtungbeschrieben, um einen Überblick zu verschaffen. Der zweite Teil widmet sich denHardware-Elementen, die einerseits die analogen Messschaltungen und die benötigte Gleichspannungsversorgungund anderseits die Ansteuerung der Last umfassen. Im dritten Teil wirdauf die Computersoftware eingegangen, mit der zum einen die Messdaten erfasst und ausgewertetwerden, zum anderen die Last eingestellt wird und mit der die Daten schliesslich ineiner Effizienzkurve dargestellt werden. Im vierten Teil ist die Inbetriebnahme der Einrichtungdokumentiert.230V ACACHardwareU ACDUTNetzteilMessschaltungen SoftwareI ACU DC14.5 – 20V DCDCI DCLast0...100%SoftwareP ACLabviewη = P DC / P ACP DCAbbildung 1.1: Schematischer Aufbau des Messsystems.2

Anschluss Netzteil (AC)Stromversorgung (AC)mit 2A-Sicherung2 Aufbau des MesssystemsIn diesem Kapitel wird der grundsätzliche Aufbau des Messsystems beschrieben. Genauere Angabenzu den jeweiligen Komponenten befinden sich im Kapitel 3.Das Messsystem lässt sich in zwei Teile gliedern. Auf der rechten Seite in Abbildung 2.2 befindetsich der Kühlkörper, auf dem die Widerstände und deren Ansteuerung befestigt sind.Sämtliche Anschlüsse und die Messeinrichtungen befinden sich in der Mess- und Anschlussbox(im Folgenden MAB), die links in der Abbildung 2.2 zu sehen ist.Abbildung 2.1 zeigt den Inhalt der MAB. Die Stromversorgung vom 230V-Netz wird auf derrechten Seite mittels Kaltgerätestecker angeschlossen. Diese Buchse ist einerseits mit dem kostengünstigenAD-DC-Konverter FW7240/12 von Friwo [1] verbunden, der eine DC-Spannungvon 12 V zur Versorgung der Messeinrichtung bereitstellt. Anderseits ist die Buchse auch direktmit der Eingangsseite der Strom- und Spannungsmessungsschaltung auf dem Messboardverbunden. Die Ausgangsseite dieser Schaltung ist mit dem Anschluss für die AC-Seite desNetzteils auf der linken Seite in Abbildung 2.1 verbunden. Somit ist auch die 230 V-Versorgungdes Netzteils sichergestellt, dessen Effizienz gemessen wird.MessplatineStromversorgungLastansteuerungsboardVerbindung zur Last(intern/extern)AC-DC-Konverter(12V)AnschlussNetzteil (DC)analogeMesssignaleAnschlussexterne Last10A-Sicherung für dieDC-Last des NetzteilsAbbildung 2.1: Mess- und Anschlussbox.3

2 Aufbau des Messsystemsdigitale LastansteuerungssignaleLastwiderständeNI USB-6009KühlkörperAnschlussNetzteil (DC)Anschlussexterner WiderstandEin/Aus-SchalterLüfterAnschluss 230V-StromversorgungMess- undAnschlussboxAbbildung 2.2: Auf diesem Bild ist das gesamte Messsystem zu sehen.4

12V-StromversorgungAnsteuerungsboarddigitaleAnsteuerungssignaleUSB-AnschlussNI USB-6009analogeMesssignaleAnschlussNetzteil (AC)Anschluss 230V-StromversorgungAnschlussNetzteil (DC)Anschlussexterner WiderstandSicherung fürexternen WiderstandAbbildung 2.3: Dies ist die Frontansicht der MAB, in der sich die Messschaltungen befinden.Die DC-Seite des Netzteils wird auf der Vorderseite der MAB angeschlossen. Dieser Anschlussist wiederum mit der Eingangsseite der DC-Messschaltung auf dem Messboard verbunden. DerAusgang dieser Messschaltung ist mit der Last verbunden und ist mit Verbindung zur Last (intern/extern)gekennzeichnet.Am Messboard ist auch die 12 V-Versorgung für das Lastansteuerungsboard angeschlossen (sieheAbbildung 2.2). Die analogen Messsignale, die ebenfalls in Abbildung 2.1 gekennzeichnetsind, sind mit der Messsignalerfassungseinheit NI USB-6009 verbunden, die in Abbildung 2.3zu sehen ist. Über einen USB-Anschluss stellt dieser die Kommunikation mit dem Computersicher. Der Anschluss für die externe Last ist in Abbildung 2.3 gekennzeichnet. Dieser ist direktmit dem Lastansteuerungsboard verbunden.In Abbildung 2.4 ist die Last dargestellt, die im Messsystem integriert ist. Um hohe Temperaturenbei den elf Lastwiderständen zu vermeiden, sind diese auf einem Kühlkörper befestigt. Füreine bessere Kühlung sorgen vier Lüfter auf der Unterseite des Kühlkörpers. Um verschiedeneLasten einzustellen, können die elf Lastwiderstände einzeln zugeschalten werden. Die entsprechendenAnsteuerungssignale werden vom USB-6009 zum Ansteuerungsboard geschickt (sieheAbbildung 2.2). Auf diesem Board befinden sich zwölf Gate-Treiber für die Ansteuerung vonzwölf MOSFET’s, mit denen die Lastwiderstände bzw. die externe Last einzeln zugeschaltenwerden können.5

2 Aufbau des Messsystemsdigitale Ansteuerungssignalevon LabviewLastansteuerungs-board10A-Sicherungfür externe Last12V-StromversorgungVerbindung zumMessboardLastwiderständeEin/Aus-SchalterAC-StromversorgungVerbindung zurexternen LastKühlkörperLüfterAbbildung 2.4: Auf diesem Bild sind die Lastwiderstände mit dem Kühlkörper zu sehen.6

3 Hardware - Messschaltungen undLastansteuerung3.1 MessschaltungenUm die Leistungen am Eingang und am Ausgang des Netzteils berechnen zu können, werdenjeweils der Strom und die Spannung gemessen. Eingangsseitig wird das Netzteil mit Wechselstromaus dem öffentlichen Netz gespiesen. Ausgangsseitig liegt eine Gleichspannung an, welcheje nach Hersteller von 14.5 V bis 20 V variiert. Das Ziel der Messschaltungen ist die Anpassungder Messsignale auf einem Bereich von 0 V bis 5 V, um sie mit möglichst kleinen Fehlerndigitalisieren zu können. Im Folgenden werden diese Messschaltungen vorgestellt.3.1.1 Spannungsmessung am EingangR 1U AC+5VR 2R 3+-GNDR 4C 2U ref = +2.5VGNDC 1 C 3U U,ACGNDAbbildung 3.1: Differenzverstärkerschaltung zur Messung der Wechselspannung am Eingangdes Netzteils.In Abbildung 3.1 ist die Schaltung dargestellt, mit der die Eingangsspannung gemessen wird.Die beiden Eingangswiderstände R 1 und R 2 werden mit je 2 MΩ so gewählt, dass ein möglichstgeringer Strom in die Differenzverstärkerschaltung fliesst. Als Operationsverstärker wird einAD8605 von Analog Devices [2] eingesetzt, der mit 5 V versorgt wird. Mit Abbildung 3.1 lässt7

3 Hardware - Messschaltungen und Lastansteuerungsich folgendes Verhältnis zwischen der gemessenen Spannung und dem Messsignal festhalten:U OUT = U ref + R 3 1·· U AC (3.1)R 1 1 + jωR 3 C 1wobei die Werte mit U ref =2.5 V, R 1 = R 2 = 2 MΩ, R 3 = R 4 =12.078 kΩ und C 1 = C 2 = 100 nFgewählt werden. Der Betrag der Spannung wird also mit dem VerhältnisU OUT = 2.5 V +12.078 kΩ2 MΩ · U AC (3.2)zum Ausgang übertragen. Bei einer Amplitude von Û max =U rms · √2liegt am Ausgang derVerstärkerschaltung und somit auch am Eingang des AD-Wandlers ein Signal im Bereich von0.54 V bis 4.46 V an. Der Term1(3.3)1 + jωR 3 Cstellt den Tiefpassfilter mit der Knickfrequenzf k =1= 131.8 Hz (3.4)R 3 · C 1 · 2 · πdar. Zudem entsteht bei dieser Schaltung eine Phasenverschiebung von 180 ° des Messsignalsgegenüber der eingangsseitigen Messspannung.3.1.2 Strommessung am Eingang+5VC 6R 6I ACI ACACS714V CC+I DC+I DC V OUT-I DC Filter-I DCGNDC 7 R 7+5VC 4GNDGNDU 1GND+-+5VGNDC 5R 5R 8 C8U I,ACGNDGNDAbbildung 3.2: Schaltung zur Messung des Wechselstroms am Eingang des Netzteils.Die Abbildung 3.2 zeigt die Schaltung zur Messung des Wechselstroms am Eingang des Netzteils.Realisiert wird diese mit dem Stromsensor ACS714 von Allegro MicroSystems [3]. Da beigewissen Netzteilen Ströme auftreten, die stark von der Sinusform abweichen, können Stromamplitudenvon bis zu Î max = 4.5 A auftreten. Die Ströme werden mit dem ACS714 auf den Messsignalbereichvon 1.5 V bis 3.5 V abgebildet. Um den Fehler bei der späteren Digitalisierung des8

3.1 MessschaltungenMesssignals möglichst gering zu halten, wird am Ausgang des Stromsensors eine invertierendeVerstärkerschaltung nachgeschaltet. Dabei wird der Operationsverstärker LM321 von NationalSemiconductor [4] eingesetzt. Die Referenzspannung wird mit den Widerständen R 6 und R 7auf 2.5 V gelegt und mit zwei Kondensatoren C 6 = C 7 = 10 µF gestützt. Um eine noch bessereReferenzspannung zu erhalten, könnte an dieser Stelle eine Referenzspannungsquelle verwendetwerden. Das Messsignal U 1 wird folgendermassen auf das Messsignal U I,AC abgebildet:U I,AC = R 8R 5· U 1 + R 8 − R 5R 5· U ref (3.5)wobei R 5 =1 kΩ, R 8 =1.83 kΩ und U ref =2.5 V betragen. Mit den numerischen Werten ergibt sichU I,AC = 1.83 · U 1 − 1.83 V (3.6)Bei Î max =5 A gibt die Schaltung somit ein Messsignal im Bereich von 0.67 V bis 4.33 V heraus.3.1.3 Spannungsmessung am AusgangR 9C 9U U,DCU DC+5VR 10R 11R 13+-R 12GNDR 14GNDGNDGNDAbbildung 3.3: Schaltung zur Messung der Gleichspannung am Ausgang des Netzteils.Die Gleichspannung auf der Ausgangsseite des Netzteils wird mit der Messschaltung in Abbildung3.3 gemessen. Je nach Hersteller variiert die Ausgangsspannung zwischen 14.5 V und 20 V.Den ersten Teil der Schaltung bildet ein Spannungsteiler. Anschliessend wird die Spannung andie Differenzverstärkerschaltung mit dem Operationsverstärker AD8605 von Analog Devices[2] angelegt, welcher das Messsignal U U,DC ausgibt. Die Übertragungsfunktion von U DC nachU U,DC ist somit folgende:U U,DC = R 9· R13 · U DC (3.7)R 10 R 11wobei R 9 = 15 kΩ, R 10 = 100 kΩ, R 11 = R 12 = 62 kΩ und R 13 = R 14 = 68 kΩ. Mit dennumerischen Werten ergibt sich ein Übertragungsfaktor vonU U,DC = 1 5 · 6862 · U DC = 0.219 · U DC (3.8)Damit wird die Gleichspannung bei U max = 20 V auf einem Bereich von 0 V bis 4.38 V abgebildet.Somit wird die maximale Eingangsspannung des Datenerfassungsmoduls von 5 V erst bei U DC= 22.8 V erreicht. Der Sicherheitsbereich erlaubt somit Gleichspannungstoleranzen von bis zu+14 %.9

3 Hardware - Messschaltungen und Lastansteuerung3.1.4 Strommessung am AusgangDie Strommessung auf der Ausgangsseite des Netzteils erfolgt mit dem StromshuntmonitorINA170 von Texas Instruments [5].R 15I DCR 17I DC+5VV CCINA170C 10U refV ref V outR OSGNDR 16U I,ACGNDAbbildung 3.4: Messschaltung für den Gleichstrom am Ausgang des Netzteils.Der Strom über dem Shuntwiderstand wird dabei mitU I,DC = I DC · R 15 · R 171 kΩ= 0.39 Ω −1 · I DC (3.9)berechnet, wobei R 17 = 39 kΩ und der Shuntwiderstand R 15 = 10 mΩ gewählt werden.3.2 MessgenauigkeitenDie Messgenauigkeit der Energieeffizienz ist von den Strom- und Spannungsmessschaltungenan der AC- und an der DC-Seite des Netzteils und von dem Analog-digital-Wandler abhängig.Aufgrund der Genauigkeiten der IC’s und der jeweiligen Verstärkerschaltungen weisen die MessschaltungenUngenauigkeiten auf. Weitere Ungenauigkeiten treten bei der Digitalisierung derMesssignale mit 14 Bit auf. Die Genauigkeiten sind in Tabelle 3.1 zusammengefasst.Für die Genauigkeitsangabe der Effizienzmessungen wird von einer Gleichverteilung der Abweichungeninnerhalb des Abweichungsintervalls ausgegangen. Für die Berechnungen wurdeein Effizienzwert von η = 80 % angenommen. Damit beträgt P AC,max = 180 W0.8= 225 W. DieMaximalabweichung beim gemessenen Effizienzwert berechnet sich mitU DC I DC∆η =∣ UAC 2 I AC ∣ ∆U U DC I ∣ ∣DCAC +∣ U AC IAC2 ∣ ∆I AC +I DC ∣∣∣ ∣ ∆U DC +U DC ∣∣∣U AC I ∣ ∆I AC (3.10)AC U AC I AC10

3.3 LastR tot 22 Ω 56 Ω 18 Ω 47 Ω 22 Ω 27 Ω 12 Ω 47 Ω 22 Ω 27 Ω 12 Ω Code56.00 Ω 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 225.55 Ω 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1013.13 Ω 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 52210.26 Ω 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 6507.00 Ω 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 6516.09 Ω 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 2785.61 Ω 0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 785.04 Ω 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 6554.64 Ω 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 7104.42 Ω 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 7154.1 Ω 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0 6713.96 Ω 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 4153.73 Ω 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 7993.55 Ω 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 7343.06 Ω 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 7352.82 Ω 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 9892.68 Ω 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 9912.44 Ω 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 17592.19 Ω 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 20152.01 Ω 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2047Tabelle 3.3: Diese Tabelle zeigt die verschiedenen Kombinationen von Lastwiderständen, diezueinander parallel geschaltet werden. Die Spalte ’Code’ gibt die Kodierung desSchaltzustandes an, wenn die Zeile als Binärcode angesehen wird, wobei das höchsteBit jeweils in der letzten Spalte ist.13

3 Hardware - Messschaltungen und LastansteuerungI DCD 4D 3externe Last+12V +12VV DDV DDUSBC 1CR 21INOUTOUTC 3C 4R 2D 2R 3C 5LEDGNDGNDGNDGNDAbbildung 3.5: Diese Abbildung zeigt die Schaltung zur Zuschaltung der externen Last.dem Ansteuerungsboard realisiert, die wiederum von der USB-Einheit USB-6009 angesteuertwird. Für die Zuschaltung der externen Last wurde ein MOSFET vom Typ IRFZ34VPBF [12]von International Rectifier eingesetzt, da dieser für höhere Ströme ausgelegt ist, die bei derexternen Last auftreten können. Ausserdem wurde eine Snubber-Schaltung an diesem Schalterrealisiert, um die Option offen zu halten, zu einem späteren Zeitpunkt eine aktiv geschalteneLast anzuhängen, um eine höhere Auflösung bei den Lastpunkten zu erreichen. Die entsprechendeSchaltung ist in Abbildung 3.5 zu sehen.3.4 Weitere SystemelementeZu den weiteren Systemelementen gehört die Gleichspannungsversorgung. Für die Spannungsversorgungvon 12 V wurde der kostengünstige AC/DC-Wandler FW7240/12 von Friwo [1]verwendet. Dieser ist mit der Wechselspannungsversorgung des Messsystems verbunden undstellt die 12 V-Versorgung auf der Messschaltungsplatine und auf der Lastansteuerungsplatinesicher. Mit dem IC LM22674 von National Semiconductor [13] und einer entsprechenden Filterschaltungwird die Spannung auf 5 V heruntergesetzt. Dies dient der Spannungsversorgung derMessschaltungen.Zudem befinden sich diverse Sicherungen im Messsystem. Die Wechselspannungsversorgung istmit einer 2 A-Sicherung versehen. Je eine 10 A-Sicherung befindet sich am Anschluss für denexternen Widerstand und am DC-seitigen Anschluss des Netzteils, das gemessen wird.14

4 Software - Effizienzberechnung undDarstellungDie analogen Messsignale werden mit dem Datenerfassungsmodul NI USB-6009 von NationalInstruments mit insgesamt 48 kSamples/s erfasst, mit 14 Bit digitalisiert und über die USB-Schnittstelle weitergegeben [14]. Auf dem Computer werden die Daten mit der graphischenProgrammierumgebung Labview von National Instruments verarbeitet. Die Ungenauigkeiten,die dadurch entstehen, wurden im Kapitel 3.2 betrachtet.Abbildung 4.1 zeigt eine Übersicht über die programmierte Software. Aufgrund der Netzteilspezifikationenbzgl. U max und P max wird der minimale Widerstandswert bzw. die höchste zulässigeLast berechnet, worauf die vorprogrammierten Lasten nacheinander eingestellt werden. Paralleldazu werden bei jedem Lastpunkt die Ströme und die Spannungen gemessen und im Labvieweingelesen. Dort werden die Leistungen und die Effizienzwerte berechnet und schliesslich alsLastkurve dargestellt bzw. in einer Excel-Tabelle exportiert.P maxEinstellen der vorprogrammiertenR minU maxLastzustände von R max bis R minI DCAbbildung 4.1: Wesentliche in Labview programmierte Funktionen.U DCP DCein Wert proLastzustandabspeichernI ACP AC,λP DC / P AC,λaktueller WertU AC4.1 Zuschaltung der Last4.1.1 Erfassung der BenutzereingabenVor Beginn der Messung muss der Benutzer einige Angaben zum Netzteil angeben, das untersuchtwerden soll. Die maximal zulässige Ausgangsleistung P MAX und die AusgangsspannungU DC in der Abbildung 4.2 können auf der Benutzeroberfläche eingegeben werden. Der Benutzerkann ausserdem wählen, ob er die Messung über die eingebauten Lastwiderstände durchführenmöchte oder ob er eine externe Last, beispielsweise einen Laptop, anschliessen möchte. Sind dieWerte eingegeben, kann die Messung mit dem entsprechenden Schalter gestartet werden. DieAngaben werden der Funktion übergeben, die für die Zuschaltung der Widerstände zuständigist.15

U DCP MAXb LASTI ERROR4 Software - Effizienzberechnung und Darstellungx MesspunkteS Schaltzustandx LastpunktA 20task outerrordtTEAbbildung 4.2: Block mit Einstellungen vor Beginn der Messung. Herausgegeben werden verschiedeneVariablen, die zu einem späteren Zeitpunkt gebraucht werden.16

4.1 Zuschaltung der Last4.1.2 LastzuständeT ii = 1...20Abbildung 4.3: Während der Messung generieren 20 Timer Signale, welche die Zuschaltung derLastzustände regeln.In Abbildung 4.3, 4.4 und 4.5 ist die Funktion zur Zuschaltung der Lastwiderstände zu sehen.Wie im Kapitel 3.3 angegeben sind maximal 20 Lastzustände vorgesehen. Beginnend mit demhöchsten Widerstandswert bzw. der geringsten Belastung werden diese Lastzustände der Reihenach für jeweils drei Sekunden eingestellt. Die Timer-Funktionen in Abbildung 4.3, von denen20 implementiert sind, generieren zu diesem Zweck der Reihe nach jeweils ein ’true’-Signal T i ,wenn eines dieser Zeitfenster erreicht ist. Diese Signale werden dem Block in Abbildung 4.4übergeben, wo sie anschliessend in einem (0,1)-Signal umgerechnet werden. Die if-else-Schleifein der Code-Box überprüft anschliessend, in welchem Zeitfenster sich die Programmausführungbefindet und stellt den entsprechenden Lastzustand über die Variable S ein (vgl. Kapitel 3.3).Überprüft wird jeweils auch, ob der Lastzustand zulässig ist. Ist die Belastung zu gross, werdendie Lastwiderstände wieder abgeschaltet. Anschliessend werden die eingestellten Lastpunkte ineinem Array zusammengefasst.Wird eine externe Last angeschlossen, wird die Variable ext in Abbildung 4.4 auf null gesetzt,worauf die externe Last über die Variable S zugeschalten wird.17

4 Software - Effizienzberechnung und DarstellungT 1T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 8T 9T 10T 11T 12T 13T 14T 15T 16T 17T 18T 19T 20Abbildung 4.4: Dieser Block überprüft, in welchem Zeitfenster sich die Instanz befindet undstellt den Lastwiderstand ein.Der Block in Abbildung 4.5 ist dafür ausgelegt, basierend auf den Angaben P MAX und U DCzu berechnen, wie lange die Messung dauert. Über die Variabel sa wird die Anzahl Lastzuständeherausgegeben, die für ein bestimmtes Netzteil zulässig ist. Die Variable dt bezeichnet die Dauer,über welche die Messdaten aufgezeichnet werden sollen.18

4.1 Zuschaltung der LastAbbildung 4.5: Dieser Block berechnet die Anzahl Lastzustände, die zulässig sind, und gibt dieZeitdauer des Messvorgangs an.Analog zum Block in Abbildung 4.3 bestimmt derjenige in Abbildung 4.6 das Messzeitfenster.Dieser beginnt 0.5 s nachdem der Lastzustand eingestellt wurde und endet 0.5 s bevor dernächste eingestellt wird. Die Variable M gibt an, ob das Messzeitfenster aktiv ist.Abbildung 4.6: Dieser Block bestimmt das Zeitfenster, in dem eine Messung stattfinden kann.Die Funktion in Abbildung 4.7 liest die Binärkodierung des Schaltzustandes über die VariableS ein und stellt fest, ob sich die Instanz im Messzeitfenster befindet. In Abhängigkeit dieserbeiden Variablen wird die berechnete Leistungseffizienz L, die über lz eingelesen wird, zusammenmit einem Indexsignal i herausgegeben. Das Indexsignal gibt einer weiteren Funktion an, anwelcher Stelle im Array die Messdaten gespeichert werden sollen.19

4 Software - Effizienzberechnung und DarstellungAbbildung 4.7: Ist die Instanz in einem Messzeitfenster, gibt dieser Block das Verhältnis zwischenEin- und Ausgangsleistung heraus. Abhängig von der zugeschaltenen Lastwird zusätzlich ein Indexsignal ausgegeben.4.2 Berechnung der LeistungDas USB-6009 bietet zwei Modi zur Erfassung von analogen Signalen, den ’single-ended’ undden differenziellen. Während beim Erstgenannten die Maximalspannung auf 10 V fixiert ist,besteht beim zweiten Modus die Möglichkeit im Labview zwischen verschiedenen Maximalspannungenzu wählen. Um möglichst geringe Ungenauigkeiten bei der Digitalisierung zu erhalten,wird bei diesem Projekt der differenzielle Modus mit der Maximalspannung 5 V gewählt. DieseParameter können im ’DAX Assistant’ in Abbildung 4.8 eingegeben werden. Ebenso werdendort die Eingänge konfiguriert. Für das vorliegende Projekt sind dies acht Signaleingänge, wobeijeweils zwei differenziell ausgewertet werden. Über den ’data’-Ausgang können die Messwerteder Spannungen und der Ströme am Ein- und am Ausgang eingelesen werden. Über den ’Stop(F) 2’-Eingang kann der Benutzer die Messung stoppen.20

4.2 Berechnung der LeistungP ACP DCP MAXI ERRORU DCAbbildung 4.8: In diesem Block wird die Ein- und Ausgangsleistung des Netzteils aus den gemessenenSpannungs- und Stromwerten berechnet. Bei zu hohem Gleichstromwird eine Fehlermeldung ausgegeben.Wie im Kapitel 3.1 beschrieben sind die Messsignale jeweils in einem Bereich von 0 V bis 5 V.Um daraus die tatsächlichen Werte zu berechnen, müssen die AC- und DC-Werte mit einemSkalierungsfaktor multipliziert werden. Die AC-Werte müssen ausserdem noch um die Referenzspannungvon 2.5 V verschoben werden. Über die ’EPM_Power’-Funktion, welche von Labviewzur Verfügung gestellt wird, können die Leistungswerte der einphasigen AC-Seite sowie derDC-Seite und die Effektivwerte der Ströme und der Spannungen berechnet werden. Diese Effektivwertewerden auf die Benutzeroberfläche herausgegeben, für die weiteren Berechnungen istjedoch nur die jeweilige Wirkleistung von Bedeutung. Ebenfalls wird über die ’EPM_Phasor’-Funktion die Netzfrequenz mit den Phasoren des AC-Stroms und der AC-Spannung eingelesen.Die AC-seitigen Messschaltungen generieren, u.a. wegen der Tiefpassfilterung des Spannungsmesssignals,eine ungewünschte Phasenverschiebung. Diese wird in der Software kompensiert,indem die gemessene Wirkleistung um diese Phasenverschiebung korrigiert wird. Der Korrekturwertwurde bei der Inbetriebnahme durch Messungen ermittelt.Der DC-Strom ist durch die maximale Leistung des Netzteils und der konstanten DC-seitigenSpannung begrenzt. Dieser Maximalwert wird mit PmaxU DCberechnet und mit dem aktuellen DC-Strom verglichen. Wird er überschritten, wird ein Fehlersignal I ERROR generiert, welches zum21

4 Software - Effizienzberechnung und DarstellungAbbruch der Programmausführung führt.P ACy LastpunktP DCy LastpunktP MAXx Lastpunkt,EXTERNb LASTb LASTi EXTERNAbbildung 4.9: Dieser Block berechnet den aktuellen Effizienzwert. Bei der Messung über dieexterne Last wird zudem ein Indexsignal generiert.Die Leistungswerte P AC und P DC werden dem Block in Abbildung 4.9 weitergegeben, wo dasprozentuale Verhältnis berechnet und in der Variablen y Lastpunkt herausgegeben wird. Wird dieMessung über eine externe Last durchgeführt, sind weitere Variablen notwendig. Das Verhältnisder aktuellen Leistung an der Ausgangsseite des Netzteils zur maximal zulässigen wird inx Lastpunkt,EXT ERN gespeichert. Gibt b LAST an, dass eine externe Last angeschlossen ist, generiertdie Timer-Funktion jeweils nach drei Sekunden ein Indexsignal i EXT ERN , welches in einerspäteren Funktion nötig ist, um die Messdaten in einem Array zu speichern.22

4.2 Berechnung der LeistungA 20x Messpunktex LastpunktTELLx LastpunktLidty Lastpunkt,Arrayx Lastpunkt,%A 101y Lastpunktb LASTx Lastpunkt,EXTERNi EXTERNAbbildung 4.10: Dieser Block bereitet die Messdaten bei der Messung über die interne Last sovor, dass sie in einem Array herausgegeben werden können.Im letzten Teil des Programms werden die Daten so zusammengefügt, dass sie in einemDiagramm in Form einer Lastkurve ausgegeben werden können. Dafür werden die Lastpunktein einem Array für die x-Achse zusammengefasst und die Effizienzwerte in einem Array für diey-Achse. Abhängig von der zugeschaltenen Last sind dafür zwei Möglichkeiten vorgesehen.Im Falle einer Messung mit den eingebauten Widerständen gilt der Block in Abbildung 4.10.Die Variable x Messpunkte bestimmt die Länge des Arrays, in dem die Daten gespeichert werden.Die Messdaten, die über L eingegeben werden, werden abhängig vom Index i nacheinanderim Array gespeichert. TE gibt die Zeit an, die seit Beginn der Messung vergangen ist. Istdas Messzeitfenster dt vorbei, wird die Aufzeichnung der Messdaten gestoppt. Damit wird23

4 Software - Effizienzberechnung und Darstellungverhindert, dass nach Abschluss der Messung weitere Daten im Array abgelegt werden. Im Arrayy Lastpunkt,Array wird das Array für die y-Achse, das erstellt wurde, herausgegeben. Die Daten fürdie x-Achse können direkt über x Lastpunkt in Prozentangaben umgerechnet und als x Lastpunkt,%weitergegeben werden. In A 101 wird ein Array der Länge 101 generiert. Die Ausgänge L undx Lastpunkt geben die Werte einzeln heraus, damit sie später in einer Tabelle exportiert werdenkönnen.A 20x Messpunktex LastpunktTELLx LastpunktLidty Lastpunkt,Arrayx Lastpunkt,%A 101y Lastpunktb LASTx Lastpunkt,EXTERNi EXTERNAbbildung 4.11: Dieser Block bereitet die Messdaten bei der Messung über eine externe Lastso vor, dass sie in einem Array herausgegeben werden können.Wird die Messung mit einer externen Last durchgeführt, sind ein paar Anpassungen nötig,die in Abbildung 4.11 ersichtlich sind. Die Abbruchbedingung erfolgt auch in diesem Fall überdie Dauer des Messzeitfensters, wobei der Wert beliebig bestimmt werden kann. Eingelesen24

4.2 Berechnung der Leistungwerden die Daten für die x-Achse x Lastpunkt,EXT ERN und diejenigen für die y-Achse y Lastpunkt .Anhand des Indexsignals i EXT ERN werden die Daten jeweils im zeitlichen Abstand von dreiSekunden in zwei Arrays gespeichert. Diese werden wiederum über die Ausgänge y Lastpunkt,Arrayund x Lastpunkt,% herausgegeben. L und x Lastpunkt haben die gleiche Funktion wie im vorherigenFall.Lx Lastpunkty Lastpunkt,Arrayx Lastpunkt,%A 101Error InterpolationAbbildung 4.12: In diesem Block wird der Output des Programms in Form einer Leistungskurveund einer exportierten Tabelle erstellt.In Abbildung 4.12 wird der Output des Programms erstellt. Die Funktion ’Write To MeasurementFile’ nimmt die tatsächlich gemessenen Daten L bei einer Belastung von x Lastpunktund exportiert diese in eine externe Tabelle, welche beispielsweise mit Microsoft Excel geöffnetwerden kann. Die ’Interp 1d’-Funktion erstellt mittels Interpolation eine Wertetabelle für 101Werte im Bereich von 0 % bis 100 %. Die Funktion erlaubt eine Wahl zwischen mehreren Interpolationsmethoden.In diesem Fall ist die lineare eingestellt. Diese Daten werden anschliessendin einer externen Tabelle herausgegeben und in einem XY-Graph in Form einer Leistungskurvedargestellt. Diese ist auf der Benutzeroberfläche sichtbar.25

5 Inbetriebnahme des MesssystemsDie Oberfläche in Abbildung 5.1 steht dem Benutzer des Messsystems zur Verfügung. DasProgramm liegt als exportierte exe-Datei vor und ist somit auch ohne die Installation des ProgrammsLabview von National Instruments auf einem Computer ausführbar. Installiert werdenmuss jedoch die ’Labview Run-Time Engine’, die von der NI-Webseite www.ni.com heruntergeladenwerden kann.Zuerst muss sich der Benutzer jeweils vergewissern, dass alle Eingangskanäle aktiviert sind. Diesekönnen in der Box ’Channel Parameters’ in Abbildung 5.1 ausgewählt werden. Anschliessendwählt er zwischen der internen und der externen Last und gibt die maximale Leistung und dieAusgangsspannung des Netzteils an, das gemessen werden soll. Diese Angaben finden sich jeweilsauf dem Netzteil. Wird das Programm gestartet, erscheint ein Fenster, in dem das Verzeichniseingegeben werden kann, in dem die exportierten Tabellen mit den Messwerten gespeichertwerden. Anschliessend kann die Messung mit dem Schalter ’Messung starten’ begonnen werden.Ist die interne Last gewählt, dauert dies 3 s pro Lastzustand. Die maximale Messdauer beträgtsomit ca. eine Minute. Wird eine externe Last angeschlossen, ist die maximale Messdauer beica. 15 Minuten angesetzt. Dieser Wert kann jedoch, wenn nötig, einfach angepasst werden.Unten links in Abbildung 5.1 sind aktuelle Messwerte angegeben. Dabei handelt es sich umEffektiv- bzw. Mittelwerte der Ströme und Spannungen, die Netzfrequenz, die Ein- und Ausgangsleistungund die Energieeffizienz. Die mittlere Spalte stellt die Spannungs- und Stromverläufegrafisch dar. Die Leistungskurve wird in dem grossen Diagramm in der rechten Seite inAbbildung 5.1 dargestellt.Abbildung 5.1: Diese Oberfläche steht dem Benutzer zur Verfügung, um die lastabhängige Effizienzkurvezu messen.27

5 Inbetriebnahme des MesssystemsDer Aufbau des Messsystems wurde bereits im Kapitel 2 beschrieben. Der Hauptpunkt der Inbetriebnahmeumfasst somit die Angaben über die Messgenauigkeiten. Zu diesem Zweck wurdedas Präzisions-Leistungsmessgerät WT3000 von Yokogawa [15] verwendet. Dieser weist bei derLeistungsmessung eine Genauigkeit von ±0.2 % auf. Es wurden Netzteile von den HerstellernHewlett-Packard, Lenovo, IBM und Dell mit verschiedenen Leistungswerten angeschlossen. DieMessergebnisse können dem Anhang entnommen werden.Wie anhand der Tabelle festzustellen ist, befinden sich die grössten Ungenauigkeiten vor allemim unteren Lastbereich. Messabweichungen von ± 3.1 % aus Gleichung (3.11) werden höchstensin einem Lastbereich bis ca. 15 % erreicht. Eine Ausnahme bildet das 150W-Netzteil von HP,bei welchem eine höhere Ungenauigkeit bei 23 % Last festgestellt wird. Der Grund liegt darin,dass bei diesem Lastpunkt Wechselströme mit hohen Amplituden auftreten, welche einenMessfehler beim Eingangsstrom des Netzteils verursachen. Wie die Messresultate gezeigt haben,liegt das Verbesserungspotential vor allem in der AC-seitigen Strommessung. Eine Möglichkeit,bessere Messresultate zu erreichen, besteht darin, die Referenzspannung für die AC-seitigenMessschaltungen über eine exakte 2.5 V-Spannungsquelle zur Verfügung zu stellen anstelle einesSpannungsteilers, da sich kleine Schwankungen der Referenzschaltung vor allem bei denMesswerten in der Nähe des Nullpunktes auswirken.Ebenfalls aus der Tabelle im Anhang ersichtlich ist, dass die meisten Messresultate, insbesonderediejenigen im oberen Lastbereich, wesentlich geringere Abweichungen aufweisen als diejenigen,die in Gleichung (3.11) berechnet wurden. In Abbildung 5.2 sind die erzielten Messergebnissein einer Effizienzkurve dargestellt. In der oberen Hälfte des Lastpunktintervalls sind die meistenNetzteile im Bereich von 85 % bis 90 %, in der unteren Hälfte sind grössere Unterschiedefestzustellen. Tiefere Effizienzwerte weist das 72W-Netzteil von IBM auf. Hier ist allerdingsanzumerken, dass es sich dabei um ein älteres Netzteil handelt.28

Leistungseffizienz [%]Dell-65W HP-65W HP-90W HP-150W IBM-72W Lenovo-65W Lenovo-90W Lenovo-135W10095908580757065600 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Lastpunkte [%]Abbildung 5.2: Dieses Diagramm zeigt den Vergleich der Effizienzwerte verschiedener Netzteilebei unterschiedlichen Belastungen.29

6 ZusammenfassungMit dieser Arbeit wurde ein Messsystem konstruiert, mit der die Energieeffizienz von Laptopnetzteilengemessen werden kann. Hardwareseitig wurde eine Last realisiert, die über demComputer verändert werden kann. Ausserdem wurde der Anschluss einer externen Last vorgesehen.Ebenfalls realisiert wurden analoge Messschaltungen, welche den Strom und die Spannungam Eingang und am Ausgang des Netzteils messen, das zu prüfen ist. Softwareseitig wurde dieAuswertung der Messsignale mit anschliessender Berechnung der Leistung sowie der Effizienzzwischen Aus- und Eingangsleistung realisiert. Das Messsystem wurde mit verschiedenen Netzteilenauf die Messgenauigkeit hin geprüft.Es bestehen noch einzelne Optimierungsmöglichkeiten am PCB-Design. Dies betrifft beispielsweisedie exakte 2.5V-Referenzspannungsquelle für die AC-seitigen Messschaltungen, mit dereine höhere Messgenauigkeit erzielt werden kann. Des Weiteren sind die ausgangsseitigen Anschlüsseje nach Hersteller unterschiedlich. Für diese Arbeit wurden die Netzteile mit provisorischenAnschlüssen am Messgerät angeschlossen. Originale Anschlüsse würden ebenfalls zurVerbesserung der Messgenauigkeiten beitragen.In Bezug auf eine aussagekräftige Evaluation der Netzteile müssen die laptopspezifischen Lastpunkteuntersucht werden. Für einen Vergleich verschiedener Netzteile müssen diese im Vornhereindefiniert werden. Wichtige Lastpunkte wären u.a. der Ruhemodus, der Ladevorgang odereine Officeanwendung. Für eine solche Auswertung besteht die Möglichkeit, den Laptop als externeLast an das Messsystem anzuschliessen und die Messungen vorzunehmen. Eine weitereMöglichkeit besteht im Anschluss einer aktiv geschaltenen Last. Eine entsprechende Snubber-Schaltung wurde am MOSFET zur Zuschaltung der externen Last realisiert. Damit könnte einewesentlich höhere Auflösung des Lastpunktintervalls erreicht werden.31

6 Zusammenfassung32

A Messung zur Überprüfung derMessgenauigkeiten33

Messungen zur Überprüfung der Messgenauigkeitη YOKOGAWAη LABVIEWΔη LABVIEWΔη YOKOGAWAΔη TOTgemessene Effizienz η = P DC / P AC am Yokogawa WT3000gemessene Effizienz η = P DC / P AC im Labview= |η YOKOGAWA - η LABVIEW |Messgenauigkeit des WT3000 bzgl. der Leistungsmessung= Δη YOKOGAWA + Δη LABVIEWLenovo - 65WP max [W] U DC [V] Lastpunkt [%] η YOKOGAWA η LABVIEW Δη LABVIEW Δη YOKOGAWA Δη TOT65 20 10.99 79.83 76.88 2.95 0.02 2.9724.09 84.93 83.98 0.95 0.02 0.9746.87 85.72 85.88 0.16 0.02 0.1859.98 87.04 87.05 0.01 0.02 0.0387.91 86.01 86.92 0.91 0.02 0.93Lenovo - 90WP max [W] U DC [V] Lastpunkt [%] η YOKOGAWA η LABVIEW Δη LABVIEW Δη YOKOGAWA Δη TOT90 20 7.94 82.48 79.45 3.03 0.02 3.0517.40 84.8 84.81 0.01 0.02 0.0333.85 86.87 87.30 0.43 0.02 0.4543.32 86.93 87.37 0.44 0.02 0.4663.49 87.69 88.19 0.50 0.02 0.5272.98 87.76 88.33 0.57 0.02 0.5979.22 87.81 88.18 0.37 0.02 0.3988.18 87.29 88.03 0.74 0.02 0.7695.79 88.08 87.91 0.17 0.02 0.19Lenovo - 135WP max [W] U DC [V] Lastpunkt [%] η YOKOGAWA η LABVIEW Δη LABVIEW Δη YOKOGAWA Δη TOT135 20 5.29 70.56 68.39 2.17 0.02 2.1911.60 77.52 77.23 0.29 0.02 0.3122.57 83.03 83.29 0.26 0.02 0.2828.88 84.37 84.66 0.29 0.02 0.3142.33 86.54 86.45 0.09 0.02 0.1148.65 86.97 87.11 0.14 0.02 0.1652.82 87.61 87.33 0.28 0.02 0.3058.79 87.87 87.89 0.02 0.02 0.0463.86 86.17 88.03 1.86 0.02 1.8867.04 87.45 88.02 0.57 0.02 0.5972.27 87.79 88.18 0.39 0.02 0.4174.82 87.9 88.22 0.32 0.02 0.3479.44 87.95 88.26 0.31 0.02 0.3383.46 88.02 88.24 0.22 0.02 0.2496.83 87.85 87.98 0.13 0.02 0.15

HP - 65WP max [W] U DC [V] Lastpunkt [%] η YOKOGAWA η LABVIEW Δη LABVIEW Δη YOKOGAWA Δη TOT65 19 9.92 78.44 74.98 3.46 0.02 3.4821.74 84.4 83.53 0.87 0.02 0.8942.30 86.64 86.40 0.24 0.02 0.2654.13 86.99 86.91 0.08 0.02 0.1079.34 86.96 86.93 0.03 0.02 0.0591.20 86.72 86.93 0.21 0.02 0.2399.00 86.77 86.88 0.11 0.02 0.13HP - 90WP max [W] U DC [V] Lastpunkt [%] η YOKOGAWA η LABVIEW Δη LABVIEW Δη YOKOGAWA Δη TOT90 19 7.16 87.09 84.37 2.72 0.02 2.7415.70 88.96 87.58 1.38 0.02 1.4030.55 89.96 89.49 0.47 0.02 0.4939.09 90.06 89.86 0.20 0.02 0.2257.30 88.48 87.74 0.74 0.02 0.7665.86 88.59 88.76 0.17 0.02 0.1971.50 89.56 89.10 0.46 0.02 0.4879.59 87.94 88.92 0.98 0.02 1.0086.45 88.2 88.86 0.66 0.02 0.6890.75 88.65 88.84 0.19 0.02 0.2197.83 88.52 88.66 0.14 0.02 0.16HP - 150WP max [W] U DC [V] Lastpunkt [%] η YOKOGAWA η LABVIEW Δη LABVIEW Δη YOKOGAWA Δη TOT150 19 4.30 84.98 82.19 2.79 0.02 2.819.42 77.46 71.45 6.01 0.02 6.0318.33 81.42 84.91 3.49 0.02 3.5123.46 83 87.99 4.99 0.02 5.0134.38 88.12 88.43 0.31 0.02 0.3339.52 88.06 88.41 0.35 0.02 0.3742.90 88.79 88.56 0.23 0.02 0.2547.75 87.33 89.04 1.71 0.02 1.7351.87 84.79 85.15 0.36 0.02 0.3854.45 88.48 87.03 1.45 0.02 1.4758.70 86.57 87.45 0.88 0.02 0.9060.77 87.12 87.45 0.33 0.02 0.3564.52 87.24 87.62 0.38 0.02 0.4067.79 87.39 87.77 0.38 0.02 0.4078.65 87.54 87.73 0.19 0.02 0.2185.34 87.51 87.65 0.14 0.02 0.1689.80 87.47 87.62 0.15 0.02 0.1798.63 86.89 87.34 0.45 0.02 0.47

IBM - 72WP max [W] U DC [V] Lastpunkt [%] η YOKOGAWA η LABVIEW Δη LABVIEW Δη YOKOGAWA Δη TOT72 16 6.35 65.71 66.48 0.77 0.02 0.7913.92 65.69 65.05 0.64 0.02 0.6627.08 73.82 73.92 0.10 0.02 0.1234.65 77.32 78.01 0.69 0.02 0.7150.79 80.42 79.90 0.52 0.02 0.5458.38 81.73 81.38 0.35 0.02 0.3763.38 81.62 82.32 0.70 0.02 0.7270.55 82.23 82.61 0.38 0.02 0.4076.63 79.54 81.80 2.26 0.02 2.2880.44 82.49 81.53 0.96 0.02 0.9886.72 81.39 81.54 0.15 0.02 0.1789.79 81.31 81.72 0.41 0.02 0.4395.32 81.51 82.24 0.73 0.02 0.75Dell - 65WP max [W] U DC [V] Lastpunkt [%] η YOKOGAWA η LABVIEW Δη LABVIEW Δη YOKOGAWA Δη TOT65 19.5 10.45 82.1 79.13 2.97 0.02 2.9922.90 84.89 83.64 1.25 0.02 1.2744.55 86.17 86.27 0.10 0.02 0.1257.02 85.77 85.82 0.05 0.02 0.0783.57 86.4 86.85 0.45 0.02 0.4796.06 87.08 86.79 0.29 0.02 0.31

B Schemas der Platinen37

1234ANetzanschlussNetzanschluss.SchDocAC_in +Messschaltung_INMessschaltungen_IN.SchDocAC_in +AC +DUTDUT.SchDocAC +DC +Messchaltungen_OUTMessschaltungen_OUT.SchDocDC + DC_out +WiderständeWiderstände.SchDocDC_out +AAC_in -AC_in -AC -AC -DC -DC - DC_out -DC_out -I_AC_mes+U_AC_mes+U_DC_mes+I_DC_mes+ext_Lastext_Last.SchDocDC_out +DC_out -GD_IN_12B12V supply12 V supply12V12VUSB_InterfaceUSB_Interface.SchDocI_DC_mes+U_DC_mes+I_AC_mes+U_AC_mes+GD_IN_12GD_IN_1GD_IN_2GD_IN_3GD_IN_4GD_IN_5GD_IN_6GD_IN_7GD_IN_8GD_IN_9GD_IN_10GD_IN_11DGNDGateDriverGateDriver.SchDocGD_IN_1GD_IN_2GD_IN_3GD_IN_4GateDriver2GateDriver2.SchDocGD_IN_5GD_IN_6GD_IN_7GD_IN_8GateDriver3GateDriver3.SchDocGD_IN_9GD_IN_10GD_IN_11DGNDS1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11S1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11BCC5V supply5V supply.SchDoc5V5VDTitleStrom- und Spannungsmessschaltung am Ein- und Ausgang von NetzteilenD123SizeA4NumberRevisionDate: 06.07.2011 Sheet ofFile: Z:\public\..\Anordnung.SchDoc Drawn By: Ivan Coray4

12345VAB1234IC100IP+IP+IP-IP-VCCVIOUTFILTERGNDCurrent Senor ACS7148765C102100nFC100100nFAGND1AGND1R1021KC10310nFC10910uC11010uR100100KR101100K3152AGND14IC101LM321MFR1031K83C1011nFI_AC_mes+ABAC_in +AC_in -AC + inAC - inAC +AC -R1041MR1051MR10612K078C104C105100nF1nFAGND15VCC10610nFC107C100nF AGND1R1071MR1081M432 51IC102AD8605U_AC_mes+AGND1D1C108100nFR10912K07823TitleMessschaltung für die Eingangsseite des NetzteilsSizeA4NumberRevisionDate: 06.07.2011 Sheet ofFile: Z:\public\..\Messschaltungen_IN.SchDoc Drawn By: Ivan Coray4D

1234AR200ULR15S10mA5V2Vin+1Vin-IC200current shunt monitor INA170VerpolschutzC20010nFC201100nF83VCC+VrefRosVoutGND6I_DC_mes+54BDC +F200DC + inFuse 1AGND1R20120KR20239KAnschluss aufMessschaltung-PCBAnschluss auf Gate-Driver-PCBBCDC -D200DiodeR20315KR20415KR20615KR20715KDC + inDC - inAGND15VC20210nFC203C207n.c.R20568KAGND121Con20012Con201DC_out +DC_out -CR20815KR21015KC204100nFC20510nFC2061nFR20962K432 5AGND1100nFAGND1IC201AD86051C208n.c.U_DC_mes+D1R2990AGND1R21162K2R21268K3TitleMessschaltung für die Ausgangsseite des NetzteilsSizeA4NumberRevisionDate: 06.07.2011 Sheet ofFile: Z:\public\..\Messschaltungen_OUT.SchDocDrawn By: Ivan Coray4D

A1234CON30013121110987654321Connector 13aAnschluss derLastwiderständeABDC +DC_out +BD300MULTICOMP S3A3A / 50VD301MULTICOMP S3A3A / 50VD302MULTICOMP S3A3A / 50VD303MULTICOMP S3A3A / 50VD304MULTICOMP S3A3A / 50VD305MULTICOMP S3A3A / 50VD306MULTICOMP S3A3A / 50VD307MULTICOMP S3A3A / 50VD308MULTICOMP S3A3A / 50VD309MULTICOMP S3A3A / 50VD310MULTICOMP S3A3A / 50VQ300IRFZ24PBFQ301IRFZ24PBFQ302IRFZ24PBFQ303IRFZ24PBFQ304IRFZ24PBFQ305IRFZ24PBFQ306IRFZ24PBFQ307IRFZ24PBFQ308IRFZ24PBFQ309IRFZ24PBFQ310IRFZ24PBFCDC_out -DC -CS1S2S3S4S5S6S7S8S9S10S11DTitleAnsteuerung der LastwiderständeD123SizeA4NumberRevisionDate: 06.07.2011 Sheet ofFile: Z:\public\..\Widerstände.SchDoc Drawn By: Ivan Coray4

1234ADC_out +AD403SS10P521Con400Anschluss derexternen Last inder Messbox12VF40012ABGD_IN_12R4056KC4041nFD402OLS 159 SR/GC4004.7nFAGND2C405100nFC4011uFGD400VDDINNCGNDTC4420VDDOUTOUTGNDAGND2C403100nFC4022.5nFR400300R401300R403300D401TVS 15VR4060Q400IRLU024NPbFD400SS10P5C406100pFR402a200R404a200R402b200R404b200R402c200R404c200R402d200R404d200BCAGND2CDC_out -DTitleAnsteuerung eines anschliessbaren LastwiderstandesD123SizeA4NumberRevisionDate: 06.07.2011 Sheet ofFile: Z:\public\..\ext_Last.SchDoc Drawn By: Ivan Coray4

112V234ABGD_IN_1GD_IN_2GD_IN_3GD_IN_4R5046KAGND2C5031nFD501OLS 159 SR/GC5004.7uFAGND2C504100nFC5011uF12VGD500VDDINNCGNDTC4420VDDOUTOUTGNDAGND2C505100nFC5022.5nFR500300R501300R502300S1D500TVS 15VR5076KC5101uFD503OLS 159 SR/GC5064.7uFAGND2C511100nFC5071uF12VGD501VDDINNCGNDTC4420VDDOUTOUTGNDAGND2C512100nFC5092.5nFR503300R505300R506300S2D502TVS 15VABC12VAGND221Con500R5116KAGND2C5161nFD505OLS 159 SR/GC5134.7uFAGND2C517100nFC514100nFGD502VDDINNCGNDTC4420VDDOUTOUTGNDAGND2C518100nFC5152.5nFR508300R509300R510300AGND2S3D504TVS 15R5156KC5221nFD507OLS 159 SR/GC5194.7uFAGND2C523100nFC5201uF12VGD503VDDINNCGNDTC4420VDDOUTOUTGNDAGND2C524100nFC5212.5nFR512300R513300R514300S4D506TVS 15CAGND2DTitleGate-Treiber zur Ansteuerung des Mosfets (1-4)D123SizeA4NumberRevisionDate: 06.07.2011 Sheet ofFile: Z:\public\..\GateDriver.SchDoc Drawn By: Ivan Coray4

123412VABR6046KAGND2GD_IN_5GD_IN_6GD_IN_7GD_IN_8C6031nFD601OLS 159 SR/GC6004.7uFAGND2C604100nFC6011uF12VGD600VDDINNCGNDTC4420VDDOUTOUTGNDAGND2C605100nFC6022.5nFR600300R601300R602300S5D600TVS 15R6076KC6091nFD603OLS 159 SR/GC6064.7uFAGND2C610100nFC6071uF12VGD601VDDINNCGNDTC4420VDDOUTOUTGNDAGND2C611100nFC6082.5nFR603300R605300R606300S6D602TVS 15VABCR6116KAGND2C6151nFD605OLS 159 SR/GC6124.7uFAGND2C616100nFC6131uFGD602VDDINNCGNDTC4420VDDOUTOUTGNDAGND2C617100nFC6142.5nFR608300R609300R610300S7AGND2D604TVS 15VR6156KC6211nFC6184.7uFAGND2C622100nFC6191uF12VGD603VDDINNCGNDTC4420VDDOUTOUTGNDC623100nFC6202.5nFR612300R613300R614300S8D606TVS 15CD607OLS 159 SR/GAGND2DAGND2TitleGate-Treiber zur Ansteuerung des Mosfets (5-8)D123SizeA4NumberRevisionDate: 06.07.2011 Sheet ofFile: Z:\public\..\GateDriver2.SchDoc Drawn By: Ivan Coray4

123412VAR7046KC7031nFC7004.7uFAGND2C704100nFC7011uFGD700VDDINNCGNDTC4420VDDOUTOUTGNDC705100nFC7022.5nFR700300R701300R702300S9D700TVS 15VAD701OLS 159 SR/GAGND2AGND212VBGD_IN_9GD_IN_10GD_IN_11DGNDR7990AGND2R7076KC7091nFC7064.7uFAGND2C710100nFC7071uFGD701VDDINNCGNDTC4420VDDOUTOUTGNDC711100nFC7082.5nFR703300R705300R706300S10D702TVS 15VBD703OLS 159 SR/GAGND2C12VAGND2CR7111KC7151nFC7124.7uFAGND2C716100nFC7131uFGD702VDDINNCGNDTC4420VDDOUTOUTGNDC717100nFC7142.5nFR708300R709300R710300S11D704TVS 15VDD705OLS 159 SR/GAGND2TitleGate-Treiber zur Ansteuerung des Mosfets (9-11)D1AGND223SizeA4NumberRevisionDate: 06.07.2011 Sheet ofFile: Z:\public\..\GateDriver3.SchDoc Drawn By: Ivan Coray4

1234AA12VIC800LM226744BR8016KD801OLS 159 SR/GC802100nFC80310pF7C8041uFVinGND6FB5ENBOOT1SW 8(GND um Regler auszuschalten)C80010nFL800B82442T1334K050330uH / 280mAD800PMEG6010CEHC80810uFC8091uFR8021KL801BLM21PG221SN1D220 oHM / 0805D802OLS 159 SR/GFilterC8051uFC806100nFC80710nF5VBR899Res2GND230 0 AGND2R8030AGND1CCDTitle5V-VersorgungsspannungD123SizeA4NumberRevisionDate: 06.07.2011 Sheet ofFile: Z:\public\..\5V supply.SchDoc Drawn By: Ivan Coray4

1234AABAnschluss der 230Vvom NetzCon90012AC + inAC - inAC_in +AC_in -B3Connector 3GND230CCDTitleAnschluss der 230V-NetzspannungD123SizeA4NumberRevisionDate: 06.07.2011 Sheet ofFile: Z:\public\..\Netzanschluss.SchDoc Drawn By: Ivan Coray4

1234AABAC +AC -AC +AC -GND230Con910321Connector 3Ausgang 230Vzum DUTEingang DCvom DUT12Con911DC +DC -BCCDTitleAnschlüsse des DUT an der Ein- und AusgangsseiteD123SizeA4NumberRevisionDate: 06.07.2011 Sheet ofFile: Z:\public\..\DUT.SchDoc Drawn By: Ivan Coray4

1234AACON920BAGND1U_AC_mes+I_AC_mes+U_DC_mes+I_DC_mes+CON92112345678Signalausgängezur USB-BoxConnector 8Signaleingänge von derUSB-Box zumGate-Driver-Board zumSchalten derLastwiderstände12345678910111213Connector 13aGD_IN_1GD_IN_2GD_IN_3GD_IN_4GD_IN_5GD_IN_6GD_IN_7GD_IN_8GD_IN_9GD_IN_10GD_IN_11GD_IN_12DGNDBCCDTitleAnschlüsse für die Verbindung mit der USB-BOXD123SizeA4NumberRevisionDate: 06.07.2011 Sheet ofFile: Z:\public\..\USB_Interface.SchDoc Drawn By: Ivan Coray4

1234ABL930AGND2BLM21PG221SN1D220 Ohm / 0805Con93112345678Connector 8Anschluss derLüfterAGND212V21Con932Ausgang 12V zumGate-Driver-PCBABEingang vom 12Vexternen Power supply12Con930C9301uFC931100nFC93210nFCAGND2CDTitle12V-VersorgungsspannungD123SizeA4NumberRevisionDate: 06.07.2011 Sheet ofFile: Z:\public\..\12 V supply.SchDoc Drawn By: Ivan Coray4

C Konstruktionszeichnungen53

46,2035,00Vorderansicht12,00 -8,00 DEEP40,0060,0090,00110,00150,00Designed by Checked by Approved by DateDateUBA, ICO 23.05.2011ETH ZurichPower Electronic Systems Lab.LEM1110 Project NeptunAnschlussbox Hammond 1591DMessUndAnschlussBoxA4EditionSheet1 / 4

16,8514,858,4839,7333,3531,35Linke Seite (AC Ausgang zum DUT, Steckdose CH)13,2515,2518,5061,5064,7566,75Designed by Checked by Approved by DateDateUBA, ICO 23.05.2011ETH ZurichPower Electronic Systems Lab.LEM1110 Project NeptunAnschlussbox Hammond 1591DMessUndAnschlussBoxA4EditionSheet3 / 4

9,0030,5071,0068,00BodenansichtVorderseite3,00 -8,00 DEEP58,5075,5092,50120,00Designed by Checked by Approved by DateDateUBA, ICO 23.05.2011ETH ZurichPower Electronic Systems Lab.LEM1110 Project NeptunAnschlussbox Hammond 1591DMessUndAnschlussBoxA4EditionSheet4 / 4

Abbildungsverzeichnis1.1 Schematischer Aufbau des Messsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.1 Mess- und Anschlussbox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2 Messeinrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.3 Frontansicht des Messsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.4 Last und Kühlkörper des Messsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63.1 Schaltung zur Wechselspannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.2 Schaltung zur Messung des Wechselstroms am Eingang des Netzteils . . . . . . . 83.3 Schaltung zur Gleichspannungsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.4 Schaltung zur Gleichstrommessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.5 Gate-Treiber-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.1 Wesentliche in Labview programmierte Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . 154.2 Labview: Erfassung der Benutzerangaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164.3 Labview: Timer zur Einstellung der Lastzustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174.4 Labview: Einstellung des Lastzustands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.5 Labview: Ablauf des Messvorgangs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.6 Labview: Bestimmung des Messzeitfensters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.7 Labview: Ausgabe der Effizienzwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.8 Labview: Berechnung der Leistungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214.9 Labview: Berechnung der Effizienzwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.10 Labview: Vorbereitung der Messdaten über die interne Last . . . . . . . . . . . . 234.11 Labview: Vorbereitung der Messdaten über eine externe Last . . . . . . . . . . . 244.12 Labview: Erstellung des Outputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255.1 Labview: Benutzeroberfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275.2 Leistungskurven verschiedener Netzteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2964

Tabellenverzeichnis1.1 Messbereiche des Messsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23.1 Messgenauigkeiten der Messschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.2 Maximale Leistungen der Widerstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.3 Kombinationen der Lastwiderstände durch Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . 1365

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