Leitfaden zum Schutz von Oszilloskopeingängen vor Überspannungen

Wenn Sie sich in einem technischen Labor oder einer Prüfabteilung umsehen, werden Sie Geräte finden, an deren Eingangsanschlüssen kleine Schilder mit Beschreibungen wie „nicht verwenden“, „Wackelkontakt“ oder „defekt“ hängen. Bei diesen geisterhaften Gebilden handelt es sich wahrscheinlich um Oszilloskope, eines der am häufigsten verwendeten elektronischen Messinstrumente. Sie sind nicht nur allgegenwärtig, sondern in der Regel auch teuer: Sie kosten etwa 10.000 bis 12.000 Dollar pro Gigahertz (GHz) Bandbreite. In Anbetracht des Preises der Instrumente sollten Ingenieure und Techniker wissen, wie sie die Eingänge dieser Instrumente am besten schützen und die kleinen Warnschilder vermeiden können.

Ein typisches 1-GHz-Oszilloskop hat sowohl 50-Ohm- (Ω) als auch 1-Megaohm-(MΩ)-Eingänge. Die Spannungsempfindlichkeit des 50-Ω-Eingangs liegt zwischen 1 Millivolt (mV) pro Division (mV/div) und 1 Volt pro Division (V/div). Die Empfindlichkeit des 1-MΩ-Eingangs reicht von 1 mV/Div bis 10 V/Div.

Schutz von 50-Ω-Eingängen

Der 50-Ω-Eingang besitzt eine maximale Eingangsspannung von 5 Volt effektiv, die durch die Nennleistung des internen Abschlusses festgelegt ist. Eine effektive Spannung von 5 Volt an einem 50-Ω-Widerstand verbraucht 0,5 Watt (Strom (I) = V/R = 5 Volt/50 Ω = 0,1 Ampere (A); Leistung = V × I = 5 × 0,1 = 0,5 Watt).

Was tun Sie, wenn Sie eine Spannung von mehr als 5 Volt messen müssen? Verwenden Sie einfach ein zwischen Leitung und Eingangsbuchse angeschlossenes Dämpfungsglied wie das CATTEN-03R0-BNC der Crystek Corporation (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein zwischen Leitung und Eingangsbuchse angeschlossenes Dämpfungsglied erhöht die Belastbarkeit der 50-Ω-Eingänge von Oszilloskopen und Spektrumanalysatoren. (Bildquelle: Crystek Corporation)

Dämpfungsglieder reduzieren den Leistungspegel eines Signals, ohne es zu verzerren. Die Koaxial-Versionen zum Anschluss zwischen Eingangsbuchse und Leitung bieten eine feste Dämpfung und sind in einer großen Anzahl von Steckertypen mit einer Vielzahl von Stecker- und Buchsenkonfigurationen erhältlich.

Das CATTEN-03R0-BNC ist ein BNC-Dämpfungsglied mit 3 Dezibel (dB), 50 Ω, einer Bandbreite von 0 bis 1 GHz und einer Nennleistung von 2 Watt. Es ist eines der Modelle, die im Crystek-Sortiment mit Dämpfungswerten von 1 bis 20 dB erhältlich sind. Da die maximale Eingangsspannung des Dämpfungsglieds durch dessen Nennleistung begrenzt ist, erhöht sich bei Verwendung eines 3-dB-Dämpfungsglieds die maximale Eingangsspannung des Oszilloskops auf 7 Volt.

Für Oszilloskope mit einer Bandbreite von mehr als 1 GHz können Sie ein 2,92-mm-Dämpfungsglied wie das SF0915-6200-03 von Amphenol SV Microwave, ein 3-dB-, 50-Ω-Dämpfungsglied mit einer Bandbreite von 0 bis 40 GHz, zwischen Eingangsbuchse und Leitung verwenden.

Die Kalibrierung des Oszilloskops kann mithilfe der Eingangsskalierungsfunktionen der meisten Oszilloskope beibehalten werden. Für ein 3-dB-Dämpfungsglied wird der Eingang mit einem Multiplikationsfaktor von 0,707 skaliert. Die Genauigkeit dieser Dämpfungsglieder ist im Allgemeinen besser als 1 dB.

Schutz von 1-MΩ-Eingängen

Ein 1-MΩ-Eingang besitzt in der Regel eine maximale Nennspannung von 400 Volt (DC + Spitzen-AC) für Eingangsfrequenzen kleiner oder gleich 10 Kilohertz (kHz). Obwohl es sich um eine wesentlich robustere Spezifikation handelt, kann er dennoch durch Spannungsspitzen mit hoher Amplitude beschädigt werden, die durch Blitzschlag oder andere elektromagnetische Störungen (electromagnetic interference, EMI) verursacht werden.

Ein 1-MΩ-Eingang lässt sich mit Überspannungsschutzvorrichtungen wie Funkenstrecken, Gasentladungsröhren oder Dioden schützen, die elektrische Überlasten zur Erde ableiten, bevor sie Schaden anrichten können.

Der LP-GTR-NFF von Amphenol Times Microwave Systems ist ein leitungsmontierter Überspannungsschutz für N-Steckverbinder, der eine austauschbare Gasentladungsröhre nutzt. Die Röhre schlägt bei Gleichspannungen über ±90 Volt (20 A) durch und kann Stoßleistungen von bis zu 50 Watt bewältigen. Sie wird in die Leitung eingefügt und besitzt eine Bandbreite von DC bis 3 GHz mit einer Einfügedämpfung von 0,1 dB bis 1 GHz und 0,2 dB bis 3 GHz (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der Überspannungsschutz LP-GTR-NFF nutzt eine austauschbare Gasentladungsröhre zum Schutz von Koaxialleitungen vor Stoßleistungen von bis zu 50 Watt. (Bildquelle: Amphenol Times Microwave Systems)

Überspannungsschutzkomponenten werden in der Regel in Reihe mit dem Geräteeingang geschaltet und sind normalerweise für Geräte erforderlich, die an lange Datenübertragungs- oder Stromleitungen angeschlossen sind, auf denen große Überspannungen auftreten können.

Beseitigung einer DC-Vorspannung

Einige Messanwendungen, wie z. B. die Messung der Welligkeit eines DC-Versorgungsbusses, erfordern eine Gleichstromsperre, um die DC-Vorspannung zu beseitigen und die Verwendung einer feineren Vertikalmaßeinteilung zu ermöglichen. Die DC-Sperre ist ein Koaxialadapter, der einen Reihenkondensator nutzt, um den Durchgang von Hochfrequenzsignalen zu ermöglichen.

DC-Sperren sind für bestimmte charakteristische Impedanzen vorgesehen, in der Regel 50 oder 75 Ω. Der CBLK-300-3 von Crystek Corporation ist eine 50-Ω-Innenleiter-DC-Sperre, die Signale mit Frequenzen von 300 kHz bis 3 GHz durchlässt und gleichzeitig Gleichstrompegel von bis zu 16 Volt blockiert (Abbildung 3). Sie zeichnet sich durch eine niedrige Einfüge- und Rückflussdämpfung über ihren Betriebsfrequenzbereich aus.

Abbildung 3: Die CBLK-300-3 von Crystek sperrt DC bis 16 Volt und lässt Signale mit Frequenzen von 300 kHz bis 3 GHz passieren. (Bildquelle: Crystek Corporation, vom Autor angepasst)

Fazit

Oszilloskope sind die besten Freunde von Entwicklern und bleiben diesen mit ein wenig Sorgfalt lange erhalten. Die oben erwähnten Hilfsmittel tragen dazu bei, indem sie die maximale Spannung am Eingang der Instrumente reduzieren, so dass die kleinen Warnschilder in der Schublade und nicht am Instrument bleiben können.