Diese Themen erwarten dich in den folgenden Kapiteln:
Probes, Prüflinge, Tastköpfe – Das zeichnet sie aus!
Bei dem Umgang mit einem Oszilloskop spielen die sogenannten Tastköpfe eine wichtige Rolle für verlässliche Messungen. Es existieren mehrere Bezeichnungen für diese Tastteiler. So findest du oftmals die Bezeichnung Probe oder sogar Prüfling im Netz. Alle meinen für gewöhnlich aber denselben Gegenstand. Der Tastkopf wird meistens mit dem Oszilloskop geliefert und beim Kauf eines Oszilloskops sollte entsprechend ein Augenmerk auf die beigefügten Tastköpfe gelegt werden.
Ein Tastkopf verbindet das Oszilloskop elektrisch und physisch mit der Signalquelle. Er leitet das Signal vom Prüfgegenstand zum Oszilloskop weiter und macht es damit sicht- und auswertbar.
Jedoch belastet er auch die Messung, da das Signal mehr oder weniger verzerrt wird. Daraus ergeben sich für dich unterschiedliche Anforderungen an einen Tastkopf:
- Ein Tastkopf soll eine zuverlässige sichere Verbindungsqualität gewährleisten
- Ein Tastkopf soll nicht dämpfen
- Ein Tastkopf soll das erfasste Signal nicht verzerren
- Ein Tastkopf soll Störungen aus Umfeld dem Umfeld bestmöglich ignorieren
- Ein Tastkopf soll einen linearer Phasenverlauf ermöglichen
- Ein Tastkopf soll die Signalquelle nicht belasten
Welche Arten von Tastköpfen gibt es?
Grundsätzlich gibt es zwei Sorten von Tastköpfen: Aktive und passive. Die Unterscheidung erfolgt vor allem aufgrund der Art der Stromzufuhr. Bei aktiven Probes benötigst du eine externe Stromquelle. Passive Probes funktionieren hingegen mithilfe des Oszilloskops und benötigen keine externe Quelle. Der Grund für die unterschiedliche Stromzufuhr liegt im jeweiligen Anwendungsbereich und hängt mit der Bandbreite der Tastköpfe zusammen. Abgesehen davon gibt es Strom-Tastköpfe, Hochspannungstastköpfe, Demodulatortastköpfe, Transmission-Line Tastköpfe und differenzielle Tastköpfe. Wir stellen im Folgenden die verschiedenen Arten von Tastköpfen mal genauer vor:
Passive Tastköpfe
Passive Tastköpfe kommen – wie gesagt – ohne Stromzufuhr aus und sind kostengünstiger als aktive. Dafür musst du sie kompensieren (siehe weiter unten). Hier gibt es verschiedene Arten von Tastköpfen:
Passiver 1:1 Tastkopf
Bietet beste Empfindlichkeit im mV-Bereich
| Bandbreite: | 10-25MHz |
| DC-Impedanz: | 1MOhm |
| Kapazität: | 80-100pF |
Passiver 1:10 Tastkopf
Dieser Tastkopf deckt einen großen Spannungsbereich (bis 250 Volt) ab und ist mechanisch und elektrisch sehr robust. Er verfügt über eine höhere Eingangsimpedanz und niedrigere Kapazität als der 1:1 Tastkopf.
| Bandbreite: | 100-1000MHz |
| DC-Impedanz: | 10MOhm (durch den 1:10 Teilungsfaktor) |
| Kapazität: | 7-15pF |
Passiver Hochspannungstastkopf
Hochspannungstastköpfe bieten die beste Empfindlichkeit im kV-Bereich. Man unterscheidet zwischen 4 Kategorien, die durch dein Einsatzgebiet bestimmt werden:
CAT1: Schaltungen die nicht direkt am Netz hängen zB. Batterie, externe Netzteile
CAT2: normale Hausstrom mit Schutzstecker
CAT3: Hausnetz: verlegt leitungen
CAT4: Hochspannungsbereich
| Bandbreite: | 25-400MHz |
| DC-Impedanz: | 50-100MOhm (durch hohen Teilungsfaktor) |
| Kapazität: | 3-7pF |
Differentieller Hochspannungstastkopf
Differentieller Hochspannungstastköpfe messen Potentialunterschiede im unteren kV-Bereich
Aktive Tastköpfe
Aktive Tastköpfe arbeiten mit 50 Ohm Bandbreite (das macht sie unempfindlicher gegen äußere Störquellen). Sie beinhalten einen Verstärker, benötigen dafür aber auch eine eigene Stromversorgung. Wir haben dir alle Vor- und Nachteile aufgelistet:
Vorteile:
- Geringstmögliche Belastung der Quelle und des Signals bei größtmöglicher Bandbreite
- Feine vertikale Auflösungen am Oszilloskop möglich, da Offset im Tastkopf eingestellt werden kann
- Automatische Erkennung – keine Kompensierung notwendig
Nachteile:
- aktive Tastköpfe kosten mehr als passive
- Durch den Verstärker besitzen aktive Tastköpfe nur einen begrenzten Eingangspannungsbereich
- Die DC-Impedanz ist niedriger als zB. bei einem passiven 10:1 Tastkopf
Folgende Arten von Tastköpfen gibt es:
Aktiver massebezogener Tastkopf
Wie der Name schon sagt, werden diese an die Masse angeschlossen. Sie garantieren niedrige Belastung der Schaltung bei hoher Bandbreite.
Aktiver differentieller Tastkopf
Differentielle Tastköpfe eignen sich für Messungen an differentiellen Signalen mit hoher Bandbreite aber auch für Messungen an Signalen ohne Massebezug (zB. an der Sekundärseite von einem Trafo). Wir empfehlen dir diese Art von Tastköpfen auch um qualitativ schlechter Masse (mit Einstreuungen) entgegenzuwirken.
Stromzangen
Bei Stromzangen handelt es sich um Klemmen zur Messung des maximalen Stroms – ohne Eingriff in die Schaltung
Störende Faktoren bei Tastköpfen
- Resonanzeffekte
- Belastungen der Schaltung
- resistive, ohmsche Belastung (durch unterschiedliche Eingangswiderstände)
- kapazitative Belastungen (durch Eingangskapazität vom Tastkopf. Anstiegszeit der Signale flacht ab)
- Induktive Belastung (durch Leitungsglängen verursacht, insbesondere Masseleitung)
- Je länger die Anschlussleitung desto größer die Induktivität (verringert Resonanzfrequenz)
- Filtereffekte (durch begrenzte Bandbreite von Tastkopf und Oszilloskop)
- Qualität der Masse (hier zu differentiellen Tastköpfen greifen)
Kurze Zusammenfassung: Aktive Tastköpfe sind teurer, benötigen eine eigene Stromquelle und eignen sich insbesondere für hochfrequente Signalmessungen. Ein aktiver Tastkopf stellt Signale wesentlich genauer dar als passive Probes, wenn das Oszilloskop eine Bandbreite von über 500 Megahertz aufweist. Dabei kann der aktive Tastkopf das schnelle Messsignal besser und präziser erfassen. Passive Tastköpfe sind günstiger und dagegen besser geeignet, um alltägliche Signale zu messen oder Fehler ausfindig zu machen.
Die richtigen Tastköpfe kaufen – Darauf solltest du achten!
- Die Verbindungslänge von Tastkopf zum Messobjekt beeinflusst signifikant die Bandbreite des Tastkopfes. Das bedeutet, je mehr Hilfsteile angeschlossen sind, umso mehr Bandbreite verlierst du. Zudem beeinflusst die Kabellänge die Signallaufzeit. Die Herstellerangaben beziehen sich auf ideale Bedingungen, also einer möglichst kurzen Verbindung zum Messobjekt.
- Zusätzlich ist die Eingangsimpedanz (Eingangswiderstand) nicht konstant und sinkt mit steigender Frequenz. Das bedeutet im Umkehrschluss: Hohe Frequenzen verwandeln deinen passiven Tastkopf in einen hohen Widerstand. Manche Schaltungen akzeptieren das, es kann aber genauso vorkommen, dass das Signal aufgrund dieses Widerstandes abgegriffen und somit verfälscht wird.
- Ein weiterer bedeutsamer Punkt stellen Reflexionen auf der Messleitung dar. Die Signalreflektion gilt es zu vermeiden oder zumindest gering zu halten. Ein Wellenwiderstand schließt daher die Leitung möglichst ab. Andernfalls beeinflusst die Reflexion der Welle die Eingangsimpedanz der Leitung. Ein anderer Anwendungsfall, in dem Reflexionen und Echos unbedingt vermieden gehören, sind zum Beispiel bidirektionale Datenkabel (vgl. USB).
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