Bei unseren Betrachtungen zum Messen von Wechselsignalen an Spannungsmesseingängen haben wir gesehen, wie die beiden geräteintern am Eingang wirkenden Innenwiderstand und Innenkapazität periodische Signale mit in Bezug auf die Grenzfrequenz (Bandbreite) höherer Frequenz in ihrer Amplitude verfälschen. Im praktischen Einsatz eines Oszilloskops befindet sich zwischen der eigentlichen Messstelle und dem Kanaleingang ein mehr oder weniger langes Kabel, dessen eigene elektrische Eigenschaften ebenso eine Signalverfälschung herbeiführen können. Genauer gesagt ist es die Kapazität zwischen den beiden Leitern des Kabels, die sich hier parallel zum Messeingang auswirkt. Der i.d.R. niedrige ohmsche Kabelwiderstand bleibt ohne signifikante Auswirkungen, da bei einer Spannungsmessung bekanntermaßen praktisch kein Stromfluss existiert, der zu einem nennenswerten Spannungsabfall an ihm führen könnte. Die Kabelkapazität wirkt parallel zur Innenkapazität des Messeingangs und erhöht diese dadurch entsprechend.

Aus diesem Grund wird bei der Messung von Signalen mit etwas höheren Frequenzen statt eines einfachen Kabels ein sog. Tastkopf zwischen Messstelle und Messeingang geschaltet, wie dies Bild 52 zeigt. Der Tastkopf hat eine Tastspitze zum Abgreifen des Spannungssignals und eine z.B. als Klemme ausgeführte Nebenleitung, die mit der Masse (Minuspol) des Messobjekts zu verbinden ist.

Bild 52: Oszilloskop mit Tastkopf

Tastköpfe sind meist als sog. passive Tastköpfe ausgeführt. Sie schalten in den Signalpfad lediglich eine Parallelschaltung einer z.B. über einen kleinen Trimmstift einstellbaren Kapazität CT und eines festen Widerstands RT (Bild 53). Das nachfolgende Kabel – typischerweise als fest am Tastkopf montiertes Koaxialkabel mit BNC-Stecker ausgeführt – habe eine Kabelkapazität von CK.

Bild 53: Passiver Tastkopf am Oszilloskopeingang

Betrachtet man die sich ergebenden Schaltungsverhältnisse zunächst rein auf Gleichspannungsbasis, so sieht man, dass durch RT und Ri ein Spannungsteiler entsteht, der die zu messende Spannung an der Tastkopfspitze um den Teilerfaktor

(Formel 85)

herabsetzt, weshalb ein Tastkopf auch als „Tastteiler“ bezeichnet wird. Die Kapazitäten laden sich immer sofort auf dieselbe Spannung wie die parallel geschalteten Widerstände auf und beeinflussen diesen Faktor nicht. Sehr weit verbreitet ist ein RT von 9 MΩ, so dass sich mit einem Ri von 1 MΩ, wie ihn die meisten Oszilloskop-eingänge aufweisen, für den Faktor k der Wert 0,1 ergibt. Das sog. „Teilerverhältnis“ beträgt in diesem Fall 10:1. Auch wenn die meisten passiven Tastköpfe dieses Teilerverhältnis aufweisen, so finden sich auch andere im Bereich 2:1 bis etwa 1000:1. Oftmals kann über einen Schalter auf das Tastverhältnis 1:1 gewechselt werden, wobei das Spannungssignal an der Tastkopfspitze einfach durchgeschaltet wird.

Um nun jedoch auf den eigentlichen Einsatzzweck von Tastköpfen bei der Messung von Wechselspannungen wieder zurück zu kommen, müssen wir die Spannungsteilerverhältnisse unter zusätzlicher Berücksichtigung der Kapazitäten analysieren. Mit der Definition des Blindwiderstands von Kapazitäten gemäß (57) setzen wir an

(Formel 86)

wobei wir die Parallelschaltung von CK und Ci durch eine Addition der Kapazitäten darstellen. Nach Auflösung der darin enthaltenen Parallelschaltungen ergibt sich

(Formel 87)

und nach weiterer Vereinfachung

(Formel 88)

Speziell für den Fall

(Formel 89)

wird k(ω) unabhängig von ω und geht in den Teilerfaktor der Gleichung (85) über. Und genau dies nützt man bei einem passiven Tastkopf aus: Die einstellbare Kapazität CT wird durch den Nutzer genau so eingestellt, dass die Bedingung (89) erfüllt ist, was durch entsprechendes Drehen mit dem Trimmstift erfolgt. Danach werden Sinussignale beliebiger Frequenz mit dem festen Teilerfaktor gemäß (85) bewertet und unverfälscht vom Oszilloskopeingang weiterverarbeitet, insofern die Frequenzen nicht so hoch sind, dass durch die begrenzte Bandbreite der nachfolgenden internen Verstärkerschaltung eine Dämpfung erfolgt. Automatisch gilt dies dann auch für beliebige andere periodische oder auch einmalige Signale, da man sich diese stets als Superposition unendlich vieler Sinussignale entsprechend einer signalspezifischen spektralen Charakteristik vorstellen kann (mehr dazu bei den unten stehenenden Erläuterungen zum Spektrumanalysator).

Der Nutzer nimmt die korrekte Einstellung von CT jedoch nicht aufgrund einer theoretischen Berechnung vor, sondern legt vielmehr ein vom Oszilloskop hierfür zur Verfügung gestelltes Rechteck-Kalibriersignal (von oftmals 1 kHz) an die Tastkopfspitze. Danach verdreht er solange den Trimmstift, bis im Display des Oszilloskops das Rechtecksignal ohne Verfälschungen zu sehen ist. Bild 54 zeigt die prinzipiell denkbaren drei Fälle. Bei korrekter Einstellung ergibt sich ein unverfälschtes Rechtecksignal. Bei einem zu kleinen CT zeigen sich abgerundete Ecken, man spricht von einer „Unterkompensation“. Bei zu großem CT ergibt sich dagegen ein Überschwingen, auch „Überkompensation“ genannt.

Unabhängig von dieser Frequenzkompensation wird ein Tastkopf auch dann verwendet, wenn höhere Spannungen zu messen sind, die vom Spannungsmessbereich der Oszilloskopeingänge nicht mehr umfasst werden. Insbesondere hierfür gibt es auch Tastköpfe mit Teilerfaktoren bis zu 0,001 hinab, wie oben bereits aufgeführt.

Bild 54: Abgleich eines passiven Tastkopfs

Außer der zentralen Funktion der Frequenzkompensation sowie der Möglichkeit, auch höhere Spannungen zu messen, bietet ein passiver Tastkopf den zusätzlichen Vorteil einer Erhöhung des für die zu messende Spannung „sichtbaren“ Innenwiderstandes RiT. Statt nur aus dem ohne Tastkopf wirkenden Ri (von wie gesagt meist 1 MΩ) besteht dieser nun aus der Serienschaltung von Ri und RT, was der Summe der Widerstände entspricht:

(Formel 90)

bzw. unter Berücksichtigung von (85)

(Formel 91)

Ein 10:1-Tastteiler (k = 0,1) mit einem RT von 9 MΩ generiert dann also ein RiT von 10 MΩ.

Außerdem wird die wirksame Lastkapazität verkleinert. Statt den parallel wirkenden CK und Ci liegt nämlich nun deren Serienschaltung mit CT an. Die wirksame Gesamtkapazität ist also

(Formel 92)

wobei wir die bekannte Formel für die Serienschaltung von Kapazitäten verwendet haben, die strukturell der einer Parallelschaltung ohmscher Widerstände entspricht. Im Kompensationsfall nach (89) und unter Berücksichtigung des Teilerfaktors k gemäß (85) lässt sich dies noch umformen zu

(Formel 93)

Ci wird also zunächst durch die Kabelkapazität CK zwangsweise erhöht und anschließend mit dem Faktor k verkleinert. Letzterer Effekt überwiegt deutlich den ersten, sodass es insgesamt stets zu einer signifikanten Herabsetzung der wirksamen Kapazität kommt. Bei einem repräsentativen Wert für CK von z.B. 100 pF für ein 1 m langes Koaxialkabel am Tastkopf und einem Ci von 20 pF ergibt sich beim 10:1-Tastteiler ein CiT von 12 pF.

Außer den in der Mehrzahl der Fälle eingesetzten passiven Tastköpfen gibt es auch noch aktive Tastköpfe. Diese verfügen über eingebaute Verstärkerelektroniken, die entweder über das Oszilloskop mit einer elektrischen Spannungsversorgung gespeist werden oder über ein externes Netzteil. Sie kommen v.a. bei der Messung hochfrequenter, sehr kleiner Spannungssignale zum Einsatz. Sie besitzen im Gegensatz zu passiven Tastköpfen keinen Teilereffekt, vielmehr wird das Signal aktiv verstärkt. Weiterhin existieren einige Sonderbauformen von Tastköpfen. Als Beispiel seien zum einen genannt Differential-Tastköpfe: Dies sind aktive Tastköpfe, bei denen eine Messspannung unabhängig von der Masseleitung (Nebenleitung mit Klemme in Bild 52) über zwei Leitungen abgegriffen werden kann. Zum anderen sind Strom-Tastköpfe zu erwähnen, die nach dem in den Ausführungen zur Messung von Strömen bereits kurz erklärten Stromzangenprinzip arbeiten.

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