Erdungsfreie Tastköpfe Der Einsatz von optisch isolierten Tastköpfen in der Leistungselektronik

Anbieter zum Thema

Meilhaus Electronic GmbH

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Isolierte Tastköpfe helfen bei der störungsfreien Messung in der Leistungselektronik. Obwohl sie teuer sind, bieten sie Vorteile wie eine vollständige galvanische Trennung und eine zuverlässige Glasfaserübertragung. Damit sind nicht nur sicherere Messverfahren bei hohen Spannungen möglich.

Die moderne Energieversorgung ist geprägt von einem Energiemix. Quellen und Speicher, wie zum Beispiel PV-Anlagen, Batterien oder klassische Generatoren, liefern Gleichstrom (DC) oder Wechselstrom (AC). Unser Angebot umfasst Geräte im Niedervolt-Bereich sowie im Hochspannungsbereich bis zu einer Spannung von 600 oder 2.000 V und darüber hinaus. In der Leistungselektronik spielt die Wandlung eine entscheidende Rolle. Hierzu zählen insbesondere die klassische Umspannung per Transformator sowie die Gleich- und Wechselrichter/Inverter. Um die Umwandlung so effektiv und verlustfrei wie möglich zu gestalten, wird hier ein großer Aufwand für Messtechnik und Test betrieben.

Diese Entwicklung hat auch die Wide-Bandgap-Halbleitertechnologien mit SiC und GaN vorangetrieben. (Siliziumkarbid) und GaN (Galliumnitrid) in solchen Systemen eingesetzt werden, was diese Technologien weit vorangetrieben hat.eingesetzt werden. Gegenüber herkömmlichen Silizium-Bauelementen bieten beide Materialien verbesserte Eigenschaften für Anwendungen, die hohe Schaltfrequenzen, hohe Spannungen und hohe Temperaturen erfordern. SiC- und GaN-basierte Bauelemente können in wenigen Nanosekunden hohe Spannungen schalten., die sehr energiereiche, hochfrequente Oberschwingungen enthalten.

Hohe Frequenzen und schnelle Schaltvorgänge

Gerade in Anwendungen mit SiC- und GaN-Bauelemente kann die CMR (Common Mode Rejection), also die Fähigkeit einer Schaltung, Gleichtaktstörungen zu unterdrücken, ein wichtiger Aspekt sein. Insbesondere in Anwendungen der Leistungselektronik, in denen hohe Frequenzen und schnelle Schaltvorgänge auftreten. Eine hohe CMR garantiert eine stabile und zuverlässige Schaltung, indem unerwünschte Gleichtaktspannungen und -ströme minimiert werden. Ein Beispiel ist die High-Side-Gate-Drain-Messung an Leistungstransistoren, bei der eine große Common-Mode-Spannung über 600 V die eigentlich interessierende Messung der High-Side-Spannung im Bereich von 5 V stört.

Ein weiterer Aspekt sind Probleme bei der Erdung oder die Forderung einer erdungsfreien (Foating) Messung. Beim Oszilloskop ist die Erdung/Masse eine Referenz für die Messung. Sie ist daher für viele Anwendungen zwingend notwendig und auch erwünscht. Eine erdungsfreie Messung mit einem Oszilloskop hingegen ist nicht ohne weiteres möglich. Sie kann beispielsweise nötig sein, wenn das zu messende Signal eine andere Erdung als das Oszilloskop hat, um Kurzschlüsse und Schäden am Oszilloskop zu vermeiden.

Beim Problem einer erdungsfreien Messung ...

Je nach Anwendung können Trenntrafos oder differenzielle Tastköpfe Abhilfe schaffen. Die optimale Lösung jedoch sind isolierte Tastköpfe. Wie ist so ein Tastkopf aufgebaut? Der Tastkopf ist im Prinzip ein ausgelagerter Digitizer-Kanal mit angeschlossener Tastspitze. Der isolierte Tastkopf enthält also sozusagen einen Kanal eines Digital-Speicher-Oszilloskops. Der Tastkopf inklusive der Spitze ist aus Sicherheits- und Leistungsgründen natürlich nicht als handgehaltener Tastkopf konzipiert.

Oft wird der Tastkopf zum Beispiel auf einem Dreibein montiert. Die Spitze verfügt oft bereits über bestimmte Verbinder (zum Beispiel IDC), die direkt auf Leiterplatten gesteckt werden können. Die Spitzen sind daher üblicherweise separat erhältlich, da sie sich in der Spannungsleistung und im Anschlusstyp unterscheiden.

Die Verbindung zwischen isoliertem Tastkopf und Oszilloskop erfolgt über ein Glasfaserkabel. Dies sorgt für die komplette galvanische Trennung (also auch getrennte Masse), da nur Licht übertragen wird. Dabei können aber natürlich nur Daten übertragen werden, keine Spannungen. Also muss auf der Oszilloskop-Seite ein Empfänger integriert oder getrennt vorhanden sein, der die digitale LWL-Übertragung in analoge Spannung zurückwandelt, die das Oszilloskop erfassen kann. Auf der Seite des Tastkopfs befindet sich umgekehrt der LWL-Sender.

... helfen spezielle Spannungstastköpfe

Isolierte Spannungstastköpfe mit kompletter galvanischer Isolation inklusive Masse trennen das zu prüfende Gerät vom Oszilloskop und der Erdung. Dadurch ermöglichen sie eine sicherere und genauere Messung. Diese Isolierung unterdrückt effektiv Gleichtaktsignale und eliminiert Masseschleifen in Hochspannungsumgebungen. Eine hohe CMRR (Common Mode Rejection Ratio oder Gleichtaktunterdrückungsverhältnis) ist unerlässlich, um kleine Signale genau zu erfassen, vor allem bei Vorhandensein großer Gleichtaktspannungen an schwebenden Knoten. Dabei kann die CMRR eines isolierten Tastkopfes je nach Ausführung um mehr als 100 Mio. über der eines differenziellen Standard-Spannungstastkopfes liegen, der auf Erde bezogen ist.

Ein weiterer Vorteil der Glasfasertechnik ist eine minimiert Rauschstörung, was zum Beispiel beim Test der ESD-Isolierung und -Störfestigkeit und EMI/EMV-Fehlerbehebung eine wichtige Rolle spielen kann. Durch ihre Isolierung sind sie weniger anfällig für elektromagnetische Störungen (EMI), wodurch die Signalverzerrung reduziert wird. Schließlich kann es für einige Anwendungen auch von Vorteil sein, dass das LWL-Kabel länger sein darf als das Anschlusskabel eines herkömmlichen Tastkopfes. LWL überträgt nur Daten und ist sicher vor vielen äußeren Störeinfl üssen. Es sind zum Beispiel Distanzen von 3 oder 10 m möglich, wodurch das Oszilloskop vom Messort abgesetzt werden kann.

Die Effizienz steigern und Leistungen überprüfen

Isolierte Tastköpfe kommen häufig bei Tests zur Effizienzsteigerung und Leistungsprüfung von leistungselektronischen Voll- und Halbbrückenarchitekturen sowie von schnell schaltenden Leistungsbauteilen wie GaN- und SiC-Halbleitern zum Einsatz. Zudem kommen sie bei der Prüfung von Elektrofahrzeugen und Invertern für PV-Systeme zum Einsatz. Dabei bieten sie ein hohes Maß an Sicherheit für den Anwender. Optisch isolierte Tastköpfe werden inzwischen von vielen Herstellern hochwertiger Oszilloskope angeboten, darunter Cleverscope, Keysight, Micsig, Rohde & Schwarz und Siglent im Produktspektrum von Meilhaus Electronic. (heh)

Oszilloskope in der Elektronikentwicklung

Fehler vermeiden und die Signalintegrität bewerten

Leistungselektronik

Spannungen bis 2.000 V bei 400 MHz mit einem Differenztastkopf messen

Dreiphasige Leistungsmessung

Wie Entwickler einen präzisen Einblick in ein Antriebssystem bekommen

* Ernst Bratz arbeitet bei Meilhaus Electronic.

(ID:50528757)