Oszilloskopsonden

Bas

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Zuletzt aktualisiert: 8. Dez 2022

Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Arten von Sonden für das Oszilloskop sowie einige Sicherheitsvorkehrungen, die bei der Verwendung zu beachten sind.

Passive Sonde

Der am häufigsten verwendete Sondentyp ist die passive Sonde. Beim Kauf eines Oszilloskops ist oft für jeden Kanal eine solche Sonde enthalten.

Der Sondenkopf besteht aus einer Erdungsklemme und eine Kappe, in der sich ein einziehbarer Haken befindet. Wenn Sie die Kappe zurückziehen, können Sie die Sonde an einen Stift oder ein Stück blanken Draht anschließen, um sie zu messen. Falls gewünscht, kann die Kappe mit dem Haken ganz entfernt werden, sodass Sie direkt mit der Spitze der Sonde messen können.

Für die meisten grundlegenden Messungen sind diese Sonden ausreichend. Bei der Arbeit mit empfindlichen Schaltkreisen, hohen Spannungen oder hohen Frequenzen sind jedoch einige Einschränkungen zu beachten. Außerdem kann diese Sonde nur Spannung, aber keinen Strom messen.

Die angegebenen Spannungen, für die die Sonde ausgelegt ist, gelten nur für Gleichspannung. Bei höheren Frequenzen nimmt die maximal zulässige Spannung ab. Sie finden diese Kurve in der Bedienungsanleitung der Sonde.

Eine passive Sonde. Links: Erdungsklemme, rechts: BNC-Anschluss

Bandbreite und Skalierung

Um weniger elektromagnetische Störungen aufzunehmen, besteht die passive Sonde – im Gegensatz zu Multimetersonden – aus einem Koaxialkabel. Als Nebeneffekt verleiht dies dem Kabel eine zusätzliche Kapazität, die die höchste von der Sonde messbare Frequenz begrenzt. Es ist daher wichtig, auf die Bandbreite der Sonde zu achten. Diese Information wird deshalb immer in der Produktbeschreibung angegeben.

Fast alle Sonden verfügen über einen Skalenfaktorschalter, mit dem das gemessene Signal um den Faktor 10 abgeschwächt werden kann. Einige Sonden können das Signal bis auf Faktor 100 abschwächen. Dies ist nützlich, wenn der Bereich des Oszilloskops für die Messung nicht ausreicht, oder die Last des Oszilloskops reduziert werden soll. DUT. Die Sonde und das Oszilloskop haben in Zusammenwirkung eine nicht zu vernachlässigende Impedanz, die die Messung in bestimmten Fällen erheblich beeinflussen kann.

Die Einstellung eines Skalierungsfaktors kann jedoch das Bild des gemessenen Signals beeinträchtigen, wenn die Eingangskapazität der Sonde nicht richtig angepasst ist. Deshalb haben Oszilloskope an der Vorderseite eine Prüfklemme, an der ein Prüfsignal in Form einer Rechteckwelle erzeugt wird. Durch die Messung dieses Signals mit der Sonde vor der eigentlichen Messung kann die Eingangskapazität der Sonde mit dem mitgelieferten Kunststoffschraubendreher richtig eingestellt werden, sodass das gemessene Signal wie eine ordentliche Rechteckwelle aussieht.

Nachdem ein Skalierungsfaktor angewandt wurde, kann das Oszilloskop die Werte zurückskalieren, indem es den verwendeten Skalierungsfaktor im Menü des verwendeten Kanals angibt.

Erdungsklemme

Die Erdungsklemme dient als Referenzpunkt für das gemessene Signal. Dieses Kabel wird kurzgehalten, um die Bildung einer Schleife zu verhindern, in der sich ein Rauschen durch die Aufnahme elektromagnetischer Signale aus der Umgebung ansammelt. Je kleiner diese Schleife ist bzw. je näher der Boden an der Spitze der Sonde liegt, desto weniger Störungen werden aufgenommen.

Die Masse eines beliebigen Kanals ist gleich der Masse aller anderen Kanäle. Dies bedeutet, dass es möglich ist, ein Signal mit der Spitze einer Sonde zu messen, dass auf die Erdungsklemme einer zweiten Sonde bezogen wird. Um Kurzschlüsse zu vermeiden, ist daher darauf zu achten, dass die Erdungsklemmen immer an das gleiche Potenzial angeschlossen werden.

Außerdem sind die Masseverbindungen nicht nur untereinander, sondern auch mit der Netzmasse des Oszilloskops verbunden. Alles, was mit einer Erdungsklemme berührt wird, ist implizit mit dem Schutzleiter geerdet. Dadurch besteht die Gefahr, dass Stromkreise durch eine unbeabsichtigte Masseschleife versehentlich kurzgeschlossen werden.

Wenn zwischen zwei verschiedenen Punkten gemessen werden soll (z. B. zwischen den Netzphasen oder zwischen zwei beliebigen Punkten in einer Verstärkerschaltung), gibt es verschiedene Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen:

• Man könnte die Masseleitung des Netzsteckers des Oszilloskops abkleben. Dies ist nicht nur unpraktisch, sondern auch besonders gefährlich, da die Erde (und damit auch das Gehäuse) hohen Spannungen ausgesetzt sein kann.
• Man könnte zwei Sonden verwenden, die beide zur Masse (Erde) referenziert sind. Indem Sie die Differenz der beiden Kanäle mit der Funktion MATH digital erfassen, können Sie Ihre Sonden als einfache Differenzsonden verwenden. Diese Methode kann verwendet werden, aber nicht alle Oszilloskope verfügen über die Funktion MATH. Außerdem müssen bei dieser Methode zwei Kanälen gleichzeitig genutzt werden, wodurch die maximale Anzahl von Kanälen auf billigeren DSO bereits erreicht ist.Für die Sondierung am Netz ist diese Methode ebenso wenig geeignet.
• Dabei wird eine Differentialsonde verwendet, die speziell für diesen Zweck entwickelt wurde. Nähere Informationen zu dieser Sonde finden Sie weiter unten.

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Aktive Sonde

Aktive Sonden sind preislich wesentlich höher angesiedelt und finden sich in der Regel im Segment der schnelleren Oszilloskope (ab etwa 1 GHz). Aktive Sonden haben eine viel geringere Kapazität, sodass die Bandbreite im Vergleich zu passiven Sonden wesentlich höher ist. Eine aktive Sondeübt im Vergleich zu einer passiven Sonde eine geringere Last auf den Prüfling aus, was für die Messung sehr empfindlicher Schaltungen nützlich ist.

Eine aktive Sonde mit verschiedenen Sondenanschlüssen.

Da eine aktive Sonde über aktive Komponenten verfügt, muss sie extern mit Strom versorgt werden. Aktive Sonden sind jedoch eher eine Nische und werden oft in Kombination mit hochwertigeren Oszilloskopen verwendet. Die Hersteller solcher Oszilloskope stellen für ihre jeweiligen Serien oft ihre eigenen aktiven Sonden her. Der Anschluss der aktiven Sonde ist deshalb oft eine nicht genormte Mischung aus BNC mit zusätzlichen Stiften darunter, die speziell für diese Oszilloskopreihe entwickelt wurden. Diese Stifte versorgen die Sonde auch mit Strom.

Ein Nachteil der aktiven Sonden ist, dass sie um ein Vielfaches teurer sind als passive Sonden. Es handelt sich um sehr spezielle Sonden, die von Oszilloskopherstellern für ihre High-End-Serien hergestellt werden. Zudem ist ihr Spannungsbereich sehr klein, oft zwischen 5 und 30 V, weshalb sie mit äußerster Vorsicht behandelt werden müssen. Mit aktiven Sonden ist es jedoch möglich, Messungen durchzuführen, die mit passiven Sonden nicht zu bewältigen sind.

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Differentialsonde

Mit einer Differentialsonde lassen sich zwei beliebige Punkten auf gleiche Weise messen wie mit einem Multimeter. Dies ist möglich, weil die negative Sonde nicht direkt auf den Schutzleiter bezogen ist, sondern eher als Bezugspunkt für die positive Sonde dient.

Eine Differentialsonde mit verschiedenen Sondenpaaren: scharfe Spitze, Klemme und Haken. Das USB-Kabel dient als Stromkabel.

Eine Differentialsonde besteht aus zwei Sonden, die mit einem Körper verbunden sind, der wiederum über einen BNC-Anschluss mit dem Oszilloskop verbunden ist. Im Gehäuse wird die Differenz (daher die Bezeichnung „differential“) zwischen den Sondensignalen erfasst, sodass sie aus dem Gleichtakt gebracht werden. Das Gehäuse muss mit Strom versorgt werden, entweder über einen mitgelieferten Netzadapter oder bei modernen Geräten über den USB-Anschluss des Oszilloskops. Wenn die Sonde über einen Skalenschalter verfügt, befindet sich dieser auf dem Gehäuse.

Ein weit verbreiteter Irrglaube ist, dass die Differentialsonde vollständig vom Ausgang des Oszilloskops isoliert ist. Dies ist nicht der Fall. Die Gleichtaktunterdrückung ist in Bezug auf die Masse des Oszilloskops begrenzt. In der Praxis führt dies selten zu Problemen, da viele Differentialsonden Hunderte, wenn nicht Tausende von Volt Isolationsspannung liefern.

Differentialsonden sind in ihrer Bandbreite etwas eingeschränkter als passive Sonden, doch in den letzten Jahren wurde das Sortiment von Eleshop um preiswerte 100-MHz-Differentialsonden erweitert. Die größten Nachteile der Differentialsonde im Vergleich zu passiven Sonden sind die höheren Kosten und die begrenzte Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (aufgrund der langen Messkabel, die zur Reduzierung der Schleife am besten verdrillt sind).

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Stromzange

Eine andere Art von Sonde ist die Stromzange, die anstelle der Spannung den Strom messen kann. Nicht alle Sonden sind für die Messung von Gleichströmen geeignet. Außerdem ist die Bandbreite von Stromzangen begrenzt.

Eine Stromzange.

Wie die Differentialsonde besteht auch die Stromzange aus einer speziellen Sonde, die mit einem Körper verbunden ist. Bei der Stromzange handelt es sich häufig um eine einzelne Sonde in Form einer Klemme, die um ein zu messendes Kabel oder einen blanken Draht geklemmt wird. Anders als bei einem Multimeter braucht der Stromkreis für die Messung dabei nicht unterbrochen zu werden. Es gibt aber auch Hochfrequenz-Stromzangen, die in einer geschlossenen Schleife geformt sind und zu EMV-Zwecken dienen.

Der gemessene Strom wird im Körper in eine Spannung umgewandelt, die auf dem Oszilloskop abgelesen werden kann. Die Skala ist nicht immer 1:1, die genaue Skala wird oft auf dem Gehäuse in der Nähe des Dämpfungsschalters oder in der Bedienungsanleitung angegeben.

Die gemessenen Werte können wie bei einer passiven Sonde am Oszilloskop zurückskaliert werden. Häufig kann die Einheit des Kanals auch auf Ampere statt auf Volt eingestellt werden.

Die Stromzange muss ebenfalls extern versorgt werden. Viele neuere Modelle werden über USB mit Strom versorgt, zum Beispiel über den USB-Anschluss des Oszilloskops oder über ein Handy-Ladegerät.

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Welche Art von Sonde brauche ich?

Eine Stromzange dient dazu, Strom zu messen.. Besprechen Sie zunächst, ob es notwendig ist, die Messung stattdessen mit dem Oszilloskop oder einem Multimeter vorzunehmen. Nicht alle Stromzangen sind für Gleichstrom geeignet.

Für die meisten Spannungsmessungen ist eine normaler passive Sonde ausreichend. Wenn Sie Messungen durchführen, bei denen Sie mit anderen Bezugspunkten als Masse oder Erde arbeiten,sollten Sie sich eine Differentialsonde anschaffen. Dies kann beispielsweise bei Stromversorgungen und Verstärkerschaltungen der Fall sein. Eine Differentialsonde ist auch erforderlich, wenn Sie am Netz messen wollen.

Arbeiten Sie mit schnellen Oszilloskopen ab 1 GHz? Und kann das Signal, das Sie messen wollen, über eine Koaxialverbindung nicht gut erfasst werden? Dann sind aktive Sonden für Sie unverzichtbar.