Pulsierende Gleichspannung am Oszilloskop messen

Die Kopplung auf DC stellen, den Tastkopf auf 10:1 schalten und die Spannung pro Kästchen so wählen, dass die Welle den Schirm füllt: So zeigt das Oszilloskop eine pulsierende Gleichspannung samt Gleichanteil und Welligkeit. Die Stellung AC schneidet den Gleichanteil ab und legt die Kurve um null Volt herum, was zum Vergrößern der Restwelligkeit nützt und zugleich zu Fehldeutungen verführt. Pulsierend heißt, dass die Polarität gleich bleibt, der Betrag aber periodisch schwankt. Ein Brückengleichrichter hinter einem Trafo mit 12 Volt Sekundärspannung erzeugt diese Form, solange kein Ladekondensator eingreift: Halbwellen mit 100 Hertz und 15,6 Volt Spitze, denn 12 Volt Nennspannung ergeben 16,97 Volt Scheitel, abzüglich zweier Diodenspannungen von je 0,7 Volt.

Ein Multimeter würde an derselben Spannung 9,9 Volt im Gleichspannungsbereich und 4,8 Volt im Wechselspannungsbereich melden, beides richtig gemessen und beides ohne Hinweis auf die Spitzen. Der Mittelwert einer Vollweggleichrichtung beträgt 63,7 Prozent des Scheitelwerts, der quadratische Mittelwert 70,7 Prozent, und aus der Differenz der Quadrate folgt der Wechselanteil. Auf dem Bildschirm zeigt sich, was keine einzelne Zahl verrät: Ein Festspannungsregler für 12 Volt braucht am Eingang etwa 14 Volt, und zwar im Tal der Welle, nicht im Mittel. Mit einem Ladekondensator von 2200 Mikrofarad und 0,5 Ampere Last fällt das Tal auf 13,3 Volt, und der Regler rutscht hundertmal pro Sekunde in die Unterspannung. Dieses Flackern erklärt manches Brummen im Verstärker, das weder Multimeter noch Typenschild vorhersagen.

Was DC und AC Kopplung am Signal ändern

Bei DC Kopplung führt der Eingang das Signal ohne Umweg zum Verstärker, parallel liegt nur der Eingangswiderstand von 1 Megaohm. In der Stellung AC sitzt ein Kondensator in Reihe, im Gerät meist in der Größenordnung von 0,1 Mikrofarad, und bildet mit dem Eingangswiderstand einen Hochpass. Die Grenzfrequenz folgt aus 1 geteilt durch 2π mal R mal C: 1 / (2π · 1 000 000 Ω · 0,0000001 F) ergibt knapp 1,6 Hertz. Die 100 Hertz der Brummspannung passieren diesen Hochpass fast unverändert, die Dämpfung beträgt nur 0,013 Prozent. Ein langsames Signal von 1 Hertz dagegen behält nur gut die Hälfte seiner Amplitude, und ein Rechteck dieser Frequenz zeigt abfallende Dächer. Wie schnell ein Kondensator über einen Widerstand Spannung abbaut, steht im Beitrag zum Prüfen eines Kondensators ohne Multimeter.

Der Gleichanteil bleibt vollständig am Kopplungskondensator hängen, deshalb sitzt die Kurve nach dem Umschalten um den Mittelwert tiefer: Die Welle ohne Ladekondensator reicht dann von minus 9,9 bis plus 5,7 Volt statt von 0 bis 15,6 Volt. Zwei Einstellungen am Kanal entscheiden zusätzlich über die Zahlen. Der Tastkopf mit Umschalter auf 10:1 teilt das Signal durch zehn und bringt 10 Megaohm Eingangswiderstand mit; steht im Kanalmenü noch 1:1, fallen alle Ablesungen um den Faktor zehn zu klein aus. Die Nulllinie lässt sich über die Stellung GND bestimmen, dann zeigt ein Strich samt Marker am Bildrand, wo 0 Volt liegen.

Wie groß die Welligkeit bei 100 Hertz wird

Hinter dem Ladekondensator entsteht ein Sägezahn: Zwischen den Ladeimpulsen entlädt der Verbraucher den Kondensator mit nahezu gleichem Strom, die Spannung fällt linear. Näherungsweise gilt ΔU = I / (f · C), mit f gleich 100 Hertz bei Vollweggleichrichtung am 50 Hertz Netz. Für 0,5 Ampere und 2200 Mikrofarad ergibt das 0,5 / (100 · 0,0022) = 2,27 Volt von Spitze zu Spitze. Der Mittelwert liegt ungefähr in der Mitte zwischen Scheitel und Tal. Die Näherung stimmt, solange die Welligkeit klein gegen den Scheitel bleibt; bei 1000 Mikrofarad rechnet sie 5 Volt, die Wirklichkeit liegt etwas darunter, weil die Entladezeit durch den Nachladeimpuls kürzer ausfällt als die vollen 10 Millisekunden. Ein 60 Hertz Netz wie in Nordamerika liefert 120 Hertz Welligkeit, dieselbe Rechnung ergibt dort nur noch 1,9 Volt.

Als quadratischer Mittelwert angegeben, wie ihn ein Multimeter im AC Bereich zeigen würde, beträgt der Wechselanteil eines Sägezahns Spitze zu Spitze geteilt durch 2 mal Wurzel aus 3, hier also 0,66 Volt. Gealterte Elektrolytkondensatoren machen aus dem glatten Sägezahn eine Zackenlinie: Ladeimpulse von mehreren Ampere erzeugen am Ersatzwiderstand Sprünge, bei 3 Ampere und 0,3 Ohm sind es 0,9 Volt, ein Anhaltspunkt für den Austausch.

Schritt für Schritt am Netzteil messen

Für das Beispielnetzteil kommt die Masseklemme des Tastkopfs an den Minuspol des Ausgangskondensators, die Spitze an den Pluspol. Kanal 1 steht auf DC, 5 Volt pro Kästchen und 2 Millisekunden pro Kästchen, damit zwei volle Perioden von je 10 Millisekunden auf den Schirm passen. Getriggert wird auf die steigende Flanke, der Pegel liegt etwas unter dem Mittelwert. Damit stehen Scheitel und Tal als Spannungswerte fest, und die Cursor lesen das Tal mit 13,3 Volt aus.

Für die Welligkeit selbst taugt diese Einstellung schlecht. Ein 8 Bit Wandler, wie ihn die meisten Einsteigergeräte tragen, teilt die acht Kästchen in 256 Stufen, also 32 Stufen je Kästchen. Bei 5 Volt pro Kästchen ist eine Stufe 0,16 Volt breit, die 2,27 Volt Welligkeit bestehen aus ganzen 14 Stufen und wirken grob gerastert. Wird auf AC umgeschaltet und die Empfindlichkeit auf 500 Millivolt pro Kästchen erhöht, schrumpft eine Stufe auf 15,6 Millivolt, und der Sägezahn füllt gut vier Kästchen mit rund 145 Stufen. Die Cursor messen dann die Spitze zu Spitze Spannung sauber ab. Pegel und Täler kommen aus der DC Messung, die Welligkeit aus der AC Messung: Beide Ablesungen ergänzen einander.

Störspitzen am Schaltnetzteil richtig erfassen

Bei einem Schaltnetzteil liegt die Welligkeit nicht bei 100 Hertz, sondern bei der Schaltfrequenz, meist zwischen 65 und 130 Kilohertz, und darauf sitzen Spitzen von wenigen Nanosekunden Dauer. Die lange Masseklemme des Tastkopfs wird dabei zum Fehler: Etwa 15 Zentimeter Draht haben ungefähr 150 Nanohenry, und zusammen mit den 15 Pikofarad der Tastkopfspitze entsteht ein Schwingkreis mit rund 106 Megahertz. Das Oszilloskop zeichnet dann ein Klingeln, das in der Schaltung gar nicht existiert. Eine Massefeder, die den Tastkopf mit wenigen Millimetern Abstand an den Kondensator führt, senkt die Induktivität auf etwa 15 Nanohenry und schiebt die Eigenresonanz über 300 Megahertz, außerhalb der meisten Gerätebandbreiten. Die Spitzen selbst entstehen im Gleichrichterzweig: 20 Nanohenry Leitungsinduktivität und ein Stromsprung von 2 Ampere in 20 Nanosekunden koppeln nach U = L · ΔI/Δt rund 2 Volt ein, ein Ausgangsfilter drückt sie auf einige hundert Millivolt. Wie stark der Filter wirkt, zeigt der Vergleich vor und hinter der Drossel an derselben Stelle der Platine. Aussagekräftig wird die Messung erst bei echter Last, denn im Leerlauf zeigt jedes Netzteil schönere Werte als im Betrieb. Zusätzlich dämpft die Bandbreitenbegrenzung auf 20 Megahertz im Kanalmenü das Rauschen, ohne die Schaltwelligkeit anzutasten.

• DC Kopplung zeigt Pegel und Täler, AC Kopplung vergrößert nur die Welligkeit.
• Die Tastkopfdämpfung im Kanalmenü muss mit dem Schalter am Tastkopf übereinstimmen.
• Massefeder statt Krokoklemme bei allem oberhalb von etwa 1 Megahertz.
• Trigger auf Flanke, Pegel nahe dem Mittelwert, 8 Bit Stufen bei hoher Empfindlichkeit nutzen.
• Tal als Minimum ablesen und mit dem Mindesteingang des Reglers vergleichen.