Ein häufiges Missverständnis über isolierte Glasfasersonden: Differenzialspannung vs. Gleichtaktspannung

Isolierte Glasfasersonden werden vor allem in der Hochspannungs- und Hochfrequenz-Leistungselektronik eingesetzt, z. B. in Schaltnetzteilen, Wechselrichtern, On-Board-Ladegeräten, frequenzvariablen Antrieben, Motorsteuerungen und anderen Schaltungen mit Leistungshalbleitern. Ihre Bedeutung wird in Brückentopologien mit Bauelementen mit großer Bandlücke wie SiC und GaN noch deutlicher.

Warum werden isolierte Glasfasersonden in diesen Anwendungen so häufig eingesetzt?

Ein entscheidendes Merkmal dieser Systeme sind extrem hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten (dv/dt). Bisher haben sich Ingenieure bei solchen Messungen auf Hochspannungs-Differenzialtastköpfe verlassen. Herkömmliche Differenzialtastköpfe haben jedoch oft große Probleme mit dem Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR), der Isolationsspannung, dem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), der nutzbaren Bandbreite, der Ebenheit der Bandbreite und der Beständigkeit gegen elektromagnetische Störungen.

Die Entwicklung von Leistungshalbleitern hin zu höheren Sperrspannungen, niedrigeren Durchlasswiderständen und geringeren Schaltverlusten führt zu höheren Betriebsspannungen, schnelleren Schaltvorgängen und größeren Stromamplituden. Diese Bedingungen bringen herkömmliche Hochspannungs-Differenzialsonden an ihre praktischen Grenzen.

Im Gegensatz dazu überwinden optisch isolierte Sonden mit ihrer optoelektronischen Isolationsarchitektur diese Einschränkungen und sind besser für moderne Hochgeschwindigkeits- und Hochspannungsmessungen geeignet.

Trotzdem gibt es unter Ingenieuren immer noch Missverständnisse bei der Verwendung von Hochspannungs-Differenzialsonden oder optisch isolierten Sonden - vor allem, was den Unterschied zwischen Differenzialspannung und Gleichtaktspannung angeht.

Differenzialspannung vs. Gleichtaktspannung

Ein weit verbreiteter Irrglaube ist, dass isolierte Glasfasersonden extrem hohe Gleichtaktspannungen vertragen und deshalb auch direkt Differenzspannungen derselben Größenordnung messen können. Diese Annahme ist falsch.

Gleichtaktspannung
Die Gleichtaktspannung wird in Bezug auf die Referenz der Sonde definiert, in der Regel die Erdung. Wenn sowohl der positive als auch der negative Eingang einer Sonde zusammen auf einem bestimmten Potenzial relativ zur Erde liegen, ist dies die Gleichtaktspannung. Um die Sicherheit der Messung zu gewährleisten, muss die Gleichtaktspannung der Sonde - auch Isolationsspannung genannt - höher sein als die höchste Spannung, die im zu prüfenden Stromkreis vorhanden ist. Eine höhere zulässige Gleichtaktspannung bietet mehr Schutz für Personal und Geräte.

Differenzialspannung
Die Differenzialspannung ist die tatsächliche Signalspannung zwischen den beiden Eingangsanschlüssen der Sonde - die zu messende und zu analysierende Größe.

Bei herkömmlichen Hochspannungs-Differenzialsonden ist die maximal messbare Gleichtaktspannung durch den internen Schaltkreis der Sonde begrenzt und liegt in der Regel zwischen einigen hundert Volt und einigen Kilovolt. In vielen Fällen besteht ein Kompromiss zwischen Gleichtaktspannung und Messauflösung. So kann es vorkommen, dass Ingenieure aus Sicherheitsgründen eine hohe Gleichtaktspannung benötigen und gleichzeitig kleine Differenzsignale genau messen müssen. Da das Dämpfungsverhältnis der meisten Differenzsonden fest ist, verschlechtert eine Verringerung der Differenzsignalamplitude direkt das Signal-Rausch-Verhältnis.

Isolierte Glasfasersonden funktionieren anders. Dank ihrer optischen Isolierung können sie Gleichtaktspannungen von mehreren zehn Kilovolt standhalten, während austauschbare Dämpfungsmodule die Messung von Differenzspannungen von Millivolt bis zu mehreren Kilovolt ermöglichen. Dank dieser Flexibilität kann die Sonde ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis über einen großen Bereich von Signalamplituden beibehalten.

Fazit

Gleichtaktspannung ist nicht dasselbe wie Differenzspannung; isolierte Glasfasersonden bieten eine deutlich höhere Gleichtaktspannungsfähigkeit.
Dank der austauschbaren Dämpfungsoptionen können sich optisch isolierte Sonden an verschiedene Differenzspannungspegel anpassen, wobei die Messgenauigkeit und das überragende Signal-Rausch-Verhältnis erhalten bleiben - ein entscheidender Vorteil gegenüber herkömmlichen Hochspannungs-Differenzsonden.

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