Praktische Tipps für die Spannungsmessung an Netzteilen Rechnen mit dem Scope

In Netzteilen müssen oft Spannungen gemessen werden, die keinen Bezug zur Gehäusemasse und/oder zur Erde haben. Differenztastköpfe leisten dabei gute Dienste. Hier Tipps für die Praxis.

Häufig wird beim Messen einer Spannung ohne Masse-Bezug das Oszilloskop über einen Trenntransformator betrieben und ein normaler passiver Tastkopf verwendet. Dieses Vorgehen birgt etliche Risiken:

 

  • Das Gehäuse des Oszilloskopes liegt auf einem nicht definierten Potential, was den Bediener sogar in Lebensgefahr bringen kann.
  • Die Isolation im Oszilloskop-Netzteil ist üblicherweise nicht auf die in diesem Betriebsfall möglichen Spannungen ausgelegt und kann somit zerstört werden.
  • Da die Kanäle fast aller Oszilloskope untereinander elektrisch über die Gehäusemasse verbunden sind, kann man praktisch nur noch mit dem Kanal messen, an dem der passive Tastkopf angeschlossen ist.
  • Das Testobjekt „sieht“ die Gehäusekapazitätdes Oszilloskopes/Trenntrafos; dies kann zum Beispiel in schnell schaltenden Gegentaktendstufen zur Zerstörung des Prüflings führen. Der sicherste und messtechnisch beste Weg, diese Gefährdungen auszuschließen, ist die Verwendung eines aktiven Differenzverstärkers, wie hier an Messbeispielen erläutert.

 

Offsets kompensieren

Die im Folgenden erwähnten Messbeispiele sind mit den neuen Digitalspeicheroszilloskopen der Serie HMO35xx (www.hameg.com) aufgezeichnet. Diese Mittelklasse-Scopes verfügen über einen Erfassungsspeicher von 2 Mbyte pro Kanal, eine Abtastrate von bis zu 4 GS/s und eine Bandbreite von 350 MHz. Mit diesen Eigenschaften sind sie für die Analyse von dynamischen Schaltvorgängen im Leistungsbereich, wie zum Beispiel von Netzteilen, gut geeignet, zumal ein praxisgerechtes (Teiler- und Differenz-) Tastkopf-Spektrum derartige Applikationen unterstützt. Mit entsprechenden Differenztastköpfen sind dann auch potentialfreie Messungen sicher möglich.

Dabei ist aber zu beachten, dass selbst die besten Differenzverstärker immer einen bestimmten Offsetfehler aufweisen. Das bedeutet, dass es immer einen – wenn auch kleinen – Fehler bei der Nullpunktunterdrückung gibt. Dieser kann in den genannten Scopes durch Software „herauskalibriert“ werden. Dazu wird der Differenztastkopf ohne Signal an das Oszilloskop angeschlossen, das richtige Teilerverhältnis eingestellt (in dem Beispiel 100:1) und Tastkopf sowie Scope ein paar Minuten eingeschaltet, um die Temperaturdrift zu minimieren. Anschließend startet man die automatische Nullpunktunterdrückung des Differenztastkopfes durch Drücken der entsprechenden Taste auf dem Tastkopf, und mit der AUTO-Messfunktion des Oszilloskops bestimmt man den Mittelwert des Kanals, an dem der Differenztastkopf angeschlossen ist, um die restliche Abweichung vom Nullpunkt festzustellen.

In dem in Bild 1 gezeigten Beispiel liegt der Fehler bei ca. 280 mV. Im Vertikalmenü des Kanales (im Beispiel ist der Differenztastkopf an Kanal 2 angeschlossen) kann man nun die Korrektur dieses Fehlers vornehmen, indem man einen entsprechenden DC-Offsetwert einstellt. Dieses Vorgehen wiederholt man für alle angeschlossenen Differenztastköpfe und Stromzangen. Wenn man schnelle Schaltvorgänge untersuchen und zum Beispiel die Leistung im Schaltmoment korrekt bestimmen möchte, muss man die unterschiedlichen Signallaufzeiten der verschiedenen Tastköpfe und Stromzangen beachten. Diese kann man mit einer Signalquelle exakt bestimmen, die Strom und Spannung zur gleichen Zeit schaltet. Wie den Spannungs-Offset, kann man mit der Zeit-Offset-Einstellung (analog zu Bild 1) einen vorhandenen Signallaufzeitunterschied zwischen Spannungstastkopf und Stromzange korrigieren.

Rechnen lassen

Nach diesen grundlegenden, aber für die Genauigkeit der Messungen notwendigen Vorbereitungen muss die „Mathematik“ entsprechend eingestellt werden, um eine Leistungs- oder Energiekurve anzeigen zu können. Die HMO-Scope-Serie stellt hierfür fünf Formelsätze zur Verfügung, in welche wiederum jeweils bis zu fünf Gleichungen eingegeben werden können. Damit lassen sich die wichtigstenmathematischen Analysen den fünf Formelsätzen zuweisen. Diese können schnell wieder aufgerufen werden, ohne die Gleichung jedes Mal neu eingeben zu müssen. Man kann auch Formelsätze auf einem USBStick abspeichern und archivieren oder anderen Scope-Nutzern zur Verfügung stellen. Im hier erwähnten praktischen Beispiel wird die Energiekurve eines zyklisch geschalteten Verbrauchers an einem Netzteil dargestellt. Dazu wird die Spannung über dem Verbraucher mit einem aktiven Differenztastkopf an Kanal 2 kontaktiert (einschließlich der Nullpunktkorrektur), der Strom mit einer Stromzange an Kanal 1. Die erste Aufgabe besteht darin, den Umrechnungsfaktor der Stromzange (100 mV/A) einzugeben. Dazu wird der Formelsatz 1 aufgerufen und dort die Gleichung MA1 definiert (Bild 2).

Dabei wird der Kanal 1 mit einer Konstanten (0,1) multipliziert und die Einheit A (Ampere) wird zugewiesen. Damit ist sichergestellt, dass sowohl die Skalierung als auch die Einheiten bei Cursor und Auto-Messungen korrekt angezeigt werden. Im Formelsatz 1 wird nun eine neue Gleichung hinzugefügt und entsprechend so eingestellt, dass das Ergebnis der Berechnung der Gleichung „STROM“ und der Kanal 2 miteinander multipliziert werden. Dies ergibt die Leistungskurve. Anschließend wird eine weitere Gleichung zu dem Formelsatz hinzugefügt, die als das Integral der Gleichung „LEISTUNG“ definiert wird (Bild 3)

Jetzt sind alle Definitionen erfolgt und die Ergebnisse können dargestellt und weiter analysiert werden. In Bild 4 ist die Aufzeichnung der entsprechenden Signal-Kurvenformen dargestellt, die neuskalierte Stromkurve ist über den Kanal 1 gelegt. Sie ist vom Verlauf her mit dem Kanal 1 identisch, hat aber den Umrechnungsfaktor und die Einheit „Ampere“ für die Stromzange. Die mittlere Mathematikkurve ist die Leistungskurve und stellt die Momentanleistung dar. Die unterste Mathematikkurve ist die Energiekurve, die sich als Integral der Leistungskurve ergibt. Mit den Auto-Messfunktionen wurden der Spitzenstrom und die Spitzenleistung gemessen, beide sind richtig skaliert und zeigen die korrekte Einheit Ampere und Watt an. Zusätzlich kann man jetzt noch alphanumerische Cursormessungen auf den Kurven durchführen, um die entsprechenden Werte von Spannung, Strom, Leistung oder Energie an jedem beliebigen Punkt der aufgenommenen und berechneten Signale zu bestimmen.