Typen von Oszilloskop-Tastköpfen

Bevor Sie mit einem passiven Tastkopf messen, sollten Sie eine Kompensation durchführen. Bei dieser Tastkopfkompensation handelt es sich um ein Kalibrierverfahren, mit dem das Verhältnis der Kapazitäten innerhalb des Tastkopfs und des Oszilloskop-Eingangs abgestimmt wird. Erfolgt keine Kompensation, drohen Messungenauigkeiten, die sich auf Parameter wie Amplitude und Pulsform auswirken können. Daher ist es unerlässlich, eine Tastkopfkompensation vorzunehmen, wenn eine Kombination aus Tastkopf und Oszilloskop erstmalig verwendet wird oder kritische Messungen anstehen.

Glücklicherweise ist das Kompensationsverfahren unkompliziert:

• Verbinden Sie den Tastkopf mit dem integrierten Kompensationssignal des Oszilloskops sowie Masse.
• Passen Sie den Kompensationskondensator an, bis das Signal eine rechteckige Wellenform annimmt.

Dadurch wird sichergestellt, dass der Tastkopf die Eigenschaften des Eingangssignals genau wiedergibt, sodass präzise und zuverlässige Messungen möglich sind.

Sie möchten mehr erfahren? Dann werfen Sie einen Blick in die weiterführenden Artikel Passive Oszilloskop-Tastköpfe verstehen und Tastkopfkompensation verstehen.

Aktive Tastköpfe – massebezogene FET-Tastköpfe

Wie der Name schon sagt, enthält ein aktiver Tastkopf aktive, also mit Strom versorgte, Komponenten in der Prüfspitze. Die aktive Komponente ist in der Regel ein Feldeffekttransistor (FET). Ein entscheidender Vorteil aktiver Tastköpfe ist eine minimale Belastung des Messpunkts über einen weiten Frequenzbereich – dank der geringen Eingangskapazität, die sich in einer hohen Eingangsimpedanz niederschlägt. So können genaue Messungen durchgeführt werden, ohne die beobachtete Schaltung stark zu beeinflussen.

Darüber hinaus bieten aktive Tastköpfe einen hohen Eingangsoffset. Mit anderen Worten kann ein aktiver Tastkopf Signale verarbeiten, die nicht um null Volt zentriert sind. Diese Funktion ist praktisch, wenn Sie mit Signalen arbeiten, die einen Gleichstrom-(DC)-Anteil enthalten oder gegen Null versetzt sein könnten.

Aktive Tastköpfe sind meistens mit einem proprietären Anschluss ausgestattet, der es einem Oszilloskop erlaubt, den Tastkopf automatisch zu erkennen und zu kalibrieren. Die Stromversorgung kann über diese Spezialschnittstelle oder extern erfolgen. Beachten Sie, dass die meisten aktiven Tastköpfe die Einstellung eines 50 Ohm-Abschlusswiderstands am Oszilloskopkanal erfordern.

Differenzielle Oszilloskop-Tastköpfe

Differenzielle Tastköpfe dienen zur Messung der Spannungsdifferenz zwischen zwei Punkten einer Schaltung. Sie verfügen über zwei Eingänge, die mit verschiedenen Punkten der Schaltung verbunden werden können. Ein Massebezug wird an keinem der beiden Punkte benötigt. Mit einem internen Differenzverstärker erzeugen diese Tastköpfe eine Ausgangsspannung, die der Differenz zwischen den ausgewählten Messpunkten entspricht und oft mit einem benutzerdefinierten Teilerverhältnis skaliert werden kann.

Ein wichtiges Merkmal von differenziellen Tastköpfen ist ihre Störfestigkeit gegenüber Gleichtaktsignalen, also Signalen, die gleichzeitig an beiden Messpunkten anliegen. Dadurch eignen sie sich hervorragend zum Messen schwacher Signale in verrauschter Umgebung. Sie können auch für massebezogene Messungen verwendet werden, indem einfach eine der Leitungen mit Masse verbunden wird.

Stromzangen

Alle bisher besprochenen Tastköpfe – passive, aktive und differenzielle – erzeugen eine Spannung am Oszilloskop-Eingang. Dies erklärt sich aus dem Umstand, dass Oszilloskope die Spannung als Funktion der Zeit messen. Wie aber lässt sich die Stromstärke messen? Hierfür muss eine Spannung erzeugt werden, die konsistent und berechenbar einem Strom entspricht. Mit anderen Worten muss eine gemessene Spannung in einen Stromwert „konvertiert“ werden. Beispielsweise könnte 1 V am Oszilloskop-Eingang bedeuten, dass der gemessene Strom 1 A beträgt.

Eine Stromzange übernimmt diese Umwandlung. Sie erfasst das elektromagnetische Feld, das von dem durch den Leiter fließenden Strom erzeugt wird, und wandelt diesen mit Hilfe des bekannten Volt/Ampere-Werts in Spannung um. Solche Stromzangen werden um den stromführenden Leiter herum positioniert oder „geklemmt“. Eine Pfeilmarkierung gibt dabei die Richtung des Stromflusses an.

Die meisten Stromzangen sind aktive Geräte, das heißt, sie benötigen eine externe Stromquelle zum Betrieb. Während alle Stromzangen Wechselströme erfassen und messen können, sind manche auch in der Lage, Gleichstrom zu messen. Wechselstrommessungen basieren auf einem Stromwandler. Bei Gleichstrommessungen – oder Wechselstrommessungen mit sehr niedriger Frequenz – wird dagegen ein Hall-Effekt-Sensor eingesetzt.

Normale Stromzangen können meist keine großen Ströme verarbeiten. Hier kommen die Hochstromzangen ins Spiel. Diese Tastköpfe zeichnen sich durch eine spezielle Struktur aus, die es ihnen ermöglicht, hohe Ströme mit geringem Widerstand zu messen. Sie verwenden häufig spezielle Sensoren, um das durch den Stromfluss erzeugte Magnetfeld zu messen. Dies ermöglicht eine berührungslose Messung, was beim Umgang mit hohen Strömen von größer Bedeutung ist. Darüber hinaus bieten Hochstromzangen im Allgemeinen eine höhere Genauigkeit und Auflösung als gewöhnliche Stromzangen. Dies ist notwendig für Anwendungen wie Leistungselektronik und Energiesysteme, wo kleine Änderungen des Stroms erhebliche Auswirkungen haben können.

Stromzangen werden häufig für Leistungsmessungen verwendet, bei denen sowohl die Spannung als auch der Strom benötigt werden. In manchen Fällen können Probleme wie zeitliche Abweichungen oder „Skew“ aufgrund von Laufzeitdifferenzen innerhalb der Tastkopfleitungen entstehen. Solche Abweichungen können zu ungenauen Leistungsmessergebnissen führen.

Laufzeitkalibriereinheiten schaffen hier Abhilfe. Sie dienen als Spezialwerkzeuge zum Erkennen und Ausgleichen von Laufzeitdifferenzen. Diese Einheiten erzeugen zeitlich abgestimmte Spannungs- und Stromimpulse, die gleichzeitig von einer Stromzange und einem Spannungstastkopf gemessen werden. Wenn die Testwellenformen einen Offset zeigen, kann ein geeigneter Korrekturwert am Oszilloskop eingegeben werden. Diese Korrektur stellt sicher, dass die Strom- und Spannungswellenformen wieder in Phase gebracht werden, wodurch die Auswirkung des Offsets auf nachfolgende Messungen reduziert und die Genauigkeit der Leistungsberechnung sichergestellt wird.