Oszilloskope sind vielfältig anwendbare Geräte: Unter anderem lässt sich mit ihrer Hilfe der Einschaltstrom messen und auswerten. Das ist nötig, um die Parameter einer Schaltung zu bestimmen und später die Betriebsfunktion zu überprüfen. Patrik Kalberer, European Category Manager T&M beim Elektronikdistributor Distrelec, ist Experte für Messtechnik. Er erklärt, was Anwender bei diesem Verfahren beachten müssen - und welche Geräte dafür geeignet sind.
Ein Oszilloskop zeigt in seiner Basis-Funktion den zeitlichen Verlauf einer Spannung an. Jedoch lässt sich mit wenigen Anpassungen auch der genaue zeitliche Verlauf des Stroms untersuchen. "Generell lassen sich dafür auch Zeigermessgeräte einsetzen", so Kalberer. "Das funktioniert allerdings nur, wenn die Veränderungen nicht zu plötzlich auftreten. Weil das beim Einschaltstrom der Fall ist, sind Oszilloskope für diese Anwendung besser geeignet." Der sogenannte Einschaltstrom tritt unmittelbar nach dem Anlegen einer elektrischen Spannung auf. Er kann ein Vielfaches des später fließenden Nennstromes betragen, weshalb er bei der Auslegung elektrischer Betriebsmittel berücksichtigt werden muss. "Motoren, Stromversorgungen, Leuchtstofflampen und Hochdruckentladungslampen haben jeweils eigene Einschaltstromeigenschaften", so Kalberer. "Um Schaltungsproblemen vorzubeugen, müssen diese erfasst und analysiert werden." Das Ziel ist, die Höhe und Dauer der Leistungsspitzen zu ermitteln.
Anforderungen an das verwendete Oszilloskop
Allerdings lassen sich nicht alle Oszilloskope für diese spezielle Art der Messung einsetzen: Es muss möglich sein, Signalform-Daten über einen ausreichend langen Zeitraum kontinuierlich zu erfassen und zu speichern und diese in möglichst hoher Detailgenauigkeit auszuwerten. "Geeignete Geräte aus dem Distrelec-Portfolio wären zum Beispiel die THS3000 Serie von Tektronix oder die OX7000 Serie von Metrix", so Kalberer. "Für den professionellen mobilen Einsatz besonders empfehlenswert ist das Fluke ScopeMeter der Serie 190 II." Mit dem tragbaren Gerät lassen sich Einschaltströme über den gesamten Zyklus ohne weiteres erfassen und anzeigen. Die gesammelten Daten können vor Ort im Speicher des tragbaren Oszilloskops abgelegt und später mit der Software FlukeView untersucht werden. Mittels Cursor und Zoomfunktionen können Anwender zudem Stromspitzen und Schaltzeitparameter in voller Detailgenauigkeit analysieren.
"Mit diesem Gerät gestaltet sich die Messung des Eingangsstroms relativ einfach", so Kalberer. Bevor es losgehen kann, wird allerdings noch Zubehör in Form eines externen 10:1-Spannungstastkopfes und einer Stromzange benötigt. Diese werden mit der Versorgungsspannung bzw. mit einem der 3-phasigen Stromleiter verbunden. Für die Messung wird der Gerätemodus "ScopeRecord" benutzt. "Diese Funktion ermöglicht eine Speichertiefe von 30.000 Punkten mit einer Zeitbasis von 5 ms/Division bis 2 min/Division, was je nach eingestellter Zeitbasis einer kontinuierlichen Speicherung von sechs Sekunden bis 48 Stunden entspricht. Das Gerät tastet im ScopeRecord mit 125 Mega Samples pro Sekunde alle Eingänge synchron ab. Daraus ergibt sich eine Störerfassungsrate von bis zu acht Nanosekunden schnellen Impulsen bzw. Ereignissen", erklärt Kalberer. Sobald sich das Gerät im richtigen Modus befindet, muss der Anwender noch die Amplitude und die Position auf dem Bildschirm auf eine sich nicht überlappende optimale Anzeige einstellen. Zusätzlich lassen sich am Gerät die Messwerte auswählen, die aufgezeichnet werden sollen.
Analyse des Einschaltstroms am Beispiel eines Drehstrommotors
Je nach dem zu untersuchenden Objekt muss für die Messung eine externe Triggerung erfolgen. Im Folgenden wird die Messung des Einschaltstroms bei einem 3-Phasen-Motor einer Lüftungseinheit beschrieben. Eine externe Triggerung ist in diesem Fall über den Eingang möglich, der nicht für die 3-Phasen-Messung verwendet wird. Der Schaltvorgang wird von einem Relais mit Zeitverzögerung gesteuert. Aufgrund dieser Verzögerung ist eine externe Triggerung erforderlich, um die Erfassung im Modus "ScopeRecord" zum Zeitpunkt des Schaltvorgangs zu starten. "Um die Vorgänge während der Messung bei diesem Anwendungsbeispiel zu verstehen, muss man sich das Prinzip eines asynchronen Motors mit Stern-/Dreieckumschaltung vor Augen halten", so Kalberer. Die Stern-/Dreieckumschaltung bei asynchronen Motoren reduziert den Einschaltstrom um den Faktor √3. In der Sternschaltungskonfiguration wird die dreiphasige Spannung an zwei Spulen der Motorschaltung mit Sternschaltung angelegt. Dies bedeutet, dass die Sternspannung Uλ von 230 V (115 V) für die Motorwicklung verfügbar ist. In der Dreieckschaltung steht die volle Leiter-Leiter-Spannung U∆ von 400 V für die Motorwicklung zur Verfügung.
Drehstrommotoren werden durch den Phasenunterschied zwischen den drei Spannungen gestartet. Es entsteht ein rotierendes Feld, durch das eine Drehbewegung des Stators hervorgerufen wird. Ein einphasiger Motor benötigt jedoch eine Anlaufwicklung und einen Kondensator, um für das Anlaufdrehmoment ein rotierendes Feld zu erzeugen. Dieser Startschaltkreis wird abgeschaltet, wenn der Motor eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht hat. Jeder Motor hat spezielle Anlaufeigenschaften, die bei der Analyse des Einschaltstroms berücksichtigt werden müssen. Nicht nur die interne Motorkonstruktion, sondern auch externe Faktoren wie Spannungsamplitude, Umgebungstemperatur und Last haben Einfluss auf den Einschaltstrom.
All diese Faktoren müssen aufgezeichnet und beachtet werden, wenn eine Trenddarstellung des Motors im Zeitverlauf erstellt wird. Bei Drehstrommotoren kommt es darauf an, den Einschaltstrom der zuerst angelegten Phase zu messen. "Zusätzlich zur Analyse der Spitzenströme sollten Anwender auch messen, wie lange der Übergang vom Einschaltstrom zum normalen Betriebsstrom dauert und wie hoch der normale Betriebsstrom ist" so Kalberer. "Daraus lassen sich Rückschlüsse zum Beispiel im Fall von defekten Anlasserschaltungen ziehen."
Das richtige Oszilloskop für jede Anwendung
Die Fluke ScopeMeter Serie 190 II Somit eignet sich jedoch auch für ganz andere Prüfaufgaben von der Mikroelektronik bis hin zur Energieanlagenelektronik. "Es handelt sich hier um ein Profi-Gerät speziell für Instandhalter und Anlagentechniker in der Industrie", so Kalberer. Die Baureihe kombiniert höchste Sicherheitsstandards und robuste Verarbeitung für den mobilen Einsatz mit der hohen Leistung eines Tischoszilloskops. Dank der Schutzart IP 51 stellen raue Umgebungsbedingungen, Schmutz und selbst der Einsatz in Gefahrenbereichen kein Problem dar. Die tragbaren Oszilloskope mit drei unabhängigen, getrennten Eingängen für potenzialfreie Messungen sind zugelassen für sichere Messungen in CAT IV-Umgebungen bis 600 V und CAT III-Umgebungen bis 1000 V.
Im breiten Sortiment von Distrelec finden sich nicht nur Geräte von Fluke, sondern auch von anderen Premium-Herstellern wie Tektronix, Agilent, Pico Technology und LeCroy. "Die Art der Anwendung und die benötigten Funktionen sollten bei der Wahl des richtigen Gerätes ausschlaggebend sein", rät Kalberer. Wer sich trotzdem unsicher ist, lässt sich am Besten von Experten unterstützen: So sorgt bei Distrelec ein Stab von Mitarbeitern für die technische Fachberatung und hilft bei der Auswahl des passenden Produktes aus der großen Vielfalt des Sortiments. Nach der Kaufentscheidung müssen die Kunden nicht lange auf ihre Bestellung warten: Der High-Service-Distributor Distrelec hat sich auf die schnelle Auslieferung seines riesigen Lagersortiments von über 250.000 elektronischen Bauelementen, messtechnischen Geräten und Automatisierungskomponenten spezialisiert. Geliefert wird dabei in der Regel innerhalb von 24 Stunden ab einer Stückzahl von eins.
