Was ist eine Hochspannungssonde?
Hochspannungssonden sind passive Sonden, die hohe Spannungen messen können.
Bei Hochspannungsmessungen, die mehrere hundert Volt überschreiten, versagen normale Spannungssonden und können nicht verwendet werden. Allzwecksonden haben Schwierigkeiten, mit hohen Frequenzen und Spannungen umzugehen. Im Gegensatz dazu können Hochspannungssonden Spannungen von Tausenden bis Zehntausenden von Volt messen und sind passive Sonden, die speziell für hohe Spannungen ausgelegt sind.
Hochspannungssonden werden z. B. zur Messung von Spannungskurven verwendet, indem sie an Oszilloskope oder spezielle Messgeräte angeschlossen werden. Bei der Messung großer Spannungen mit hohen Frequenzen erwärmt sich die Sonde schnell, sodass Vorsicht geboten ist, um Verbrennungen und Stromschläge zu vermeiden.
Anwendungen von Hochspannungssonden
Hochspannungssonden werden zur Messung von Wellenformen hoher Spannungen von mehreren hundert Volt oder mehr verwendet. Sie kommen häufig bei der Messung von Signalen in Motortreibern, Schaltnetzteilen, Wechselrichtern und Umrichtern zum Einsatz, die Leistungsbauelemente wie IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) verwenden.
Sie werden auch häufig dort eingesetzt, wo hohe Spannungslasten möglich sind, wie z. B. in Gleichstromkreisen, und eine Anwendung ist die Messung der Anodenspannung von Kathodenstrahlröhren. Weitere Anwendungen sind Sicherheitsprüfungen von Photovoltaik-Anlagen wie Mega-Solarkraftwerken ohne Netzunterbrechung und Messungen von Hochspannungs-Elektroanlagen in Hybrid- und Elektrofahrzeugen.
Bei der Auswahl eines Tastkopfes werden Frequenzband, Eingangswiderstand, Eingangskapazität, Betriebsspannungsbereich und das entsprechende Oszilloskopmodell berücksichtigt.
Funktionsweise der Hochspannungssonden
Hochspannungssonden messen hohe Spannungen, indem sie diese durch das Verhältnis zwischen dem Innenwiderstand des Oszilloskops oder eines anderen Messgeräts und dem Vergrößerungswiderstand der Sonde dividieren. Bei der Messung hoher Spannungen werden Hochspannungssonden mit einem Dämpfungsverhältnis von 100:1 oder 1.000:1 verwendet.
Der Tastkopf dient dazu, den Prüfpunkt, d. h. die Signalquelle, physikalisch und elektrisch mit dem Oszilloskop zu verbinden. Die maximal zulässige Spannung der Spannungssonde muss auf ihre Belastbarkeit hin überprüft werden, da sie mit zunehmender Frequenz abnimmt.
Der Tastkopf wird zwischen der Eingangsklemme und dem Oszilloskopeingang platziert und misst die Wellenform, die ihn durchläuft. Bei der Messung von Hochfrequenzsignalen wird die Eingangskapazität zu einer Last und beeinflusst das Signal, aber durch den Anschluss über einen Tastkopf mit einem hohen Dämpfungsverhältnis kann eine genauere Wellenform gemessen werden.
Aufbau von Hochspannungssonden
Der Aufbau von Hochspannungssonden variiert je nach dem zu messenden Spannungsbereich. Die von den Oszilloskopherstellern verkauften Produkte mit einer Spannung von etwa 25 KV DC können genauso gehandhabt werden wie allgemeine Tastköpfe.
Hochspannungssonden bestehen aus einem Sondenkörper, einer passenden Box und einem Verbindungskabel. Das Innere der Sonde ist mit Isolieröl oder -gas gefüllt, um die Spannungsfestigkeit zu erhöhen. Der Eingangswiderstand des Sondenkörpers hängt von der Dämpfung des Dämpfungsglieds ab, es wird jedoch ein großer Wert von 100-1.500 MΩ verwendet.
Die Anpassungsbox führt die Phasenkompensation durch, und das Einstellverfahren ist aufgrund der großen Dämpfung des Dämpfungsglieds und der Verwendung langer Kabel komplexer als bei normalen passiven Sonden. In einigen Fällen liefern die Hersteller von Hochspannungssonden diese justiert aus und verbieten die Justierung durch den Benutzer.
Weitere Informationen zu Hochspannungssonden
1. Sicherheitsmaßnahmen für Hochspannungssonden
Hochspannungssonden arbeiten mit hohen Spannungen, weshalb verschiedene Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden.
- Es stehen lange Kabel (3 m bis 10 m) zur Verfügung, damit das zu prüfende System aufgrund der hohen Spannungen aus der Entfernung gemessen werden kann.
- Bei Sonden, die für den Handbetrieb konzipiert sind, ist ein großer Schutzring vorgesehen, um eine Entladung auf den menschlichen Körper zu verhindern. Das Gehäuse der Sonde, das für eine feste Montage ausgelegt ist, ist außerdem mit einem Anschluss für die Erdung der Sonde selbst versehen.
- Vorsichtsmaßnahmen bei der Handhabung sind ebenfalls wichtig. Bei der Messung von Hochfrequenzspannungen beispielsweise muss das Kennlinienfeld des Herstellers genau verstanden werden, denn je höher die Frequenz, desto niedriger die zulässige Spannung der Sonde. Wenn die Erdungsklemme der Sonde getrennt wird, treten an den Eingangsklemmen und am Gehäuse hohe Spannungen auf, die gefährlich sein können.
2. Isolierte Sonden
Isolierte Tastköpfe sind solche, bei denen nur der Tastkopf erdfrei ist. Er ist vom Gehäuse des Oszilloskops elektrisch isoliert.
Es gibt zwei Möglichkeiten, den Tastkopf zu isolieren: Entweder wird ein Transformator verwendet, um die Tastkopfspitze vom Oszilloskop zu trennen, oder das an der Tastkopfspitze empfangene elektrische Signal wird in ein optisch-elektrisches Signal umgewandelt, über einen Lichtwellenleiter übertragen und auf der Empfängerseite in das ursprüngliche Signal zurückgeführt. In beiden Fällen besteht keine elektrische Kontinuität zwischen der Sonde und dem Oszilloskop und sie sind voneinander isoliert, aber die von der Sonde erfassten Signale werden an die Oszilloskopseite übertragen.
Aufgrund dieser Konfiguration hat das Oszilloskop selbst, wenn es ordnungsgemäß geerdet ist, keine Auswirkung auf das Signal der zu prüfenden Schaltung, das zwischen der Spitze des isolierten Tastkopfes und dem Erdungskabel anliegt. Selbst wenn die zu prüfende Schaltung sehr hohe Gleichtaktspannungen führt, kann die Isolationssonde daher nur zur Messung der Differenzspannung zwischen der Spitze und der Masseleitung verwendet werden.