Schnell genug für steile Flanken
Schaltvorgänge in SiC- und GaN-Bauteilen sind so schnell, dass eine Sonde sie nur originalgetreu abbildet, wenn ihre Bandbreite weit über die Grundfrequenz hinausreicht. Die CT6704 löst die 3274 ab, die CT6705 die 3275, und der Sprung bei der Bandbreite ist groß.
Die CT6704 deckt DC bis 30 MHz bei 11,6 ns Anstiegszeit ab, wo die 3274 DC bis 10 MHz bei 35 ns erreichte. Die CT6705 deckt DC bis 15 MHz bei 23,3 ns ab, gegenüber den DC bis 2 MHz und 175 ns der 3275. Das ist rund die dreifache Bandbreite bei der einen und mehr als das Siebenfache bei der anderen – und entsprechend kürzere Anstiegszeiten. Bei einem echten Signal ist das der Unterschied zwischen der Flanke selbst und einer Annäherung an sie.
Nennstrom bis weit in den Kilohertz-Bereich
Stromsonden haben noch eine zweite Grenze, und sie hat viele unbemerkt zu einer Sonde mit höherem Nennstrom getrieben, die dann meist weniger Bandbreite mitbrachte: das Derating. Mit steigender Frequenz kann eine Sonde nicht mehr ihren ganzen Nennstrom tragen, da sie sonst zu heiß würde. Der zulässige Wert sinkt also, je höher die Frequenz wird. Verantwortlich dafür ist Wärme, genauer die Wirbelströme, die hochfrequente Ströme im Metall der Sonde anregen.
Bei den älteren Sonden lag diese Grenze überraschend tief. Die 3274 hielt ihren vollen Nennstrom nur bis etwas über 100 Hz, bevor die Kurve abzufallen begann; die 3275 kam bis 400 Hz. Für moderne, schnell schaltende Leistungselektronik ist das viel zu niedrig: Die Schaltfrequenzen liegen längst weit darüber, in einem Bereich, in dem die alte Sonde nur noch einen Bruchteil ihres Nennstroms trug. Der übliche Ausweg war ein höher bemessenes Modell, das aber meist weniger Bandbreite und damit eine langsamere Anstiegszeit mitbrachte. Man kaufte Strom und bezahlte mit Tempo.
Die CT6704 und CT6705 lösen das über ein magnetisches und thermisches Design, das die innere Erwärmung bei hohen Frequenzen niedrig hält. Bei Raumtemperatur hält die CT6704 ihren vollen Nennstrom bis hinauf zu 100 kHz und die CT6705 bis 10 kHz, wo die Vorgänger schon bei etwas über 100 Hz beziehungsweise 400 Hz am Ende waren.
Das Tempo bleibt, die Drift geht
Den Gleichstrom- und Niederfrequenzanteil erfassten die 3274 und 3275 mit einem Hall-Element. Das ist ein Halbleiter, und sein Gleichgewicht verschiebt sich mit der Temperatur: Wird die Sonde wärmer, wandert die Nulllinie. Und warm wird eine Sonde leicht. In einer warmen Umgebung etwa, nah an der Leistungselektronik, die sich über die Zeit aufheizt, und vor allem durch hochfrequente Signalanteile, die sie von innen erwärmen. Der gemessene Gleichstrom dagegen erwärmt sie kaum: Er ist nicht die Ursache der Drift.
Die CT6704 und CT6705 ersetzen das Hall-Element durch ein Fluxgate, ohne dabei die hohe Bandbreite aufzugeben, die für diese Sonden entscheidend ist. Im Gegenteil: Sie fällt bei den neuen Sonden sogar deutlich höher aus. Und das Fluxgate bringt seine eigentliche Stärke mit: eine Nulllinie, die kaum noch mit der Temperatur driftet. Konkret rund 90 % weniger Gleichstromdrift, erstmals bei einer Oszilloskop-Stromsonde ein Offset-Temperaturkoeffizient im Datenblatt (±0,1 mV/°C), und ein Betriebstemperaturbereich von −10 bis +50 °C statt 0 bis 40 °C.
Es ist dasselbe Messprinzip wie bei den Präzisionssensoren an unseren Leistungsanalysatoren, ein bewährter Detektor, der jetzt auch in einer aufklappbaren Sonde mit Standard-BNC-Stecker steckt. (Woher der etwas eigenwillige Name „Zero-Flux“ eigentlich kommt, haben wir an anderer Stelle erzählt – mit einem kleinen Abstecher zu „Zurück in die Zukunft“.)
Also doch eine Sonde für die Leistungsmessung?
Eine naheliegende Frage: Wenn das Oszilloskop Strom und Spannung ohnehin vor sich hat, warum nicht gleich die Leistung daraus rechnen lassen? Die Antwort braucht etwas Sorgfalt, denn „Leistung am Oszilloskop messen“ zerfällt in zwei sehr verschiedene Dinge.
Das erste sind die Schaltverluste am Halbleiter, die Energie in jedem Ein- und Ausschalten. Hier ist das Oszilloskop konkurrenzlos: Es erfasst Flanken, denen die Bandbreite eines Leistungsanalysators nicht folgen kann, und genau dafür sind die CT6704 und CT6705 gebaut.
Das zweite ist die Leistungsbilanz über eine ganze Schaltung: Wirkungsgrad, Gesamtverluste, was hineingeht gegen das, was herauskommt. Das kann ein hochauflösendes Oszilloskop auch berechnen. Entscheidend wird dabei die Phase zwischen Strom und Spannung, und zwar umso mehr, je kleiner der Leistungsfaktor ist, wo schon ein winziger Phasenfehler die Wirkleistung erheblich verfälscht. Deshalb gehört präzise Leistungsmessung zu einem Leistungsanalysator mit Sensoren, deren Phasenverschiebung über den relevanten Frequenzbereich möglichst konstant bleibt, für höchste Präzision zu einem Durchsteckwandler wie der CT6904A. Die CT6705 setzt andere Prioritäten: eine originalgetreue Flanke und eine schnelle Anstiegszeit. Für präzise AC-Leistungsmessung ist sie dagegen nicht ausgelegt. (Warum die Phase bei der Leistungsmessung alles entscheidet, haben wir in einem eigenen Beitrag erklärt.)
