Grundwissen Oszilloskope
So messen Sie Netzspannung sicher mit dem Oszilloskop
Netzspannungsmessungen mit Oszilloskopen bergen Gefahren, wenn unsichere Methoden angewendet werden. Dieser Leitfaden erläutert sichere Ansätze wie etwa den Einsatz isolierter Oszilloskope oder Differenzialtastköpfe und zeigt typische Fehlerquellen auf.
Einleitung und Motivation
Die Messung von Netzspannung mit einem Oszilloskop ist eine häufige Aufgabe für Ingenieure und Elektronik-Hobbyisten, insbesondere bei der Reparatur und Charakterisierung von Netzteilen und anderen elektrischen Geräten [1], [2]. Trotz der Wichtigkeit dieses Themas kursieren viele Fehlinformationen im Internet (siehe z.B. [3], [4], [5]).
Ohne Zweifel findet man in Internet-Foren sehr viele Fehlinformationen, wenn man nur lange genug sucht. Jedoch sind praxisnahe Anleitungen zur sicheren Messung von Netzspannung mit dem Oszilloskop selten. Gleichzeitig scheint das Interesse groß zu sein: Ein YouTube-Video, das sich mit diesem Thema beschäftigt, hat mehr als eine Million Aufrufe [6].
Dieser Artikel beschreibt verschiedene Methoden zur Messung von Netzspannung mit dem Oszilloskop, erläutert jeweils deren Vor- und Nachteile sowie mögliche Sicherheitsrisiken. Einige Methoden können als sicher betrachtet werden: die Verwendung eines isolierten Oszilloskops oder eines Differenzialtastkopfs. Jedoch sollen hier auch diejenigen Methoden erläutert werden, die große Risiken bergen.
Problemstellung und Messaufbau
Das Ziel ist die Untersuchung eines Messobjekts (Device Under Test, DUT), das mit Netzspannung verbunden ist. Dazu gehören z.B. Netzteile, bei denen defekte Komponenten identifiziert oder das Gerät charakterisiert werden soll [7].
Ein wichtiger Aspekt beim Testaufbau ist die Erdung des Oszilloskops und der Messkanäle. Falsche Handhabung kann zu fehlerhaften Messergebnissen, Kurzschlüssen und Sicherheitsrisiken führen, besonders wenn Oszilloskop und DUT unterschiedliche Erdreferenzen haben [8].
Die folgenden Betrachtungen beziehen sich auf die in Deutschland und Europa übliche elektrische Netzform TN-C-S nach IEC60364-1 [9] / VDE0100-100 [10], sind aber auf andere Netzformen übertragbar. Der Fokus dieses Artikels liegt zunächst auf handelsüblichen netzbetriebenen Oszilloskopen (Abbildung 1). Diese haben üblicherweise ein Metallgehäuse und gehören zur Schutzklasse 1 (DIN EN 61140 [11]). Geräte der Schutzklasse 1 haben leitfähige Teile, die mit dem Schutzleiter (PE) der Elektroinstallation verbunden sind. Bei diesen Oszilloskopen sind auch die Masse-Anschlüsse der Messkanäle mit dem Schutzleiter verbunden, um eine gemeinsame Masse-Referenz herzustellen und Störeinflüsse auf das Messsignal zu vermeiden.
Jobangebote+ passend zum Thema
Verwendet man ein netzbetriebenes Oszilloskop zur Messung eines netzbetriebenen Messobjekts, entsteht ein erhebliches Risiko für einen Kurzschluss. Verbindet man die Masseleitung des Oszilloskops mit einer Stelle der Schaltung des Messobjekts, kann der Masse-Anschluss des Messkanals versehentlich mit dem spannungsführenden Außenleiter des Netzes verbunden werden (siehe Abbildung 2). Da der Masseanschluss des Messkanals jedoch mit dem Schutzleiter verbunden ist, entsteht so ein Kurzschluss, der hohe Ströme fließen lässt und das Messgerät beschädigen kann.
Um die Gefahr eines Kurzschlusses zu vermeiden, besteht die Möglichkeit, den Masseanschluss des Oszilloskop-Messkanals nicht mit dem DUT zu verbinden. Immerhin besitzen, wie oben beschrieben, das DUT und das Oszilloskop die gleiche Massereferenz über den Schutzleiter, wenn diese mit dem gleichen elektrischen Netz verbunden sind. Allerdings hat dies einen erheblichen Nachteil: durch die langen Leitungswege wird die Massereferenz aus messtechnischer Sicht unbrauchbar. Störsignale, die z.B. induktiv oder kapazitiv in das System eingekoppelt werden, können das Messergebnis erheblich beeinflussen [8].
Sicherheitshinweise
Messungen an Geräten, die mit Netzspannung betrieben werden, bringen erhebliche Gefahren mit sich. Um Verletzungen zu vermeiden, müssen die Unfallverhütungsvorschriften und die VDE-Vorschriften strikt beachtet werden. Der richtige Umgang mit der Messausrüstung und das Wissen um Sicherheitsvorschriften sind entscheidend.
Bei der Auswahl eines Oszilloskops muss darauf geachtet werden, dass es für die Messung der Messaufgabe geeignet ist. Konkret bedeutet dies, dass die zu messende Spannung innerhalb des Spezifikationsbereichs des Gerätes liegt und das Gerät die Anforderungen der erforderlichen Messkategorie erfüllt. Für Haushaltsgeräte und tragbare Elektrogeräte ist dies nach der Norm IEC 61010-2-030 im Regelfall CAT II [12].
Es gilt weiterhin zu beachten, dass die Verwendung eines Trenntransformators bei der Reparatur oder Messung an geöffneten und mit Netzspannung betriebenen Geräten nach den einschlägigen Normen (u.a. VDE 0105 [13] und VDE 0701 [14]) vorgeschrieben sein kann. In vielen Fällen ist die Verwendung jedenfalls zu empfehlen, um die Gefahr eines Stromunfalls zu reduzieren. Dennoch bietet er keine vollständige Sicherheit. Im weiteren Verlauf des Artikels werden mögliche Gefahrenquellen bei der Verwendung eines Trenntransformators in Verbindung mit einem Oszilloskop erläutert.
Ungeeignete Messkonzepte und ihre Gefahren
Für ein sicheres Arbeitsumfeld ist es wichtig, nicht nur empfehlenswerte Messmethoden zu kennen, sondern auch unsichere Ansätze zu verstehen. Wenn man sich dieser unsicheren Messkonzepte bewusst ist, kann man sie vermeiden und Risiken minimieren. Die folgenden Beispiele sind illustrativ und zeigen nur einige der vielen Gefahrenquellen.
Unsicheres Konzept 1: Unterbrechen des PE-Leiters des Oszilloskops
Wie in Abschnitt 2 erläutert, kann der Anschluss eines mit Netzspannung betriebenen Oszilloskops zu einem Kurzschluss führen. Einen „Trick“, um diesen Kurzschluss zu vermeiden, findet man häufig in Internetforen: das Unterbrechen des Schutzleiters des Oszilloskops bzw. das Verwenden nicht gesicherter elektrischer Netze. [5], [4]
Dieser „Trick“ wird häufig verharmlost. Für die Unterbrechung des Schutzleiters werden abenteuerliche Konstruktionen vorgeschlagen, wie das Durchtrennen des Schutzleiters im Netzanschlusskabel oder das Abkleben der Kontaktflächen am Stecker mit Isolierband.
Das Unterbrechen des Schutzleiters (PE) führt dazu, dass das Oszilloskop nicht mehr ordnungsgemäß geerdet ist. Dies verletzt die grundlegenden Sicherheitsvorschriften und Unfallverhütungsvorschriften, da im Fehlerfall das Gehäuse des Oszilloskops unter Spannung stehen kann, ohne dass dies bemerkt wird. Dadurch wird die Schutzeinrichtung des Geräts unwirksam, was zu einem stark erhöhten Risiko für den Anwender führt.
Bei der Messung an einem Gerät, das mit Netzspannung betrieben wird, entsteht eine weitere Gefahr. Wenn der Masseanschluss des Oszilloskops mit einem Punkt des Geräts verbunden wird, das eine elektrische Verbindung zum Außenleiter (L) hat, liegt am Gehäuse des Oszilloskops Netzspannung an. Dies bleibt unbemerkt, da der Schutzleiter (PE) des Oszilloskops nicht verbunden ist.
Fazit: Den Schutzleiters des Oszilloskops sollte man unter keinen Umständen unterbrechen. Es besteht Lebensgefahr!
Unsicheres Konzept 2: Verwendung eines Trenntransformators für das Oszilloskop
Ein weiterer häufig anzutreffender Vorschlag, ist der Einsatz eines Trenntransformators (siehe z.B. [3]). Über die Frage, ob dieser Trenntransformator nun am Oszilloskop oder am Messobjekt betrieben werden solle, herrscht meist Uneinigkeit unter den Diskussionsteilnehmern. In diesem Artikel werden beide Varianten behandelt.
Es soll zuerst der Fall betrachtet werden, bei dem das Oszilloskop mit dem Trenntransformator verbunden wird. Auf den ersten Blick scheint dies das Kurzschluss-Problem zu lösen: Das Oszilloskop ist vom Niederspannungsnetz galvanisch getrennt, und der Schutzleiter PE kann nicht mehr über das Oszilloskop mit dem Außenleiter L kurzgeschlossen werden.
Dies birgt jedoch ein erhebliches Sicherheitsrisiko: genau wie bei der Durchtrennung des Schutzleiters (Kapitel 4.1) kann nun bei der Verbindung der Masseleitung des Oszilloskops mit dem Messobjekt das Gehäuse des Oszilloskops unbemerkt unter Netzspannung stehen (siehe auch Abbildung 3). Falls die Masseleitung des Oszilloskops versehentlich mit einem Außenleiter im DUT verbunden wird, besitzt das Gehäuse des Oszilloskops ebenfalls das Potenzial des Außenleiters (zur Erinnerung: Masseleitung und das Gehäuse des Oszilloskops sind miteinander verbunden). Durch den Einsatz des Trenntransformators wird in diesem Fall keine Schutzeinrichtung der Hausinstallation auslösen.
Fazit: Verwenden Sie bei Messungen an netzbetriebenen Geräten niemals einen Trenntransformator für das Oszilloskop. Es besteht Lebensgefahr!
Unsicheres Konzept 3: Verwendung eines Trenntransformators für das DUT
Häufig wird in Elektronik-Reparaturwerkstätten bei der Überprüfung von elektrischen Geräten das DUT an einen Trenntransformator angeschlossen. Dies soll Stromunfälle durch unbeabsichtigte Berührungen spannungsführender Teile im Gerät reduzieren [14]. Bei Verwendung eines Trenntransformators, kann durch die galvanische Trennung bei der Berührung eines einzelnen spannungsführenden Teils kein Strom durch den Körper gegen Erde fließen. Es kann kein Stromkreis über eine Erdverbindung geschlossen werden. Dieser zusätzliche Schutz ist allerdings nur dann wirksam, wenn man nicht beide Pole der Sekundärseite des Trenntransformators gleichzeitig berührt. Früher wurde daher in der Ausbildung zur Elektrofachkraft gelehrt, man solle „mit einer Hand in der Hosentasche“ arbeiten.
Beim Anschluss eines Oszilloskops an das DUT kann die Schutzwirkung des Trenntransformator jedoch vollständig aufgehoben werden (siehe Abbildung 4). Die Schutzwirkung des Trenntransformators basiert darauf, dass die Sekundärseite gegenüber der Primärseite potenzialfrei ist [15]. Anders formuliert ist die Spannung der Sekundärseite „schwebend“ gegenüber Erdpotenzial. Verbindet man den Masseanschluss eines Messkanals über das Messobjekt elektrisch mit einem Pol der Sekundärseite des Trenntransformators (z.B. dem Neutralleiter N), wird dieser Pol über das geerdete Oszilloskop auf Erdpotenzial festgelegt. Dies führt zum Verlust der galvanischen Trennung vom elektrischen Netz.
Wenn der Neutralleiter N der Sekundärseite Erdpotenzial besitzt, kann sich bei einer Berührung des Leiters L ein Stromkreis schließen und Strom durch den Körper fließen (siehe dazu auch [16]). Fatal: der Nutzer nimmt irrtümlich an, durch den Trenntransformator geschützt zu sein, berührt einen leitfähigen Kontakt und bekommt einen Stromschlag.
Fazit: Der Einsatz eines Trenntransformators am DUT erhöht zunächst das Schutzniveau und ermöglicht Messungen ohne Kurzschluss. Jedoch entsteht der Eindruck einer falschen Sicherheit. Durch das Anschließen des Oszilloskops wird die Sekundärseite des Trenntransformators geerdet. Dieser verliert damit seine Schutzwirkung. Es besteht Lebensgefahr!
Unsicheres Konzept 4: Verwendung von zwei Trenntransformatoren
Wenn beide Geräte (das zu testende Gerät und das Oszilloskop) jeweils über einen Trenntransformator mit dem elektrischen Netz verbunden werden, kann es ebenfalls zu Problemen während der Messung kommen.
Beide Sekundärseiten der Trenntransformatoren sind „schwebend“ gegenüber dem Erdpotenzial. Das Spannungspotenzial zwischen diesen beiden Sekundärseiten ist prinzipbedingt undefiniert. Dies ist kein Problem, solange die Geräte keinerlei elektrische Verbindung zueinander haben.
Bei der Messung mit dem Oszilloskop wird jedoch über die Masseleitung eine Masseverbindung hergestellt und damit das Referenzpotenzial angepasst. Durch den Potenzialunterschied der beiden Sekundärseiten können bei der Messung unerwünschte Ströme fließen und das Messsignal beeinflussen. Je nach Höhe des fließenden Stroms können sich bei passiven Taskköpfen die Kabel erwärmen und es kann zu Beschädigungen des Messequipments kommen. Die Hersteller der Messgeräte raten daher unbedingt von Messungen mit schwebendem Spannungspotenzial mit klassischen Oszilloskopen ab [16].
Sicher messen
Die oben aufgeführten Konzepte bergen erhebliche Risiken. Im Folgenden werden sichere Wege zum Messen von Netzspannung mit einem Oszilloskop vorgestellt.
Verwendung eines isolierten Oszilloskops
Ein isoliertes Oszilloskop ist eine sichere Methode zur Messung. Es wird im Regelfall mit einem Akku betrieben und hat keinerlei Verbindung zum elektrischen Netz. Es stehen häufig zwei bis vier Messkanäle zur Verfügung.
Das Risiko eines Kurzschlusses ist durch die Isolation geringer, da es keine gemeinsame Erdreferenz zwischen Messgerät und Prüfling (DUT) gibt. Mit einem Trenntransformator am DUT erhöht sich die Sicherheit weiter: bei der Berührung eines einzigen spannungsführenden Pols, kann kein Strom über die Erde durch den Körper fließen. Da das Oszilloskop nicht geerdet ist, kann die Erdreferenz dabei nicht versehentlich über das Messgerät hergestellt werden.
Die Messergebnisse sind mit netzbetriebenen Oszilloskopen vergleichbar. Jedoch muss solch ein isoliertes Gerät meist zusätzlich angeschafft werden, was mit Kosten verbunden ist. Auch sind isolierte Oszilloskope oft teurer, weniger komfortabel zu bedienen und haben eine geringere maximale Bandbreite. Hierbei gibt es allerdings Ausnahmen von der Regel.
Verwendung eines Hochspannungs-Differentialtastkopf
Ein Differentialtastkopf ermöglicht es, die Spannungsdifferenz zwischen zwei Punkten direkt und sicher zu messen, indem sie eine Verbindung zum Erdpotenzial isolieren (siehe Abbildung 5). Es gibt Differentialtastköpfe, die für Potenzialunterschiede von einigen tausend Volt ausgelegt sind und Bandbreiten bis in den GHz-Bereich abdecken können [17].
Im Regelfall ist keiner der Testpunkte eines Differentialtastkopfs mit der Massereferenz des Oszilloskops verbunden. Eine vollständige galvanische Trennung findet jedoch nicht statt. Der Isolationswiderstand zwischen Masse und einem der Testpunkte liegt üblicherweise bei einigen Megaohm und ist damit für die meisten messtechnischen Anforderungen ausreichend [17].
Der Nachteil dieser Methode ist der hohe Preis der Differentialtastköpfe, der je nach erforderlicher Bandbreite den Preis eines vollständigen Oszilloskops erreichen kann.
Fazit und Zusammenfassung
Tabelle 1 fasst alle in diesem Artikel beschriebenen Methoden noch einmal zusammen und bewertet diese qualitativ nach den Kriterien Sicherheit, Handhabung, Messunsicherheit und Kosten.
Die sichere Messung von Netzspannung mit einem Oszilloskop erfordert ein tiefes Verständnis der messtechnischen und sicherheitstechnischen Aspekte. Unsichere Methoden, wie das Unterbrechen des Schutzleiters oder die unbedarfte Verwendung von Trenntransformatoren können lebensgefährliche Risiken bergen.
Isolierte Oszilloskope und Hochspannungs-Differentialtastköpfe bieten sichere Alternativen, die den Benutzer vor Gefahren schützen können. Dies gilt insbesondere in Kombination mit der Verwendung von Trenntransformatoren. Obwohl diese Lösungen höhere Kosten verursachen, sind sie für eine sichere und zuverlässige Messung unerlässlich.
Weiterführende Informationen finden sich in den zitierten Normenwerken. Außerdem ist das Youtube-Video „How NOT To Blow Up Your Oscilloscope!” [6] von David Jones (EEVblog) sehenswert, da es mit vielen Praxisbeispielen und technischen Erläuterungen einen guten Überblick über das Thema bietet.
Literaturverzeichnis
[1] Tektronix, „Power Supply Measurement and Analysis with Bench Oscilloscopes, Application Note,“ Tektronix, Beaverton, 2013.
[2] Keysight Technologies, „Tips and Techniques for Making Power Supply Noise Measurements with an Oscilloscope, Application Note,“ Keysight Technologies, Sata Rosa, 2014.
[3] Quora, „How can I avoid shorting my oscilloscope through the probe ground clip?,“ Quora, 2021. [Online]. Available: https://www.quora.com/How-can-I-avoid-shorting-my-oscilloscope-through-the-probe-ground-clip. [Zugriff am 20 08 2024].
[4] www.mikrocontroller.net, „Oszilloskop Netzspannung messen?,“ 10 03 2012. [Online]. Available: https://www.mikrocontroller.net/topic/251696. [Zugriff am 20 08 2024].
[5] www.mikrocontroller.net, „Netzspannung und Strom mit Oszilloskop messen,“ 11 07 2013. [Online]. Available: https://www.mikrocontroller.net/topic/302172. [Zugriff am 20 08 2024].
[6] D. Jones, „EEVblog #279 - How NOT To Blow Up Your Oscilloscope!,“ EEVblog, 16 05 2012. [Online]. Available: https://www.youtube.com/watch?v=xaELqAo4kkQ. [Zugriff am 20 08 2024].
[7] D. Ireland, „Netzteil-Analyse mit dem Scope,“ 04 02 2011. [Online]. Available: https://www.elektroniknet.de/messen-testen/netzteil-analyse-mit-dem-scope.75160.html. [Zugriff am 20 08 2024].
[8] A. Limjoco, „Measuring Output Ripple and Switching Transients in Switching Regulators,“ Analog Devices, Norwood, 2013.
[9] International Electrotechnical Commission, IEC 60364-1:2005: Low-voltage electrical installations - Part 1: Fundamental principles, assessment of general characteristics, definitions, Geneva: International Electrotechnical Commission, 2005.
[10] Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. (VDE), VDE 0100-100:2009-06: Errichten von Niederspannungsanlagen, Berlin: VDE-Verlag, 2009.
[11] Deutsches Institut für Normung e.V. (DIN), DIN EN 61140 VDE 0140-1:2016-11: Schutz gegen elektrischen Schlag, Berlin: VDE-Verlag, 2016.
[12] Deutsches Institut für Normung e.V. (DIN), DIN EN IEC 61010-2-030 VDE 0411-2-030:2022-11: Sicherheitsbestimmungen für elektrische Mess-, Steuer-, Regel- und Laborgeräte, Berlin: Beuth, 2022.
[13] Deutsches Institut für Normung e.V. (DIN), DIN VDE 0105-100:2015-10: Betrieb von elektrischen Anlagen - Teil 100: Allgemeine Festlegungen, Berlin: Beuth, 2015.
[14] Deutsches Institut für Normung e.V. (DIN), DIN EN 50678 VDE 0701:2021-02: Allgemeines Verfahren zur Überprüfung der Wirksamkeit der Schutzmaßnahmen von Elektrogeräten nach der Reparatur, Berlin: Beuth, 2021.
[15] J. Schwarz, K. Tkotz, W. Klee, U. Winter, M. Burgmaier, H. Bumiller, R. Neumann, W. Eichler, T. Käppel, B. Feustel, O. Reichmann, C. Duhr und C. Gmeiner, Fachkunde Elektrotechnik, Haan: Europa-Lehrmittel, 2024, p. 334.
[16] Tektronix, „Fundamentals of Floating Measurements and Isolated Input Oscilloscopes, Application Note,“ Tektronix, Beaverton, 2011.
[17] Tektronix Inc., „Hochspannungs-Differentialtastkopf,“ 2024. [Online]. Available: https://www.tek.com/de/products/oscilloscopes/oscilloscope-probes/high-voltage-differential-probes. [Zugriff am 20 08 2024].
Lesen Sie mehr zum Thema
