Ratgeber
Wie kommen Signale in ein Oszilloskop? Dafür gibt es üblicherweise zwei Wege: Über ein abgeschirmtes Kabel mit zwei Kontaktelementen am BNC-Eingang des Messgeräts oder über einen Tastkopf.
Lesen Sie hier, wie Oszilloskop-Tastköpfe aufgebaut sind, wie sie funktionieren und welche Typen und Bauformen es gibt. Wir geben Ihnen außerdem Tipps für Beschaffung.
Mit einem Tastkopf, auch bekannt als Tastsonde oder Prüfspitze, lassen sich elektrische Signale an bestimmten Punkten in einem Stromkreis messen und anzeigen. Prüfspitzen sind wichtige Werkzeuge für Ingenieure und Techniker, da sie eine zuverlässige Verbindung zwischen dem Oszilloskop und dem zu untersuchenden Schaltkreis herstellen.
Um Spannungssignale in Echtzeit zu visualisieren und zu analysieren, werden Tastköpfe in der Regel an Oszilloskope angeschlossen. Eine typische Anwendung ist die Fehlersuche und Analyse in komplexen elektronischen Schaltungen. In Verbindung mit einem Spektrumanalysator lassen sich Tastköpfe ebenfalls verwenden, zum Beispiel zur Analyse von Frequenzkomponenten. Spezialformen eignen sich für die Analyse digitaler Signale mit Logikanalysatoren.
Standard-Tastköpfe für die Verwendung an Oszilloskopen bestehen aus mehreren, sorgfältig aufeinander abgestimmten Komponenten. Die Messspitze des Tastkopfs ist der Teil, der den direkten Kontakt mit dem Messpunkt im Stromkreis herstellt. Sie sind oft mit leitfähigem Metall wie Gold oder Nickel beschichtet und stellen damit eine gute elektrische Verbindung her. Bei einigen Typen lassen sich die Spitzen austauschen, es gibt zum Beispiel feine Spitzen für SMD-Bauteile oder herausdrückbare Haken für Drahtanschlüsse.
Der Körper des Tastkopfs ist im Allgemeinen mit einer isolierenden Hülle versehen. Sie schützt den Benutzer vor zu hohen Strömen und verhindert, dass der Tastkopf versehentlich Kurzschlüsse verursacht. Gängige Tastköpfe besitzen Druckknöpfe oder Schalter am Griff für zusätzliche Funktionen wie die Auswahl des Dämpfungsfaktors. Dazu sind in passiven Tastköpfen Widerstände und Kondensatoren integriert. Sie dämpfen das Signal beispielsweise im Verhältnis 1:1, 10:1 oder 100:1. Die Bauelemente sind oft im Griff des Tastkopfs untergebracht.
Als Erdungsanschluss dient ein flexibles Kabel mit einer Erdungsklemme. Sie stellt die Verbindung zu einem Erdungspunkt im Stromkreis her. Die Klemme schafft ein Bezugspotential und gewährleistet genaue Messungen. Die eigentlichen Signale laufen dagegen über ein abgeschirmtes Koaxialkabel. Die Abschirmung minimiert elektromagnetische Störungen und sorgt für eine hohe Signalqualität. Am Ende des Kabels befindet sich üblicherweise ein BNC-Stecker zum Anschluss des Tastkopfs an das Oszilloskop. Steht am Oszilloskop keine BNC-Buchse zur Verfügung, lassen sich unterschiedliche Adapter verwenden.
Passive Tastköpfe
Dabei handelt es sich um den am häufigsten verwendeten Typ, er repräsentiert daher sozusagen den Standard-Tastkopf. Er zeichnet sich durch Einfachheit und Robustheit aus. Da dieser Tastkopf rein passiv arbeitet und keine aktiven Komponenten wie Verstärkungsschaltungen enthält, funktioniert er sehr zuverlässig.
Differentielle Tastköpfe
Mit differentiellen Tastköpfen lassen sich die Spannung zwischen zwei Punkten im Schaltkreis und nicht gegen Masse messen. Sie sind besonders nützlich für Messungen in differenziellen Schaltungen und zur Reduzierung von Gleichtaktstörungen.
Aktive Tastköpfe
Ein aktiver Oszilloskop-Tastkopf enthält aktive Komponenten wie Verstärker. Damit lassen sich Signale mit hoher Bandbreite und geringer Amplitude genau messen.
FET-Typen
Ein solcher ebenfalls aktiver Tastkopf verwendet einen Feldeffekttransistor – kurz FET – zur Impedanzwandlung und Verstärkung in Hochfrequenzmessungen.
Hochspannungsdifferenz-Typen
Hochspannungsdifferenz-Typen sind geeignet für die Messung von hohen Differenzspannungen, beispielsweise in Stromversorgungen oder an Spannungsteilern.
Stromtastköpfe
Ein solcher Tastkopf ist speziell für die Messung von Strom ausgelegt. Er nutzt magnetische Sensoren wie Hall-Effekt-Sensoren oder Rogowski-Spulen.
AC- und DC-Stromtastköpfe
Sie sind passive Tastköpfe und eignen sich besonders für die Messung von Wechsel- und Gleichströmen.
Kapazitive Typen
Diese lassen sich zur Messung elektrischer Felder verwenden, besonders bei sehr hohen Frequenzen.
EMV-Typen
Entwickelt speziell für die Messung von elektromagnetischen Störungen und Feldstärken.
Logiktastköpfe
Logiktastköpfe dienen der Erfassung digitaler Signale und sind oft mit Logikanalysatoren verbunden, um die Zustände von digitalen Schaltungen zu überprüfen.
Isolierte Typen
Ein extra isolierter Oszilloskop-Tastkopf biet eine galvanische Trennung zwischen dem Messgerät und dem Messpunkt, wichtig besonders in Hochspannungsszenarien.
Optisch isolierte Typen
Die Funktion ähnelt dem vorgenannten Tastkopf, er verwendet zur galvanischen Trennung allerdings eine optische Verbindung zur Signalübertragung und verträgt hohe Isolationsspannungen.
Oberflächen-Messtypen
Spezialkonstruktionen eines Tastkopfs für das Testen von Oberflächenpotentialen auf Platinen.
Spektrum-Tastköpfe
Für die Messung von Hochfrequenz-Signalen in Verbindung mit Spektrumanalysatoren.
Zunächst kommt es auf die am Oszilloskop zu messende Signalform an, in der Regel sind das Gleichspannungen, Wechselspannungen oder Hochfrequenzsignale. Entsprechende Messgeräte sollten vorhanden sein, also Oszilloskope, Spektrumanalysatoren oder Logikanalysatoren. In manchen Fällen reichen auch handelsübliche Multimeter mit Adaptern für den Anschluss des Oszilloskop-Tastkopfs.
Die Bandbreite des Tastkopfs sollte mindestens so hoch sein wie die Bandbreite des zu messenden Signals, ausgedrückt in Megahertz oder MHz und in Gigahertz oder GHz. Für Hochfrequenzanwendungen werden oft Tastköpfe mit Bandbreiten im Gigahertz-Bereich benötigt. Ein hoher Eingangswiderstand von 1 Megaohm oder höher minimiert die Beeinflussung des zu messenden Schaltkreises. Das Gegenteil gilt für die Eingangskapazität. Für Hochfrequenzmessungen sind geringere Eingangskapazitäten zu wählen, um Signalverzerrungen zu vermeiden.
Dämpfungsfaktoren bestimmen die Stärke des Ausgangssignals. 1:1 empfiehlt sich für niederfrequente Signale und kleine Spannungen, 10:1 oder 100:1 für höhere Spannungen und zur Vermeidung von Übersteuerung des Oszilloskops. Bei Messungen in Hochspannungsumgebungen ist neben der Dämpfung zudem eine gute Isolierung und eine hohe Durchschlagsspannung wichtig. So ist in manchen Anwendungen ist eine galvanische Trennung notwendig, um Messstörungen und Risiken für das Oszilloskop zu vermeiden.
Last but not least sollte der Anschluss des Tastkopf-Kabels kompatibel mit den Eingängen des Oszilloskops sein, im Allgemeinen handelt es sich dabei um BNC-Stecker. Gegebenenfalls sind Adapter notwendig, um die Verbindung zu speziellen Geräten der Messtechnik herzustellen.