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In der elektrischen Messtechnik kommen Tastköpfe in Kombination mit Oszilloskopen zum Einsatz. Mit ihnen werden die zu bemessenden Stromleitungen angetastet. Wie genau sie funktionieren und was die Aufgaben eines Tastkopfes sind, erfahren Sie hier.

Wissenswertes zu Tastköpfen

Was sind Tastköpfe?

Es gibt eine Vielzahl an Tastköpfen, die in ihrer Bauweise und in Einsatzmöglichkeiten sehr verschieden sind. Hauptsächlich werden die Messmittel bei Messungen mit Oszilloskopen genutzt.

Das Oszilloskop ist unter anderem dafür geeignet, die Stromspannung im zeitlichen Verlauf darzustellen. Tastköpfe werden dabei eingesetzt, um das Oszilloskop mit dem Messobjekt zu verbinden, falls dieses nicht direkt an das Messobjekt angeschlossen werden kann. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen BNC-Kabel lassen sich Tastköpfe dabei in einem wesentlich größeren Frequenzbereich bei deutlich erhöhter Messgenauigkeit einsetzen.

Wie funktionieren Tastköpfe?

Angeschlossen an ein Oszilloskop fungieren Tastköpfe als Zwischenschaltung zum Messobjekt. Sie ermöglichen die Messung einer Spannung unter definierten Bedingungen, da ihre Impedanzen und ihre Kapazitäten bekannt sind. Dadurch wird die Fehleranfälligkeit deutlich reduziert und die Messung präziser, als bei einer Messung mit einem einfachen Koaxialkabel. Es wird zwischen passiven und aktiven Tastköpfen unterschieden.

Passiver Tastkopf mit einer Bandbreite von 50 MHz und BNC-Stecker

Passive Tastköpfe

Der Grundaufbau eines passiven Tastkopfes ist dabei recht simpel. Einfache Tastköpfe verzichten auf aktive Bauteile und werden einfach an das Oszilloskop angeschlossen. Dann lässt sich mit der Tastkopfspitze das Messobjekt antasten und eine Messung durchführen.

Ein einfacher Tastkopf besitzt eine Prüfspitze oder eine Federklemme, die an der Spitze des Tastkopfes den Kontakt zum entsprechenden Messobjekt herstellen. Im Tastkopf selbst ist ein Eingangswiderstand untergebracht, der im Verhältnis zum Innenwiderstand des Oszilloskops – dieser liegt meistens bei etwa 1 kOhm –  die Spannung am Oszilloskop senkt. Somit funktioniert er als Spannungsteiler. Besitzt der Eingangswiderstand etwa die Größe 9 kOhm, so wird nur noch ein Zehntel der Spannung am Oszilloskop gemessen. Dies wird auch 10x-Modus genannt.

Dazu gesellt sich ein sogenannter Kompensations-Kondensator. Dieser wird entweder im Tastkopf selbst oder parallel zum Eingangswiderstand geschalten und dient dazu, die Kapazität im Oszilloskop zu kompensieren. Dieser Kondensator ist variabel einstellbar, da er dieselbe Kapazität, wie der Kondensator im Oszilloskop, aufweisen muss. Um ihn richtig zu kalibrieren, schließen Sie den Tastkopf an eine Rechteckspannung an und verstellen die Kapazität solange, bis eine unverfälschte Spannungskurve vom Oszilloskop angezeigt wird. Verbunden wird der Tastkopf mit dem Oszilloskop über ein spezielles Koaxialkabel mit bekanntem Kapazitätswert.

Bei einigen Modellen ist dieser Spannungsteiler und der Kondensator durch einen Schalter von der Leitung trennbar, sodass der Tastkopf das Oszilloskop direkt mit dem Messobjekt verbindet. Aufgrund der Bauart der Tastköpfe, die häufig dafür ausgelegt sind mit einem Kompensations-Kondensator zu messen, sind die Bandbreiten, mit dem im direkten, auch 1x- genannten Modus gemessen werden kann, eher klein. Der Innenwiderstand des Kabels, bedingt durch einen für den 10x-Modus optimierten Aufbau, für die begrenzte Bandbreite im 1x-Modus.

Da Tastköpfe die zu untersuchende Schaltung möglichst wenig beeinflussen und das Signal so unverfälscht wie möglich an das Messgerät weitergeben sollen, ergeben sich einige, wichtige Anforderungen an die Geräte. Zum einem soll die Eingangsimpedanz, also der Wechselstromwiderstand, möglichst hoch sein. Zum anderen soll die Eingangskapazität möglichst gering gehalten werden, um eine Impulstreue zu gewährleisten. Diese beiden Anforderungen stehen allerdings in einem Gegensatz zueinander, da mit hohem Wellenwiderstand eine definierte, höhere Kapazität einhergeht.

Es wird zwischen zwei Arten von Tastköpfen unterschieden:

1) Tastköpfe mit hohem Eingangswiderstand

  • Diese Modelle ermöglichen durch die hohe Eingangsimpedanz bei gleichzeitig höherer Eingangskapazität einen höheren möglichen Signalpegel. Dadurch wird zudem die Signalquelle nur wenig belastet. Hochohmige Tastköpfe werden meist an die gängige 1 kOhm-Terminierung des Oszilloskops angeschlossen.

2) Tastköpfe mit niedrigem Eingangswiderstand (Transmission-Line-Tastköpfe)

  • Diese ermöglichen durch den niedrigeren Eingangswiderstand einen deutlich breiteren Frequenzbereich und eine geringe Eingangskapazität, die die Impulstreue verbessert. Das liegt daran, dass eine geringere Eingangskapazität mit einem deutlich geringeren kapazitiven Widerstand bei Wechselspannung einhergeht, der das Messergebnis besonders bei hohen Frequenzen stark verfälschen würde. Allerdings erfordern diese eine deutlich präzisere 50 Ohm Terminierung am Oszilloskop, um eine 10:1 Teilung zu gewährleisten.
Aktiver Oszilloskop-Tastkopf mit zusätzlichen Netzteil

Aktive Tastköpfe

Aktive Tastköpfe versuchen mittels aktiver Bauteile eine niedrige Eingangskapazität bei gleichzeitig hohem Eingangswiderstand zu erreichen. Sie verstärken das aufgenommene Signal bereits im Tastkopf und benötigen daher eine externe Stromversorgung. Meist wird diese über das Oszilloskop bereitgestellt. Durch diese externe Energiezufuhr wird es ermöglicht, bei hoher Impedanz mit niedriger Eingangskapazität zu messen.

Dies löst die Probleme passiver Tastköpfe, die häufig einen Kompromiss zwischen maximaler Bandbreite und niedriger Signalquellenbelastung finden müssen. Dadurch ermöglichen aktive Tastköpfe präzisere Messungen über einen großen Messbereich.

Der eingebaute Verstärker sorgt aber dafür, dass nur niedrigere Spannungen als bei passiven Tastköpfen messbar sind. Ein weiteres Problem ist die nicht standardisierte Stromversorgung. So lässt sich ein aktiver Tastkopf häufig nur mit einem Oszilloskop desselben Herstellers verwenden, während sich passive Tastköpfe fast universell einsetzen lassen. Aktive Tastköpfe kosten zudem aufgrund des komplexeren Aufbaus einiges mehr. Der Vorteil bei der Präzision der Messung besonders in den Randbereichen mit hoher Frequenz muss sich demnach erkauft werden und lohnt sich nur, wenn häufig in solchen Bereichen gemessen wird.

Weiterhin gibt es den sogenannten differentiellen Tastkopf, der eine Sonderform der aktiven Variante darstellt. Bei allen aktiven und passiven Tastköpfen wird gegen Masse gemessen. Soll die Differenz zweier Spannungspotenziale direkt miteinander verglichen werden, so lässt sich das durch Verwendung zweier Tastköpfe zwar erreichen. Dies ist jedoch kompliziert und birgt hohes Fehlerrisiko. Hier kommen Differentialtastköpfe zum Einsatz, die mit zwei verschiedenen Anschlüssen ausgestattet sind. Diese werden an das Leitungspaar angeschlossen, zwischen dem eine Vergleichsmessung stattfinden soll. Bei solchen schnellen, symmetrischen Signalen bieten sie höchste Präzision, haben aber auch einen hohen Preis.

Darüber hinaus gibt es viele weitere, spezielle Tastköpfe, die nur für ganz bestimmte Anwendungsgebiete wie etwa Hochspannungsmessungen konzipiert sind.

Was ist beim Kauf zu beachten?

Anhand der technischen Daten der jeweiligen Produktbeschreibung lassen sich bereits wichtige Parameter des Tastkopfes entnehmen. Zuallererst sollten Sie entsprechend Ihrer Bedürfnisse den richtigen Typ wählen. Dabei lohnt es sich auf einige Eckdaten zu achten.

Passive Tastköpfe erfüllen mit ihrer einfachen Handhabung und günstiger Anschaffung die meisten Aufgabengebiete. Die Schwächen eines hochohmigen passiven Tastkopfes werden erst bei hohen Frequenzen ersichtlich, die im normalen Laborgebrauch nur selten anfallen. Für hohe Frequenzen wird ein Transmission-Line-Tastkopf benötigt.

Die Investition in einen aktiven Tastkopf lohnt sich erst, wenn der Messung höchste Präzision abverlangt oder regelmäßig über ein breites Frequenzspektrum gemessen wird. Achten Sie darauf, dass der aktive Tastkopf zum Oszilloskop passt. Direkte Vergleichsmessungen setzen Sie mit einem Differentialtastkopf um. Ob der aktive Tastkopf zum Oszilloskop passt, entnehmen Sie der Produktbeschreibung. Meistens sind die Tastköpfe mit den Oszilloskopen desselben Herstellers oder einer bestimmten Baureihe kompatibel.

Vollisolierter Tastkopf mit einer Eingangskapazität von 15 pF

Dem Datenblatt, welches sie ebenso auf der jeweiligen Artikelseite finden, entnehmen Sie noch einige weitere Eckdaten, die wichtig für den richtigen Einsatz sind.

Angegeben finden Sie hier den Teilerfaktor, der die Größe des Widerstandes im Verhältnis angibt. Die tatsächliche Größe des Widerstands entnehmen sie ebenso dem Datenblatt. Bei einigen Tastköpfen ist dieser sogar verstellbar.

Dazu finden Sie die Bandbreite. Diese gibt an, bis zu welcher Frequenz der Tastkopf einsetzbar ist. An der Grenzfrequenz wird das Signal um 3 dB abgedämpft, darüber hinaus noch deutlicher.

Außerdem ist die Eingangskapazität des Tastkopfes angegeben. Diese sollte möglichst niedrig werden, besonders wenn sie mit hohen Frequenzen messen. Andernfalls wirkt sie bei Wechselstrom als Widerstand und verfälscht die Messwerte um einen Faktor. Der Wert „Eingangskapazität des Oszilloskops“ zeigt den Bereich des Kompensations-Kondensators an. Die Kapazität des Kondensators im Oszilloskop, mit dem gemessen wird, muss in diesem Bereich liegen.

Weiterhin ist die maximale Eingangsspannung sowie die Messkategorie angegeben. Beide Werte geben Auskunft darüber, wie belastbar das Bauteil ist.

Sollten Sie sich beim Kauf unsicher sein oder weitere Fragen haben, steht unser Kundenservice Ihnen auch sehr gern mit persönlichem Rat zur Verfügung.

Fazit: Flexibilität

Tastköpfe bieten eine große Flexibilität beim Einsatz von Oszilloskopen und ermöglichen präzise Messungen. Insbesondere die passiven Tastköpfe gehören zur Grundausstattung eines jeden Anwenders dieser Messgeräte. Für professionelle oder häufige Anwender kann sich die Investition in einen aktiven Tastkopf oder Differentialtastkopf lohnen.

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