Hochvolt-Tastkopf Galvanische Trennung durch Glasfasern

Einsatz optischer Fasern in Oszilloskop-Tastköpfen.
Einsatz optischer Fasern in Oszilloskop-Tastköpfen.

Konventionelle Hochvolt-Differenzialtastköpfe haben einen frequenzabhängigen CMRR-Wert und belasten das untersuchte Gerät. Wie können diese Nachteile durch den Einsatz von optischen Fasern in Oszilloskop-Tastköpfen umgangen werden?

Mit dem HVFO (Bild 1) hat Teledyne LeCroy einen vollkommen neuartigen Tastkopf mit galvanischer Trennung auf den Markt gebracht. HVFO steht dabei für High Voltage Fiber Optical und bedeutet, dass die galvanische Trennung durch den Einsatz einer Glasfaserleitung erfolgt. Diese optische Faser stellt die einzige Verbindung zwischen Tastkopf und Oszilloskop dar. Sowohl das modulierte Messsignal als auch die notwendigen Steuerdaten werden über diese Faser übertragen. Da der Verstärker im Tastkopf im Betrieb über einen aufladbaren Akku betrieben wird, ist eine vollkommene Trennung gewährleistet. Durch verschiedene Messspitzen können unterschiedliche Teilerfaktoren für unterschiedliche Eingangsspannungsbereiche gewählt werden.

Ein wesentlicher Anwendungsfall für solch einen Tastkopf ist die Messung der Gate-Treiber-Schaltung in der Leistungselektronik. Ein Tastkopf kann die Messung der Gate-Emitter- (CGE) oder Gate-Source-Spannung beeinflussen oder sogar unmöglich machen. Der Grund dafür ist die Eingangskapazität und die Schleifeninduktivität des Tastkopfs, die in Reihe zur Impedanz des Gate-Treibers geschaltet ist. Hier bringt das neue Konzept des HVFO deutliche Vorteile.

Common-Signal unterdrücken

Um die Vorteile zu verstehen, sind aber nicht nur die zu messenden Signale wichtig. Stattdessen muss man auch den Aufbau eines konventionellen Hochvolt-Differenzialtastkopfs anschauen und sehen, welchen Einfluss dieser auf die Messung hat (Bild 2).

Die Ansteuerung einer Gegentaktendstufe lässt sich nur dann richtig messen, wenn die Spannung zwischen Gate und Source der Transistoren unabhängig von der Gerätemasse gemessen werden kann. Hierzu eignen sich Hochvolt-Differenzialtastköpfe, die zum einen das Signal differenziell erfassen und zum anderen auch eine Potenzialtrennung zwischen Oszilloskop-Masse und -Messpunkt haben. Diese Tastköpfe beinhalten intern einen Differenzverstärker, der auch das Common-Signal, also das Signal um das das Potenzial am Gate gegen Masse springt, unterdrückt. Leider ist die Unterdrückung des Common-Signals im Tastkopf nicht unendlich gut und dies ist eine der primären Begrenzungen für diese Art der Messung. Die Unterdrückung des Common-Signals wird mit dem CMRR-Wert des Tastkopfs angegeben und ist stark frequenzabhängig. Im Allgemeinen wird die Common-Unterdrückung zu hohen Frequenzen immer schlechter.