Messwandler für das Oszilloskop

Das Oszilloskop ist, neben Multimeter und Netzgerät, das wohl wichtigste Werkzeug in einem Elektroniklabor. Wer vor hat eigene Elektronik zu entwickeln kommt nicht umhin sich wenigstens ein einfaches Oszilloskop anzuschaffen. So hat sich auch bei mir das Gefühl, ein eigenes "Lab" zu haben, erst so richtig eingestellt, als ich mir ein solches Gerät angeschafft habe. Aber auch ein Oszilloskop ist kein Allheilmittel und es gibt einiges bei der Bedienung zu beachten und Einschränkungen die man kennen sollte. Einige dieser Einschränkungen kann man mit weiterem Messzubehör umgehen. Und dieses Zubehör kann man sich auch selbst bauen.

Stromwandler

Ein Oszilloskop misst Spannungen. Und das sehr oft und zu sehr genau definierten Zeitpunkten. Denn die Kernaufgabe eines Oszilloskops ist es, Spannungsverläufe über der Zeit zu messen und darzustellen. Ein häufiger Trugschluss ist, dass Oszilloskope Spannungen sehr genau messen - denn sie sind ja so teuer. Dies ist in der Regel nicht der Fall und zur genauen Messung einer Spannung ist meist ein billiges Multimeter einem erheblich teureren Oszilloskop überlegen. Die Stärke des "Oszis" ist, dass es Spannungen sehr oft abtasten kann und und einen geringen Jitter hat - also die Zeitspanne zwischen den einzelnen Messungen relativ konstant ist. Selbst mein relativ einfaches Oszilloskop ist z.B. in der Lage 2 Milliarden Messungen pro Sekunde vorzunehmen. Was ein Oszilloskop allerdings nicht ohne weiteres kann, ist Ströme zu messen. Will man dies, kommt man oft nicht umhin einen Shunt in den Strompfad einzubauen und anhand des gemessenen Spannungsabfalls den Strom zu bestimmen. Praktisch sind induktiv arbeitende Stromzangen die man um ein Kabel schließen kann ohne den Stromkreis öffnen zu müssen. Eine induktive Messung hat zudem den Vorteil, dass sie die Schaltung in der Regel weniger beeinflusst als ein Shunt und zudem eine galvanische Trennung zwischen Schaltung und Messgerät realisiert wird.

BILD-FEHLT Mit Hilfe eines induktiven Stromwandlers von LEM habe ich einen Messwandler gebaut der ein Ausgangsignal liefert, das propotional zu dem durch die Eingangsklemmen fließenden Stroms ist. Die Auflösung kann dabei zwischen 1 V/3 A und 1 V/1 A umgeschaltet werden. Die gesamte Strommessung wird dabei von dem LEM-Wandler übernommen ihm nachgeschaltet ist lediglich eine kleine Schaltung aus zwei Operationsverstärkern die das Ausgangsignal aufbereitet, skaliert und über Potentiometer eine Feineinstellung der Pegel und des Offsets ermöglicht.

Zur Stromversorgung wird ein Schaltregler des Typs MC34063 verwendet und zwar in einer Beschaltung in der er als Buck-Boost-Converter arbeitet. In Messungen zeigte sich dass diese Schaltung in einem weiten Eingangsspannungsbereich, der zwischen 3 Volt und mehr als 12 Volt lag, gut arbeitetet und stets stabile 5 Volt am Ausgang liefert. Warum der Einsatz eines Schaltreglern in einem Messgerät trotzdem nicht optimal ist werde ich im Abschnitt über den Differenztastkopf erläutertn.

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Differenztastkopf

Eine weitere Eigenheit eines Oszilloskops ist es, dass die Massen alle Kanäle miteinander und zudem mit der Schutzerde des Stromnetzes verbunden sind. Das ist in sofern eine Einschränkung, dass man bei einer Mehrkanaligen Messung nicht einfach Spannungen zwischen beliebigen Punkten messen kann sondern sich diese stets das gleiche Bezugspotential haben. Schließt man zwei die GND-Clips von zwei Tastköpfen an verschiedenen Punkte einer Schaltung an, sollte man sich stets bewusst sein, dass man diese beiden Punkte dadurch über das Oszilloskop kurzschließt. Messungen an Netzleitungen sollte man ebenfalls sein lassen sofern man keinen Trenntrafo verwendet. Und auch dann sollte man es sich sehr gut überlegen, weil es sehr gefährlich sein kann, wenn man nicht genau weiß was man tut und es einen sowohl das teure Oszi als auch die Gesundheit kosten kann. Abhilfe für dieses Problem kann man mit einem Differenztastkopf schaffen. Das ist ein Gerät, dass man zwischen das Oszi und die zu messende Schaltung schaltet und welches die Spannung galvanisch getrennt "überträgt". Nicht alle Differenztastköpfe bieten eine galvanische Trennung jedoch ist dieses "Feature" ein großer Vorteil und gerade zur Messung von Netzspannung quasi unabdingbar. Meistens führen die Geräte auch eine Skalierung der Spannung vor, so dass eine sehr hohe zu Messende Spannung am Eingang des Differenztastkopf zu einem Ausgangsignal führt, dass das Oszi zu verarbeiten kann. Der hier gezeigte Differenztastkopf nutzt einen analogen Optokoppler um Spannungssignale von bis zu 1.000 Volt in ein galvanisch getrenntes Ausgangssignal von 2 Volt umzusetzen.

BILD-FEHLT Der Analoge Optokoppler enthält eine Sende- und zwei Empfangsdioden. Die eine Empfangsdiode ist auf der galvanisch getrennten Seite und erzeugt - wie bei einem herkömmlichen Optokoppler auch - das Ausgangssignal. Das besondere ist die zweite Empfangsdiode auf der Eingangsseite, die baugleich mit der ersten ist und zur Rückkopplung verwendet wird. Die Dioden sind so angeordnet, dass sie beide gleichmäßig von der Sendediode bestrahlt werden und liefern daher auch das gleiche Ausgangssignal. Somit kann die Schaltung auf der Eingangsseite quasi "spüren" welches Ausgangssignal gerade erzeugt wird und es ist möglich, die Ansteuerung der Sendediode derart nachzuregeln, dass es zu dem gewünschten Ergebnis führt. Dies ist ein eleganter Trick um Übertragungsstrecke Sende-Empfangsdiode zu kompensieren ohne das Ausgangssignal zu messen - was ja aufgrund der galvanischen Trennung nicht ohne weiteres möglich ist. Eine wichtige Kenngröße für Differenztastköpfe ist die maximale Frequenz die ein Eingangssignal haben darf um noch verzerrungsfrei übertragen zu werden. Eine Simulation der Schaltung in LTspice ergab eine Grenzfrequenz von ca. 350 kHz. Die Stromversorgung erfolgt über einen Schaltregler vom Typ MC34063 der aus der Spannung eines 9-V-Blocks 5 Volt erzeugt. Mit einem DC/DC-Wandler mit galvanischer wird die Stromversorgung der Ausgangsseite realisiert. Hier könnte man allerdings auch eine zweite Batterie benutzen - was mir jedoch nicht elegant erschien. Jedoch erzeugen Schaltregler - und der DC/DC-Wandler ist auch ein Schaltregler - immer Störungen, was gerade bei einem Messgerät unerwünscht ist. Daher wäre eine Versorgung der beiden Seiten mit jeweils einer eigenen Batterie und einem Linar- statt einem Schaltregler in Punkto Messgenauigkeit sicher keine schlechte Alternative. Zumal der DC/DC-Wandler recht teuer ist und auch den Schwachpunkt der galvanischen Trennung darstellt. Denn seine Isolationsspannung ist mit 1.000 Volt spezifiziert und die des IL300-Optokopplers mit 5.300 Volt. Aber der Zweck dieser Seite ist ja auch nicht Musterlösungen zu präsentieren sondern anderen die Möglichkeit zu bieten aus meinen Fehlern zu lernen.

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unfreiwilliger Härtetest

Ich kam einmal dazu Messungen an einer Maschine für Magnetumformung vorzunehmen. In dieser Maschine wurden Kondensatorbänke die so groß waren wie ein Kleinbus auf Spannungen von bis zu 25.000 Volt geladen. Ich habe mir zum Messen einen Spannungsteiler aus 100 in Reihe geschalteten Einzelwiderständen gebaut und habe dann die Spannung mit Hilfe des Differenztastkopfs abgegriffen. Vermutlich hätte ich die Widerstände in Isolationsöl eingießen sollen, denn es muss irgendwo einen Spannungsüberschlag gegeben haben. Der Differenztastkopf hat innerlich geglüht und wurde komplett zerstört. Zwei Pins des DC/DC-Wandlers hatten sich dabei sogar buchstäblich in Rauch aufgelöst. Aber mein Oszi hat keinen Schaden von der Aktion genommen, so dass die 20 € Bauteilkosten für den Differnztastkopf sehr gut investiert waren.

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Fazit

Die beiden Messwandler funktionieren gut. Einzig die Wahl von Schaltreglern für die Stromversorgung war vermutlich nicht optimal, da sie für eine Quelle des Grundrauschens am Ausgangssignal halte. Jedoch war das Experimentieren mit Schaltreglern eines der Ziele, die zu dem Bau der Messwandler führten. Vor allem der Buck-Boost-Converter ist eine praktische Schaltung die man auf jeden fall in seinem Repertoire haben sollte.

© 2014 - 2017 Philipp Meißner