Messgeräte zur Charakterisierung von Bauelementen

Impedanz-Analysatoren und LCR-Meter erscheinen auf den ersten Blick sehr ähnlich. Die Verwirrung wird komplett, wenn multifunktionale Impedanz-Analysatoren auch mit Grundfunktionen eines LCR-Meters ausgestattet sind oder als LCR-Analysator bezeichnet werden. Worin unterscheiden sich Impedanz-Analysator und LCR-Meter?

Impedanz: Wechselstrom-Widerstand

Die Verhältnisse im Gleichstromkreis sind bekanntermaßen recht einfach durch das ohmsche Gesetzt beschrieben: Der Widerstand R ist hier als Verhältnis von Spannung zu Strom definiert (beides Gleichgrößen), also R = U / I. Im Wechselstromkreis sieht die Sache komplizierter aus. Zum einen sind Spannung und Strom hier (optimalerweise perfekt) sinusförmige Wechselgrößen. Zum anderen wirken sich auch Induktivitäten von Spulen (L) und Kapazitäten von Kondensatoren (C) aus: Sie erzeugen Phasenverschiebungen zwischen Spannung und Strom.

Der Widerstand im Wechselstromkreis ist daher eine komplexe Funktion der Frequenz und heißt Impedanz. Die Impedanz beschreibt also das Verhältnis der Amplituden von Wechselspannung zu Wechselstrom, die beide sinusförmig sind, sowie der Phasenverschiebung, also der Verschiebung der Phasenwinkel von Spannung und Strom. Der Betrag der komplexen Impedanz wird als Scheinwiderstand bezeichnet.

Abweichend von dieser physikalisch korrekten Definition wird häufig der Begriff Impedanz auch für den Scheinwiderstand verwendet.

LCR: Spule, Kapazität, ohmscher Widerstand

Im Prinzip ist eine Spule einfach ein meist um einen Spulenkern aufgewickelter Draht mit voneinander isolierten Windungen. Der wichtigste Kennwert einer Spule ist ihre Induktivität L, gemessen in der Einheit Henry (H), die definiert ist als: 1 H = 1 Vs / A = 1 Ωs.

Eine Kapazität als elektronisches Bauelement, also als Kondensator, besteht aus zwei Elektroden, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Ihre wichtigste Kenngröße ist die Kapazität C als das Verhältnis der Ladungsmenge Q, die auf den Elektroden gespeichert ist und der zwischen ihnen herrschenden Spannung: C = Q / U. Die Einheit ist Farad mit: 1 F = 1 As / 1 V = 1 C/1 V.

Das R in LCR schließlich steht, wie schon beschrieben für den ohmschen Widerstand, definiert als R = U / I in der Einheit Ohm (Ω).

Dass eine Messung der Kenngrößen L, C und R in der Elektrotechnik nötig ist, ist naheliegend – schon allein, um zum Beispiel Bauelemente zu charakterisieren, zu prüfen und zu sortieren. Für einfachere Anwendungen gibt es LCR-Meter auch schon als Handheld-Geräte oder in Pinzetten-Bauform zum Aufnehmen der Bauelemente. Nachdem bei Bauteilprüfungen in großem Stil jedoch auch die Geschwindigkeit und je nach Anwendung die Genauigkeit eine Rolle spielt, sind größere LCR-Meter zum Beispiel für Produktionstests erhältlich.

Der Wechselstrom-Widerstand beziehungsweise die Impedanz ist eine komplexe Funktion der Frequenz. Die Frequenz, mit der das Bauelement getestet wird, spielt also eine Rolle.

LCR-Meter und Impedanz-Analysator: Vergleich

Nachdem beide Gerätetypen Impedanz-Parameter wie Kapazität, Induktivität und Widerstand ermitteln, sind sie sich durchaus ähnlich. Durch das Messen des phasenabhängigen Verhältnisses von Spannung zu Strom können die grundlegenden Impedanz-Werte erfasst werden. Es gibt mehrere Messprinzipien für LCR-Meter und für Impedanz-Analysatoren, auf die hier nicht näher eingegangen werden soll. Schlussendlich jedoch können Parameter wie Kapazität, Induktivität und Widerstand oder Q-Faktor und Verlustleistung gemessen bzw. aus gemessenen Werten rechnerisch abgeleitet werden.

Ein LCR-Meter verwendet dazu meistens einen festen Satz an Test-Frequenzen und Test-Spannungen. Somit lassen sich feste Kenngrößen wie eben L, C und R ermitteln und numerisch anzeigen (Bild 4). Ein Impedanz-Analysator hingegen besitzt zusätzlich die Funktionen, Frequenzbereiche per Sweep zu durchlaufen (wobbeln). So ergeben sich die Impedanz-Parameter nicht nur als feste Werte, sondern als Kurven, die vom Impedanz-Analysator grafisch dargestellt werden können (Bild 1). Da es bei der Übertragung von Wechselspannung an Impedanzen zu Reflexionen von Wellen kommt, ist für Impedanz-Analysatoren auch der Reflexionsfaktor r von Interesse.

Die Übergänge zwischen den Gerätetypen sind jedoch fließend, da manche LCR-Meter mit vielen Testfrequenzen arbeiten. Die somit ermittelten vielen Parameter können dann zu einer Kurve interpoliert werden. Umgekehrt können Impedanz-Analysatoren ähnlich einem LCR-Meter mit einer festen Frequenz feste Impedanz-Parameter ermitteln.

Fazit

Ein LCR-Meter kann die elektronischen Bauteile Spule, Kondensator und Widerstand in Abhängigkeit von einer bestimmten Frequenz in ihren elektronischen Eigenschaften charakterisieren, prüfen und klassifizieren werden. Zudem können Entwickler von Baugruppen wie Schwingkreisen oder Filtern die verwendeten Bauteile mit der interessierenden Frequenz prüfen. Die Anwendung von Impedanz-Analysatoren kann ebenfalls der Charakterisierung von Bauelemente dienen, allerdings statt mit festen Frequenzen eben über einen weiten Frequenzbereich. Hinzu kommen Aufgaben wie Materialanalyse und Komponentenprüfung – insbesondere aktuell auch Impedanz-Prüfungen an Batterien. (bs)