Schwachstrom-Sondierung: Wie misst man die Stromstärke mit einem Oszilloskop?

Wo es auf niedrigen Stromverbrauch und hohe Energieeffizienz ankommt, ist es wichtig, extrem niedrige Signale mit höchster Empfindlichkeit zu messen – zum Beispiel mit einem Oszilloskop. Wie das in der Praxis geht, erklärt Erin East, Oscilloscopes Product Marketing von Keysight Technologies.

Keysight Technologies Bildquelle: © Keysight Technologies

Bild 1: Stromverbrauch während eines Handy-Anrufs.

Eine der größten Herausforderungen für Entwickler besteht darin, den Stromverbrauch eines Signals mit großem Dynamikumfang zu messen. Bei batteriebetriebenen Geräten wie etwa einem Mobiltelefon wechselt das Gerät zwischen aktivem und inaktivem Zustand hin und her. Während des aktiven Zustands zieht es höhere Ströme im Bereich von 1 bis 5 A. Wenn das Gerät jedoch im Leerlauf ist, zieht es sehr kleine Ströme im μA-Bereich. Bild 1 zeigt das Signal eines Mobiltelefons, auf dem gerade ein Anruf getätigt wird. Die aktiven Peaks besitzen Stromstärken von etwa 2 A, während der Ruhezustände ist die Stromstärke jedoch sehr gering.

Um beide Extreme genau messen zu können, eignet sich am besten ein spezieller Stromtastkopf. Clamp-on-Strom-Tastköpfe sind für die meisten Messungen normalerweise vollkommen ausreichend, vor allem wenn man nur versucht, die aktiven Perioden zu untersuchen. Wenn jedoch während der Leerlaufperioden auf niedrigeren Pegeln gemessen wird, tritt bei einem Clamp-on-Strom-Tastkopf typischerweise zu viel Rauschen auf.

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Bild 2: N2820A Zweikanal-Messwiderstand

Der Ohmsche-Gesetz-Ansatz ist die beste Option, um auf der μA- oder nA-Ebene zu messen. Das bedeutet einfach, den Spannungsabfall über einem Messwiderstand zu messen, um den Strom abzuleiten (Bild 2). Hier kommt z.B. der aktive Zweikanal-Strom-Tastkopf N2820A von Keysight in Frage. Jeder der Kanäle hat eine andere Verstärkung, um die zwei verschiedenen Strombereiche zu messen. Wenn man ein Bauteil auf beiden Kanälen untersucht, wird ein Kanal eine vergrößerte Ansicht des μA-Pegels zur Verfügung stellen und der andere eine vergrößerte Ansicht der aktiven, höheren Ebenen bieten.

Der Tastkopf besitzt außerdem ein extrem geringes Rauschen, was bedeutet, dass man die größtmögliche Genauigkeit bei Messungen dieser niedrigen Pegel erhält. Das führt letztendlich sogar dazu, dass man zudem pA Stromstärke spart. Diese Stromstärken im Mikroampere-Bereich mögen zwar klein erscheinen, aber auf das Gesamtsystem bezogen, können sie einen großen Unterschied ausmachen.

Wie bereits erwähnt, misst dieser Tastkopf einfach den Spannungsabfall über einen Messwiderstand. Der Anwender kann entweder eine Leitung abklemmen und einen Widerstand direkt in die Schaltung einlöten, oder er kann einen der temporären Anschlüsse verwenden, die mit dem Tastkopf geliefert werden. Der Tastkopf wird mit einem 20- und einem 100-mΩ-Widerstands-Sensorkopf sowie einem benutzerdefinierbaren Widerstandskopf geliefert, wobei Widerstände im Bereich von 1 mΩ bis 1 MΩ verwendet werden können.