Programmierbare DC-Quelle und -Senke: Die Quadrantenkarte

Eine programmierbare DC-Quelle und -Senke ist fast immer ein Zweiquadranten-Gerät, kein Vierquadranten-Gerät. Sie hält die Ausgangspolarität fest und kehrt nur die Stromrichtung um. Diese eine Unterscheidung entscheidet darüber, ob das Gerät auf Ihrem Angebot leisten kann, was Ihr Prüfplan für Batterie, E-Fahrzeug oder Wechselrichter verlangt — und Datenblätter verwischen sie permanent.

Dieser Beitrag hat genau eine Aufgabe: die Begriffe sauber voneinander abzugrenzen. Zuerst die mechanische Definition, dann die Quadrantenkarte, dann unsere eigenen Messungen zum Übergang bei Nullstrom. Produktvergleiche und die Entschlüsselung von Modellnummern lassen wir komplett weg.

Quelle oder Senke — der mechanische Test

Rohde & Schwarz bringt es in einem Satz auf den Punkt: Fließt Strom in die positive Spannungsklemme, arbeitet das Netzgerät als elektronische Last. Es senkt, es speist nicht. Auf der Frontplatte sehen Sie das als negativen Stromwert. R&S weist außerdem darauf hin, dass dies in dem Moment geschieht, in dem die extern angelegte Spannung die eingestellte Nennspannung übersteigt, und dass Zwei- und Vierquadranten-Geräte automatisch zwischen den Betriebsarten umschalten — ohne Befehl, ohne Relais, ohne Eingriff des Bedieners.

Ein stromsenkendes DC-Netzgerät ist also keine eigene Produktkategorie. Es ist dieselbe Ausgangsstufe, betrieben mit umgekehrtem Strompfeil. ActionPower formuliert denselben Gedanken über das Vorzeichen der Leistung: P = V × I, Quelle bei positivem P, Senke bei negativem P.

Die vier Quadranten, in einfachen Worten

Der Powerpedia-Eintrag von ActionPower spannt die Ebene mit der Spannung auf der einen und dem Strom auf der anderen Achse auf. So ist sie zu lesen:

• QI — positive U, positiver I. Vorwärtsbetrieb als Quelle. Ein herkömmliches unipolares Netzgerät verlässt diesen Bereich nie.
• QII — negative U, positiver I. Senke. Die Leistung ist negativ; das Gerät nimmt Energie bei umgekehrter Spannungspolarität auf.
• QIII — negative U, negativer I. Rückwärtsbetrieb als Quelle. Energie fließt weiterhin heraus, nur mit invertierter Polarität. ActionPower nennt Operationsverstärker-Versorgungen und Motortreiber-Tests als Anwendungsfall.
• QIV — positive U, negativer I. Rückspeisende Senke. Die Polarität bleibt positiv, der Strom kehrt um. Hier landen das Laden Ihrer Batterie und die Bremsenergie des Wechselrichters.

Und nun der Punkt, den Einkäufer übersehen. Anwendungen in Batterie-, E-Fahrzeug- und Netztechnik brauchen nur QI und QIV. Der Prüfling wechselt nie die Polarität — ein 400-V-Pack liegt bei +400 V, ob Sie es laden oder entladen. Das Gerät, das Sie wollen, ist also eine zweiquadrantige bidirektionale DC-Quelle und -Senke, und wer für QII und QIII bezahlt, kauft Hardware, die sein Prüfplan nie ansteuern wird.

Zweiquadranten- vs. Vierquadranten-Netzgerät: wann Polaritätsumkehr wirklich nötig ist

Die Frage Zweiquadranten- vs. Vierquadranten-Netzgerät hat eine kurze Antwort: Spezifizieren Sie Vierquadranten nur dann, wenn an den Klemmen Ihres Prüflings tatsächlich negative Spannung auftritt. In fünfzehn Jahren Angebotserstellung sehen wir drei Fälle, die das erfüllen.

1. Bipolare Analogtechnik — ±15-V- oder ±30-V-Versorgungen, die für Operationsverstärker und Mixed-Signal-Eingangsstufen über den 0-V-Durchgang gewobbelt werden. R&S bezeichnet dies als bipolares Netzgerät im Betrieb in Quadrant 1 und 3.
2. Motor- und Spulenansteuerung, bei der die Wicklung aus einem einzigen Klemmenpaar in beide Richtungen angesteuert wird und der Bremsstrom unter umgekehrter Polarität zurückfließt.
3. Verpolungs-Missbrauchstests — das bewusste Anlegen negativer Spannung an ein Batteriemanagementsystem oder einen Ladegeräteeingang, um das Ansprechen der Schutzfunktion nachzuweisen.

Alles andere ist Zweiquadrantenbetrieb. Wenn Sie ein 800-V-EV-Pack, einen 1500-V-Stringwechselrichter oder ein PCS prüfen, deckt ein auf positive Polarität festgelegtes Quelle-Senke-System das gesamte Profil ab. Nehmen Sie den vierten Quadranten nur auf Basis von Belegen hinzu — nicht, weil sich das Datenblatt damit besser anhört.

Ausgangsimpedanz — die Spezifikation, die dazugehört

R&S weist auf eine verwandte Fähigkeit hin, nach der zu fragen sich lohnt: die einstellbare Ausgangsimpedanz. Reale Batterien erhöhen ihren Innenwiderstand beim Entladen, und ein Netzgerät mit fest nahezu null Ohm bildet diesen Spannungseinbruch nicht nach. R&S führt die Funktion bei NGL200, NGM200 und NGU201. Fragen Sie sie ausdrücklich nach, wenn Ihre programmierbare DC-Quelle und -Senke eine Zelle ersetzen und nicht nur versorgen soll.

Übergang bei Nullstrom — was wir an unseren eigenen Geräten messen

Das ist die Spezifikation, die niemand veröffentlicht und die jedes Batterielabor braucht. Der Übergang beschreibt, was der Ausgang tut, während der Strom von Laden auf Entladen durch null geht. Unsere Werte, an den Klemmen mit einer 500-kHz-Stromzange gemessen:

• Übergangszeit Laden → Entladen: < 2 ms bei Vollausschlagsstrom, typisch 1,2 ms in der 750-V-Klasse.
• Totband bei Nullstrom: keines. Die Regelung ist durch 0 A hindurch kontinuierlich; es gibt kein ±1-%-Fenster, in dem der Regelkreis aussetzt.
• Relaisschaltungen: keine im Leistungspfad. Der Übergang wird vom Regelkreis des Wandlers bewältigt, nicht von Schützen. Ausgangsrelais dienen ausschließlich der Trennung beim Abschalten, sodass der Übergang keine mechanische Lebensdauer verbraucht.
• Rückspeisewirkungsgrad ins Netz: 93–95 %, gemessen bei 50–100 % Last, abfallend auf etwa 88 % unterhalb von 20 % Last.
• Zweiquadrantenbetrieb über das gesamte Programm: alle Klassen von 360 V bis 2250 V sind Zweiquadranten-Quelle/Senke. Keine ist vierquadrantig; wir bieten in diesem Bereich keine Polaritätsumkehr an.

Die Spannungserholung am Sprung liegt bei 200 A unter 1 % des Sollwerts und stellt sich innerhalb von 5 ms ein. Diese Werte wiegen bei den meisten Batterie-Angeboten, die wir bearbeiten, schwerer als die Spitzenleistung.

Ein Praxisfall, in dem ein Totband zubeißt

Ein Kunde betrieb ein 100-Ah-LFP-Modul an einem Wettbewerbsschrank mit einem Totband von ±0,5 A. Das Profil war eine CC-Stufe: Laden mit 50 A, dann Entladen mit 50 A ohne Pause. Innerhalb des Totbands lief der Regelkreis rund 40 ms im Leerlauf. Das Pack lag auf Leerlaufspannung, während der Coulomb-Zähler weiter integrierte, sodass jeder Zyklus rund 0,5 mAh Phantomladung protokollierte. Über 600 Zyklen driftete die Kapazitätsverlustkurve um 1,8 % — genug, um eine interne Abnahmegrenze zu reißen, bei der es in Wahrheit nie um die Zellen ging. Ein kontinuierlicher Übergang hat das beseitigt.

Was in die Spezifikation gehört

Vier Zeilen klären das mit jedem Anbieter. Verlangen Sie sie schriftlich, nicht am Telefon.

1. „Zweiquadrantig (QI/QIV) oder vierquadrantig (QI–QIV)?“ — erzwingen Sie die Quadrantennummern, nicht das Wort bidirektional.
2. „Totband bei 0 A, in Ampere oder % vom Vollausschlag?“ — eine Zahl, oder eine schriftliche Erklärung, dass die Regelung kontinuierlich ist.
3. „Übergangszeit Laden auf Entladen, bei welchem Strom?“
4. „Relais oder Schütze im Leistungspfad während des Übergangs — ja oder nein?“

Beantwortet ein Anbieter die erste Frage mit „bidirektional“, haben Sie nichts erfahren. Das Wort deckt beide Architekturen ab. Unsere Datenblätter und Downloads nennen das Quadrantenpaar für jede Klasse ausdrücklich.

FAQ

Ist ein bidirektionales Netzgerät dasselbe wie ein Vierquadranten-Netzgerät?

Nein. Bidirektional beschreibt die Stromrichtung. Vierquadrantig kommt die Umkehr der Spannungspolarität hinzu. Die meisten bidirektionalen Geräte, einschließlich jeder von uns gebauten Klasse von 360 V bis 2250 V, sind zweiquadrantig.

Wie bestätige ich, dass das Gerät als Senke arbeitet?

Lesen Sie das Vorzeichen des Stroms ab. Laut R&S erscheint Strom, der in die positive Klemme fließt, als negativer Messwert. Legen Sie eine externe Spannung oberhalb des Sollwerts an, und die Anzeige wird von selbst negativ.

Spielt ein Totband immer eine Rolle?

Nur dort, wo das Profil unter geschlossener Regelung durch null geht — Batteriezyklisierung, Fahrzyklus-Nachfahren, HIL. Bei einer gleichmäßigen Entladung oder einer gleichmäßigen Ladung ohne Richtungswechsel tritt es nie in Erscheinung.

Brauche ich für Motorantriebs-Tests vier Quadranten?

Am DC-Zwischenkreis in der Regel nicht. Der Zwischenkreis bleibt positiv; rekuperatives Bremsen führt den Strom in QIV zurück. Vier Quadranten brauchen Sie nur, wenn an den Klemmen des Prüflings selbst negative Spannung auftritt.

So bringen Sie die Begriffe in Ihre Bestellung

Klären Sie die Begriffe, bevor Sie Preise vergleichen. Quelle und Senke beschreiben die Stromrichtung bei fester Polarität; Quadranten beschreiben zusätzlich die Polarität. Unser Spezifikationsglossar für bidirektionale DC-Netzgeräte ordnet jeden Begriff dem zugehörigen Quadranten zu, sodass Sie ein fremdes Datenblatt in einer Minute prüfen können. Von dort aus listet das Programm bidirektionaler und rückspeisender DC-Netzgeräte Übergangs- und Rückspeisewerte je Klasse, und fordern Sie ein Angebot an, wenn Sie die gemessene Kurve für Ihre Spannungsklasse wünschen →