Die Fehlersuche auf Platinen oder in der Prototypenentwicklung gestaltet sich oft genug als schwierig. Bei den klassischen Messverfahren ist es nötig, entweder den Stromkreis zu unterbrechen und einen Messwiderstand einzubringen oder – wie bei einer Strommesszange – einen Leiter magnetisch zu umschließen. Bei Leiterbahnen auf Platinen, Bauteilfüßen oder Masseflächen stoßen diese Messverfahren jedoch an ihre Grenzen. Erschwerend kommt hinzu, dass sich die Bahnen auf Leiterplatten normalerweise weder unterbrechen oder magnetisch umschließen lassen, weshalb Prüfingenieure darauf angewiesen sind, den Stromfluss auf Basis von Messungen aus anderen Teilen des Stromkreises zu schätzen.
Durch die immer höhere Dichte moderner Schaltplatinen wurde das Fehlen einer präzisen Messmethode zur Ermittlung des Stromflusses besonders in der Design- und Entwicklungsphase neuer Leiterplatten immer häufiger zum Problem. Das hat den britischen Hersteller TTi von Messsystemen dazu veranlasst, einen Stromtastkopf zu konzipieren, der dieses Problem auf intelligente Weise löst. Mit Hilfe eines patentierten Verfahrens kann die Prüfspitze direkt und durch einfaches Aufsetzen die Ströme messen, die durch Leiterbahnen fließen. Den Stromtastkopf Aim i-Prober 520 hat der Elektronik-Spezialist und Katalogdistributor Distrelec Schuricht in seinem Lieferprogramm aufgenommen.
Unterbrechungsfreies Messen
Anders als bei den klassischen Messverfahren muss die stromführende Leitung dazu nicht aufgetrennt werden. „Bei der Fehlersuche auf Platinen oder in der Prototypenentwicklung ist dieses Messverfahren ein ganz entscheidender Fortschritt“, betont Ruud Vertommen. Der i-Prober 520 ist in der Lage, Strommessungen auf Leiterbahnen und an anderen Stellen durchzuführen, wo herkömmliche Stromzangen an ihre Grenzen stoßen. Es handelt sich um eine positionierbare Strommesssonde, die ihre Messung aus dem Magnetfeld an einer in Bezug auf den stromführenden Leiter definierten Stelle ableitet. Dies ermöglicht das Darstellen und Messen von Strömen, indem man einfach die isolierte Spitze der Sonde auf eine Leiterbahn, den Anschluss eines Bauteils oder auf eine Massefläche setzt. Der Elektronikexperte von Distrelec in Bremen kann eine recht positive Resonanz verbuchen: „Mit dem neuartigen Stromtastkopf steht Entwicklungsingenieuren jetzt eine zuverlässige Messmethode zur Verfügung.“
Die Besonderheit dieser Sonde ist die sehr geringe Größe des Magnetometer-Elements, so dass sich Felder an einer genau lokalisierten Position im Raum messen lassen. Zudem wird so eine Bandbreite von DC bis 5 MHz ermöglicht. Zwei niedrigere Bandbreiteneinstellungen sind ebenfalls vorhanden, die einen niedrigeren Rauschanteil aufweisen. Im Gegensatz zu trafobasierten Sonden, die entweder AC-gekoppelt sind oder einen separaten Mechanismus wie etwa ein Hall-Effekt-Element benötigen, um eine Bandbreite bis DC zu ermöglichen, nutzt dieser Messkopf das gleiche Messprinzip für alle Frequenzen über die gesamte Bandbreite. Die Sonde ist für die Verwendung mit einem Oszilloskop mit einer standardmäßigen Eingangsimpedanz von 1 MΩ vorgesehen. Zum Lieferumfang des i-Prober 520 gehört neben der Steuereinheit, dem Kalibrator und einem Netzteil ein aufsteckbarer Ringkernwandler.
Auf die Spitze getrieben
Die Prüfspitze des i-Prober 520 erfasst das Magnetfeld, das jeden stromführenden Leiter umgibt, an einem Probepunkt. Um mit diesem Verfahren verlässliche Ergebnisse zu erzielen, muss sich der Sensor in konstanter Entfernung und sehr nah an der Leiterbahn befinden, da das zu messende Magnetfeld mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt. „Der i-Prober 520 verwendet dazu ein patentiertes Miniatur-Saturationskern-Magnetometer, das in Zusammenarbeit mit der Universität Cambridge in England entwickelt wurde“, erläutert Ruud Vertommen. Im Vergleich zu konventionellen Magnetometern überzeugt es durch ein sehr viel geringeres Rauschen von typischerweise < 6 mA und eine größeren Bandbreite.
Die Strommessung erfolgt effektiv „kontaktfrei“, wodurch keine galvanische Verbindung zum stromdurchflossenen gemessenen Leiter stattfindet. Die kompakte Messspitze und der Messstab sind doppelt isoliert. Daher lassen sich auch hohe Spannungen sicher messen, so dass das Gerät Ströme mit einer Bandbreite von bis zu 5 MHz erfassen kann. Die Messbereiche für Vollausschlag reichen von 10 mA bis zu 20 A. Mit der Sicherheitsklasse 300V Cat II (600 V CAT I) entspricht die Prüfspitze den hohen Sicherheitsstandards und eignet sich auch für den Einsatz mit höheren Spannungen.
Flexible Einsatzmöglichkeiten
Die Messung von Leiterbahnen ist jedoch nicht die einzige Einsatzmöglichkeit für den i-Prober 520. So lässt sich durch einfaches Anhalten der Spitze an den Anschlussdraht der Strom in einem Bauteil messen. Auf die gleiche Weise lässt sich auch der Strom in den einzelnen Adern eines mehradrigen Kabels ermitteln. Ein weiterer Anwendungsbereich ist besonders für die Optimierung von Platinen interessant: Mit der Messspitze lässt sich der Strom in Masseflächen verfolgen und so beispielsweise Bereiche mit besonders hoher Stromdichte oder induktiv eingestreute Ströme lokalisieren.
Wichtige Einsatzgebiete für diese Sonde sind Schaltnetzteile, Endstufen oder andere Schaltungen, wo hohe Ströme fließen. Die Sonde wurde auf Wellenformtreue optimiert. Dadurch, dass die Bandbreite bis DC reicht, ist es möglich, Wellenformen sehr exakt abzubilden. Die hohe Lokalisierungsfähigkeit erlaubt es, den genauen Pfad von Strömen genau zu untersuchen. So lässt sich zum Beispiel die Effektivität von Lade- oder Entkopplungskondensatoren untersuchen – ein gepulster Strom sollte zwischen Schaltelement bzw. Gleichrichter und Kondensator fließen (und von der anderen Seite aus sollte nur eine Gleichstromkomponente fließen). Restliche Schaltsignale, die durch unsachgemäßes Layout oder unzulängliche Bauteile verursacht werden, werden leicht sichtbar.
Die Sonde ist besonders nützlich bei der Untersuchung des Stromflusses in Stromversorgungs- und Masseflächen. Es ist oft der Fall, dass bei einer Massefläche, die auseinander läuft und dann wieder zusammengeführt wird – etwa um eine Gruppe von Bauteilen – ein unerwarteter Kreisstrom um die resultierende Schleife induziert wird. Sie kann auch verwendet werden, um Strahlungen und Querkopplungen zwischen Schaltkreisen aufzuzeigen, sowie um die ordnungsgemäße Abschirmung in symmetrisch ausgeführten Schaltungen zu prüfen.
Praktisch und vielseitig: Der Ringkern
Durch Anschließen des mitgelieferten Ringkern-Aufsatzes verwandelt sich der Messkopf auf Wunsch in eine herkömmliche Strommesssonde mit geschlossener magnetischer Schleife. Dieser Aufsatz enthält einen magnetischen Kern, der das Feld um das Kabel auf den Sensor der Messsonde konzentriert. Er wird mechanisch an der Spitze der Sonde verriegelt, so dass der richtige Abstand zwischen dem Spalt im Ringkern und dem Sensor in der Sondenspitze gegeben ist. Diese Strommesssonde verwendet ein Messverfahren, das allgemein als Fluxgate-Magnetometer (Förster-Sonde) bekannt ist und das umgebende Magnetfeld eines elektrischen Stroms misst.
Das Magnetometer besteht aus einer kleinen Drahtspule um einen Kern, der aus einem speziellen Material mit besonderen magnetischen Eigenschaften hergestellt ist. Ein Erregerstrom mit ca. 40 MHz wird durch die Spule geleitet, die den Kern abwechselnd in entgegengesetzter Richtung magnetisiert. Wenn kein externes Magnetfeld anliegt, ist diese Magnetisierung symmetrisch. Beim Anlegen eines externen Magnetfelds, wird die resultierende Asymmetrie durch eine Rückkopplungsschleife erfasst, die einen gegenläufigen Strom durch die Spule schickt, damit das „Netto-Feld“ auf Null bleibt. Die Ausgangsspannung verhält sich proportional zu diesem gegenläufigen Strom und damit zur Feldstärke.
Der Magnetkreis des Ringkerns reduziert die Empfindlichkeit gegenüber externen Magnetfeldern (einschließlich des Erdmagnetfeldes) um einen Faktor von etwa fünf. Deshalb wird die Messung weniger stark durch die Positionierung der Sonde beeinflusst. Dennoch sollte die Sonde in einer fixen Stellung und nicht in Nähe starker lokaler Felder eingesetzt werden. Überdies lässt sich die Empfindlichkeit durch das Umwickeln des Ringkerns mit mehreren Drahtwindungen erhöhen. Durch die daraus resultierende höhere Induktivität wird der Frequenzgang etwas beeinträchtigt (und kann möglicherweise bestimmte Hochfrequenzschaltungen beeinflussen), ansonsten wird jedoch der Skalierungsfaktor mit der Anzahl der Windungen multipliziert.
Für alle gängigen Oszilloskope tauglich
Der Stromtastkopf i-Prober eignet sich zum Anschluss an alle gängigen Oszilloskope. Eine sehr große Auswahl hochwertiger Oszilloskope der High-End-Marken wie Tektronix, Agilent oder Le Croy führt der Bremer Elektronikdistributor Distrelec Schuricht in seinem Sortiment. Der Distributor agiert herstellerunabhängig und ist damit nicht an bestimmte Marken gebunden. Stark nachgefragt werden bei den Bremern derzeit tragbare Oszilloskope für den Field-Service. Diese so genannten „Scopemeter“ kommen vor allem in der mobilen Untersuchung von Maschinen und Anlagen zum Einsatz. Als Kombination aus Oszilloskop und Multimeter sind die kompakten Geräte für den Kundendiensteinsatz vor Ort geeignet.
Auf einen Blick: Komfortabel an den Strom
Der Aim i-Prober 520 bietet völlig neue Möglichkeiten bei der Entwicklung und Fehlersuche elektrischer und elektronischer Baugruppen: Der Stromtastkopf erlaubt ein berührungsloses Messen von Strömen. Mit dem eigens dafür entwickelten Miniaturmagnetfeldsensor genügt es, den Tastkopf in die unmittelbare Nähe des stromdurchflossenen Leiters zu bringen. Gleiches gilt auch um den Strom einer Leiterbahn darzustellen: Es genügt, die Prüfspitze auf die entsprechende Leiterbahn aufzusetzen.
(mrc)
