Bestimmung von Strom-Spannungs-Kennlinien mit dem Oszilloskop

Ihre Anforderung

Fehlerhafte Bauteile lassen sich schnell durch die Analyse ihrer Strom-Spannungs-Kennlinien identifizieren. Diese Aufgabe erfüllt ein Komponententester besonders komfortabel. Er ermöglicht das schnelle Testen von Kondensatoren, Widerständen, Transistoren, Thyristoren, Induktivitäten, Zener- und anderen Dioden und daraus resultierenden Schaltungen wie beispielsweise Gleichrichter. Allerdings ist ein Komponententester oft nicht ohne weiteres verfügbar.

Messtechnische Lösung

Die R&S^®RTC1000 Oszilloskope verfügen über einen integrierten Komponententester. Er besteht aus einem Signalgenerator, der ein 50-Hz- oder 200-Hz-Sinussignal mit definierter Amplitude (max. 9 V) und begrenzter Stromstärke (max. 10 mA) für das Messobjekt bereitstellt. In diesem Modus digitalisieren die Oszilloskope über den A/D-Wandler die Signale, die durch das Bauteil beeinflusst werden, und stellen den Stromverlauf über der Spannung dar.

Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip lässt sich leicht am Beispiel eines linearen passiven Bauteils darstellen. Abb. 1 zeigt die I-U-Kennlinie eines 2,1-kΩ-Widerstands, der am Komponententester angeschlossen ist. Das lineare Verhalten des Bauteils ist leicht zu erkennen. Die Stromstärke wächst linear mit steigender Spannung. Beispielsweise beträgt die Stromstärke ca. 2 mA bei einer Spannung von 4 V. Gemäß dem Ohmschen Gesetz liegt der Widerstandswert dann bei ca. 2 kΩ.

Der lineare Zusammenhang zwischen Stromstärke und Spannung mit einem realen Widerstandswert lässt sich mit Hilfe eines zweiten Widerstands überprüfen. Abb. 2 zeigt die I-U-Kennlinie eines weiteren Bauteils, das an den Komponententester angeschlossen ist. Die größere Steigung der Kennlinie bedeutet, dass mehr Strom bei gleicher Spannung fließt als mit dem 2,1-kΩ-Widerstand. Gemäß dem Ohmschen Gesetz ist der Widerstandswert des zweiten Bauteils geringer. Die Stromstärke bei 0,9 V beträgt etwa 8 mA. Dies ergibt einen Widerstandswert von ca. 110 Ω. Der Komponententester der R&S®RTC1000 Oszilloskope kann auch die Kennlinien von nichtlinearen passiven Bauteilen wie Kondensatoren darstellen. Abb. 3 zeigt einen 0,1-μF-Kondensator, der an den Tester angeschlossen ist und zunächst mit einem 50-Hz-Signal angeregt wird. Die Nichtlinearität ist leicht an der elliptischen Form der resultierenden Kennlinie erkennbar.

Die Frequenzabhängigkeit der I-U-Kennlinie lässt sich demonstrieren, indem man die Stimulusfrequenz auf 200 Hz ändert. Der Blindwiderstand des Kondensators lässt sich mit folgender Formel berechnen:

Das bedeutet, dass bei konstanter Kapazität der Blindwiderstand mit ansteigender Frequenz fällt. Abb. 4 zeigt die Kennlinie, die sich bei Anregung des 0,1-μF-Kondensators mit einem 200-Hz-Signal ergibt. Die deutlich schmalere Ellipse entspricht der Formel für die Berechnung des Kondensator-Blindwiderstands.

Der Komponententester kann außerdem die quasistatischen Kennlinien aktiver Bauteile wie Dioden darstellen. Unter statischen Bedingungen beginnt eine einfache Siliziumdiode bei einer Spannung von ca. 0,4 V in Durchlassrichtung zu übertragen. Abb. 5 zeigt dieses typische Verhalten. Oberhalb einer Spannung von etwa 0,5 V steigt der Strom sehr schnell an.

Die Strom-Spannungs-Kennlinien komplexer Bauteile wie Zener-Dioden lassen sich ebenfalls mit dem Komponententester des R&S®RTC1000 (siehe Abb. 6) darstellen und analysieren.

Abb. 1: I-U-Kennlinie eines 2,1-kΩ-Widerstands

Abb. 2: I-U-Kennlinie eines 110-Ω-Widerstands

Abb. 3: I-U-Kennlinie eines 0,1-μF-Kondensators bei Anregung mit einem 50-Hz-Signal

Abb. 4: I-U-Kennlinie des in Abb. 3 gezeigten 0,1-μF-Kondensators, aber bei Anregung mit einem 200-Hz-Signal

Abb. 5: I-U-Kennlinie einer Si-Diode

Abb. 6: Kennlinie einer Zenerdiode mit ca. 5 V Durchbruchspannung

Fazit

Komponententester erleichtern es Anwendern wie Entwicklern oder Studenten, die Signaleigenschaften aktiver und passiver Bauteile zu analysieren. Entwickler können schnell die Funktionsfähigkeit eines Bauteils prüfen, während Studenten ihr theoretisches Wissen in der Praxis anwenden und verifizieren können.

Mit dem integrierten Komponententester sind die R&S^®RTC1000 Oszilloskope universell im Entwicklungs- und Bildungsumfeld einsetzbar. Sie bieten acht vollwertige digitale Eingänge, optionale Trigger- und Decodierfunktionen für bis zu fünf serielle Bustypen, umfangreiche Messfunktionen und eine leistungsstarke FFT-Funktion.