Was du über den Aufbau eines Oszilloskops wissen musst

Das Oszilloskop ist ein Messinstrument, welches den Verlauf einer elektrischen Spannung als Funktion der Zeit in Echtzeit wiedergibt. Die Wiedergabe erfolgt in einer zweidimensionalen Darstellung in Form eines Oszillogramms, wobei die Achsen den Wert der Spannung und der Zeit annehmen.

Aus welchen Bestandteilen besteht ein Oszilloskop?

Wie schon gesagt: das Oszilloskop dient zur Darstellung einer elektrische Spannungen über die Zeit. Welche Bauteile dazu nötig sind, wird in folgendem Absatz erläutert.

Ein Oszilloskop basiert technisch auf einer Braunschen Röhre (oder auch Brownsche Röhre bzw. Kathodenstrahlröhre genannt). Einigen dürfte der Name noch aus dem Physikunterricht ein Begriff sein. Wir klären in diesem Absatz die wichtigsten Bestandteile eines Oszilloskopes.
Die Braunsche Röhre ist eine Elektronenstrahlröhre mit einem sichtbar gemachten Elektronenstrahl zur zeitlichen Abbildung des Spannungsverlaufs. Der Aufbau ist wie folgt:

Braunsche Röhre

Die Braunsche Röhre lenkt dank elektromagnetischer Felder die Elektronen so ab, dass sie auf unterschiedlich auf die Leuchtschicht fallen. Quelle: Wikipedia

  • Kathode: Eine beheizte Kathode (mit Spannungen zwischen -200 bis -800 Volt) sendet die Elektronen aus. Diese wandern durch Anziehung zur gegenüberliegenden Anode.
  • Anode: Die Anode liegt der Kathode gegenüber und steuert die Geschwindigkeit der Elektronen (bei anliegenden Spannungen zwischen von +100 bis +200 Volt). Dabei ist deren Geschwindigkeit derart hoch, dass die Elektronen einfach durch die Anode hindurchfliegen.
  • Elektronenoptik / Bündelungsspulen: Die Elektronenoptik beeinflusst die Ablenkung der Elektronen im elektrischen Feld. Somit kannst du die Bündelung der Elektronen im Oszilloskop steuern. Stärker gebündelte und fokussierte Elektronen erscheinen auf der Leuchtschicht als klarerer und schärferer Punkt.
  • Wehneltzylinder: Dank des Wehneltzylinders steuerst du die Intensität und somit die Helligkeit des Leuchtpunktes auf dem vorderen Bildschirm – der so genannten Leuchtschicht. Die Intensität wird anhand der Geschwindigkeit und der Dichte der Elektronen beeinflusst.
  • Leuchtschicht / Leuchtschirm: Hier treffen die abgelenkten Elektronenstrahlen drauf und werden zur Messung für den Benutzer sicht- und ablesbar.
  • Der Verlaufsgraph bei einem Oszilloskop

    Durch die Ablenkung der Elektronenstrahlen entstehen die typischen Linien und Formen auf dem Leuchtschirm

    Ablenkplatten / Ablenkungsspulen: Wichtig ist zu wissen: Elektronen sind zwar die leichtesten elektrisch geladenen Elementarteilchen, haben aber dennoch eine (wenn auch sehr geringe) Masse. Dadurch ist es möglich, sie mit elektromagnetischen Feldern oder Gravitationskräften in ihrer Bahn abzulenken und gezielt zu steuern. Genau diesen physikalischen Efefkt macht sich ein Oszilloskop zunutze: das charakteristische Linienbild wird letztlich durch zwei gegenüberliegende Ablenkplatten erzeugt. Wie der Name schon sagt, lenken sie den Elektronenstrahl in mehrere Richtungen ab. Die X-Platten ermöglichen mit ihrer horizontalen Ablenkung (links und rechts) die Zeitmessung. Die Y-Platten visualisieren mit ihrer vertikalen Ablenkung (oben und unten) wiederum die Spannungsmessung. Um Messungen auch bei kleinsten Spannungsänderungen zu ermöglichen, sind die Ablenkplatten mit Verstärkern verbunden

Je nachdem in welchem geografischen Gebiet du dein Oszilloskop benutzt, werden die Elektronenstrahlen natürlich auch von dem magnetischen Feld der Erde beeinflusst. Moderne Oszilloskope haben dazu die Möglichkeit, dieser natürlichen Abweichung mit Feinjustierungseinstellungen entgegen zu wirken. Somit bekommst du immer ein unverfälschtes Messergebnis.

Also nochmal kurz: Die Braunsche Röhre gehört zum Herzstück des Oszilloskops, denn mit ihr werden die zu messenden Spannungen sichtbar. Sie besteht aus einer Elektronenstrahlröhre und einem Elektronenstrahl.Die Kathode, die sich innerhalb der Braunschen Röhre befindet, dient zur Aussendung der Elektronen. Diese Elektronen werden durch die Anode, die sich ebenfalls in der Röhre befindet, angezogen.
Der Wehneltzylinder beeinflusst die Intensität des Leuchtpunktes auf dem Bildschirm und fokussiert den antreffenden Elektronenstrahl.Anschließend sorgt die Ablenkplatte im Oszilloskop dafür, dass der Lichtstrahl zu einem zweidimensionalen Bild umgewandelt wird. Im Oszilloskop gibt es dafür zwei Platten, die die Elektronen einmal in horizontaler und in vertikaler Ebene ablenken. Dabei bezieht sich die horizontale Platte auf die Zeitmessung und die Ablenkung in die vertikale Ebene auf die Spannungsmessung. Erst jetzt wird die Spannung mithilfe einer zusätzlichen Leuchtschicht auf dem Bildschirm des Oszilloskops sichtbar.

Digitale und analoge Oszilloskop

An dieser Stelle soll kurz auf die Unterschiede zwischen analogen und digitalen Geräten eingegangen werden. Bei den analogen Oszilloskopen werden die Daten nicht digitalisiert und auch nicht gespeichert, was ein nachträgliches analysieren der Daten nicht ermöglicht. Eine verbesserte Leuchtschicht bei analogen Geräten kann dazu führen, dass das Spannungsergebnis eine Weile nachleuchtet und so der Interpretationszeitraum verlängert wird, jedoch ist eine nachträgliche Sichtung der Daten nicht mehr möglich.
Im Vergleich zu einem analogen Gerät wird bei einem elektrischen Oszilloskop die Spannung gemessen, digitalisiert und gleichzeitig gespeichert, sodass diese auch zu einem späteren Zeitpunkt einsehbar ist. Mehr zu diesem Thema findest du hier.

Welche zusätzlichen Zubehörteile gibt es?

Hochwertige Oszilloskope besitzen mehrere Anschlüsse zur Datenübertragung und -auswertung sowie Speicherkartenslots

Hochwertige Oszilloskope besitzen mehrere Anschlüsse zur Datenübertragung und -auswertung sowie Speicherkartenslots

Für die Bearbeitung und Dokumentation der Daten auf dem PC oder anderen mobilen Geräten empfiehlt sich ein Digital-Speicher-Oszilloskop. Dieses besitzt eine Schnittstelle, sodass unkomplizierte Datenübertragung zwischen dem Gerät und dem Laptop/PC möglich sind. Diese Entwicklung wird auch durch das Programmieren von speziellen Apps gestärkt, sodass Datenübertragungen von primären Geräten noch schneller und effizienter zur Verfügung stehen sollen.
Hangheld-Oszillatoren dienen für die mobile Bearbeitung außerhalb des Physikraums. Diese bestehen aus leistungsfähigen Akkumulatoren, die einen langen Einsatz im Gelände ermöglichen.
Neben diesen Geräten, gibt es für Oszillatoren zusätzliche Adapter, Stromzangen, Klemmhaken und Tastköpfe – dabei unterscheiden sich die Preise je nach Ausführung.