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MC34063

2021-04-19T10:53:47Z

172.26.33.176: /* StepUp (Aufwärtswandler) */

Der MC34063 ist ein kleiner, billiger, beliebter und sehr vielseitig einsetzbarer Schaltregler. Er ist seit Jahrzehnten auf dem Markt. Sein Regelverhalten ist etwas anders, als man es von modernen Schaltreglern gewohnt ist.

=== StepDown (Abwärtswandler)===

Ein Abwärtswandler erzeugt aus einer Eingangsspannung eine niedrigere Ausgangsspannung. Die häufigste Anwendung dieser Schaltung liegt in der Erzeugung einer stabilisierten, niedrigen Spannung aus einer höheren Eingangsspannung, z. B. 5V und 3,3V für eine µC Schaltung aus einem unstabilisierten Netzteil, das 8-15V liefert.

====StepDown Schaltungvariante 1====
[[Bild:34063_sdown.gif]]

Der interne Transistor schaltet die positive Spannung auf eine Spule. Da es ein NPN Transistor ist, ist dieser als Emitterfolger geschaltet. Dies hat den großen Nachteil, dass der Spannungsabfall recht hoch ist. Da es eine Darlingtonschaltung ist, gehen hier 1,0-2,0V je nach Stromstärke verloren.
Von daher kann der Regler auch nicht die vollen 1,5A an Ausgangsstrom liefern, da dann die zulässige Verlustleistung überschritten würde: Bei 1A Ausgangsstrom fallen etwa 1,5V am Transistor ab. Dies ergibt 1,5W Verlustleistung. Da der Transistor maximal 85% der Zeit leitet, ergibt sich so im schlimmsten Fall eine Verlustleistung von etwa 1,3W. Laut Datenblatt kann der MC34063 im DIP Gehäuse maximal 1,25W aufnehmen, wäre also an der Grenze der Belastbarkeit. Bei einem thermischen Widerstand von 100K/W würde sich das IC so auf über 150°C Chiptemperatur bei Raumtemperatur erhitzen. Am Gehäuse würde man sich dann auch die Finger verbrennen!
In der Stepdown Konfiguration sollte man den internen Transistor daher am besten mit nicht mehr als etwa 0,5A Ausgangsstrom belasten. Den Strombegrenzungswiderstand könnte man dann zu etwa 0,5Ω anstelle der minimal zulässigen 0,2Ω wählen, um auf der sicheren Seite zu sein.

====StepDown Schaltungvariante 2 für höheren Wirkungsgrad ====
[[Bild:34063_sdown2.gif]]

Diese Variante verwendet einen externen PNP Transistor anstelle des internen Emitterfolgers. Dadurch reduziert sich der Spannungsabfall von etwa 1,0-2V auf 0,3-0,7V, allerdings auf Kosten eines höheren Stromverbrauchs: Denn hier fließt der Basisstrom aus der Eingangsspannung nach Masse ab, nicht wie beim Emitterfolger in die Last. Weiterhin ist diese Schaltung im Eingangsspannungsbereich etwas eingeschränkt, denn der Vorwiderstand R4 muss bei niedriger Spannung ausreichend Strom liefern, bei hohen Spannungen darf der Strom nicht zu hoch werden, bzw. würde der Wirkungsgrad aufgrund des hohen Stroms sinken.
Der 100Ω Widerstand dient weniger als Spannungsteiler mit dem 330Ω Widerstand, sondern vielmehr dazu, den Transistor beim Abschalten schneller sperren zu lassen. Dennoch ist die Schaltung nicht für hohe Taktfrequenzen geeignet, man braucht also eine recht große Spule und liegt eher im hörbaren Bereich.

=== StepUp (Aufwärtswandler)===

Ein Aufwärtswandler erzeugt aus einer Eingangsspannung eine höhere Ausgangsspannung. Die häufigste Anwendung dieser Schaltung liegt in der Erzeugung einer höheren Betriebsspannung z. B. aus [[Versorgung aus einer Zelle | Batterien]], oder die Erzeugung von 12 V aus einer vorhanden 5V-Quelle (z. B. USB).

====StepUp Schaltungvariante 1====
[[Bild:34063_stepup.gif]]

Der interne Transistor schaltet die Spule periodisch gegen Masse, wodurch beim Abschalten eine höhere Spannung induziert wird. In dieser Dimensionierung liefert die Schaltung 12 V bei etwa 100 mA aus einer Eingangsspannung zwischen 4 und 12 V. Diese Spannung kann z. B. zur Programmierung eines EPROMs oder Mikrocontrollers (Programmierspannung UPP) verwendet werden. Da der Strom im Gegensatz zur Stepdown-Schaltung nur impulsartig abgegeben wird, ist ein größerer Elko am Ausgang erforderlich.

====StepUp Schaltungvariante 2 für höheren Strom====
[[Bild:34063_stepup2.gif]]

Es gibt eigentlich nur zwei Fälle, in denen der Transistor sinnvoll ist:
*Höherer Ausgangsstrom. Da der interne Transistor nur 1,5 A Spitzenstrom aushält, was bei einem Step-Up-Wandler nicht viel ist (bei 4 V Eingangsspannung sind das gerade mal etwa 1 W Ausgangsleistung), kann man hier einen stärkeren Transistor verwenden.
*Höhere Ausgangsspannung. Da der interne Transistor nur 40 V aushält, kann man die Spannung durch einen externen Transistor erhöhen. Allerdings sollte man beachten, dass der MC34063 nur maximal 85 % Tastverhältnis erreichen kann. Dies entspricht einer um etwa Faktor 6 höheren Ausgangsspannung als die Eingangsspannung. '''Sollte man über diesen Wert gehen, ist bei der Wahl der Spule folgendes zu beachten:'''

Die Induktivität darf einen bestimmten Wert nicht überschreiten, um eine bestimmte Leistung übertragen zu können. Gemäß der Formel

<math>U=L\frac{di}{dt}</math>

kann man den Strom ausrechnen, der bei einer bestimmten Frequenz maximal in der Spule auftreten kann, wenn der Strom zu Beginn 0 ist.

<math>I=\frac{0,85 \cdot U_{IN}}{f\cdot L}</math>

Und gemäß der Energie in der Spule

<math>E=\frac{1}{2}L \cdot I^2</math>

und der Kenntnis, dass diese Energie in jedem Takt übertragen wird, kann man nun durch Einsetzen der einen Gleichung in die andere die maximale Induktivität ausrechnen, die es ermöglicht, eine bestimmte Leistung bei einem Tastverhältnis von 85% zu übertragen. Am Ende erhält man dann folgende Formel:

<math>L_{MAX}=\frac {0,36 \cdot {U_{IN}}^2}{f \cdot P_{AUS}}</math>

Um die Verluste usw. zu berücksichtigen, sollte man die Spule etwa zwischen 30..70 % des oben berechneten Maximalwertes wählen, aber unter keinen Umständen größer, denn dann kann der Wandler die geforderte Leistung nicht liefern und die Spannung bricht bei Belastung zusammen. <math>U_{IN}</math> ist dabei die Eingangsspannung, f die Schaltfrequenz des Wandlers und <math>P_{AUS}</math> die Ausgangsleistung. Während im Normalbetrieb eine zu große Induktivität nicht stört, ist es hier also genau umgekehrt..

=== Invertierender Wandler ===

Ein invertierender Wandler erzeugt aus einer positiven Eingangsspannung eine negative Ausgangsspannung. Streng genommen handelt es sich um einen Step-Up-Wandler, bei dem die Spule nicht an der positiven Spannung, sondern an der negativen liegt. Daher sind die Vorzeichen gespiegelt.

Die häufigste Anwendung dieser Schaltung liegt in der Erzeugung einer negativen Betriebsspannung z. B. für einen Operationsverstärker, oder in der Erzeugung der VLCD Spannung eines [[LCD | LC-Displays]].

====Invertierende Schaltungsvariante 1 gemäß Datenblatt ====
[[Bild:volt_inv.gif]]

Der interne Transistor schaltet die positive Spannung. Da es ein NPN Transistor ist, wird dieser als Emitterfolger geschaltet. Dies hat den großen Nachteil, dass der Spannungsabfall recht hoch ist. Da es eine Darlingtonschaltung ist, gehen hier 1,0-1,3V je nach Strom verloren. Da der MC34063 keine negativen Spannungen verarbeiten kann, wird dessen GND Potential nun der Ausgang der negativen Spannung. Die maximal zulässige Ausgangsspannung wird daher durch die Differenz der positiven Betriebsspannung und der negativen Ausgangsspannung begrenzt. Diese darf 40V nicht übersteigen. Da der Bezugspunkt des Feedbackpins des MC34063 die negative Ausgangsspannung ist, sieht der MC34063 Masse als positive Spannung. Der Spannungsteiler aus R3 und R1 wird daher genauso berechnet wie bei jeder anderen Schaltung. Damit der Wandler sicher startet, sollte der Glättungselko am Ausgang nicht zu klein sein, da er beim Einschalten quasi in Reihe zum MC34063 sitzt und dieser sich daher aus dem Elko mit Strom versorgen muss.

====Invertierende Schaltungsvariante 2 mit externem Transistor gemäß Datenblatt====
[[Bild:volt_inv1.gif]]

Um den hohen Spannungsverlust am Schalttransistor zu umgehen, kann man einen externen PNP Transistor einsetzen. Sobald der interne Transistor des MC34063 einschaltet, bekommt der externe PNP Transistor seinen Basisstrom und schaltet ein. Somit hat dieser nun einen sehr geringen Spannungsabfall von wenigen 100mV. Der 100Ω Widerstand dient weniger als Spannungsteiler mit dem 220Ω Widerstand, sondern vielmehr dazu, den Transistor beim Abschalten schneller sperren zu lassen. Ein Nachteil dieser Schaltung ist, dass der Basisstrom aus der negativen Spannung stammt, die aufwändig erzeugt wurde. Von den so erzeugten -14,5V gegen GND, also -19,5V gegen 5V werden nur etwa 0,7V benötigt, der Rest wird im Vorwiderstand verheizt.

Da bei [[LCD]]s die Kontrastspannung als Bezugspunkt die positive Betriebsspannung besitzt, ist es auch sinnvoll, die Regelung des MC34063 nicht an GND, sondern an die positive Betriebsspannung anzuschließen. Dadurch ist die Kontrastspannung auch bei Betriebsspannungsschwankungen konstant.

====Invertierende Schaltungsvariante 3 mit externem Transistor gemäß Datenblatt von ST====
[[Bild:volt_inv2.gif]]

Um das Problem mit dem Basisstrom für den externen Transistor aus der negativen Spannung zu beseitigen, liegt es nahe, den Strom aus der Schaltungsmasse anstelle der negativen Spannung zu nehmen. Solch eine Schaltung findet sich sogar in einem Datenblatt des MC34063, allerdings nicht in der eines MC34063 von ON/Motorola, sondern in einem von ST. Diese Schaltung sieht auf den ersten Blick besser aus als die vorhergehende, hat aber dennoch einen gravierenden Nachteil: In der Praxis ist nämlich der Strom im Leerlauf höher als bei der vorhergehenden Schaltung. Dies liegt daran, dass das interne Flipflop anscheinend zwischen GND und V+ hin- und herschaltet, was ja eigentlich gewünscht ist. In diesem Fall wird die Basis-Emitterspannung der Transistoren negativ, und bei etwa -8V bricht die Basis-Emitter Diode durch und wird somit leitend. Auch in der Sperrphase wird daher der erzeugten negativen Spannung ein Strom entnommen, der wieder nachgeliefert werden muss. Zumindest die ICs von Fairchild, ON und TSC verhalten sich so. ICs von ST konnte ich noch keine bekommen, um nachzuprüfen, ob diese vielleicht anders aufgebaut sind. Diese Schaltung ist auf jeden Fall '''nicht empfehlenswert'''.

====Invertierende Schaltungsvariante 4 mit externem Transistor, Eigenkreation====
[[Bild:volt_inv3.gif]]

Das Problem mit dem Durchbruch der Basis-Emitter-Diode umgeht diese Schaltung.
Da ein Transistor an sich aus zwei Dioden besteht, kann man bei diesem Emitter und Kollektor vertauschen. Die Basis-Kollektor-Diode hat nämlich den Vorteil, dass sie eine sehr viel höhere Spannung aushält, die meist genauso groß ist wie die zulässige Kollektor-Emitter Spannung, in diesem Fall also 40 V. Da der Transistor ein Darlingtontransistor ist und hier nur wenig Basisstrom benötigt wird, wird nur der schwache Treibertransistor als Transistor verwendet und der eigentliche Schalttransistor dient als Diode, um den Basistrom des PNP Transistors über den Treibertransistor nach Masse abzuführen. Dieser Betrieb ist in keinem Datenblatt erwähnt, aber auch nirgends verboten, von daher kann man nicht mit Sicherheit sagen, dass diese Schaltung zulässig ist. Ich verwende die Schaltung aber schon seit Jahren ohne Probleme. Der Wirkungsgrad dieser Schaltung ist deutlich höher als bei den zuvor gezeigten. Der offene Emitterpin schwingt wie erwartet zwischen etwa + 0,7 V und negativer Ausgangsspannung hin und her.

====Invertierende Schaltungsvariante 5 für bipolare Spannungen====
[[Bild:vlcd_bipol.gif]]

Die letzte Variante erzeugt gleichzeitig eine positive und eine negative Spannung aus einer niedrigeren positiven Spannung. Dies ist z. B. für Operationsverstärker oder aber auch für TFT-Displays wichtig, die häufig +15 V und -10 V benötigen. Bei der Schaltung handelt es sich um einen Step-Up-Wandler, der über D1 an C1 eine positive Spannung erzeugt, die über den Spannungsteiler zurückgeführt und geregelt wird. Die Spannung an Pin 1 schwingt daher zwischen 0 V (eingeschaltetem Transistor) und Ausgangsspannung + Diodenspannung (Spannungsspitze bei abgeschaltetem Transistor) hin und her. Diese Wechselspannung wird über C4 und D2-3 gleichgerichtet und zwar in negativer Richtung. C5 lädt sich daher auf eine um eine Diodenspannung niedrigere Spannung (und negativem Vorzeichen) als die Spannung an C1 auf. Diese Spannung ist an sich nicht geregelt, aber über C4 mit der geregelten positiven Spannung verkoppelt. Lediglich der Spannungsabfall an C4 und D2-D3 wird nicht ausgeregelt.

=== Weitere Anwendungen===

* verlustarme [[Konstantstromquelle]]

=== Wichtig zu wissen ===

* Das IC verwendet ein maximales Tastverhältnis von ca. 0,857. Dieses Tastverhältnis wird jedoch durch den Spannungsabfall an Rsc verkürzt.
*# Vorzeitiges Ausschalten des Ausgangstransistors wird eingestellt durch Rsc. Da der Ladestrom der Timing-Kapazität von der Spannungsdifferenz an Rsc abhängt und den Entladestrom übersteigen kann, darf der Strom in der Spule nicht zu schnell ansteigen. Andernfalls kann die Timing-Kapazität nach Erreichen des Thresholds nicht mehr entladen werden und die fallende Flanke bleibt aus. Als Folge hiervon steigt die Spannung an der Kapazität bis auf die Betriebsspannung, der Strom durch den Ausgangstransistor wird nicht abgeschaltet und die Ausgangsspannung kann Werte über der mit dem Spannungsteiler eingestellten erreichen(!!). Die Spule muss also eine bestimmte Mindestinduktivität bezogen auf den Wert von Rsc haben und sollte ausserdem nicht in die Sättigung kommen. Im Step-Up-Fall sollte auch eine bestimmte Maximalinduktivität nicht überschritten werden, damit die Spule in der durch C definierten Zeit auch aufgeladen werden kann.
*# Verspätetes Einschalten durch eine zu hohe Ausgangsspannung (entspricht einer zu hohen Eingangsspannung an CII) vor dem Beginn eines Zyklus. Sinkt die Spannung nicht innerhalb der ersten 85,7% des Zyklus auf oder unter die Referenzspannung, entfällt sogar der gesamte Impuls.

* Der für die Schaltfrequenz zuständige Oszillator und der für den Vergleich mit der Referenzspannung zuständige Komparator sind nicht synchronisiert. Dies bedeutet, das oben erwähnte verspätete Einschalten erfolgt bei zwei aufeinander folgenden Impulsen normalerweise zu völlig unterschiedlichen Zeitpunkten. Das Tastverhältnis variiert ständig. Normalerweise würde man bei stabiler Eingangsspannung und stabiler Last ein Einpendeln auf ein stabiles Tastverhältnis erwarten. Das ist beim MC34063 prinzipbedingt unwahrscheinlich.

* Die Regelschleife des ICs ist nur im diskontinuierlichen Betrieb (Spulenstrom fällt in jedem Takt wieder auf 0) stabil. Im kontinuierlichen Betrieb, besonders bei zu hoher Spuleninduktivität, kann es zu Regelartefakten kommen. Dann steigt z. B. der Spulenstrom, bis doch die Überstromabschaltung greift, die Regelschleife schwingt. Dies liegt daran, dass der Komparator aufgrund der Bauweise des ICs den Ausgangsimpuls innerhalb der ersten 85,7% eines Zyklus zwar einschalten, aber nicht mehr ausschalten kann. Einmal eingeschaltet laufen entweder die ersten 85.7% eines Zyklus ab und es wird an diesem Zeitpunkt normal abgeschaltet, oder die Strombegrenzung schaltet den Impuls vorzeitig ab.

* Bei niedriger Last geschieht die Spannungsregelung über das Auslassen von Impulsen (Pulsfrequenzmodulation). Dies kann dazu führen, dass der Ripple der Ausgangsspannung eine sehr viel niedrigere Frequenz aufweist als die Schaltfrequenz.

* Die im Datenblatt angegebenen 1,5A sind der Spitzenstrom des internen Transistors, nicht der Ausgangsstrom des Schaltreglers. Insbesondere in der Step-Up-Konfiguration ist der Ausgangsstrom viel geringer.

* Step-Up- oder Inverterbetrieb mit einem Spannungsverhältnis über 6,5 ist nur im diskontinuierlichen Betrieb möglich. Daraus ergibt sich eine Obergrenze für die Induktivität.

* Der Strombegrenzungswiderstand Rsc dient nicht nur als Strombegrenzung für den Ausgangsstrom, sondern ist auch wichtig, um den Spulenstrom in jedem Schaltzyklus zu begrenzen: Geht die Spule z. B. bei 0,15A in die Sättigung, muss Rsc so dimensioniert werden, dass der Strom die 0,15A nie übersteigt (der passende Wert wäre hierfür also Rsc=0,33V/0,15A=2,2Ω.) Ansonsten verringert sich der Wirkungsgrad der Schaltung stark.

* Wunder bezüglich Wirkungsgrad darf man von MC34063-basierten Schaltungen nicht erwarten. Schaltregler mit FET-Schaltern vermeiden Verluste durch den Basisstrom und der UCE-Restspannung. Schaltregler mit integrierten Push-Pull-Ausgängen verringern bzw. vermeiden die Verluste in der Schottky-Diode. Das Störspektrum ist bei Schaltreglern mit Pulsweitenmodulation kalkulierbarer. Einige modernere ICs arbeiten mit deutlich höheren Schaltfrequenzen und benötigen eine weitaus kleinere (und damit oftmals widerstandsärmere) Induktivität für die gleiche Leistung.

=== Vergleich 34063 vs. LM257x ===

Der MC34063 und der LM257x (x = 4, 5 oder 6) sind von den Daten her in etwa vergleichbar, der 34063 kann auch als Step-Up eingesetzt werden, was mit dem LM257x nicht möglich ist.

Im Schaltverhalten unterscheiden sich beide Regler deutlich, wie nachfolgende Messungen zeigen. Um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten, wurden bei beiden die gleichen Spulen, Dioden und Elkos verwendet. Auch das Platinenlayout war vergleichbar.
Die Eingangsspannung betrug 12 V, die Ausgangsspannung 5 V. Verwendet wurden ein TS34063 und ein LM2575-5 (mit LM2574 und LM2576 sind identische Ergebnisse zu erwarten). Beim 34063 wurde die Strombegrenzung mit 0,5Ω auf etwa 0,6 A eingestellt. Für den Oszillator wurden 470 pF verwendet, was etwa 50 kHz ergibt, um im gleichen Bereich wie der LM257x zu liegen.
Belastet wurde der Ausgang mit 50Ω bzw. 100Ω, was einen Laststrom von 100mA bzw. 50mA ergibt.
Am Eingang wurde ein normaler 100 µF Elko verbaut, am Ausgang ein 220 µF SMD Elko.
Gemäß Datenblatt wäre für diesen niedrigen Strom beim LM257x eigentlich eine weitaus größere Induktivität von etwa 680 µH notwendig. Die Schaltung ist aber bewusst auf einen höheren Strom dimensioniert und nur mit einem geringen Strom belastet worden, da dieser Zustand in der Praxis häufig vorkommt und hier die Unterschiede zwischen beiden Reglern am deutlichsten ausfallen. Für den 34063 entspricht die Größe der Induktivität sogar den Empfehlungen aus dem Datenblatt.

==== Messung 1: 100 mA Last ====
[[Datei:LM257x_100mA.gif|thumb|250x250px|LM2575, 100 mA rot: Ausgangsspannung grün: Ausgangsripple]]Das Ergebnis ist wie erwartet: Die Spannung am Ausgang des LM2575 (rot) ist ein sauberes Rechteck, das zwischen Vin-Vsat und 0 V - V Diode, also zwischen etwa 10,5 V und -0,5 V pendelt. Der Ripple auf der Ausgangsspannung (grün) ist dreieckförmig, ein Zeichen, dass der Ripple vor allem durch den ESR des Ausgangselkos in Verbindung mit dem dreickförmigen Spulenstrom entsteht. Die Amplitude beträgt etwa 120 mVss. Das ist nicht wirklich gut, aber akzeptabel. Die Ursache liegt darin, dass es sich bei den Elkos nicht um Low ESR Elkos handelt.

[[Datei:34063_100mA.gif|thumb|250x250px|34063, 100 mA rot: Ausgangsspannung grün: Ausgangsripple]]An der Ausgangsspannung erkennt man beim 34063 deutlich, dass der Regler im diskontinuierlichen Betrieb arbeitet, der Spulenstrom erreicht den Wert Null, der Ausgang des Reglers wird dann über die Spule auf Höhe der Ausgangsspannung gezogen und schwingt aufgrund parasitärer Kapazitäten. Dieses Verhalten entsteht dadurch, dass der 34063 die Impulsbreite nur durch einen Überstrom oder durch eine hohe Feedbackspannung zu Beginn einer Taktperiode verkürzen kann. Ist beides nicht der Fall, erfolgt ein voller Zyklus. Dies führt dazu, dass die Regelung durch Auslassen einzelner Impulse (hier jedes zweiten Impulses) geschieht. Dadurch halbiert sich in diesem Fall die effektive Schaltfrequenz auf etwa 25 kHz, was logischerweise den Ripple auf der Ausgangsspannung vergrößert. Die Amplitude beträgt daher etwa 175 mVss, etwas mehr als beim LM257x, aber noch im grünen Bereich für übliche Anwendungen.

==== Messung 2: 50 mA Last ====
[[Datei:LM257x_50mA.gif|thumb|250x250px|LM2575, 50 mA rot: Ausgangsspannung grün: Ausgangsripple]]Auch hier ist das Ergebnis wie erwartet: Aufgrund des geringen Stromes arbeitet der LM257x im diskontinuierlichen Betrieb, der Spulenstrom erreicht also den Wert Null. Dennoch liegt der Ripple auf der Ausgangsspannung bei gerade mal etwa 100 mVss. Dieser niedrige Wert liegt an der kurzen Einschaltdauer und dem dementsprechend niedrigeren Spitzenstrom in der Spule, der logischerweise zu einem geringeren Spannungsabfall am ESR des Ausgangselkos führt. Die Arbeitsfrequenz liegt wie auch bei der 100 mA Messung bei knapp über 50 kHz, ist also unabhängig vom Strom.

[[Datei:34063_50mA.gif|thumb|250x250px|34063, 50 mA rot: Ausgangsspannung grün: Ausgangsripple]]Auf den ersten Blick sieht man schon: Das Verhalten des 34063 bei geringen Lasten ist chaotisch und nur schwer vorherzusagen, da der Zufall eine große Rolle spielt.
Dieses chaotische Schaltverhalten macht sich oft auch akustisch in der Spule bemerkbar: Man hört ein Rauschen.
Ursache für dieses Verhalten ist das Funktionsprinzip des 34063: Ist während seiner Einschaltdauer die Eingangsspannung oberhalb des Schwellwertes des internen Komparators, bleibt der Ausgang abgeschaltet. Ist die Eingangsspannung zu Beginn des Zyklus schon niedriger, ist der interne Transistor für eine ganze Einschaltdauer (0,85*Periodendauer) eingeschaltet. Unterschreitet die Spannung dagegen während der Einschaltdauer den Schwellwert, schaltet der 34063 für den Rest der Zeit ein. Dadurch entstehen diese unterschiedlich langen Einschalt- und Ausschaltzeiten. Da der Zeitpunkt, zu dem der interne Komparator schaltet, von sehr vielen Faktoren abhängig ist (Ausgangsspannung, Spulenstrom [also vorhergehende Zyklen], Störungen usw.), lässt sich das genaue Verhalten nicht vorhersagen, der 34063 schaltet mehr oder weniger zufällig.

Die Arbeitsfrequenz lässt sich hier daher nicht wirklich bestimmen, da nahezu jeder Impuls eine andere Länge hat. Der Ripple liegt bei etwa 180mVss, fast dem doppelten Wert, den der LM257x bei diesem Strom aufweist. Das Hauptproblem an dem Ripple ist aber nicht der hohe Ripple selbst, sondern die unberechenbare Frequenz, die eine Dimensionierung eines Filters am Ausgang erschwert.

Dass der Ripple sich hier dennoch in Grenzen hält, liegt vor allem daran, dass sich beim Step-Down-Wandler die Änderungen direkt auf den Ausgang auswirken: Ein Einschaltzyklus führt zu einem höheren Spulenstrom und somit zu einer höheren Ausgangsspannung, was wiederum zu einer höheren Feedbackspannung führt. Ein gewisser Ripple auf der Ausgangsspannung ist für das Regelverhalten sogar hilfreich, da er hilft, die Hysterese des Komparators zu überwinden und somit zu einer höheren Schaltfrequenz führt.
Im Step-Up-Modus ist der Zusammenhang zwischen Tastverhältnis und übertragener Energiemenge nicht ganz so einfach, denn wenn das Tastverhältnis zu hoch ist, wird die Spule in der Ausschaltphase die Energie nicht los, was dazu führt, dass effektiv weniger Energie am Ausgang ankommt, stattdessen der Spulenstrom von Zyklus zu Zyklus weiter ansteigt. Dies setzt sich solange fort, bis die Strombegrenzung anspricht. Diese ist daher im Step-Up-Modus zwingend erforderlich.

==== Fazit ====

Für Schaltungen, die eine saubere Spannung benötigen und eine stark wechselnde Stromaufnahme haben (es also vorkommen kann, dass die Stromaufnahme recht gering ist, wie hier gezeigt), sollte man auf den etwas teureren LM257x (oder andere PWM Regler) zurückgreifen, da sich dessen Spannung gut filtern lässt. Der 34063 eignet sich dagegen für alle Anwendungen, bei denen es nicht zu sehr auf den Ripple ankommt, wie z. B. Digitalschaltungen oder Motoren.
Wenn der 34063 mit einem ausreichend hohen Strom belastet wird bzw. die Spule ausreichend groß dimensioniert wird, erreicht er zumindest im Step-Down-Betrieb aber auch gute Werte.
Möchte man den Ripple weiter wegfiltern, ist hinter den Ausgangselko ein LC Filter zu setzen. Der Abgriff des Feedbackanschlusses erfolgt aber weiterhin am bisherigen Ausgangselko, denn wie weiter oben beschrieben wurde, ist der Ripple für die Regelung des 34063 notwendig. Ohne diesen Ripple verhält sich der 34063 wie ein Zweipunktregler: Die Spannung pendelt zwischen zwei Werten. Durch die zusätzliche Zeitverzögerung des LC-Filters würde sich das Pendeln sogar noch verstärken (dies trifft bei den meisten Reglern zu, denn die zusätzliche Phasenverschiebung kann die Regelschleife destabilisieren).

== Links ==

* [[Spule | Spulenauswahl für Schaltregler]]
* [[Transformatoren und Spulen]]
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/250362#2580874 Forumsbeitrag]: 180V@25mA Step Up mit externem MOSFET für Nixiröhren
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/293167?page=1#3201292 Forumsbeitrag]: Hochspannungserzeugung für einen Geiger-Müller Zähler (Pollin Bausatz)

== Weblinks ==

*[http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/MC34063A-D.PDF Datenblatt MC34063]
*[http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AN920-D.PDF AN920 Theory and Applications of the MC34063 and µA78S40 Switching Regulator Circuits] Die bekannteste und wichtigste Application Note für den MC34063 und seinen Verwandten 78S40. Mit vielen Schaltungsbeispielen, Herleitungen der Berechnungsformeln und Beispielrechnungen.
*[http://www.dos4ever.com/flyback/flyback.html Flyback Converters for Dummies]
*[http://ludens.cl/Electron/Magnet.html Guter Grundlagenartikel über Trafos in Englisch]
*[http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layout-Schaltregler Layout für Schaltregler], von Lothar Miller

=== Werkzeuge ===

*[http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/smps.html Ausführliche Seite mit Onlineberechnung verschiedener Schaltnetzteiltypen, und Grundlagenwissen]
*[http://www.nomad.ee/micros/mc34063a/index.shtml Ein Tool um die Bauteile zu dimensionieren]
*[http://sourceforge.net/projects/mc34063uc/files/ Ein Universaltool zum Berechnen der Bauteile für alle Operationsmodi]

=== SPICE Modelle ===

Für den MC34064 gibt es brauchbare SPICE-Modelle.

* [http://www.onsemi.com/pub/Collateral/MC34063A%20SPICE%20MODEL.ZIP OnSemi] Die Dateien im ZIP-Archiv tragen die Bezeichnung MC3'''3'''063. Das ist die Variante des MC34063 für einen grösseren Temperaturbereich. Ansonsten ist der MC33063 identisch.
* [http://perso.wanadoo.fr/cbasso/Downloads/PSpice/34063.zip PSpice-Modell] Von Christophe Basso für PSpice erstelltes/angepasstes Modell (Siehe auch seine [http://www.amazon.com/Christophe-P.-Basso/e/B001IOH604/ SMPS-Bücher])
* [http://perso.wanadoo.fr/cbasso/Downloads/IsSpice/MC34063.zip IsSpice-Modell] Von Christophe Basso für IsSpice erstelltes/angepasstes Modell
* leider gehen alle Links bis auf den ersten derzeit nicht.

[[Kategorie:Bauteile]]
[[Kategorie:Spannungsversorgung und Energiequellen]]

Schaltplaneditoren

2021-04-19T08:58:15Z

172.26.33.176: Der Seiteninhalt wurde durch einen anderen Text ersetzt: „Microsoft office is the most extensively used computing device software program today. MS office is accepted by an extensive target…“

Microsoft office is the most extensively used computing device software program today. MS office is accepted by an extensive target market ranging from corporations and faculties to the authorities and home customers. Microsoft has established the exclusive components of Office including Word, Excel, and PowerPoint which will help users work more efficiently.

[https://ooffiice-setup.com office.com/setup]

Kühlkörper

2021-04-15T08:07:09Z

172.26.33.176: LateX Korrekturen

Dieser Artikel versteht sich als Unterpunkt zum Artikel [[Leistungselektronik]].

Ein Kühlkörper (engl. ''heat sink'') vergrößert oder verändert die, zur Wärmeabgabe vorhanden, Oberflächen elektronischer Bauteile. Er wird immer dann benötigt, wenn die Verlustleistung so hoch ist, dass die, sich aufgrund der herrschenden Randbedingungen wie Wärmeleitfähigkeit, Luftkonvektion und Umgebungstemperatur, einstellende Bauteiltemperatur den maximal zulässigen Wert übersteigen würde. Ein Kühlkörper kann dazu die Oberfläche des Bauelementes vergrößern, die Kühlung durch freie Konvektion verbessern oder eine aktive Kühlung durch Belüftung oder Flüssigkeitskühlung möglich machen. Durch die Verwendung eines Kühlkörpers sinkt der Wärmewiderstand, was der Temperaturerhöhung pro Leistungseintrag des Bauteils entspricht.

[[bild: Rippenkuehlkoerper.png | thumb | 300px| Rippenkühlkörper, Schnittdarstellung]]

Das grundlegende Prinzip sieht man an jedem Rippenkühlkörper. An der Stelle, an der das zu Kühlende Objekt kontaktieren soll ("auf Skizze rot markiert"), befindet sich eine größere Menge Material, um die punktuell eingeprägte Wärme möglichst verlustarm auf die Fläche des Kühlkörpers zu verteilen. In Computer-Kühlkörpern ist dort oft Kupfer eingepresst ("oft als heat-spreader, Wärmespreizer bezeichnet"), da dessen thermischer Widerstand nochmals günstiger ausfällt als der von Aluminium. Danach folgen viele, nach außen dünner verlaufende Rippen. Nahe der Wärmequelle befindet sich dickeres Material, um einen möglichst hohen Wärmestrom zu ermöglichen ("vgl. höherer Kabelquerschnitt bei Strom"). Ein idealer Kühlkörper besitzt eine unendlich große Oberfläche, bei unendlich kleiner Masse. Grundsätzlich wird bei der Herstellung versucht eine möglichst gute Wärmeabgabe an die Umgebung zu ermöglichen. Viele Kühlkörper werden aus preiswerten [http://de.wikipedia.org/wiki/Strangpressen Strangpressprofilen] hergestellt.

== Wärmewiderstand ==

Die wichtigste Kennzahl eines Kühlkörpers ist der Wärmewiderstand. Er gibt an, um wie viel Kelvin sich die Temperatur zwischen Wärmequelle und Umgebung unterscheidet, wenn eine bestimmte Wärmeleistung abgeführt werden muss. Die Einheit ist '''K/W, Kelvin pro Watt'''. ("Hinweis: Oft wird fälschlicherweise die Einheit °C/W angegeben, doch Temperaturdifferenzen werden in Kelvin angegeben"). Je niedriger der Wärmewiderstand, desto besser der Kühlkörper. Er kann somit die gleiche Wärmeleistung mit einem kleineren Temperaturunterschied abführen. Dadurch bleibt das Bauteil kühler, was der Lebensdauer und Funktionssicherheit zu Gute kommt.

Allgemein gilt die Formel

<math>\Delta T = P_{\theta} \cdot R_{\theta}</math>

*<math>\Delta T</math> - Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Umgebung in K
*<math>P_{\theta}</math> - Wärmeleistung in W
*<math>R_{\theta}</math> - Wärmewiderstand in K/W

Der griechische Buchstabe Theta wird als Symbol für Wärmekenngrößen verwendet, denn es geht bei diesen Rechnungen um Wärmewiderstände und Wärmeleistungen, keine elektrischen Widerstände und elektrische Leistungen.

== Berechnung des Wärmewiderstands ==

Für einen Kühlkörper ist der Wärmewiderstand im Datenblatt angegeben. Diesen rein aus dem Aufbau zu berechnen ist sehr schwierig, auch das Messen ist nicht so einfach. Was man jedoch berechnen kann und muss ist der Wärmewiderstand eines Gesamtaufbaus, d.h. Bauteil + Kühlkörper. Dazu muss man im Wesentlichen zwei Fälle unterscheiden.

=== Bauteil ohne Kühlkörper ===

Ohne Kühlkörper kann ein Bauteil seine Wärme über zwei Wege abgeben. Über das Gehäuse direkt an die Luft (Abstrahlung und Konvektion) oder über die Anschlüsse auf die Platine (Wärmeleitung). Dies alles findet parallel statt, aber je nach Gehäusetyp und Platinengestaltung ist die Verteilung auf die Kühlwege verschieden. Transistoren im Metallgehäuse (z. B. TO-3) oder mit Metallfahne (z. B. TO-220) können recht viel Wärme über das Gehäuse abgeben (Konvektion). Effektive Abstrahlung braucht immer recht hohe Temperaturdifferenzen von 100K und mehr, wie sie meist nur von Leistungswiderständen und Elektronenröhren erreicht werden. Leistungsdioden im Plastikgehäuse hingegen können den Großteil der Wärme nur über die Anschlüsse abgeben. Deshalb sollten diese möglichst kurz sein, und auf der Platine an dicke Leiterbahnen oder gar Kupferflächen angeschlossen werden. Ähnliches gilt für leistungsverstärkte DIL- oder SOIC-[[IC-Gehäuseformen | Gehäuse]], welche oft für [[H-Brücken_Übersicht | Leistungstreiber]] oder [[FET | MOSFETs]] verwendet werden. In diesen Fällen sollten die Pins direkt an Kupferflächen '''ohne''' Wärmefallen ([https://de.wikipedia.org/wiki/Thermal_Pad Thermal Pad]) angeschlossen werden, auch wenn dadurch das [[Löten]] erschwert wird.

Für die meisten Bauteile ist im Datenblatt der Wärmewiderstand zwischen dem eigentlichen Chip und der Umgebung angegeben.

*<math>R_{\theta JA}</math> - Wärmewiderstand (griechisches Zeichen [https://de.wikipedia.org/wiki/Theta Groß-Theta]) zwischen Sperrschicht und Umgebung ohne zusätzlichen Kühlkörper in K/W

Damit kann man direkt in die oben genannte Formel gehen und die Temperaturdifferenz ausrechnen. Die Temperatur der Sperrschicht errechnet sich einfach aus der maximalen Umgebungstemperatur (meist Luft) und dem errechneten Temperaturunterschied.

<math>T_J = T_A + \Delta T </math>

*<math>T_J</math> - Temperatur der Sperrschicht in °C (engl. "'''j'''unction")
*<math>T_A</math> - Temperatur der Umgebung in °C (engl. "'''a'''mbient")
*<math>\Delta T</math> - Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Umgebung in K

=== Bauteil mit Kühlkörper ===

Will man mit einem IC größere Verlustleistungen umsetzen (Linearer Spannungsregler, [[Transistor]], etc.] muss meist ein Kühlkörper her. Die jeweiligen Gehäuse besitzen dazu meist eine Kühlfahne, an die man den Kühlkörper anschrauben kann. Bei anderen gibt es Klemmen, die den Kühlkörper fest klemmen. Hier gibt es einiges zu beachten. Der Kühlkörper darf nicht zu schwach angeschraubt werden, sonst ist der Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper zu groß. Er darf aber auch nicht zu stark angeschraubt/angepresst werden, um das Gehäuse nicht zu deformieren. Wichtig ist der Übergang zwischen IC und Kühlkörper. Hier muss bei größeren Leistungen ("<math>\thickapprox</math> >5W") Wärmeleitpaste verwendet werden. Ihre Aufgabe ist es, die Luft zwischen den Oberflächen zu verdrängen, welche sich in den mikroskopischen Unebenheiten befindet und den Wärmewiderstand '''deutlich''' erhöht. Dabei sollte die Schicht möglichst dünn sein, denn die Wärmeleitpaste ist im Vergleich zu Aluminium oder Kupfer ein schlechter Wärmeleiter (trotzdem deutlich besser als Luft). Ein oft verwendetes TO-220 Gehäuse hat eine Kühlfläche von ca. 1 cm2. Wird ein Kühlkörper ohne Wärmeleitpaste aufgeschraubt, und angenommen es entsteht dabei ein '''Luftspalt von nur 10µm Breite''', hat dieser einen Wärmewiderstand von '''ca. 4K/W'''! Mit Wärmeleitpaste sinkt dieser Wert auf rein rechnerisch 1/150, also etwa 0,026 K/W. In der Praxis ohne Ideale Bedingungen würde dieser Wert schätzungsweise eher in ein Bereich von 0,75K/W <math>\pm</math>0,25K/W fallen.

{| class="wikitable" style="text-align:center; width:22em"
|-
! style="width:10em" | Material
! Wärmeleitfähigkeit [W/(m*K)]
|-
| Luft || 0,026
|-
| Wärmeleitpaste || 4 - 10
|-
| Aluminium || 221*
|-
| ALMg3 || 140 - 160
|-
| ALMg4,5Mn || 120 - 140
|-
| ALMgSi1 || 170 - 220
|-
| ALCuMg1 || 160 - 200
|-
| ALCu6,5Mn0,3 || 95 - 130
|-
| Kupfer || 370*
|-
| Messing MS60 || 90 - 113
|-
| Cu Be 2 || 92 - 125
|-
| Cu Co 2 Be || 192 - 239
|-
| Cu Cr 1 Zr || 167 - 320
|-
| Cu Ni 2 Si || 67 - 120
|-
| Stahl 0,2%C || 50
|-
| Stahl 8%Cr || 21
|-
| Zinn || 65
|-
| Blei || 35
|-
|}

*Werte DIN V 4108-4, Achtung: bei den verfügbaren Legierungen sind weit geringere Wärmeleitfähigkeiten zu erwarten!

Für die Berechnung des gesamten Wärmewiderstandes müssen hier drei Widerstände in Reihe betrachtet werden. Der Erste ist im Datenblatt zwischen Chip und Gehäuse angeben (engl. junction to case). Danach kommt der Übergang Gehäuse-Kühlkörper. Dieser ist von der Oberflächengüte und der Wärmeleitpaste abhängig und ist bei einigen Leistungsbauteilen im Datenblatt angegeben, manchmal kann er nur abgeschätzt werden. Ein TO220 Gehäuse mit dünner Schicht Wärmeleitpaste hat hier ca. 0,5-1K/W. Zum Schluss muss noch der Wärmewiderstand des Kühlkörpers addiert werden, dieser ist im Datenblatt angegeben. Vorsicht, bei größeren Kühlkörpern mit großen Rippen ist die Einbaulage wichtig, damit der Luftstrom frei strömen und gut kühlen kann (freie Konvektion, warme Luft strömt nach oben und kalte strömt unten nach). Die drei Wärmewiderstände werden addiert und über die oben angegebene Formel der Gesamtwärmewiderstand und damit die Temperaturerhöhung der Sperrschicht berechnet.
Dabei muss man aufpassen, dass man nicht aus Versehen den Wärmewiderstand ohne Kühlkörper (<math>R_{\theta JA}</math>) in die Formel einsetzt!

<math>R_{\theta} = R_{\theta JC} + R_{\theta CS} + R_{\theta S}</math>

*<math>R_{\theta}</math> - Gesamtwärmewiderstand in K/W
*<math>R_{\theta JC}</math> - Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse (engl. '''j'''unction - '''c'''ase)
*<math>R_{\theta CS}</math> - Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper (engl. '''c'''ase - heat '''s'''ink)
*<math>R_{\theta S}</math> - Wärmewiderstand des Kühlkörpers (engl. heat '''s'''ink)

Wird eine Schaltung in einem Gehäuse eingesetzt, muss man dafür sorgen dass die warme Luft abgeführt wird, vor allem in Kunststoffgehäusen. Ansonsten gibt es einen Wärmestau und die Temperatur steigt deutlich!

==== Beispiel ====

Gesucht:

*<math>R_{\theta S}</math> - max. Wärmewiderstand des Kühlkörpers

Gegeben:

*<math>P_{\theta}</math> : 10 W
*<math>R_{\theta JC}</math> : 3 K/W
*<math>R_{\theta CS}</math> : 0,5 K/W
*<math>T_J</math> : 130 °C
*<math>T_A</math> : 40 °C

Rechnung:

Um die Berechnung durchführen zu können, müssen wir zuerst die maximal zulässige Temperaturdifferenz zwischen Sperrschicht und Umgebung festlegen. Je größer man diesen Wert wählt, umso kleiner kann der Kühlkörper sein, aber umso heißer wird auch das Bauteil im Inneren betrieben.
Eine Angabe dazu findet man manchmal im Datenblatt (Operating junction temperature). Achtung, manchmal wird nur die zulässige Umgebungstemperatur genannt (Operationg temperature)! Wenn nicht, kann man sich an folgenden Angaben orientieren
* Leistungsbauteile wie [[Transistor]]en, [[TRIAC]]s etc. sind meist bis 150°C Sperrschichttemperatur ausgelegt, teilweise auch bis 200°C
* Leistungs-LEDs verkraften dauerhaft nur um die 80°C
* Man sollte die maximalen Betriebstemperaturen nicht ausreizen, wenn man eine hohe Lebensdauer und Funktionssicherheit anstrebt und 10-30K unter den Maximalwerten bleiben

<math>\Delta T = T_J - T_A = 130 ^\circ C - 40 ^\circ C = 90 K</math>

<math>R_{\theta} = \frac { \Delta T}{P_{\theta}} = \frac {90K}{10W} = 9 K/W </math>

<math>R_{\theta S} = R_{\theta} - R_{\theta JC} - R_{\theta CS} = 9 K/W - 3 K/W - 0,5K/W = 5,5 K/W</math>

Ergebnis:

<math>R_{\theta S} \leqq 5,5 K/W</math>

Der Kühlkörper darf einen maximalen Wärmewiderstand von 5,5 K/W haben, wenn die oben genannten Bedingungen eingehalten werden sollen. Ein Kühlkörper mit einem kleineren Wärmewiderstand hält das Bauteil kühler.

=== Zwangskühlung ===

Natürlich muss der Kühlkörper die Wärme auch abführen können. Was aber, wenn der für den Wärmeabtransport benötigte Kühlkörper mechanisch nicht ins Gehäuse paßt oder die entstehende Eigenkonvektion zu gering ist?

Hier kommen die Lüfter zum Einsatz, das Ganze nennt sich dann Zwangskühlung. Der Effekt beruht darauf, dass wesentlich mehr Luft am Kühlkörper vorbeiströmen kann und damit (bei gleicher Temperaturerhöhung des Luftvolumenelementes) insgesamt mehr Wärme abgegeben werden kann.

Durch den Einsatz eines Lüfters lässt sich der effektive Wärmewiderstand eines Kühlkörpers etwa um mehrere Faktoren verbessern, bzw. der Kühlkörper kann in der Größe entsprechend reduziert werden. Dabei sind je nach Einbausituation des Kühlers und des Lüfters Faktoren zwischen 3-10 möglich. Ein typischer Wert, der sich bei durchschnittlich dimensionierten Kühlkörpern ergibt, ist ein Faktor 4-5. Die Temperaturüberhöhung schrumpft dabei z.B. von 80 Grad auf 20 Grad zusammen. Dies sind jedoch nur Richtwerte für den ersten Entwurf, eine Prüfung durch Messung ist unbedingt erforderlich.

Beim Einsatz eines Lüfters ist auch daran zu denken, daß sowohl die Ansaugöffnung als auch der Kühlkörper verschmutzen und regelmäßig gereinigt werden müssen. Weiterhin erzeugt ein Lüfter natürlich auch Lärm. Je kleiner der Lüfter und je größer die benötigte Luftlieferleistung, umso lauter wird der Lüfter. Umgekehrt kann man aber mit einem großen, eher langsam laufenden Lüfter den Geräuschpegel stark absenken. Letztendlich kann ein Lüfter auch kaputt gehen, womit die Kühlung deutlich verschlechtert wird und das Bauteil überhitzt. Hier empfiehlt sich bei wertvolleren Objekten eine Lüfterüberwachung, wie sie seit längerem bei PCs eingesetzt wird oder das Verbauen mehrerer Lüfter, sodass der Ausfall eines einzigen nicht sofort zu einem Geräteausfall führt.

==== Physikalischer Hintergrund der Zwangskühlung mit Luft ====

Luft hat eine Wärmekapazität von ungefähr 1kJ/kg/K was bedeutet, daß für die Erwärmung von 1kg Luft um 1K eine Energiemenge von 1kJ = 1000Ws erforderlich ist. D.h. für den kontinuierlichen Abtransport von 100W Wärme werden mindestens 100g Luft pro Sekunde benötigt, wenn man diese nur um 1K erwärmen will.
Um also 100W von einem Kühlkörper abzuführen, der sich hier im Beispiel um 8K erwärmen darf, sind 100W / 8K = 12,5g Luft pro Sekunde erforderlich. Ein Gramm Luft hat ein Volumen von etwa 0,77l, d.h. bei 12,5 g muss der Lüfter 9,6 l/s bzw. 34,5 m³/h liefern, die dann auch durch den gesamten Kühlkörper geblasen werden müssen.

Diese Werte sind jedoch nur theoretisch von Interesse, da die Praxis gezeigt hat, dass die effektive Kühlwirkung sehr stark von den sich einstellenden Mikroturbulenzen am Bauteil abhängt. Diese sind für den Wärmegradienten zwischen Kühleroberfläche und Umgebungsluft verantwortlich. Durch eine stark laminare = gleichförmig strömende Luft wird ein Bauteil eher schlecht gekühlt. Bestimmte Bauformen von Bauelementen und Kühlern begünstigen die Turbulenzbildung, behindern damit zwar den Luftstrom, da der Widerstand steigt, kühlen aber letztlich besser. So ist es zu erklären, dass manche Bauteile ohne Kühlung auskommen, da sie die Eigenkonvektion fördern und günstig im Luftstrom sitzen und von einem Kühler weniger profitieren, als andere Problembauteile.

Generell kann man sagen, dass flache, breite Bauteile zunehmend schlechter selbstkühlend sind, je größer sie werden und damit eher einen KK brauchen. FPGAs und Grafikchips sind solche Kandidaten. Hier empfehlen sich teilweise eigene Chipkühler. Auch RAM-Riegel mit sehr flachen Chips können so sehr effektiv kühl gehalten werden.

== Die Platine als Kühlkörper ==

Bei kleineren Leistungen (< 5W) kann man auch die Platine als Kühlkörper benutzten. Dabei muss jedoch die Wärme vom Bauteil möglichst schnell auf eine größere Fläche verteilt werden. Dazu nutzt man große Kupferflächen direkt am Bauteil. Diese werden teilweise beidseitig angebracht. Die Wärme muss man dann jedoch mit vielen Vias von der einen Seite, auf der das Bauteil sitzt, auf die andere geleitet werden. Diese Vias heißen thermische Vias, da sie nicht als elektrische Verbindung sondern als Wärmeleiter dienen. Das funktioniert deshalb so gut, weil die Vias innen mit Kupfer beschichtet sind, welches die Wärme wesentlich besser leitet als das Material der Leiterplatte (FR2, FR4).
Verfügt ein SMD-Bauteil über eine sogenannte "heat slug" oder thermal pad auf der Unterseite, muss dieses zur Wärmeableitung unbedingt angelötet werden. Dies ist mit einem normalen Lötkolben möglich, wenn die Platine an dieser Stelle mehrere Durchkontaktierungen mit einem Durchmesser von ca. 1,5mm aufweist. Durch diese Durchkontaktierungen kann genug Lötzinn auf die andere Seite fließen um diese Fläche mit der Platine zu verlöten.

Mit modernen Technologien ist es auch möglich, deutlich größere Wärmeleistungen von der Platine abzuführen. Dazu werden z. B. Platinen mit Aluminium- oder Kupferkern oder auf einen Metallträger laminierte PCBs benutzt (IMS = '''I'''nsulated '''M'''etal '''S'''ubstrat). Diese kommen z. B. bei Hochleistungs-[[LED]]s zum Einsatz. Für Hobbyzwecke sind sie aber noch wesentlich zu teuer, vor allem bei Einzelstücken.

== Peltierelement ==

Ein [http://de.wikipedia.org/wiki/Peltier-Element Peltierelement] arbeitet nach dem [http://de.wikipedia.org/wiki/Thermoelektrizit%C3%A4t#Peltier-Effekt Peltier-Effekt]. Dabei wird in einem Halbleiter durch Stromfluss eine Seite des Elements kalt, die andere heiß. Damit kann man ein kleines Objekt beliebig kühlen oder heizen. Allerdings sind Peltierelemente nur in eher kleinen Abmessungen und Leistung verfügbar (bis einige Dutzend Watt) und deren Effizienz ist auch nicht sonderlich hoch. Die allgemeine Auffassung, die könnten Wärme einfach verschwinden lassen ist falsch. Denn die heiße Seite muss klassisch gekühlt werden, je nach Temperaturunterschied mit mehr als der doppelten Kühlleistung als auf der kalten Seite an Wärme abgeführt wird.

== Heat pipe ==

Eine [http://de.wikipedia.org/wiki/Heatpipe Heat pipe],auf deutsch Wärmerohr genannt, ist ein Rohr, welches mit einer leicht verdampfenden Flüssigkeit gefüllt ist. Wird ein Ende erhitzt, verdampft die Flüssigkeit und nimmt dabei sehr viel Wärme auf. Der Dampf steigt im Rohr ans andere Ende, kondensiert dort und gibt dabei seine Wärme wieder ab.

Heat pipes werden auch als Wärmesuperleiter bezeichnet, weil sie Wärme 100-10.000 mal besser leiten als ein massiver Kupferstab mit gleichen Abmessungen.

Auch hier muss gesagt werden, dass eine Heat pipe allein '''kein''' Kühlsystem ist, denn die Seite, auf der das Wärmetransportmedium wieder kondensiert, muss auch wieder klassisch gekühlt werden. Der grosse Vorteil ist die Abführung großer Wärmemengen auf engstem Raum, wie z. B. bei CPUs in Laptops.

== Flüssigkühlung ==

Im PC-Bereich ist es unter einigen Enthusiasten verbreitet, den Rechner entweder zu übertakten, um eine höhere Leistung zu erzielen oder super leise zu machen, um angenehmer arbeiten oder spielen zu können. In beiden Fällen muss eine große Wärmemenge abgeführt werden. Dabei wird die sehr hohe Wärmekapazität von Wasser genutzt, um auf kleinem Raum die Wärme von CPU, GPU, Festplatten etc. abzuführen. Aber auch hier ist zu beachten, dass am Ende einer Flüssigkühlung praktisch immer ein klassischer Wärmetauscher steht, welcher die Wärme an die Umgebungsluft abgibt. Dieser kann sich aber deutlich weiter entfernt vom zu kühlenden Objekt befinden als ein einfacher, direkt montierter Kühlkörper.

Bei der Verwendung von Wasser statt Luft als Kühlmedium reduziert sich die Durchflußmasse in etwa um den Faktor 4,2, da die Wärmekapazität von Wasser bei ca. 4,182 kJ/kg/K liegt. Da Wasser aber auch eine deutlich höhere Dichte als Luft besitzt (Wasser = 1g/cm³; Luft = 1,3mg/cm³) kommt noch der Faktor von ~770 dazu, woraus sich ein Gesamtfaktor für das Durchflußvolumen von ~3230 ergibt.

D.h. die Durchflußmenge in unserem oben genannten Beispiel (100W) sinkt auf ca. 2,9 ml/s bzw. 10,7 l/h.

Vorteile
*Abtransport großer Wärmemengen auf kleinstem Raum
*nahezu lautlos

Nachteile
*höherer Aufwand und Kosten
*Gefahr durch auslaufendes Kühlmittel

Im Bereich der Leistungselektronik wird Flüssigkühlung eingesetzt, im Hobbybereich nahezu nicht.

== Bauteilmontage auf dem Kühlkörper ==

Die Montage der klassischen Halbleitergehäuse nach TO220 und ähnlichen gestaltet sich augenscheinlich simpel: Die Kühlfahne hat ein Loch. Da ist es doch sehr verlockend, das Bauteil mit einer Schraube durch ebendieses Loch auf dem Kühlkörper zu befestigen...

Bei fachgerechter Ausführung spricht auch wenig gegen diese Montageweise. Dazu gehört dann auch das richtige Anzugsmoment für die Schraube. Zu lose angezogen und zwischen Bauteilgehäuse und wärmeabführender Oberfläche entsteht ein Luftspalt. Ein Wärmeleitpad oder Wärmeleitpaste schaffen zwar Abhilfe, aber die Wärmeleitfähigkeit dieser Stoffe liegt um Größenordnungen unter der von Aluminium (Kühlkörper) und Kupfer (Kühlfahne). Ein vorhandenes Wärmeleitpad wird mitunter auch nicht weit genug zusammengedrückt, sodass auch noch Optimierung möglich wäre. Nämlich durch festeres Anziehen der Schraube.
Zu fest angezogen und die Kühlfahne wölbt sich minimal. Dabei hebt der Bauteilkörper von der Oberfläche des Kühlkörpers ab und es entsteht wieder ein Spalt. Ungünstigerweise liegt aber genau dort der Usprung des Wärmeflusses (Silizium-Chip). Bei Conrad gibt es [http://www.conrad.de/ce/de/overview/0205045/Transistor-Halteklammern-Haltefedern Klammern] zur Befestigung von Transistoren von [http://www.fischerelektronik.de/web_fischer/de_DE/K%C3%BChlk%C3%B6rper/A06/Transistorhaltefedern/$search_result_naviActualPage/1/$search_result_naviLinesPerPage/100/search.xhtml;jsessionid=2C868850DA0202334B26912FF6948496#search_result_naviPoint Fischer].

[[Datei: kuehlkoerper-montage.jpeg | thumb | 300px | Montagebeispiel]] Weitaus einfacher zu handhaben ist folgende Montageweise: Die Bauteile werden, ungeachtet der Montagebohrung, lose auf den Kühlkörper gelegt. Falls notwending natürlich mit Isolierstoff dazwischen und in jedem Fall hauchdünn mit einem Wärmeleitmittel bestrichen. Über die Bauteile wird dann ein Aluminiumprofil gelegt und erst dieses wird, weiterhin mit einer Schraube pro Bauteil, auf den Kühlkörper gespannt. Abgesehen davon, dass so auch SMD-Bauteile (IPAK!) auf einem Kühlkörper Platz finden, entsteht Druck genau über dem Hot Spot.

{{clear}}

== Weitere Hinweise ==

*Große Hochlastwiderstände mit Keramikgehäuse werden im Normalbetrieb recht heiß (200-350°C). Diese Temperaturen sollten nicht auf die Platine kommen, denn das macht das Material nicht lange mit. Hier muss genau das Gegenteil von dem gemacht werden, was weiter oben für Bauteile ohne Kühlkörper empfohlen wurde. Die Anschlüsse müssen möglichst lang sein, damit wenig Wärme über sie abgegeben werden kann. Die Kühlung erfolgt nahezu nur über den Keramikkörper durch Wärmestrahlung und Konvektion.
* Ein TO220 Gehäuse kann ca. 1W ohne Kühlkörper abgeben.
* Bei der Dimensionierung des Kühlkörpers sollte man sich nicht an der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur orientieren, sondern möglichst um 10..50K kühler bleiben. Das verbessert die Funktionssicherheit und vor allem die Lebensdauer erheblich!
* Merksatz über den dicken Daumen: Pro 10 Grad Temperaturerhöhung halbiert sich die Lebenserwartung eines Bauteils. (Arrheniusgesetz, RGT-Regel, 10-Grad-Gesetz)
* Temperaturzyklen verkürzen die Lebensdauer von Schaltungen erheblich
* Meist sind mehrere kleine Kühlkkörper deutlich kleiner und billiger als ein Großer.

== Links ==

* [[Leistungselektronik]]
*[http://www.mikrocontroller.net/topic/84303 Forumsbeitrag]: Beispielrechnung
*[http://www.mikrocontroller.net/topic/308826?goto=3325027#3325027 Forumsbeitrag]: Wärmewiderstand und Sperrschichttemperatur messen
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/351187#3905083 Forumsbeitrag]: Dicker MOSFET, dünnes Anschlusspin?
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/205307#4091697 Forumsbeitrag]: Wärmewiderstand einfacher Bleche
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/442825?goto=5273529#5273423 Forumsbeitrag]: Indirekte Temperaturmessung an einer Power-LED mittels Flußspannung
* [[Datei:an2012-20.pdf | AN 2012-10]] von Infineon, "Electrical safety and isolation in high voltage discrete component applications and design hints."

== Weblinks ==

* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heat sinks]. Eine ausführliche Seite zum Thema Kühlkörper, englisch
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design], englisch
* [http://wiki.oliverbetz.de/owiki.php/FormelSammlung Universelle Formelsammlung], mit kurzen Erklärungen
* [http://norel.de/index.php?seite=thermo&unter=1 technische Informationen] zur Berechnung bei der Entwärmung elektronischer Systeme, inhaltlich gut
* [http://tangentsoft.net/elec/diy-hs.html DIY Heat Sinks]
* [http://www.fischerelektronik.de/ Kühlkörper] bei Fischer Elektronik
* [http://www.leiton.de/leiterplatten_teaser_alu.html Leiterplatten mit Alukern] bei Leiton
*[http://www.shop.display3000.com/mikrocontrollerloesungen/uc-mit-21-tft/d074-mikrocontroller-atmega-tft-farbdisplay-212.html Berechnung in der Praxis]: Unter Downloads das Handbuch laden, dann Seite 14
* [http://www.zabex.de/site/kurios.html#wafeila Ungewöhnliche Hochlastwiderstände im Eigenbau]

[[Kategorie:Bauteile]]
[[Kategorie:Leistungselektronik]]
[[Category:Grundlagen]]

Kühlkörper

2021-04-15T08:03:58Z

172.26.33.176: Korrektur an bearbeitetem Exponent im Abschnitt "Bauteil mit Kühlkörper"

Dieser Artikel versteht sich als Unterpunkt zum Artikel [[Leistungselektronik]].

Ein Kühlkörper (engl. ''heat sink'') vergrößert oder verändert die, zur Wärmeabgabe vorhanden, Oberflächen elektronischer Bauteile. Er wird immer dann benötigt, wenn die Verlustleistung so hoch ist, dass die, sich aufgrund der herrschenden Randbedingungen wie Wärmeleitfähigkeit, Luftkonvektion und Umgebungstemperatur, einstellende Bauteiltemperatur den maximal zulässigen Wert übersteigen würde. Ein Kühlkörper kann dazu die Oberfläche des Bauelementes vergrößern, die Kühlung durch freie Konvektion verbessern oder eine aktive Kühlung durch Belüftung oder Flüssigkeitskühlung möglich machen. Durch die Verwendung eines Kühlkörpers sinkt der Wärmewiderstand, was der Temperaturerhöhung pro Leistungseintrag des Bauteils entspricht.

[[bild: Rippenkuehlkoerper.png | thumb | 300px| Rippenkühlkörper, Schnittdarstellung]]

Das grundlegende Prinzip sieht man an jedem Rippenkühlkörper. An der Stelle, an der das zu Kühlende Objekt kontaktieren soll ("auf Skizze rot markiert"), befindet sich eine größere Menge Material, um die punktuell eingeprägte Wärme möglichst verlustarm auf die Fläche des Kühlkörpers zu verteilen. In Computer-Kühlkörpern ist dort oft Kupfer eingepresst ("oft als heat-spreader, Wärmespreizer bezeichnet"), da dessen thermischer Widerstand nochmals günstiger ausfällt als der von Aluminium. Danach folgen viele, nach außen dünner verlaufende Rippen. Nahe der Wärmequelle befindet sich dickeres Material, um einen möglichst hohen Wärmestrom zu ermöglichen ("vgl. höherer Kabelquerschnitt bei Strom"). Ein idealer Kühlkörper besitzt eine unendlich große Oberfläche, bei unendlich kleiner Masse. Grundsätzlich wird bei der Herstellung versucht eine möglichst gute Wärmeabgabe an die Umgebung zu ermöglichen. Viele Kühlkörper werden aus preiswerten [http://de.wikipedia.org/wiki/Strangpressen Strangpressprofilen] hergestellt.

== Wärmewiderstand ==

Die wichtigste Kennzahl eines Kühlkörpers ist der Wärmewiderstand. Er gibt an, um wie viel Kelvin sich die Temperatur zwischen Wärmequelle und Umgebung unterscheidet, wenn eine bestimmte Wärmeleistung abgeführt werden muss. Die Einheit ist '''K/W, Kelvin pro Watt'''. ("Hinweis: Oft wird fälschlicherweise die Einheit °C/W angegeben, doch Temperaturdifferenzen werden in Kelvin angegeben"). Je niedriger der Wärmewiderstand, desto besser der Kühlkörper. Er kann somit die gleiche Wärmeleistung mit einem kleineren Temperaturunterschied abführen. Dadurch bleibt das Bauteil kühler, was der Lebensdauer und Funktionssicherheit zu Gute kommt.

Allgemein gilt die Formel

<math>\Delta T = P_{\theta} \cdot R_{\theta}</math>

*<math>\Delta T</math> - Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Umgebung in K
*<math>P_{\theta}</math> - Wärmeleistung in W
*<math>R_{\theta}</math> - Wärmewiderstand in K/W

Der griechische Buchstabe Theta wird als Symbol für Wärmekenngrößen verwendet, denn es geht bei diesen Rechnungen um Wärmewiderstände und Wärmeleistungen, keine elektrischen Widerstände und elektrische Leistungen.

== Berechnung des Wärmewiderstands ==

Für einen Kühlkörper ist der Wärmewiderstand im Datenblatt angegeben. Diesen rein aus dem Aufbau zu berechnen ist sehr schwierig, auch das Messen ist nicht so einfach. Was man jedoch berechnen kann und muss ist der Wärmewiderstand eines Gesamtaufbaus, d.h. Bauteil + Kühlkörper. Dazu muss man im Wesentlichen zwei Fälle unterscheiden.

=== Bauteil ohne Kühlkörper ===

Ohne Kühlkörper kann ein Bauteil seine Wärme über zwei Wege abgeben. Über das Gehäuse direkt an die Luft (Abstrahlung und Konvektion) oder über die Anschlüsse auf die Platine (Wärmeleitung). Dies alles findet parallel statt, aber je nach Gehäusetyp und Platinengestaltung ist die Verteilung auf die Kühlwege verschieden. Transistoren im Metallgehäuse (z. B. TO-3) oder mit Metallfahne (z. B. TO-220) können recht viel Wärme über das Gehäuse abgeben (Konvektion). Effektive Abstrahlung braucht immer recht hohe Temperaturdifferenzen von 100K und mehr, wie sie meist nur von Leistungswiderständen und Elektronenröhren erreicht werden. Leistungsdioden im Plastikgehäuse hingegen können den Großteil der Wärme nur über die Anschlüsse abgeben. Deshalb sollten diese möglichst kurz sein, und auf der Platine an dicke Leiterbahnen oder gar Kupferflächen angeschlossen werden. Ähnliches gilt für leistungsverstärkte DIL- oder SOIC-[[IC-Gehäuseformen | Gehäuse]], welche oft für [[H-Brücken_Übersicht | Leistungstreiber]] oder [[FET | MOSFETs]] verwendet werden. In diesen Fällen sollten die Pins direkt an Kupferflächen '''ohne''' Wärmefallen ([https://de.wikipedia.org/wiki/Thermal_Pad Thermal Pad]) angeschlossen werden, auch wenn dadurch das [[Löten]] erschwert wird.

Für die meisten Bauteile ist im Datenblatt der Wärmewiderstand zwischen dem eigentlichen Chip und der Umgebung angegeben.

*<math>R_{\theta JA}</math> - Wärmewiderstand (griechisches Zeichen [https://de.wikipedia.org/wiki/Theta Groß-Theta]) zwischen Sperrschicht und Umgebung ohne zusätzlichen Kühlkörper in K/W

Damit kann man direkt in die oben genannte Formel gehen und die Temperaturdifferenz ausrechnen. Die Temperatur der Sperrschicht errechnet sich einfach aus der maximalen Umgebungstemperatur (meist Luft) und dem errechneten Temperaturunterschied.

<math>T_J = T_A + \Delta T </math>

*<math>T_J</math> - Temperatur der Sperrschicht in °C (engl. "'''j'''unction")
*<math>T_A</math> - Temperatur der Umgebung in °C (engl. "'''a'''mbient")
*<math>\Delta T</math> - Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Umgebung in K

=== Bauteil mit Kühlkörper ===

Will man mit einem IC größere Verlustleistungen umsetzen (Linearer Spannungsregler, [[Transistor]], etc.] muss meist ein Kühlkörper her. Die jeweiligen Gehäuse besitzen dazu meist eine Kühlfahne, an die man den Kühlkörper anschrauben kann. Bei anderen gibt es Klemmen, die den Kühlkörper fest klemmen. Hier gibt es einiges zu beachten. Der Kühlkörper darf nicht zu schwach angeschraubt werden, sonst ist der Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper zu groß. Er darf aber auch nicht zu stark angeschraubt/angepresst werden, um das Gehäuse nicht zu deformieren. Wichtig ist der Übergang zwischen IC und Kühlkörper. Hier muss bei größeren Leistungen ("\thickapprox >5W") Wärmeleitpaste verwendet werden. Ihre Aufgabe ist es, die Luft zwischen den Oberflächen zu verdrängen, welche sich in den mikroskopischen Unebenheiten befindet und den Wärmewiderstand '''deutlich''' erhöht. Dabei sollte die Schicht möglichst dünn sein, denn die Wärmeleitpaste ist im Vergleich zu Aluminium oder Kupfer ein schlechter Wärmeleiter (trotzdem deutlich besser als Luft). Ein oft verwendetes TO-220 Gehäuse hat eine Kühlfläche von ca. 1 cm2. Wird ein Kühlkörper ohne Wärmeleitpaste aufgeschraubt, und angenommen es entsteht dabei ein '''Luftspalt von nur 10µm Breite''', hat dieser einen Wärmewiderstand von '''ca. 4K/W'''! Mit Wärmeleitpaste sinkt dieser Wert auf rein rechnerisch 1/150, also etwa 0,026 K/W. In der Praxis ohne Ideale Bedingungen würde dieser Wert schätzungsweise eher in ein Bereich von 0,75K/W \pm0,25K/W fallen.

{| class="wikitable" style="text-align:center; width:22em"
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! style="width:10em" | Material
! Wärmeleitfähigkeit [W/(m*K)]
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| Luft || 0,026
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| Wärmeleitpaste || 4 - 10
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| Aluminium || 221*
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| ALMg3 || 140 - 160
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| ALMg4,5Mn || 120 - 140
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| ALMgSi1 || 170 - 220
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| ALCuMg1 || 160 - 200
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| ALCu6,5Mn0,3 || 95 - 130
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| Kupfer || 370*
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| Messing MS60 || 90 - 113
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| Cu Be 2 || 92 - 125
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| Cu Co 2 Be || 192 - 239
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| Cu Cr 1 Zr || 167 - 320
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| Cu Ni 2 Si || 67 - 120
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| Stahl 0,2%C || 50
|-
| Stahl 8%Cr || 21
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| Zinn || 65
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| Blei || 35
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|}

*Werte DIN V 4108-4, Achtung: bei den verfügbaren Legierungen sind weit geringere Wärmeleitfähigkeiten zu erwarten!

Für die Berechnung des gesamten Wärmewiderstandes müssen hier drei Widerstände in Reihe betrachtet werden. Der Erste ist im Datenblatt zwischen Chip und Gehäuse angeben (engl. junction to case). Danach kommt der Übergang Gehäuse-Kühlkörper. Dieser ist von der Oberflächengüte und der Wärmeleitpaste abhängig und ist bei einigen Leistungsbauteilen im Datenblatt angegeben, manchmal kann er nur abgeschätzt werden. Ein TO220 Gehäuse mit dünner Schicht Wärmeleitpaste hat hier ca. 0,5-1K/W. Zum Schluss muss noch der Wärmewiderstand des Kühlkörpers addiert werden, dieser ist im Datenblatt angegeben. Vorsicht, bei größeren Kühlkörpern mit großen Rippen ist die Einbaulage wichtig, damit der Luftstrom frei strömen und gut kühlen kann (freie Konvektion, warme Luft strömt nach oben und kalte strömt unten nach). Die drei Wärmewiderstände werden addiert und über die oben angegebene Formel der Gesamtwärmewiderstand und damit die Temperaturerhöhung der Sperrschicht berechnet.
Dabei muss man aufpassen, dass man nicht aus Versehen den Wärmewiderstand ohne Kühlkörper (<math>R_{\theta JA}</math>) in die Formel einsetzt!

<math>R_{\theta} = R_{\theta JC} + R_{\theta CS} + R_{\theta S}</math>

*<math>R_{\theta}</math> - Gesamtwärmewiderstand in K/W
*<math>R_{\theta JC}</math> - Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse (engl. '''j'''unction - '''c'''ase)
*<math>R_{\theta CS}</math> - Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper (engl. '''c'''ase - heat '''s'''ink)
*<math>R_{\theta S}</math> - Wärmewiderstand des Kühlkörpers (engl. heat '''s'''ink)

Wird eine Schaltung in einem Gehäuse eingesetzt, muss man dafür sorgen dass die warme Luft abgeführt wird, vor allem in Kunststoffgehäusen. Ansonsten gibt es einen Wärmestau und die Temperatur steigt deutlich!

==== Beispiel ====

Gesucht:

*<math>R_{\theta S}</math> - max. Wärmewiderstand des Kühlkörpers

Gegeben:

*<math>P_{\theta}</math> : 10 W
*<math>R_{\theta JC}</math> : 3 K/W
*<math>R_{\theta CS}</math> : 0,5 K/W
*<math>T_J</math> : 130 °C
*<math>T_A</math> : 40 °C

Rechnung:

Um die Berechnung durchführen zu können, müssen wir zuerst die maximal zulässige Temperaturdifferenz zwischen Sperrschicht und Umgebung festlegen. Je größer man diesen Wert wählt, umso kleiner kann der Kühlkörper sein, aber umso heißer wird auch das Bauteil im Inneren betrieben.
Eine Angabe dazu findet man manchmal im Datenblatt (Operating junction temperature). Achtung, manchmal wird nur die zulässige Umgebungstemperatur genannt (Operationg temperature)! Wenn nicht, kann man sich an folgenden Angaben orientieren
* Leistungsbauteile wie [[Transistor]]en, [[TRIAC]]s etc. sind meist bis 150°C Sperrschichttemperatur ausgelegt, teilweise auch bis 200°C
* Leistungs-LEDs verkraften dauerhaft nur um die 80°C
* Man sollte die maximalen Betriebstemperaturen nicht ausreizen, wenn man eine hohe Lebensdauer und Funktionssicherheit anstrebt und 10-30K unter den Maximalwerten bleiben

<math>\Delta T = T_J - T_A = 130 ^\circ C - 40 ^\circ C = 90 K</math>

<math>R_{\theta} = \frac { \Delta T}{P_{\theta}} = \frac {90K}{10W} = 9 K/W </math>

<math>R_{\theta S} = R_{\theta} - R_{\theta JC} - R_{\theta CS} = 9 K/W - 3 K/W - 0,5K/W = 5,5 K/W</math>

Ergebnis:

<math>R_{\theta S} \leqq 5,5 K/W</math>

Der Kühlkörper darf einen maximalen Wärmewiderstand von 5,5 K/W haben, wenn die oben genannten Bedingungen eingehalten werden sollen. Ein Kühlkörper mit einem kleineren Wärmewiderstand hält das Bauteil kühler.

=== Zwangskühlung ===

Natürlich muss der Kühlkörper die Wärme auch abführen können. Was aber, wenn der für den Wärmeabtransport benötigte Kühlkörper mechanisch nicht ins Gehäuse paßt oder die entstehende Eigenkonvektion zu gering ist?

Hier kommen die Lüfter zum Einsatz, das Ganze nennt sich dann Zwangskühlung. Der Effekt beruht darauf, dass wesentlich mehr Luft am Kühlkörper vorbeiströmen kann und damit (bei gleicher Temperaturerhöhung des Luftvolumenelementes) insgesamt mehr Wärme abgegeben werden kann.

Durch den Einsatz eines Lüfters lässt sich der effektive Wärmewiderstand eines Kühlkörpers etwa um mehrere Faktoren verbessern, bzw. der Kühlkörper kann in der Größe entsprechend reduziert werden. Dabei sind je nach Einbausituation des Kühlers und des Lüfters Faktoren zwischen 3-10 möglich. Ein typischer Wert, der sich bei durchschnittlich dimensionierten Kühlkörpern ergibt, ist ein Faktor 4-5. Die Temperaturüberhöhung schrumpft dabei z.B. von 80 Grad auf 20 Grad zusammen. Dies sind jedoch nur Richtwerte für den ersten Entwurf, eine Prüfung durch Messung ist unbedingt erforderlich.

Beim Einsatz eines Lüfters ist auch daran zu denken, daß sowohl die Ansaugöffnung als auch der Kühlkörper verschmutzen und regelmäßig gereinigt werden müssen. Weiterhin erzeugt ein Lüfter natürlich auch Lärm. Je kleiner der Lüfter und je größer die benötigte Luftlieferleistung, umso lauter wird der Lüfter. Umgekehrt kann man aber mit einem großen, eher langsam laufenden Lüfter den Geräuschpegel stark absenken. Letztendlich kann ein Lüfter auch kaputt gehen, womit die Kühlung deutlich verschlechtert wird und das Bauteil überhitzt. Hier empfiehlt sich bei wertvolleren Objekten eine Lüfterüberwachung, wie sie seit längerem bei PCs eingesetzt wird oder das Verbauen mehrerer Lüfter, sodass der Ausfall eines einzigen nicht sofort zu einem Geräteausfall führt.

==== Physikalischer Hintergrund der Zwangskühlung mit Luft ====

Luft hat eine Wärmekapazität von ungefähr 1kJ/kg/K was bedeutet, daß für die Erwärmung von 1kg Luft um 1K eine Energiemenge von 1kJ = 1000Ws erforderlich ist. D.h. für den kontinuierlichen Abtransport von 100W Wärme werden mindestens 100g Luft pro Sekunde benötigt, wenn man diese nur um 1K erwärmen will.
Um also 100W von einem Kühlkörper abzuführen, der sich hier im Beispiel um 8K erwärmen darf, sind 100W / 8K = 12,5g Luft pro Sekunde erforderlich. Ein Gramm Luft hat ein Volumen von etwa 0,77l, d.h. bei 12,5 g muss der Lüfter 9,6 l/s bzw. 34,5 m³/h liefern, die dann auch durch den gesamten Kühlkörper geblasen werden müssen.

Diese Werte sind jedoch nur theoretisch von Interesse, da die Praxis gezeigt hat, dass die effektive Kühlwirkung sehr stark von den sich einstellenden Mikroturbulenzen am Bauteil abhängt. Diese sind für den Wärmegradienten zwischen Kühleroberfläche und Umgebungsluft verantwortlich. Durch eine stark laminare = gleichförmig strömende Luft wird ein Bauteil eher schlecht gekühlt. Bestimmte Bauformen von Bauelementen und Kühlern begünstigen die Turbulenzbildung, behindern damit zwar den Luftstrom, da der Widerstand steigt, kühlen aber letztlich besser. So ist es zu erklären, dass manche Bauteile ohne Kühlung auskommen, da sie die Eigenkonvektion fördern und günstig im Luftstrom sitzen und von einem Kühler weniger profitieren, als andere Problembauteile.

Generell kann man sagen, dass flache, breite Bauteile zunehmend schlechter selbstkühlend sind, je größer sie werden und damit eher einen KK brauchen. FPGAs und Grafikchips sind solche Kandidaten. Hier empfehlen sich teilweise eigene Chipkühler. Auch RAM-Riegel mit sehr flachen Chips können so sehr effektiv kühl gehalten werden.

== Die Platine als Kühlkörper ==

Bei kleineren Leistungen (< 5W) kann man auch die Platine als Kühlkörper benutzten. Dabei muss jedoch die Wärme vom Bauteil möglichst schnell auf eine größere Fläche verteilt werden. Dazu nutzt man große Kupferflächen direkt am Bauteil. Diese werden teilweise beidseitig angebracht. Die Wärme muss man dann jedoch mit vielen Vias von der einen Seite, auf der das Bauteil sitzt, auf die andere geleitet werden. Diese Vias heißen thermische Vias, da sie nicht als elektrische Verbindung sondern als Wärmeleiter dienen. Das funktioniert deshalb so gut, weil die Vias innen mit Kupfer beschichtet sind, welches die Wärme wesentlich besser leitet als das Material der Leiterplatte (FR2, FR4).
Verfügt ein SMD-Bauteil über eine sogenannte "heat slug" oder thermal pad auf der Unterseite, muss dieses zur Wärmeableitung unbedingt angelötet werden. Dies ist mit einem normalen Lötkolben möglich, wenn die Platine an dieser Stelle mehrere Durchkontaktierungen mit einem Durchmesser von ca. 1,5mm aufweist. Durch diese Durchkontaktierungen kann genug Lötzinn auf die andere Seite fließen um diese Fläche mit der Platine zu verlöten.

Mit modernen Technologien ist es auch möglich, deutlich größere Wärmeleistungen von der Platine abzuführen. Dazu werden z. B. Platinen mit Aluminium- oder Kupferkern oder auf einen Metallträger laminierte PCBs benutzt (IMS = '''I'''nsulated '''M'''etal '''S'''ubstrat). Diese kommen z. B. bei Hochleistungs-[[LED]]s zum Einsatz. Für Hobbyzwecke sind sie aber noch wesentlich zu teuer, vor allem bei Einzelstücken.

== Peltierelement ==

Ein [http://de.wikipedia.org/wiki/Peltier-Element Peltierelement] arbeitet nach dem [http://de.wikipedia.org/wiki/Thermoelektrizit%C3%A4t#Peltier-Effekt Peltier-Effekt]. Dabei wird in einem Halbleiter durch Stromfluss eine Seite des Elements kalt, die andere heiß. Damit kann man ein kleines Objekt beliebig kühlen oder heizen. Allerdings sind Peltierelemente nur in eher kleinen Abmessungen und Leistung verfügbar (bis einige Dutzend Watt) und deren Effizienz ist auch nicht sonderlich hoch. Die allgemeine Auffassung, die könnten Wärme einfach verschwinden lassen ist falsch. Denn die heiße Seite muss klassisch gekühlt werden, je nach Temperaturunterschied mit mehr als der doppelten Kühlleistung als auf der kalten Seite an Wärme abgeführt wird.

== Heat pipe ==

Eine [http://de.wikipedia.org/wiki/Heatpipe Heat pipe],auf deutsch Wärmerohr genannt, ist ein Rohr, welches mit einer leicht verdampfenden Flüssigkeit gefüllt ist. Wird ein Ende erhitzt, verdampft die Flüssigkeit und nimmt dabei sehr viel Wärme auf. Der Dampf steigt im Rohr ans andere Ende, kondensiert dort und gibt dabei seine Wärme wieder ab.

Heat pipes werden auch als Wärmesuperleiter bezeichnet, weil sie Wärme 100-10.000 mal besser leiten als ein massiver Kupferstab mit gleichen Abmessungen.

Auch hier muss gesagt werden, dass eine Heat pipe allein '''kein''' Kühlsystem ist, denn die Seite, auf der das Wärmetransportmedium wieder kondensiert, muss auch wieder klassisch gekühlt werden. Der grosse Vorteil ist die Abführung großer Wärmemengen auf engstem Raum, wie z. B. bei CPUs in Laptops.

== Flüssigkühlung ==

Im PC-Bereich ist es unter einigen Enthusiasten verbreitet, den Rechner entweder zu übertakten, um eine höhere Leistung zu erzielen oder super leise zu machen, um angenehmer arbeiten oder spielen zu können. In beiden Fällen muss eine große Wärmemenge abgeführt werden. Dabei wird die sehr hohe Wärmekapazität von Wasser genutzt, um auf kleinem Raum die Wärme von CPU, GPU, Festplatten etc. abzuführen. Aber auch hier ist zu beachten, dass am Ende einer Flüssigkühlung praktisch immer ein klassischer Wärmetauscher steht, welcher die Wärme an die Umgebungsluft abgibt. Dieser kann sich aber deutlich weiter entfernt vom zu kühlenden Objekt befinden als ein einfacher, direkt montierter Kühlkörper.

Bei der Verwendung von Wasser statt Luft als Kühlmedium reduziert sich die Durchflußmasse in etwa um den Faktor 4,2, da die Wärmekapazität von Wasser bei ca. 4,182 kJ/kg/K liegt. Da Wasser aber auch eine deutlich höhere Dichte als Luft besitzt (Wasser = 1g/cm³; Luft = 1,3mg/cm³) kommt noch der Faktor von ~770 dazu, woraus sich ein Gesamtfaktor für das Durchflußvolumen von ~3230 ergibt.

D.h. die Durchflußmenge in unserem oben genannten Beispiel (100W) sinkt auf ca. 2,9 ml/s bzw. 10,7 l/h.

Vorteile
*Abtransport großer Wärmemengen auf kleinstem Raum
*nahezu lautlos

Nachteile
*höherer Aufwand und Kosten
*Gefahr durch auslaufendes Kühlmittel

Im Bereich der Leistungselektronik wird Flüssigkühlung eingesetzt, im Hobbybereich nahezu nicht.

== Bauteilmontage auf dem Kühlkörper ==

Die Montage der klassischen Halbleitergehäuse nach TO220 und ähnlichen gestaltet sich augenscheinlich simpel: Die Kühlfahne hat ein Loch. Da ist es doch sehr verlockend, das Bauteil mit einer Schraube durch ebendieses Loch auf dem Kühlkörper zu befestigen...

Bei fachgerechter Ausführung spricht auch wenig gegen diese Montageweise. Dazu gehört dann auch das richtige Anzugsmoment für die Schraube. Zu lose angezogen und zwischen Bauteilgehäuse und wärmeabführender Oberfläche entsteht ein Luftspalt. Ein Wärmeleitpad oder Wärmeleitpaste schaffen zwar Abhilfe, aber die Wärmeleitfähigkeit dieser Stoffe liegt um Größenordnungen unter der von Aluminium (Kühlkörper) und Kupfer (Kühlfahne). Ein vorhandenes Wärmeleitpad wird mitunter auch nicht weit genug zusammengedrückt, sodass auch noch Optimierung möglich wäre. Nämlich durch festeres Anziehen der Schraube.
Zu fest angezogen und die Kühlfahne wölbt sich minimal. Dabei hebt der Bauteilkörper von der Oberfläche des Kühlkörpers ab und es entsteht wieder ein Spalt. Ungünstigerweise liegt aber genau dort der Usprung des Wärmeflusses (Silizium-Chip). Bei Conrad gibt es [http://www.conrad.de/ce/de/overview/0205045/Transistor-Halteklammern-Haltefedern Klammern] zur Befestigung von Transistoren von [http://www.fischerelektronik.de/web_fischer/de_DE/K%C3%BChlk%C3%B6rper/A06/Transistorhaltefedern/$search_result_naviActualPage/1/$search_result_naviLinesPerPage/100/search.xhtml;jsessionid=2C868850DA0202334B26912FF6948496#search_result_naviPoint Fischer].

[[Datei: kuehlkoerper-montage.jpeg | thumb | 300px | Montagebeispiel]] Weitaus einfacher zu handhaben ist folgende Montageweise: Die Bauteile werden, ungeachtet der Montagebohrung, lose auf den Kühlkörper gelegt. Falls notwending natürlich mit Isolierstoff dazwischen und in jedem Fall hauchdünn mit einem Wärmeleitmittel bestrichen. Über die Bauteile wird dann ein Aluminiumprofil gelegt und erst dieses wird, weiterhin mit einer Schraube pro Bauteil, auf den Kühlkörper gespannt. Abgesehen davon, dass so auch SMD-Bauteile (IPAK!) auf einem Kühlkörper Platz finden, entsteht Druck genau über dem Hot Spot.

{{clear}}

== Weitere Hinweise ==

*Große Hochlastwiderstände mit Keramikgehäuse werden im Normalbetrieb recht heiß (200-350°C). Diese Temperaturen sollten nicht auf die Platine kommen, denn das macht das Material nicht lange mit. Hier muss genau das Gegenteil von dem gemacht werden, was weiter oben für Bauteile ohne Kühlkörper empfohlen wurde. Die Anschlüsse müssen möglichst lang sein, damit wenig Wärme über sie abgegeben werden kann. Die Kühlung erfolgt nahezu nur über den Keramikkörper durch Wärmestrahlung und Konvektion.
* Ein TO220 Gehäuse kann ca. 1W ohne Kühlkörper abgeben.
* Bei der Dimensionierung des Kühlkörpers sollte man sich nicht an der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur orientieren, sondern möglichst um 10..50K kühler bleiben. Das verbessert die Funktionssicherheit und vor allem die Lebensdauer erheblich!
* Merksatz über den dicken Daumen: Pro 10 Grad Temperaturerhöhung halbiert sich die Lebenserwartung eines Bauteils. (Arrheniusgesetz, RGT-Regel, 10-Grad-Gesetz)
* Temperaturzyklen verkürzen die Lebensdauer von Schaltungen erheblich
* Meist sind mehrere kleine Kühlkkörper deutlich kleiner und billiger als ein Großer.

== Links ==

* [[Leistungselektronik]]
*[http://www.mikrocontroller.net/topic/84303 Forumsbeitrag]: Beispielrechnung
*[http://www.mikrocontroller.net/topic/308826?goto=3325027#3325027 Forumsbeitrag]: Wärmewiderstand und Sperrschichttemperatur messen
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/351187#3905083 Forumsbeitrag]: Dicker MOSFET, dünnes Anschlusspin?
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/205307#4091697 Forumsbeitrag]: Wärmewiderstand einfacher Bleche
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/442825?goto=5273529#5273423 Forumsbeitrag]: Indirekte Temperaturmessung an einer Power-LED mittels Flußspannung
* [[Datei:an2012-20.pdf | AN 2012-10]] von Infineon, "Electrical safety and isolation in high voltage discrete component applications and design hints."

== Weblinks ==

* [http://sound.westhost.com/heatsinks.htm The Design of Heat sinks]. Eine ausführliche Seite zum Thema Kühlkörper, englisch
* [http://ludens.cl/Electron/Thermal.html Thermal Design], englisch
* [http://wiki.oliverbetz.de/owiki.php/FormelSammlung Universelle Formelsammlung], mit kurzen Erklärungen
* [http://norel.de/index.php?seite=thermo&unter=1 technische Informationen] zur Berechnung bei der Entwärmung elektronischer Systeme, inhaltlich gut
* [http://tangentsoft.net/elec/diy-hs.html DIY Heat Sinks]
* [http://www.fischerelektronik.de/ Kühlkörper] bei Fischer Elektronik
* [http://www.leiton.de/leiterplatten_teaser_alu.html Leiterplatten mit Alukern] bei Leiton
*[http://www.shop.display3000.com/mikrocontrollerloesungen/uc-mit-21-tft/d074-mikrocontroller-atmega-tft-farbdisplay-212.html Berechnung in der Praxis]: Unter Downloads das Handbuch laden, dann Seite 14
* [http://www.zabex.de/site/kurios.html#wafeila Ungewöhnliche Hochlastwiderstände im Eigenbau]

[[Kategorie:Bauteile]]
[[Kategorie:Leistungselektronik]]
[[Category:Grundlagen]]

Oszilloskop

2021-04-14T20:36:59Z

172.26.33.176: /* Was wird gemessen? */

Ein '''Oszilloskop''' dient zur grafischen Darstellung des Spannungsverlaufs eines oder mehrerer elektrischer Signale in einem einstellbaren Zeitfenster. Es ist das wichtigste Werkzeug der Elektrotechniker.

== Anfragen bezüglich Kaufberatung im Forum ==

=== Kritik an den Anfragen ===
Im Forum finden sich regelmäßig Anfragen nach individueller Beratung zum Oszilloskopkauf. Die Anzahl solcher Oszilloskop-Threads hat schon lange die 1000 überschritten. Sie sind langweilig, eine Qual und oft unnütz - besonders dann, wenn sich der Fragesteller offenbar nicht mit den Grundlagen eines Oszilloskops und den wichtigsten Kennzahlen bekanntgemacht hat oder nicht einmal weiß, was er überhaupt messen will. Auch, wenn ein Fragesteller ein paar Grundlagen besitzt, hat er anscheinend meistens keine Lust, verständlich darzustellen, was er genau will und lässt sich stattdessen umständlich befragen.

Den meisten regelmäßigen Forumbenutzern ist daher gründlich die Lust an Oszilloskop-Threads vergangen. Dort "diskutieren" eigentlich nur noch Trolle und anonyme Gäste, die oft genug nur Werbung über Billigangebote über die x-te Ausgabe einer billigen, als Oszilloskop bezeichneten Plastikkiste, einem super tollen eBay-Schnäppchen oder angeblicher asiatischer Wundertüten.

==== Links für Anfänger ====
Wer sich ernsthafte Beratung wünscht und eine "sanfte" Einführung in das Thema sucht, kann sich die englischsprachige YouTube-Videos von AfroTechMods anschauen:

[http://afrotechmods.com/tutorials/2011/11/27/oscilloscope-tutorials/ http://afrotechmods.com/tutorials/2011/11/27/oscilloscope-tutorials]

Dazu passt auch sein Tutorial über Funktionsgeneratoren:
[http://afrotechmods.com/tutorials/2011/11/27/function-generator-tutorial/ http://afrotechmods.com/tutorials/2011/11/27/function-generator-tutorial].

Eine gute Einführung bilden auch zwei Videotutorials der Technischen Universität Graz. Im [https://youtu.be/UzpBQq2X9aA ersten Tutorial (https://youtu.be/UzpBQq2X9aA)] werden die grundlegenden Bedienelemente, als auch Themen wie Skalierung, Offset, Kopplung und Trigger behandelt. Im [https://youtu.be/jiRPqGFmNiI zweiten Tutorial (https://youtu.be/jiRPqGFmNiI)] geht es um Tastköpfe, den XY Modus, die Single Shot Funktion, Mathematik- und Messfunktionen, sowie Cursors.

===Maßgeschneidert?===
Besonders die immer wiederkehrende Forderung, dass es unbedingt das maßgeschneiderte Oszilloskop zum Superpreis genau für den Fragesteller geben muss, ist sinnlos. Wer mit diesem Anspruch kommt, der wird enttäuscht werden. Das gibt es nicht, und gute Oszilloskope kosten Geld, da qualitativ hochwertige Geräte keine Massenware sind. Lediglich billige Geräte werden in grosser Zahl hergestellt und sind entsprechend preiswert, diese sind jedoch für anspruchsvolle Anwender meist untauglich, da genau an den wichtigen Dingen gespart und nur auf Optik gesetzt wird.

=== Gebrauchte Oszilloskope ===
Wer wenig Erfahrung mit Elektronikreparaturen hat, sollte sehr vorsichtig sein und den Markt gut beobachten.

Bei Gebrauchtware gibts stets das Risiko, ein defektes oder verbasteltes Gerät von Privat zu erwerben, deshalb sollte sich ein Käufer vorher die Rückgabemöglichkeit schriftlich zusichern lassen. Vom Kauf auf reinen Kleinanzeigenplattformen, wo der Verkäufer keinerlei Identitätsprüfung unterzogen wird, ist immer abzuraten.

Vorsicht ist auch bei gewieften Formulierungen geboten, die einen Totalschaden nur umschreiben, so wie z.B. "Dachbodenfund", "Keine Ahnung davon", "Keine Möglichkeit zu testen" oder "Funktioniert, aber aus rechtlichen Gründen (Garantie) als defekt für Bastler".

Häufig sind angebotene Geräte auch ehemalige "Fernseh"-Oszis, d.h. sie stammen aus der Zeit, als noch Bildröhren-TVs repariert wurden. Ihr Einsatzbereich endet i.d.R. bei mit 10-20 Mhz Bandbreite, mehr war zur TV-Reparatur nicht notwendig. Solche Geräte sind heutzutage kaum brauchbar wenn man einmal mehr als NF und niedere HF untersuchen will.

Es gibt kaum einen Markt für Topgeräte. Gute gebrauchte Geräte gibt es z.B. auf Fachbörsen für Funk und Elektronik, auch geben professionelle Gebrauchthändler Gewährleistung oder Garantie - allerdings oft zu derart überhöhten Preisen, dass ein Neukauf attraktiver ist.

Will man wirklich ein geeignetes Gebrauchtgerät finden, so muß man vorher seine Anforderungen formulieren:

* Welche Signale werde ich untersuchen? Die höchste denkbare Frequenz *3 bestimmt die Bandbreite
* Wieviele Kanäle brauche ich? Selbst ein I2c benötigt zwei Kanäle zur Beobachtung, ein SPI mindestens 3.
* Muß ich Messungen dokumentieren? Nein, dann reicht ein vielleicht ein gebrauchtes HP 54xxx, sehr gute Geräte gehen bis 4 Kanäle, 500MHz Bandbreite und 1Gs/s. Ja, dann sollte eine USB- (Treiber aktuell verfügbar?) oder LAN-Schnittstelle existieren.

Historische Exportmöglichkeiten wie RS232-Schnittstelle oder Floppy-Drive sollte man sich aber nur antun, wenn man wirklich sicher ist, auch in 5 Jahren diese noch verwenden zu können.

Mit den entsprechenden Kenntnissen und Erfahrung konnten aber schon viele Geräte wiederbelebt werden.

=== Erfahrungen? ===
Eine Vorgehensweise, von der man auch abraten muss, ist die Frage nach Erfahrungen anderer Mitglieder! Die meisten Antworten kommen von Trollen und Posern, die eigentlich keine Ahnung haben. Die einen wollen als anonymer Gast mal wieder trollen, die anderen wollen nur mitteilen, dass Funkamateure sowieso die besseren Menschen sind. Andere wiederum haben "zufällig" gerade *das* richtige Oszilloskop zu verkaufen. Dann gibt es noch die, die sich ihr eigenes Oszilloskop schönreden wollen, ihren Vorurteilen oder ihrem Fetisch frönen. Zum Beispiel

* ''Kauf ja kein Gerät aus Asien!''
* ''Unter LeCroy|Agilent|Yokogawa|Tektronix geht gar nichts!''
* ''Nur Gebrauchtgeräte lohnen sich!''

Hinweise wie ''mein vor 30 Jahren gekauftes Markengerät funktioniert noch heute tadellos'' sind ebenfalls ziemlich sinnlos. Der Hersteller wird dieses Gerät gar nicht mehr anbieten und er wird schon gar nicht mehr mit der gleichen Qualität fertigen, wie vor 30 Jahren. Dazu ist der Kostendruck zu hoch und Technologien haben sich geändert. Selten sind die neuen Technologien heute so robust, wie die vor 30 Jahren.

Als Unerfahrener kann man daher aus den Antworten nicht herauslesen, ob sie wirklich auf Erfahrung beruhen. Man braucht also gewissermassen selbst Erfahrung, um die Erfahrungsberichte anderer richtig einzuordnen.

Ein anderer Aspekt aus alten Threads ist, dass viele Fragesteller die Erfahrungen gar nicht zur Kenntnis nehmen wollen, wenn sie der eigenen Wunschvorstellung widersprechen. So etwas nennt man beratungsresistent. Da stellt sich schon mal heraus, dass der Fragesteller schon längst ein Gerät bestellt hat und jetzt gebauchpinselt werden will. Eine Zeitverschwendung für alle.

Erfahrungen mit eigenen Geräten lassen bedingt den Schluss zu, welche
Marken grundsätzlich empfehlenswert sind, weil dort gegebenenfalls mehr auf Qualität geachtet wird.

=== Zusatzkosten beim Kauf im Ausland ===

Siehe Hauptartikel [[Zoll und Abgaben]].

Beim Kauf eines scheinbar preisgünstigen Gerätes im Ausland ist zu beachten, dass hier neben Versandkosten noch [[Zoll und Abgaben]] fällig werden. Ein ''PC-basierten Messinstrument mit Oszilloskopfunktion'' für US$ 719,- aus Taiwan kostet dann letztendlich 875,- €, die sich so zusammensetzen:
* Umrechnung in Euro (und Zollveranschlagung): 650,- €
* Umsatzsteuer: 123,- €
* Zollgebühren: 60,- €
* Versand und Bankgebühren: 44,- €

Der Preis unterscheidet sich am Ende kaum noch vom dem des lokalen Händlers. Aber der gibt auch noch Garantie, so dass ein Defekt nicht zum Totalverlust wird.

===Spielzeuge aller Art===
[[Datei:Karikatur oscilloscope sale.jpg|thumb|left|240px|Preisgünstiges "Spitzenoszilloskop" 5Gs]]
Vor allem auf online-Börsen tauchen in jüngster Zeit immer öfter seltsam günstige Geräte auf: Offensichtlich scheint es gerade Mode zu sein, einen schwachbrüstigen Analog-Digital-Konverter hinter eine eher zufällig gewählte, krumme analoge Eingangsschaltung zu klemmen und an einen Mikrocontroller mit Grafik-LCD anzuschließen, um es als digitales Speicheroszilloskop (DSO) zum Sonderpreis zu verkaufen.

Je nach Hersteller wird so ein Gerät komplett ohne Gehäuse geliefert, was mit Hinblick auf die Funktion und auch die Sicherheit sehr fragwürdig ist, oder es kommt in einem lustig aufgemachten Plastikgehäuse in MP3-Player-Format daher, das auch keine großartige Isolation bietet. Hinzu kommen Eindruck-schindende Namen und Logos, die Modernität und Qualität suggerieren sollen, oft noch unterstrichen durch die Assoziierung mit Open-Source und pseudo-Hacker / Maker Bewegungen.
{{Absatz}}

Im Vergleich zu richtigen Oszilloskopen sind dies leider nur Spielzeuge - Unsichere Spielzeuge! Es nervt auch, diese Dinger immer wieder im Forum des Besten "seit der Erfindung von geschnitten Brot" vorgestellt zu bekommen. Ein Blick auf die technischen Daten dieser "Oszilloskope" (sofern die Daten überhaupt angegeben werden) reicht nämlich, um festzustellen, dass man ein Spielzeug vor sich hat. Schön für den, der spielen will, schlecht für den, der sicher messen will.

Ebenso verrät ein Blick auf die Schaltung des Analogeingangs, ob man Qualität vor sich hat. Fehlende Spannungsfestigkeit und fehlende Frequenzkompensation des Eingangsverstärkers sind sichere Zeichen für Schund. Wenn es eine Verbindung zum PC gibt, aber diese nicht isoliert ist, ist das ein weiteres Zeichen für Scheinqualität.

In [http://welecw2000a.sourceforge.net/docs/Hardware/GW_Instek_GDS-1152A.pdf] kann man das Innenleben eines richtigen DSO bewundern. Man vergleiche dies mit den Innenleben der Spielzeug-"DSO"s.

Ein anderes, sicheres Zeichen eines Spielzeug-"DSOs" ist es, wenn irgendein Ding aus Abgreifklemmen und Klinkenstecker als "Tastkopf" mitgeliefert wird oder die Buchse für den Tastkopf aus einer Klinkenbuchse oder ähnlicher Niederfrequenz-Anschlusstechnik besteht.

Auffällig ist bei diesen Spielzeugen auch, dass sie vehement von typischen Fanboys verteidigt werden. Nicht mit technischem Argumenten, sondern mit Aussagen wie "aber ist billig", "aber ist cool", "aber enthält doch einen Arduino".

Wer ein Oszilloskop haben möchte, mit dem man wirklich messen kann, sollte sich das Geld für ein Spielzeug-"DSO" sparen.

== Funktion von Oszilloskopen ==
=== Was wird gemessen? ===
Oszilloskope zeigen oft einen Spannungsverlauf über einen kurzen, für das menschliche Auge in Realzeit nicht erfassbaren Zeitraum an. Je hochwertiger das Oszilloskop, desto kürzer ist dieser Zeitraum, beziehungsweise desto schneller darf sich das Signal ändern. Spitzengeräte können Perioden von wenigen Nanosekunden im gesamten sichtbaren Bildbereich darstellen, in welchem auch noch in Teilabschnitte hineingezoomt werden kann. Maßgeblich ist dafür ein manuell oder automatisch erzeugter Startzeitpunkt, der sogenannten Trigger.

Mitunter werden aber auch sich sehr langsam ändernde Spannungsverläufe gezielt angezeigt, um Veränderungen von einem Trigger zum nächsten zusammenfassend darstellen zu können. Durch das Überschreiben der Kurven sind auch geringste Änderungen gut erkennbar. Die Darstellung ist der bei Herzmonitoren vergleichbar.

Andere Größen, zum Beispiel Ströme, Drücke und Magnetfelder lassen sich anzeigen, wenn man zusätzlich entsprechende Wandler einsetzt, um aus den Größen zuvor eine Spannung zu erzeugen.,

=== Was wird dargestellt? ===

Den Eingang für eine Spannung bezeichnet man bei einem Oszilloskop als Kanal. Die an den Kanälen anliegenden Spannungen können einzeln oder gemeinsam angezeigt werden. Bei Mehrkanal-Oszilloskopen kann man üblicherweise auch eine Spannung über eine Spannung darstellen (XY-Modus), womit Übertragungskennlinien von Bauteilen dargestellt werden können.

Zusätzlich bieten moderne Oszilloskope die Möglichkeit, sich gewisse Kenngrößen der Spannungsverläufe anzeigen zu lassen. Gängige Werte sind zum Beispiel die Anzeige von Spitzenspannung und Effektivwert einer Spannung, Frequenz/Periodendauer, Anstiegs- und Abfallzeiten, Tastverhältnis und so weiter. Darüber hinaus bieten gute Oszilloskope Positionsmarken (Cursor), mit denen man, durch eine Linie dargestellt, auf dem Bildschirm Positionen im Spannungsverlauf markieren kann. Zur Position zugehörige Werte (Zeit oder Spannung), sowie die Differenz dieser Werte zwischen zwei Positionsmarken können abgelesen werden.

Besonders [[#Digitale_Tischoszilloskope|digitale Oszilloskope]] können relativ viele unterschiedliche Kenngrößen anzeigen, da sich viele dieser Größen mit einfachen Algorithmen aus den vom Oszilloskop im Speicher erfassten Daten berechnen lassen. Ebenso sind einfache mathematische Operationen möglich, etwa eine diskrete Fourier-Transformation oder die Summe oder Differenz der Spannungsverläufe von zwei Kanälen. Oszilloskope der Oberklasse bieten darüber hinaus ausgeklügelte Möglichkeiten der Signalanalyse.

Für spezielle Anwendungen finden sich in manchen Oszilloskopen besondere Messfunktionen. Zum Beispiel go/no-go (heißt meistens pass/fail) Messungen, mit denen eine Spannungsverlauf mit einem vorgegebenen Verlauf verglichen wird. Entspricht der Spannungsverlauf hinreichend dem vorgegebenen Verlauf wird ein "go" (oder pass = alles ist OK) Signal über einen externen Ausgang ausgegeben. Weicht der Verlauf zu stark ab ein "no go" (fail = Spannung stimmt nicht) Signal.

Bereits in der Unterklasse digitaler Oszilloskope ist heutzutage eine PC-Schnittstelle üblich. Beim Kauf sollte man darauf achten, dass das Protokoll der Schnittstelle dokumentiert ist. Sonst ist man auf proprietäre PC-Software des Herstellers angewiesen. Bei Oszilloskopen der Unterklasse wird zwar häufig kostenlos PC-Software mitgeliefert, doch leider sind diese Programme durchgehend von erschreckend schlechter Qualität. Bei Oszilloskopen der Oberklasse lassen sich die Hersteller ihre PC-Software gerne zusätzlich sehr teuer bezahlen.

== Analoge Oszilloskope ==
=== Allgemeines ===
[[Bild:Oszilloskop.png|thumb|right|300px|Hybrides Analog/Digital Oszilloskop]]
Bei analogen Oszilloskopen wird das darzustellende Signal nach der Verstärkung direkt zur Ablenkung eines Elektronenstrahls verwendet.

Brauchbare analoge Oszilloskope findet man oft schon für ca. 50 Euro bei Online-Auktionen und Kleinanzeigenmärkten. Für 200-400 Euro bekommt man dort recht gute Profigeräte<ref>Ein Gerät, welches mit dem Attribut ''Profigerät'' beworben wird, ist normalerweise keins.</ref> mit 60-200 MHz Bandbreite. Brauchbare Neugeräte fangen bei 600 Euro an. Der Oszilloskopmarkt wird von einigen wenigen Marken dominiert. Im höherpreisigen Segment sind es vor allem HP (Agilent) und Tektronix, sowie Yokogawa und Lecroy. Hameg (Rohde & Schwarz) ist vor allem im mittleren Segment (500-1500 Euro) weit verbreitet. Man findet sie oft in Schule und Ausbildung. Preislich darunter finden sich diverse asiatische oder gelegentlich noch osteuropäische Hersteller von Analogoszilloskopen. Häufig treten diese Hersteller nicht unter eigenem Namen auf, sondern bieten ihre Geräte als OEM-Produkte an.

Ganz einfache Geräte verfügen nur über einen Kanal<ref>Es gibt, beziehungsweise gab, nochmals einfachere Geräte, nämlich solche ohne Trigger. Die Zeiten solcher Gerät sind allerdings seit rund 50 Jahren vorbei. Daher sollte man den fehlenden Trigger nur bei historischen Gebrauchtgeräten finden.</ref>. Damit ist es nicht möglich, zwei Signale in zeitliche Beziehung zu setzen. Dies ist jedoch oft wichtig. Deshalb verfügen heutzutage auch einfache Geräte meist über zwei Kanäle.

=== Bandbreite ===

Die '''Bandbreite''' gibt Auskunft, welche Signal-Frequenzen das Oszilloskop noch verarbeiten kann. Bei angegebener Bandbreite fällt die Verstärkung des Oszilloskops um 3dB ab, ein Sinussignal wird dann nur noch mit ca. 70% der wahren Amplitude angezeigt. Um Signalverläufe noch vernünftig interpretieren zu können, kann man grob sagen, dass man Signale bis 1/10 der Bandbreite dargestellt bekommt. Ein Rechtecksignal nahe der Bandbreite würde z. B. nur noch als Sinus dargestellt werden <ref>Häufig wird von Anfängern bei der Bandbreitenbetrachtung vergessen, dass ein Rechtecksignal nicht aus einer einzigen Sinusschwingung der Frequenz f, sondern aus einer theoretisch unendlichen Summe von Signalen der Frequenzen f, 3 * f, 5 * f ... besteht. Für eine vernünftige Darstellung eines Rechtecksignals sollte die Oszilloskopbandbreite so groß sein, dass zumindest die ersten paar Oberwellen nicht zu stark gedämpft werden. Aus dieser Betrachtung ergeben sich Faustformeln, wie die, dass die Bandbreite eines Oszilloskops zehnmal (oder dreimal, oder fünfmal, je nachdem wie genau man messen möchte) größer sein sollte als die Grundfrequenz des Rechtecks.</ref>.

Beim Messen von Digitalsignalen ist man meist an der '''Anstiegszeit''' interessiert. Die Anstiegszeit gibt an, wie lange ein Rechtecksignal von 10-90% benötigt. Die Anstiegszeit des Oszilloskops gibt an, welche Anstiegszeit dargestellt wird, wenn man ein nahezu ideales Rechtecksignal mit annähernd Null Anstiegszeit anlegen würde. Man kann die Anstiegszeit direkt aus der Bandbreite berechnen.

<math>t_{Osc} = \frac{0.35}{B}</math>

* <math>\!\, t_{Osc}</math> : Anstiegszeit des Oszilloskops in Sekunden (s)
* <math>\!\, B</math> : Bandbreite in Hertz (Hz)

Legt man ein reales Rechtecksignal an das Oszilloskop an, dann wird die Anzeige umso mehr verfälscht, je näher die Anstiegszeit des Eingangssignals der Anstiegszeit des Oszilloskops kommt. Dabei gilt folgender Zusammenhang.

<math>t_S = \sqrt{t_{ges}^2-t_{Osc}^2}</math>

* <math>\!\, t_S</math>: Anstiegszeit des Eingangssignals
* <math>\!\, t_{ges}</math>: Angezeigte Anstiegszeit auf dem Oszilloskop
* <math>\!\, t_{Osc}</math>: Anstiegszeit des Oszilloskops

Bei analogen Oszilloskopen ist die Bandbreite gegeben durch die Begrenzung des analogen Eingangsverstärkers sowie die Signaldarstellung, also die Qualität des Ablenkverstärkers.

=== Tastköpfe richtig benutzen ===

Wenn man wirklich schnelle Signale messen will, spielt auch die Bandbreite des verwendeten Tastkopfes eine wichtige Rolle. Näheres dazu findet man [http://www.sigcon.com/Pubs/straight/probes.htm hier]. Aber der beste Tastkopf nützt nichts, wenn man ihn falsch anschließt. Für schnelle Messung jenseits von ein paar MHz nutzt man praktisch immer 10:1 Tastköpfe mit 10 MOhm Eingangswiderstand und ca. 8-15pF Eingangskapazität. Je nach Typ erreicht man damit Bandbreiten von 100-500MHz. Danach muss man aber auch den Tastkopf richtig anschließen. Der mitgelieferte Masseanschluß mit Krokodilklemme ist zwar praktisch, für viele hochfrequente Messungen aber unbrauchbar. Ein Rechtecksignal damit zu messen ergibt dann oft starke Überschwinger, welche real aber gar nicht vorhanden sind, sondern durch die zu lange, induktive Masseleitung im Zusammenspiel mit der Eingangskapazität verursacht werden. Das sieht man z.B. [http://www.mikrocontroller.net/topic/281669?goto=2975948#2975754 hier], den Messaufbau sieht man [http://www.mikrocontroller.net/topic/281669?goto=2975948#2975896 hier].

Für saubere, hochfrequente Messungen muss man die Masseanbindung so kurz wie möglich machen. Dafür haben die Tastköpfe oft ein kleines Zusatzteil, eine Massefeder, beigelegt (engl. [http://www.mikrocontroller.net/attachment/27280/groundspring.png ground spring]). Damit kann man die Masse auf kürzestem Wege anschließen und erhält ein sauberes Messergebnis wie man in diesem [http://www.mikrocontroller.net/topic/281669?goto=2975948#2975931 Forumsbeitrag] sieht. Eine sehr gute Einführung zum Thema Tastköpfe und deren richtige Nutzung gibt es [[media:Probe_Fundamentals-_Tektronix.pdf | hier]] von [http://www.tek.com Tektronix] (engl.). Das gilt auch für stark gestörte Umgebungen, wie z.B. in einem Schaltnetzteil. Die Grundfrequenzen sind relativ niedrig, so im Bereich 50-1000 kHz, die Schaltflanken sind aber meist recht schnell, im Bereich von 10-500ns. Die dabei geschalteten hohen Ströme und Spannungen erzeugen starke magnetische und elektrische Wechselfelder, welche sehr gern und einfach in Tastköpfe einkoppeln. Um zu prüfen, ob ein Signal echt oder nur eine eingekoppelte Störung ist, macht man eine 0V Messung. D.h. man legt die Tastkopfspitze auf Masse (GND), ohne den mechanischen Aufbau nennenswert zu verändern. Wenn keine Störung einkoppelt, mißt man erwartungsgemäß 0V, alles andere sind eingekoppelte Störungen. Diese muss man durch eine verbesserte Tastkopfanbindung minimieren (Massefeder, anderer Massepunkt, Abschirmung, Klappferrite auf Tastkopfleitung am Oszi gegen Gleichtaktstörungen etc.) Eine Massefeder bzw. das passende Gegenstück für die Spitze des Tastkopfes kann man sich leicht aus 0,5mm Blankdraht selber wicklen, wie man auf diesem [https://www.mikrocontroller.net/attachment/410800/Tastkopf.jpg Bild] sieht. Die vollprofessionelle Version davon sind einlötbare [https://www.mikrocontroller.net/attachment/412457/socket.jpeg Sockel], in welche der Tastkopf gesteckt werden kann. Diese haben durch ihren koaxialen Aufbau noch bessere Schirmwirkung und HF-Eigenschaften.

Wenn es dann in den Bereich 100MHz++ geht, wird man schnell auf einen aktiven Tastkopf oder einen passiven Z0-Tastkopf wechseln wollen. Warum das so ist, ist in diesem [http://www.signalintegrity.com/Pubs/straight/probes.htm Artikel] (engl.) erklärt.

===Terminierung bei DC-Messung===
Schliesst man an den hochomigen Messeingang eines Oszilloskopes eine Koaxialleitung mit 50 Ohm Impedanz direkt an, um irgendwo direkt zu messen, so muss diese möglichst dicht am Oszilloskop mit 50 Ohm terminiert werden, um Reflexionen und Phantomsignale zu vermeiden. Wird aber direkt mit 50 Ohm terminiert, so führt das zu einer starken Belastung der Quelle und des Terminierungswiderstandes. Insbesondere dann, wenn man z.B. auf einem DC-Pegel eine Welligkeit messen möchte. Die Gleichspannung liegt in diesem Falle direkt am Terminierungswiderstand an. Das ist oft nicht tolerierbar, da dann ein u.U. hoher Gleichstrom durch den Widerstand abfließt, die Quelle belastet und selber heiß wird.. Aus diesem Grunde muss der Terminierungswiderstand mit einem schnellen, keramischen Kondensator entkoppelt werden. Siehe Bild.
[[Bild:DC-Messadapter.svg|thumb|300px|DC-Messadapter mit 50 Ohm Terminierung]]
Achtung, die Anordnung hat einen Frequenzgang. Es ist gegebenenfalls zu überlegen, ob der Frequenzgang noch toleriert werden kann. Gegebenenfalls ist der Kondensator entsprechend zu ändern. Auf ausreichende Spannungsfestigkeit achten!
An den 4mm Klemmen kann über einen 2k2 ohm Widerstand ein Digitalmultimeter angeschlossen werden. Der 2k2 Widerstand beeinflusst die Messung mit einem hochomigen Digitalmultimeter fast nicht, verhindert aber das verstärkte Einkoppeln von Störungen über die Messleitungen in das Oszilloskop.

Eine Platine für eine solche kapazitiv entkoppelte 50 Ohm Terminierung als [http://www.mikrocontroller.net/articles/KiCAD KiCad] Projekt findet sich hier: [[Media:DC-50Ohm_Terminierung_RevE_25Mar2015.zip]] Gerber Files und ein Schaltplan in PDF sind im Projekt vorhanden, es kann also auch ohne KiCad verwendet werden.

=== Triggerung ===

Oszilloskope unterscheiden sich oft stark in den Triggerungsmöglichkeiten. Bei guten Geräten kann man z. B. die Triggerung variabel verzögern. Erst dadurch wird es möglich, dass man sich Signale genauer anschauen kann, die zeitlich weit hinter einem Triggerereignis kommen. Eine weitere Funktion bei höherklassigen Oszilloskopen ist eine zweite Zeitbasis. Mit dieser kann man in einen Ausschnitt des Messsignals hereinzoomen<ref>Die zweite Zeitbasis steuert einen zweiten Strahl (ähnlich wie einen separaten Kanal), der das gleiche Eingangssignal erhält. Die zweite Zeitbasis wird auf eine höhere Horizontalfrequenz eingestellt als die erste. Zusammen mit einer horizontalen Verschiebung der Darstellung kann man nun Ausschnitte des Signals durchfahren und vergrößert betrachten.</ref>.

Mit Analog-Oszilloskopen kann man sich hauptsächlich periodische Signalverläufe anschauen, also solche, die zeitlich immer wiederkehrend sind. Denn nur so kann ein Signal immer wieder auf den Schirm "geschrieben" werden und erscheint als stehendes Bild. Aperiodische Signale, wie z. B. auf Datenübertragungsleitungen, sind damit nicht darstellbar. Sie laufen mit einem Strahldurchgang über den Schirm. In dieser kurzen Zeit ist es jedoch nur selten möglich, sie visuell aufzunehmen. Mit einer Digitalkamera kann man solche Signalverläufe mitunter trotzdem einfangen. Früher sehr hochpreisige, heute nicht mehr übliche Analog-Oszilloskope hatten eine eingebaute Speichermöglichkeit (Speicherröhre) für einmalige Signale. Diese Klasse von Analog-Oszilloskopen wurde durch digitale Speicheroszilloskope (DSOs) abgelöst.

Manche Analog-Oszilloskope bieten eine Möglichkeit, die Triggerung nur zu einem definiertem Zeitpunkt anzustoßen, somit kann auch der Anlaufstrom eines Motors mit einem Analog-Oszilloskop dargestellt werden.

=== Analoge Speicheroszilloskope ===
Inzwischen eher selten sind analoge Speicheroszilloskope anzutreffen. Diese speichern im Gegensatz zu digitalen Speicheroszilloskopen nicht das Signal selbst, sondern das Bild auf der Röhre. Dies wird mit speziellen speichernden Bildröhren erreicht. Je nach Typ kann es mehrere getrennt betreibbare Bereiche geben, um beispielsweise 2 Bilder eines Signales zu unterschiedlichen Zeitpunkten darstellen zu können (z.B. Tektronix 549).

Einige wenige dieser Oszilloskope waren sogar in der Lage, das aufgezeichnete Bild auf Papier auszugeben (z.B. "HP Model 175A" mit Modul 1784A).

=== Vergleichstabelle Analogoszilloskope ===

Diese Tabelle soll einen Überblick über interessante oder bekannte Neugeräte besonders im unteren Preisbereich geben. Eine vollständige Auflistung aller existierenden Geräte ergibt wegen der Vielzahl an Baureihen und Modellen wenig Sinn.

{| {{Tabelle}} class="wikitable sortable" id="analogoszis" style="width:50em"
|- style="writing-mode:sideways-lr"
! style="width:6em" | Bezeichnung
! style="width:6em" | Hersteller
! style="width:3em" | Preis, ab [€]
! style="width:3em" | Kanäle
! style="width:3em" | Bandbreite / [MHz]
! style="width:5em" | Röhre BxH / [cm]
! Bemerkungen
|-
| C1-94, S1-94, OS10, AO-610, [http://www.ett-online.de/html/de/werkstatt/oszilloskope/digitale-oszilloskope/oszilloskop-mccheck-st16b-1-kanal-10-mhz/article-4-55152-459045509045501590.html ST16B], CS10, GOS-310, 72-6602, HUC70, CS1010 [http://www.conrad.de/ce/de/product/122413/VOLTCRAFT-6102-Analoges-1-Kanal-Oszilloskop-Bandbreite-0-DC-10-MHz VC 610/2]
| Original- hersteller unklar
| 180
| 1
| 10
| 4,8 × 6
| Seit Jahrzehnten von vielen No-Name Herstellern in unterschiedlichen Ausführungen und Bauformen im Angebot. Wenig empfehlenswert für µC-Arbeiten.
|-
| [http://www.attenelectronics.com/Products/Oscilloscopes/Analog_oscilloscope/2012/0728/129.html AT7328]
| Atten
| 280
| 2
| 20
| 8 × 10
|
|-
| CS-4128
|
| 280
| 2
| 20
| 8 × 10
|
|-
| [http://www.attenelectronics.com/Products/Oscilloscopes/Analog_oscilloscope/2012/0728/128.html AT7340]
| Atten
| 480
| 2
| 40
| 8 × 10
|
|-
| [http://www.conrad.de/ce/de/product/122421/VOLTCRAFT-VC-630-2-Analoges-2-Kanal-Oszilloskop-Bandbreite-0-DC-bis-30-MHz/?ref=category&rt=category&rb=1 VC 630-2]
| Voltcraft
| 480
| 2
| 30
| 8 × 10
|
|-
|}

== Digitale Speicheroszilloskope ==
=== Allgemein ===

[[Bild:tektronix.jpg|thumb|right|300px|Digitales Speicheroszilloskop vom Anfang des Jahrtausends]]
Ein digitales Speicheroszilloskop (englisch DSO, '''D'''igital '''S'''torage '''O'''scilloscope) digitalisiert das Eingangssignal mit einem Analog-Digital-Wandler und legt die Werte in einem Speicher ab. Damit ist die Bandbreite nur durch die Begrenzung des analogen Eingangsverstärkers gegeben. Der Vorteil der Speicherung ist, dass man auf diese Weise Momentaufnahmen eines Signals machen und damit einmalige (transiente) Ereignisse (Spikes, Datenübertragungen) erkennen und darstellen kann, was besonders bei digitalen Schaltungen, z. B. mit Mikrocontrollern, sehr nützlich ist. Weiterhin lässt sich das Signal "vermessen" (z. B. um die Baudrate einer Datenübertragung zu bestimmen), man kann die Frequenz und den Effektivwert anzeigen lassen, das Frequenzspektrum, und je nach Modell noch vieles mehr. Das Signal wird in S/W oder Farbe auf einem LCD dargestellt, lässt sich aber oft auch über einen angeschlossenen Drucker ausdrucken oder an den PC übermitteln.

Der wichtigste Parameter bei digitalen Oszilloskopen ist die '''Abtastrate''', die angibt, mit welcher Rate das Eingangssignal digitalisiert wird. Um ein Signal mit einer gegebenen Frequenz ausreichend genau in Phase und Amplitudenverlauf darstellen zu können, sollte es mindestens mit der 10-fachen Frequenz abgetastet werden. Nur dann lassen sich in der Regel die interessanten Details in einem Signal erkennen. Für eine genaue Analyse analoger Signale, um z.B. die Güte einer Flanke oder Überschwinger beurteilen zu kjönnen, ist sogar ein Faktor von 25 bis 40 anzuraten<ref>Dieser Anhaltswert liegt nochmals weit über der Nyquist-Frequenz (zweifache Grenzfrequenz), ist aber nötig, um Abweichungen von der idealen Signalform zu sehen - z.B. bei Rechecksignalen. Die zehnfache Abtastfrequenz bedeutete, dass man nur 10 Messpunkte pro Signalperiode hat, was in einer 1:1 Darstellung auf dem Bildschirm gerade eben 10 nebeneinander liegenden Pixeln entspräche, was in der Regel sehr wenig ist, um ein Signal zu beurteilen.</ref> Wichtig ist in dem Zusammenhang auch die analoge Bandbreite des Oszilloskops. Ein gutes Verhältnis ist wäre eine mindestens 4-6 fache Überabstastung im Bezug auf die Bandbreite je Kanal, also z.B. 1Gsps für einen Zweikanaler mit 100MHz Bandbreite - besser 2Gsps. Damit wären dann Signale bis etwa 10 MHz ausreichend genau darstellbar.

Außerdem sind die '''Speichertiefe''' und die '''Wandler-Auflösung''' interessant. Ein Oszilloskop, das mit acht Bit Auflösung abtastet und 2000*8 Bit Speicher hat, kann 2000 Samples abspeichern, was einer Darstellung von 2000*256 Pixeln entspricht. Acht Bit Auflösung ist heutzutage ein gängiger Wert, auch wenn er niedrig erscheint. Ein normales Oszilloskop ist kein Präzisionsmessgerät und acht Bit sind für die Darstellung auf den Displays normaler Oszilloskope ausreichend.

Bei der Wandlung und Speicherung gibt es unterschiedliche Verfahren: Ehemals günstige Oszilloskope wie die TDS1000-Serie von Tektronix verwenden '''CCD-Speicher''' (Eimerkettenspeicher, ein analoges Schieberegister); die Messwerte werden erst gespeichert, und dann digitalisiert. Nachteile dieser Vorgehensweise sind ein stärkeres Rauschen, die begrenzte Speichertiefe und Totzeiten, während der keine Eingangswerte aufgenommen werden. Diese entstehen, da das Wandeln aller Werte aus dem analogen Zwischenspeicher länger dauert als die Zeit zum Füllen dieses Speichers. Deshalb muss das Gerät bis zum Abschluss der Wandlung warten, bevor es den Speicher erneut füllt.

Früher wandelten nur teurere Modelle in Echtzeit mit schnellen Flash-[[AD-Wandler]]n und speicherten die Messwerte direkt in einem schnellen RAM. Die Speichertiefe ist dabei praktisch unbegrenzt, allerdings sind Wandler sehr teuer, die mehrere GS/s schaffen. Durch einen Trick (mehrere verschachtelte langsame AD-Wandler) setzen sich AD-Wandler bei günstigen Modellen durch. Oszilloskope, die diesen Trick verwenden, erkennt man daran, dass die Abtastfrequenz mit der Anzahl der aktivierten Kanäle sinkt. Zum Beispiel, findet man Vierkanaloszilloskop mit vier Wandlern à 250 MS/s, die bei Benutzung nur eines Kanals 1 GS/s für diesen Kanal erreichen, bei Benutzung von zwei Kanäle 500 MS/s pro Kanal und bei Benutzung von drei oder vier Kanälen 250 MS/s pro Kanal.

In den richtig schnellen Geräten (mehrere GHz Samplerate) ist ein ähnlicher Trick üblich. Dort sind in den verwendeten Wandlerschaltkreisen eine größere Anzahl Sample-and-Hold-Stufen und AD-Wandler integriert. Die Eingangsspannung wird dann zeitversetzt in den Sample-and-Hold-Stufen gespeichert und von den im Vergleich zur Samplerate langsameren AD-Wandlern umgesetzt. Die Ausgangslogik sorgt dann dafür, dass die Daten in der richtigen Reihenfolge ausgegeben werden. Ein Problem bei dieser Vorgehensweise sind unterschiedliche elektrische Eigenschaften der parallelen Wandlerstufen.

Natürlich spielt der Verwendungszweck eine entscheidende Rolle bei der Auswahl. Auf dem Labortisch, wo meist nur kleine Spannungen mit einem gemeinsamen Massebezug vorkommen, werden andere Anforderungen an ein Oszilloskop gestellt, als z. B. im Servicebereich für Industriesteuerungsanlagen, Automatisierungstechnik, usw. Dort sind weniger hohe Abtastraten wichtig, sondern eher eine größere Anzahl Eingangskanäle, die galvanisch voneinander getrennt sind, Spannungsfestigkeit bis min. 500 Volt, sowie speziell bei Störungsanalysen, die Möglichkeit, komplexe Triggermuster einzustellen, und eine integrierte große Festplatte, um einzelne Ereignisse automatisiert über lange Zeiträume hinweg festhalten zu können. Ein Beispiel für so ein hochwertiges Gerät ist ein Yokogawa Scopecorder (DL708). Allerdings sind bei solchen Geräten die Preise nach oben hin offen.

=== Digitale Tischoszilloskope ===
==== Allgemeines ====

DSO Tischoszilloskope sind die klassischen, in sich abgeschlossenen Geräte, die in der Gestaltung analogen Oszilloskopen ähneln. Daneben gibt es zum Beispiel auch PC DSOs. Viele Tischgeräte sind bereits so klein (geringe Tiefe) und leicht, dass sie zu Recht als tragbare Geräte bezeichnet werden. Beim Neukauf eines Oszilloskops sind diese Geräte die interessantesten.

Mittlerweile ist es üblich, dass man bereits bei Einsteigermodellen eingebaute USB oder RS-232 Schnittstellen findet und eine (häufig sehr simple) Windows-Software zur Bedienung vom PC aus oder zumindest zum Auslesen von Daten auf den PC. Ebenfalls häufig sind USB oder ähnliche Schnittstellen für USB-Memorysticks oder Speicherkarten zum Speichern von Messwerten, Screenshots und Konfigurationen. Ironischerweise sind Schnittstellen und Windows-Software bei Markengeräten häufig gesondert zu erwerben, während sie bei eher unbekannten Marken kostenlos mitgeliefert werden, wenn auch die Qualität der kostenlosen Software häufig zu wünschen übrig lässt.

Beispiele für günstige Einstiegsmodelle unter 600 Euro sind einige, aber nicht alle, Geräte von Rigol, Hantek, Owon, Siglent oder Atten. Für relativ wenig Geld erhält man für einfache Anwendungen ein brauchbares Oszilloskop mit ein paar Highlights aber auch auffälligen Einschränkungen und Fehlern in der Hard- und Software. Viel oder überhaupt Service kann man von diesen Firmen für sein Geld meist nicht erwarten.

Geräte bspw. von [http://www.instek.com/ Instek] sind etwas teurer. Geräte aus der GDS-1000A oder GDS-1000U Serie dürften zum Einstieg interessant sein, oder mittlerweile die modernere Serie DS2000 von Rigol,
bzw SDS2000 Serie von Siglent.

Ein weiteres Beispiel für ein Einstiegsmodell war das [http://www.tek.com/site/ps/0,,40-15314-INTRO_EN,00.html TDS1002] von Tektronix (ca. 1200 Euro). Dazu muss man allerdings sagen, dass Tektronix die aktuelle Entwicklung etwas verschlafen hat. Der nur 2 kByte große Speicher ist nicht mehr zeitgemäß. Geräte der [http://www.home.agilent.com/agilent/product.jspx?nid=-33575.0&cc=DE&lc=ger&pageMode=OV Agilent InfiniiVision 2000X Serie] beginnen in einem ähnlichen Preisbereich aber mit wesentlich mehr Features.

Sind 4 Kanäle gewünscht, aber das Budget begrenzt, lohnt sich ein Blick auf die DS1000'''Z''' Serie von Rigol.

==== Vergleichstabelle digitale Tischoszilloskope ====

;Wichtiger Hinweis: Diese und andere Tabellen werden gelegentlich von Freiwilligen auf den aktuellen Stand gebracht und können veraltet sein.

Diese Tabelle soll einen Überblick über interessante oder bekannte Geräte besonders im unteren Preisbereich geben. Eine vollständige Auflistung aller existierenden Geräte ergibt wegen der Vielzahl an Baureihen und Modellen wenig Sinn. 
Anmerkung: Für Viele Modelle aus dieser Tabelle gibt es bereits Nachfolgemodelle. 
 
Legende: 
opt.: optional, kostenpflichige Erweiterung (Hardware und/oder Software) 

{| {{Tabelle}} class="wikitable sortable" id="digitaloszis" style="width:60em"
|- style="writing-mode:sideways-lr"
! style="width:8em" | Bezeichnung
! style="width:6em" | Hersteller
! style="width:4em" | Preis [€]
! style="width:3em" | Kanäle
! style="width:4em" | Samplerate [MS/s]
! style="width:3em" | Bandbreite [MHz]
! style="width:3em" | Auflösung [Bit]
! style="width:4em" | Speichertiefe [Samples]
! style="width:6em" | Display
! style="width:8em" | Inface
! Bemerkungen
|-
| [http://www.conrad.de/ce/de/product/122485/VOLTCRAFT-Vorteilsset-DSO-1062D-2-Kanal-Oszilloskop-Digitales-Speicheroszilloskop-Bandbreite-60-MHz-inkl-2-Tastkoepf DSO5062D]
| [http://www.conrad.de/ Conrad]
| 329.-
| 2
| 500 1000
| 60
| 8
| 1M
| 800x480, 7"
| •USB Device •USB Host
| Gleiche Hardware wie das Hantek DSO5062B und leicht modifizierte Software.
|-
| [http://www.hantek.com.cn/en/ProductDetail_3_3.html DSO5000B Series]
| [http://www.hantek.com.cn/en/index.html Hantek]
| ab 290$
| 2
| 500 1000
| 60 100 200
| 8
| 1M
| 800x480, 7"
| •USB Device •USB Host
| Mit 60MHz beliebt, da es einen Hack auf 200 MHz gibt. Ebenso diverse Hacks an der Hardware. Auch als Tekway oder Protek im Handel.
|-
| MSO5000D serie
| Hantek
|
| 2
| 1000
| 60 100 200
| 8
| 1M
| 800x480, 7"
| •USB Device •USB Host
| 2CH +16 Logik weitgehend baugleich mit DSO5000B Serie
|-
|-
| DSO3062A
| Agilent
| 800
| 2
| 500
| 60
| 8
| 4k
| 320x240, 5.7"
| •USB Device •USB Host (modul)
| weitgehend baugleich mit Rigol DS5000
|-
| InfiniiVision 2000 X Serie
| Agilent
| 950 - 2600
| 2/4
| 1000 2000
| 70 100 200
| 8
| 100k
| 800x480, 8.5"
| •USB Device •USB Host 2x
| Markengeräte mit exzellentem Preis-Leistungs-Verhältnis. Software-Aufrüstbar (Funktionsgenerator, Protokoll-Dekoder, usw.)
|-
| [http://%5Bhttp://www.owon.com.hk/products.asp?ParentID=57&SortID=87 OWON XDS--A(+) '''•12-bit:''' 3062 A(+) 3102 A(+) '''•14-bit:''' 3202 A(+)]
| [http://www.owon.com.hk/main.asp OWON]
| 430.. bis 720€ 
 
~1350€
| 2
| 1000
| 60 100 200
| 12 12 14
| 40M 
| 800x600 
 
8" Touch-screen 
(3062A(+): ohne Touchscreen)
| •USBx2 •LAN •WiFi •VGA/AV 
•• A+ : incl. •2ch-FG •Multimeter •DataLogger
| •LabView komp. 
•LiIon-Akku opt. •Bus-Decoder opt. 
 
'''•Echtes Glimpse-Of-Nirvana Teil'''
|-
| [http://www.rigolna.com/products/digital-oscilloscopes/ds1000e/ Rigol DS1000E Serie]
| [http://www.rigolna.com/ Rigol]
| ab 296
| 2
| 500 1000
| 50 100
| 8
| 1M
| 320x240, 5.7”
| •USB Device •USB Host •RS-232
| optional 16-Kanal Logikanalysator = DS1052D (DS1102D). Im Netz kursieren diverse, mehr oder weniger ernst zu nehmende Anleitungen, wie man ein DS1052E per Software auf ein DS1102E umrüsten kann.
|-
| [http://www.rigolna.com/products/digital-oscilloscopes/ds1000z/ Rigol DS1000Z Series]
| [http://www.rigolna.com/ Rigol]
| ab 375
| 4
| 250 500 1000
| 50 70 100
| 8
| 12M 24M
| 800x480, 7"
| •USB Device (Pict Bridge) •USB Host •LAN (LXI)
| optionaler dualer Funktionsgenerator 25Mhz (DS1000Z'''-S'''). Im Netz kursieren diverse, mehr oder weniger ernst zu nehmende Anleitungen, wie man ein DS1054Z/DS1074Z per Software auf ein DS1104Z umrüsten und den gesamten Funktionsumfang freischalten kann.
|-
| [http://www.rigolna.com/products/digital-oscilloscopes/ds2000/ DS2000 Serie]
| [http://www.rigolna.com/ Rigol]
| 589 - 1505
| 2
| 2000
| 70 100 200 300
| 8
| 14M 56M
| 800x480, 8"
| •USB Device (Pict Bridge) •USB Host •LAN (LXI)
| Per Kauflizenz jeweils freischaltbar sind 56M, serielle Dekoder, weitere Trigger. Lassen sich alle über generierte Serial freischalten und sogar auf Topmodel DS2202 (200MHz) upgraden, da identische (gute) Hardware u. Lieferumfang - keine Hardwaremodifikation nötig. Dank LXI (offene Spezifikation) gute Softwareanbindung. Vertikalauflösung ab 0,5mV/Div!
|-
| [http://www.rigolna.com/products/digital-oscilloscopes/ds2000/ MSO5000 Serie]
| [http://www.rigolna.com/ Rigol]
| 963 - 3569
| 2/4
| 2000 4000 8000
| 70 100 200 350
| 8
| 100M 200M
| 1024x600, 9"
| •USB Device (Pict Bridge) •USB Host •LAN (LXI)
| Per Kauflizenz jeweils freischaltbar sind serielle Dekoder, weitere Trigger. Lassen sich alle über generierte Serial freischalten und auf Topmodel MSO5354 (350MHz) upgraden, da identische (gute) Hardware u. Lieferumfang - keine Hardwaremodifikation nötig.
|-
| [http://www.siglent.com/ens/pdxx.aspx?id=25&T=2&tid=1/ SDS2000 Serie]
| [http://www.siglent.com/ENs/index.aspx/ Siglent]
| 850 - 2700
| 2 4
| 2000
| 70 100 200 300
| 8
| 28M
| 800x480, 8"
| •USB Device (Pict Bridge) •USB Host •LAN (LXI) •PASS/FAIL
| 110.000wrfms/s, seqmentierter Speicher! (dann bis 300.000wrfms/s, HRES Erfassung mit höherer vertikaler Auflösung, Per Kauflizenz jeweils freischaltbar sind serielle Bus-Dekoder, MSO Option, Funktionsgeneratorausgang Dank LXI gute Softwareanbindung.
|-
| [http://www.owon.com.hk/products.asp?ParentID=57&SortID=66 Owon SDS Serie]
| [http://www.owon.com.hk/main.asp Owon]
| 260€ (5032E) - 1100€ (9302)
| 2
| 125 250 1600 3200
| 30 60 70 100 125 200 300
| 8
| 10k 10M
| 800x600, 8"
| •USB Device •USB Host •LAN •VGA (opt.) ''oder'' •RS-232 (opt.)(nicht -E)
| Akkubetrieb optional (nicht -E)
|-
| [http://www.gwinstek.com/en/product/productdetail.aspx?pid=3&mid=7&id=46 GDS-1000 Serie]
| [http://www.gwinstek.com/en/index.aspx GW Instek]
| 350 - 550 
| 2
| 250
| 25 40 60 100
| 8
| 4k
| 320x234, 5.6"
| •USB Device •SD-Slot
| Von Conrad teurer als DSO-4000 Serie erhältlich (475 - 950€). [http://code.google.com/p/gds2000tools/ Einfache Software für Linux erhältlich] GW Instek alias Good Will Instrument Co., Ltd
|-
| [http://www.gwinstek.com/en/product/productdetail.aspx?pid=3&mid=7&id=42 GDS-1000'''A''' Serie]
| [http://www.gwinstek.com/en/index.aspx GW Instek]
| 500
| 2
| 1000
| 60 100 150
| 8
| 2M
| 320x234, 5.6"
| •USB Device •SD-Slot
| [http://code.google.com/p/gds2000tools/ Einfache Software für Linux erhältlich] GW Instek alias Good Will Instrument Co., Ltd
|-
|- style="writing-mode:sideways-lr"
! style="width:8em" | Bezeichnung
! style="width:6em" | Hersteller
! style="width:4em" | Preis [€]
! style="width:3em" | Kanäle
! style="width:4em" | Samplerate [MS/s]
! style="width:3em" | Bandbreite [MHz]
! style="width:3em" | Auflösung [Bit]
! style="width:4em" | Speichertiefe [Samples]
! style="width:6em" | Display
! style="width:8em" | Inface
! Bemerkungen
|-
| [http://www.gwinstek.com/en/product/productdetail.aspx?pid=3&mid=7&id=34 GW Instek GDS-2000 Serie]
| [http://www.gwinstek.com/en/index.aspx GW Instek]
| 850 - 1800
| 2/4
| 1000
| 60 100 200
| 8
| 5k 25k
| 320x234, 5.6"
| •USB Device •USB Host 2x •RS-232
| Weitgehend baugleich mit Conrad Voltcraft DSO-8000 Serie. Vier-Kanal Versionen haben keinen externen Trigger und weniger Trigger-Funktionen. [http://code.google.com/p/gds2000tools/ Einfache Software für Linux erhältlich]
|-
| TDS-1002B
| Tektronix
| 1100
| 2
| 1000
| 60
| 8
| 2.5k
| 320x240
| •USB Device (Pict Bridge) •USB Host
| verhältnismäßig starkes Rauschen, siehe Text oben
|-
| [http://teledynelecroy.com/oscilloscope/oscilloscopeseries.aspx?mseries=50 WaveJet 3xx]
| [http://teledynelecroy.com/ LeCroy]
| 2800 - 8000
| 2/4
| 1000 2000
| 100 200 350 500
| 8
| 500k
| 640x480, 7.5"
| •USB Device •USB Host •LAN
| verfügbar z. B. bei Farnell
|-
| WaveAce Serie
| [http://teledynelecroy.com/ LeCroy]
| 1000 - 3500
| 2
| 250 - 2000
| 60 - 300
| 8
| 4k - 8k
| 320x240
| •USB Device •USB Host •RS-232(?)
| Daten beziehen sich etvl. auf nicht mehr erhälltliche Serie (bitte überprüfen)
|-
| [http://www.dlm2000.de DLM20XX]
| YOKOGAWA
| 3300 - 8000
| 2 4 3+1
| 1250 2500
| 200 350 500
| 8
| 12,5M
| 1024x768, 8.4"
| •USB Device •USB Host 2x •LAN (opt.) •RGB Video
| Vertrieb direkt vom Hersteller!
|-
| [http://www.uni-trend.com/UT2025B.html UNI-T UT2025B] Voltcraft DSO-1022 M 
| [http://www.uni-trend.com/ Uni-Trend Group Limited]
| 290 - 356
| 2
| 250
| 25
| 8
| 512k<ref name="unit">Uni-Ts Angaben zur Speichertiefe sind mit Vorsicht zu genießen. Seit Jahren wirbelt die Firma mit Begriffen wie ''memory length'', '' memory depth'', ''recording length'' und ''saving depth'' herum - jeweils mit unterschiedlichen Werten für das gleiche Oszilloskop. Dabei vermeidet Uni-T Begriffsdefinitionen zu geben. Im Zweifelsfall sollte man mit dem kleinsten Wert aller Angaben rechnen.</ref>
| 320x240 (Monochrom)
| •USB Device •USB Host •RS-232 •LAN (opt.)
| Als UT2025'''C''' mit Farbdisplay. UT2000 Serie 25-200MHz, 2CH 250MSa/s bis 1GSa/s wenig Rauschen
|-
| [http://www.uni-trend.com/UTD2052CEL.html UTD2052CEL]
| [http://www.uni-trend.com/ Uni-Trend Group Limited]
| 369,-
| 2
| 1000
| 50
| 8
| 12,5k 25k 1,2M
| 400x240
| •USB Host
| Displayauflösung beträgt 800x480, der Displaycontroller faßt jedoch immer 2x2 Pixel zusammen (Menü nimmt relativ viel Platz auf dem Bildschirm ein)
|-
| [http://www.rohde-schwarz.de/de/Produkte/messtechnik-testsysteme/oszilloskope/HMO1002-%7C-Kerndaten-%7C-4-%7C-11696.html HMO1002]
| [http://www.rohde-schwarz.de/ Rohde & Schwarz]
| 950 - 1190
| 2
| 1000
| 50 100
| 8
| 500k
| 640x480, 6,5"
| •USB Device •USB Host •LAN
| Umfangreiche Zusatzfunktionen wie Mustergenerator, Frequenzgenerator, 2-Kanal DVM, Frequenzzähler, Komponententester und 8 Kanal MSO Opt.
|-
| [http://value.rohde-schwarz.com/vi/value/oscilloscopes/r-srhmo1202-digital-oscilloscope.html/ HMO1202]
| [http://www.rohde-schwarz.de/ Rohde & Schwarz]
| -
| 2
| 1000 2000
| 100 200 300
| 8
| 1M 2M
| 640x480, 6,5"
| •USB Device •USB Host •LAN
| Optionen für I2C, RS232, UART, CAN, LIN serielle Busanalyse, Umfangreiche Zusatzfunktionen wie Mustergenerator, Frequenzgenerator, 2-Kanal DVM, Frequenzzähler, Komponententester und 8 Kanal MSO Opt.
|-
| [http://www.peaktech.de/produktdetails/kategorie/digital-oszilloskope/produkt/p-1265.html PT 1265]
| [http://www.PEAKTECH.de Peaktech]
| ca. 290
| 2
| 125
| 30
| 8
| 10k
| 800x600, 8"
| •USB Device •USB Host •LAN •VGA
| Optional: Akkupack 4000 mA
|}

Weitere Marken, die gelegentlich auf dem deutschen Markt auftauchen, häufig über eBay, sind

* GAOtek
* Hangzhou Jingce (JC)
* Tonghui
* Ypioneer
* Jiangsu Lvyang
* Siglent (Zweitmarke von Atten)

Über deren Qualität hört man wenig oder gar nichts.

=== PC-Oszilloskope ===
==== PC-Zusätze ====
===== Allgemeines & Beachtenswertes =====

PC-Oszilloskope / PC-Zusätze sind im Prinzip digitale Speicheroszilloskope, mit der Besonderheit, dass sie die Daten nicht selbst anzeigen, sondern an einen PC übermitteln. Beim Kauf eines PC-Oszilloskops sollte man besonders vorsichtig sein, da viele Angebote irreführende Informationen enthalten. Sehr beliebt ist z. B. die Werbung mit der Analogbandbreite, also die Bandbreite die der Analogteil der Schaltung (Eingangsverstärker) verarbeiten kann. Wenn hier 100 MHz angegeben sind bedeutet das aber nicht, dass sich auch wirklich Signale bis 100 MHz darstellen lassen; wenn der Wandler nur mit 40 MS/s abtastet ist das Oszilloskop gerade noch bis 4 MHz verwendbar. Ebenso sollte man nur die Echtzeit- oder Realtime-Abtastrate beachten, eine manchmal ebenfalls angegebene "Äquivalent-Abtastrate" ist nur bei periodischen Signalen zu gebrauchen und damit im Umfeld von Mikrocontrollern meist wertlos.

Die Wahl zwischen einem Tischoszilloskop und einem PC-Zusatz ist nicht nur eine Geld-, Leistungs- oder Qualitätsfrage. Ein Tischgerät lässt sich anders bedienen (echte Knöpfe, sicherer Stand) und belegt nicht den PC oder Laptop. Erfahrene Entwickler ziehen ein separates Gerät einem PC-Zusatz vor. Zum Teil ist dies eine Generationsfrage.

Hinzu kommt, dass billige PC-Oszilloskope meist keine galvanische Trennung an ihrer USB-Schnittstelle besitzen. Ein Fehler bei einer Messung kann daher nicht nur das Oszilloskop, sondern gleich den PC mit beschädigen. Das gleiche Problem kann man übrigens auch bei einfachen Tischoszilloskopen mit PC-Schnittstelle haben. Allerdings kann man Tischgeräte auch ohne die PC-Verbindung betreiben, PC-Oszilloskope nicht.

Gelegentlich wird geraten, das Oszilloskop, egal ob Tischgerät oder PC-Zusatz, immer über einen "self powered" USB-Hub (einer mit eigenem Netzteil) mit dem PC zu verbinden. Ob ein solcher Hub als Schutzmaßnahme geeignet ist, besonders zum Personenschutz, sei dahingestellt. Schaden sollte er nicht.

Besonders zu beachten ist die PC-Software. Nicht nur, ob sie zum Zeitpunkt des Kaufs wenigstens grundsätzlichen Ansprüchen genügt, sondern auch, ob der Hersteller vermutlich willens und in der Lage ist, die Software über viele Jahre zu warten. Stichwort Investitionssicherheit. Ohne Wartung kann eine Inkompatibilität in der Software zum nächste Windows Service-Pack oder zur nächste Windows-Version das Gerät völlig entwerten.

Leider ist es so, dass es fast keine freie [[Oszilloskop#Software|Oszilloskopsoftware]] gibt. Die Protokolle zwischen Oszilloskop-Vorsätzen und Computer sind meist proprietär, und selten hat sich ein Entwickler freier Software die Mühe gemacht, ein Protokoll zu entschlüsseln. Noch seltener ist es, dass auf dieser Basis eine brauchbare oder gar gute Software geschrieben wurde. So ist ein Ausweichen auf freie Software kaum möglich, sollte der Hersteller die Wartung aufgeben. Man ist im Normalfall auf Gedeih und Verderb dem Hersteller ausgeliefert.

===== Vergleichstabelle PC-Zusätze =====

Diese Tabelle soll einen Überblick über interessante oder bekannte Geräte besonders im unteren Preisbereich geben. Eine vollständige Auflistung aller existierenden Geräte ergibt wegen der Vielzahl an Baureihen und Modellen wenig Sinn.

Alle hier gelisteten Geräte haben einen USB-Anschluss.
{| {{Tabelle}} class="wikitable sortable" id="pczusatzoszis"
|- style="writing-mode:sideways-lr"
! style="width:8em" | Bezeichnung
! style="width:8em" | Hersteller
! style="width:4em" | Preis [€]
! style="width:3em" | Kanäle
! style="width:4em" | Samplerate [MS/s]
! style="width:3em" | Bandbreite [MHz]
! style="width:3em" | Auflösung [Bit]
! style="width:4em" | Speichertiefe [Samples]
! Bemerkungen
|-
| [http://www.elandigitalsystems.com/support/usbtmfaq/software.php USBscope50]
| Elan Digital Systems
| 249
| 1 (-4)
| 50 1000
| 10 75
| 8
| 3k
| CAT II, 300V galv. Trennung zu USB, OpenSource SDK, Java, Linux, LabView
|-
| PicoScope 2104
| Pico Technology
| 180
| 1
| 50
| 10
| 8
| 8K
| Spektralanalyse und Voltmeter in Software.
|-
| PicoScope 2105
| Pico Technology
| 235
| 1
| 100
| 25
| 8
| 24K
| Spektralanalyse und Voltmeter in Software.
|-
| PicoScope 2204A
| Pico Technology
| 165
| 2
| 100
| 10
| 8 - 12
| 8K
| Kleiner Arbitrary Waveform Generator eingebaut.
|-
| PicoScope 2205A
| Pico Technology
| 255
| 2
| 200
| 25
| 8 - 12
| 16K
| Kleiner Arbitrary Waveform Generator eingebaut.
|-
| PicoScope 2206A
| Pico Technology
| 429
| 2
| 500
| 50
| 8 - 12
| 32K
| Kleiner Arbitrary Waveform Generator eingebaut.
|-
| PicoScope 2207A
| Pico Technology
| 548
| 2
| 1000
| 100
| 8 - 12
| 40K
| Kleiner Arbitrary Waveform Generator eingebaut.
|-
| P 1280
| Peaktech
| 329
| 2
| 250
| 60
| 8
| 10M
| USB und LAN Anschluss, 40VSS bei USB, 400VSS bei LAN
|-
| P 1285
| Peaktech
| 389
| 2
| 500
| 100
| 8
| 10M
| USB und LAN Anschluss, 40VSS bei USB, 400VSS bei LAN
|-
| P 1290
| Peaktech
| 197
| 2
| 100
| 25
| 8
| 5k
| 400VSS galv. Trennung zu USB
|-
| [http://www.hantek.com.cn/english/produce_list.asp?unid=62 DSO-2090 USB]
| Hantek - Qingdao Hatek Electronic Co., Ltd.
| 200
| 2
| 50 100
| 40
| 8
| 32k 64k
| Wenige Vorteile gegenüber einem Tischgerät. Analogbandbreite bei der Samplingrate nicht ausnutzbar. Kleiner Eingangsspannungsbereich. Unter diversen anderen Namen erhältlich.
|-
| [http://www.hantek.com.cn/english/produce_list.asp?unid=63 DSO-2150 USB]
| Hantek - Qingdao Hatek Electronic Co., Ltd.
| 200
| 2
| 150
| 60
| 8
| 10K 32K
| .
|-
| [http://www.hantek.com.cn/english/produce_list.asp?unid=64 DSO-2250 USB]
| Hantek - Qingdao Hatek Electronic Co., Ltd.
| 220
| 2
| 250
| 100
| 8
| 10K- 512K
| .
|-
| Mephisto Scope 1 (UM202)
| Meilhaus
| 333
| 2
| 1
| 2
| 16
| 256K
| 5 in 1,
Oszilloskop,
Logik-Analysator,
Voltmeter,
Datenlogger analog und digital,
Digital-I/O
|-
| MSO-19
| Link Instruments Inc.
| 172
| 1
| 200
| 60
| ??
| 1K
|
Oszilloskop,
Logik-Analysator,
Pattern Generator,
TDR
|-
|VDS1022I
|Owon
| ca 80
| 2
| 100
| 25
| 8
| 5k
| USB galv. getrennt, auch verkauft als Peaktech 1290?
|}

==== Soundkarten-Oszilloskope ====
[[Bild:Soundoszi.JPG|thumb|right|300px|Soundkarten Oszilloskop]]
Wem ein wirklich einfaches Oszilloskop für kleine Frequenzen (bis etwa 20 kHz) ausreicht, bspw. um die Kommunikation am I2C-Bus zu analysieren, kann dazu die Soundkarte des PC benutzen.
Allerdings eignet sich eine Soundkarte nicht dazu, Gleichspannungen zu messen, zu niederfrequente Signale können daher nicht damit erfasst werden: Im Screenshot nebenan erkennt man das z. B. an der fallenden Gerade am Schluss (obwohl der tatsächliche Signalpegel konstant oben bleibt). Auch ist hier besondere Vorsicht geboten, da Soundkarten nur für geringe Spannungen ausgelegt sind und bei einer zu hohen Eingangsspannung möglicherweise der ganze PC beschädigt wird. Daher ist eine Vorschaltung mit Spannungsbegrenzung (ca 0,7V) nötig.

Der Vorteil der Soundkartennutzung ist, dass es sich dank des PCs um eine Art Speicheroszilloskop handelt und die Daten zum Beispiel in Excel analysiert werden können.

* [http://www.scheidig.de/Deutsch/Download/SpekOszi/info.htm Hardy u. Karola Scheidig] verschiedene Programme zum Messen mit der Soundkarte.
* [http://www.sillanumsoft.org/ Visual Analyser] von Alfredo Accattatis und der University of Rome Tor Vergata, "Donateware"
* [http://www.zeitnitz.de/Christian/scope_en Soundcard Oscilloscope für Windows] von Christian Zeitnitz, kostenlos für Privatanwendung
* [http://www.qsl.net/dl4yhf/spectra1.html Spectrum Lab von DL4YHF]
* [http://w5big.com/spectrogram.htm Spectrogram] von R.S. Horne, ältere Version kostenlos
* [http://www.audiotester.de/ Audiotester 30-Tage-Version kostenlos]
* [http://www.dasylab.com/ DasyLab] Eingeschränkte Version (Soundkarte und serielle Schnittstelle) als Beilage zum Buch "Signale-Prozesse-Systeme" ISBN 9783642018633
* [http://www.zelscope.com/ Zelscope] von Constantin Zeldovich 14-Tage Evaluationsversion
* [http://web222.webclient5.de/prj/VarEl/SndCrdAmp/ Sound Card Pre-Amp] Selbstbau-Vorverstärker für Sound-Karte von Dr. Thomas Redelberger
* [http://www.dxzone.com/catalog/Software/Spectrum_analyzers/ Linksammlung]

==== Grafikkarten-Oszilloskope ====
Videokarten, die über einen analogen Input verfügen, stellen ebenfalls eine Alternative zu käuflichen Oszilloskopen dar, da sie 3kanalig Frequenzen bis rund 180 MHz verarbeiten können. Die digitale Auflösung liegt meist bei 8 Bit maximal, was für einfache Anzeigen jedoch reicht, wenn die Aussteuerung entsprechend ist. Durch Übersampeln lässt sich die Auflösung wie gehabt steigern, indem man z.B. 4 Werte softwareseitig zusammenfasst und damit 1 Bit an Auflösung gewinnt. Bei 16 Werten kann man 2 Bit erwarten und erhält eine Güte von ca. 10 Bit bei 10MHz.

=== Selbstbau ===
Der Selbstbau eines solchen Gerätes erspart (wie fast immer in solchen Fällen) kein Geld, sofern man nicht eine Spezialfunktion benötigt, die im Markt nicht beschaffbar ist. Der Spaß liegt also wieder im Bauen selbst.

Es gibt diverse preiswerte Bausätze für Spielzeug-Oszilloskope. Die Ergebnisse nach dem Zusammenbau sind aber als Oszilloskop wenig brauchbar.

Daneben findet man nur sehr wenige Selbstbau-Projekte deren Ergebnisse überzeugen. Einige interessante Projekte sind [http://www.mikrocontroller.net/topic/228997?goto=new#2308320]n und [http://www.ssalewski.de/DAD.html.de]. Dazu sei allerdings gesagt, dass der Aufwand an Material und Messmitteln schnell die Kosten für ein fertiges Oszilloskop überschreitet.

=== Umbau ===
Sofern man tatsächlich etwas benötigt, was nicht käuflich zu erwerben ist, kann der Kauf und Umbau eines vorhandenen Gerätes sinnvoll sein.

Auf eBay werden immer noch die Oszilloskope der früheren Firma Wittig (heute Welec), wie zum Beispiel das W2012A, angeboten. Als Alternative zu der fehlerträchtigen Orginalfirmware ist mittlerweile eine Open-Source Variante verfügbar die kontinuierlich weiterentwickelt wird. Ebenfalls wird an Hardware Erweiterungen gearbeitet die die Qualität des Oszilloskops deutlich steigern. Wer sich nicht sicher ist ob das Gerät seinen Ansprüchen genügt sollte bei den Entwicklern nachfragen. [http://sourceforge.net/apps/trac/welecw2000a/wiki] Auch hier ist der Weg das Ziel.

== Siehe auch ==

* [[AVR_Softwarepool#Oszilloskop|AVR Softwarepool: Oszilloskop]]
* [[Einfaches Oszilloskop mit Bascom-AVR]]
* [[USB_Oszilloskop]]
* [[Logic_Analyzer]]
* [[LCS-1M - Ein einfaches, preiswertes, mikrokontrollergesteuertes Zweikanal-Oszilloskop zum Selberbauen | LCS-1M]] ([[Picaxe]])
* [[media:Probe_Fundamentals-_Tektronix.pdf | Probe_Fundamentals-_Tektronix.pdf]] (engl.)
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/389844#4467981 Forumsbeitrag]: Bitte Tipp für ein einfaches Speicheroszilloskop
* [https://www.mikrocontroller.net/topic/205596?goto=5724370#5724370 Forumsbeitrag]: Selbstbauprojekt für optisch getrennten Tastkopf

== Links & Literatur ==
* [http://www.elektronikpraxis.vogel.de/index.cfm?pid=9681 Online-Dossier Grundlagen digitaler Oszilloskope. ] Veröffentlicht auf Elektronikpraxis online
* [http://www.tek.com/Measurement/App_Notes/XYZs/03W_8605_3.pdf XYZs of Oscilloscopes Primer]. Die Grundlagen digitaler Oszilloskope
* [http://www.tek.com/Measurement/App_Notes/ABCsProbes/60W_6053_9.pdf ABCs of Probes Primer]. Die Grundlagen von Tastköpfen
* [http://www.mikrocontroller.net/forum/1?filter=oszi*+-oszillator Forum-Beiträge zum Thema Oszilloskop] (Kaufberatung, Anwendung)
* [http://www.mikrocontroller.net/forum/3?filter=oszi*+-oszillator Beiträge im Markt-Forum]
* [http://www.virtuelles-oszilloskop.de/ Ein virtuelles interaktives Oszilloskop] ala HAMEG HM203-6 20 MHz zum Üben (Seite auf [http://www.virtuelles-oszilloskop.com Englisch])
* [http://www.eosystems.ro/eoscope/eoscope_en.htm Selbstbau-DSO 40MSPS]
* [http://www.sigcon.com/Pubs/straight/probes.htm Probing High-Speed Digital Designs], Originally published in [http://www.elecdesign.com/ Electronic Design Magazine], March, 1997
* [http://hackedgadgets.com/2007/12/10/oscilloscope-tutorials/ Oscilloscope Tutorials] Linkliste bei hackedgadgets.com
* [http://www.eevblog.com/2011/03/30/eevblog-159-oscilloscope-trigger-holdoff-tutorial/ EEVBlog #159] Videotutorial von Dave Jones zu '''Trigger Holdoff''', (engl.)
* [http://www.all-about-test.info/spezial-oszilloskope.html/ Marktübersicht Spezial-Oszilloskope mit Hintergrundinfos]
* [http://oscopes.info/market/2256-usb-oscilloscopes-product-overview-low-end/ Produktübersicht kostengünstige USB-Oszilloskope (englisch)]
* [https://www.youtube.com/watch?v=kUU2afffAdE&list=PLMKxBlyAyypxuaI7pbfRkSryvTDef_Y1S&index=16 Video] von Bob Peace zum Thema Tastköpfe und High Speed Measurements (engl.)
* [http://www.eevblog.com/forum/testgear/digital-oscilloscope-comparison-chart EEVBlog: "Digital Oscilloscope Chart" - Große Vergleichsliste gängiger Digitaloszilloskope (engl.)]
* Isolierte Tastköpfe mit LWL-Kopplung
** [https://www.tek.com/isolated-measurement-systems# IsoVu Isolated Probes] von Tektronix, 200-1000MHz, 14.000-27.000 Euro
** [https://teledynelecroy.com/probes/high-voltage-fiber-optically-isolated-probes High Voltage Fiber Optically-isolated Probes] von Teledyne LeCroy, 60MHz, ca. 3900 Euro bei RS [https://de.rs-online.com/web/p/oszilloskop-tastkopfe/1368330/ 136-8330]
** [https://www.langer-emv.de/en/category/analog/60 Optical fibre cable probes] vom Langer EMV mit 25, 500 und 5000kHz Bandbreite, ca. 1000 Euro
** [https://hackaday.io/project/12231-fiber-optic-isolated-voltage-probe Fiber Optic Isolated Voltage Probe] bei Hackaday, Selbstbauprojekt, 30MHz, ca. 50$

== Software ==
* [http://www.mikrocontroller.net/topic/167705#1602827 WinXP Software für OsziFox/ProbeScope] von Micha B. (chameo)

* [http://users.physik.fu-berlin.de/~jtt/fsc2.phtml fsc2] is a program running under GNU/Linux for controlling spectrometers. Supported devices include digitizing oscilloscopes too:
** Tektronix Digitizing Oscilloscope TDS520, TDS520A, TDS520C, TDS540, TDS744A and TDS754A
** LeCroy Digitizing Oscilloscope 9400, 9410, 9420, 9424, 9424e and 9450(A)
** LeCroy Digitizing Oscilloscope Waverunner and Waverunner-2 (LT224, LT 262, LT264, LT342, LT344, LT354, LT362, LT364, LT372, LT374, LT584, 44(M)Xi, 62X1, 64(M)Xi, 104(M)Xi, 204(M)Xi)
** LeCroy Digitizing Oscilloscope WaveSurfer (422, 424, 432, 434, 452 and 454)

* [http://xoscope.sourceforge.net/ xoscope, oscope] is a digital oscilloscope using input from a sound card or EsounD and/or a ProbeScope/osziFOX and Bitscope hardware. Includes 8 signal displays, variable time scale, math,memory, measurements, and file save/load. (Linux, GPL)

* [http://www.mtoussaint.de/qtdso.html QtDSO] is a frontend for the Velleman PCS64i digital oscilloscope (Anm.: Velleman nicht mehr unterstützt) It provides a fully featured oscillocope mode (including XY plot and math) and a highly configurable spectrum analyzer mode. Für '''Digitalmultimeter''' gibt es vom gleichen Autor [http://www.mtoussaint.de/qtdmm.html QtDMM] und [http://www.mtoussaint.de/qtdmm2.html QtDMM2].

* [http://www.eig.ch/fr/laboratoires/systemes-numeriques/projets/osqoop-l-oscilloscope-libre/index.html Osqoop] est un oscilloscope logiciel sous licence libre. Il permet de travailler sur un nombre arbitraire de canaux et des acquisitions de longue durée. Wiki description: [http://gitorious.org/osqoop Osqoop] is a multi-platform open source software oscilloscope based on Qt 4. It connects to various hardware data sources such as the sound input or a dedicated USB board.

*[http://code.google.com/p/gds2000tools/ gds2000tools] ist eine Linux-Software für GW-Instek GDS-2000 und andere GW-Instek Oszilloskope.

* [https://code.google.com/p/xoscillo/ Xoscillo] - A software oscilloscope that acquires data using an Arduino or a Parallax (more platforms to come). (Lizenz: CC-BY-NC-SA 3.0; Windows and Linux (needs mono))

* [http://sourceforge.net/projects/oscope2100/ Oscope 2100] Linux software für Hantek DSO-2100.

* [http://sourceforge.net/projects/openhantek/ OpenHantek] Linux Software für Hantek (Voltcraft/Darkwire/Protek/Acetech) DSO-2090.

* [http://sourceforge.net/projects/dsoda/ Digital Soda] DSO-2250 Software.

* [http://owondriver.sourceforge.net/ Owon Driver, Ownon Dump] Linux-Treiber für Owon-Oszilloskope.

* [http://sdaaubckp.sourceforge.net/attenload/ Attenload] Linux - fetch data from Atten oscilloscopes via USB

* [http://www.ant.uni-bremen.de/whomes/rinas/agiload/ Agiload] Linux - fetch data and screenshots from Agilent 5462x oscilloscopes - RS232

* [http://foss.doredevelopment.dk/wiki/Lxi-control Lxi-Control] Kommandozeilen-Applikation zur Fernsteuerung von Geräten mit LXI-Schnittstelle.

* [http://gpib-utils.sourceforge.net/ gpib-util] Linux Kommandozeilen-Applikation, unterstützt diverse Oszilloskope (und andere Geräte) mit GPIB-Schnittstelle.

* [http://optics.eee.nottingham.ac.uk/vxi11/ VXI11] Bibliothek und Programme für Geräte mit VXI-11 Schnittstelle.

* [http://sourceforge.net/projects/wfmreader/ Linux WFM Datenformat-Leser].

* [http://sigrok.org/ ''sigrok'' Open Source Signal Analysis Software Suite]

=== Datenauswertung ===

Bei Oszilloskopen (DSOs), die es erlauben, die gemessenen Daten zu einem PC zu übertragen, kann man die Messwerte auf dem PC weiter auswerten. Zum Beispiel ein Signal demodulieren, filtern oder dekodieren. Grundsätzlich ist die Auswertung in jeder Programmiersprache möglich. Programmiersprachen für numerische Berechnungen eignen sich jedoch besonders.

* [http://www.sigrok.org Sigrok] eine open source tool zur Ansteuerung und Auswertung von u.a. digitalen USB-Oszilloskopen

* [http://www.mathworks.com Matlab] und Freie Alternativen wie [http://www.scilab.org/ SciLab] oder [http://www.gnu.org/software/octave/ GNU Octave]

* [http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/?term=Oscilloscope Matlabcentral Fileexchange, Suche nach ''Oscilloscope''] Auf Matlabcentral Fileexchange finden sich auch MatLab Lese- und Auswertungsfunktionen für diverse Oszilloskope. Hinweis: Die von MatLab für die Kommunikation mit einem Oszilloskop verwendeten Toolboxen und Funktionen dürfen aufgrund der Matlabcentral Lizenz nicht mit freien Alternativen verwendet werden. [http://wiki.octave.org/FAQ#Why_can.27t_I_use_code_from_File_Exchange_in_Octave.3F_It.27s_released_under_a_BSD_license.21 siehe GNU OCtave FAQ]

* [http://octave.sourceforge.net/instrument-control/ Octave-Forge instrument-control] für die Kommunikation mit diversen Geräten wie z.B. LXI-compatible Agilent, LeCroy or Tektronix Oszilloskope über VXI11. Außerdem UART, I2C, GPIB usw.

* Eines Ingenieurs angeblich unwürdig<ref>Es ist sehr einfach Fehler in Tabellenkalkulationen zu machen, die typischerweise lange unentdeckt bleiben. [http://www.eusprig.org/ Untersuchungen] haben gezeigt, dass bereits dann bis zu 90% aller Tabellenkalkulationsblätter fehlerhaft sind, wenn es nur um einfache mathematische Grundoperationen (Addieren, Subtrahieren, Multiplizieren, Dividieren) geht.</ref> sind Microsoft Excel oder andere Tabellenkalkulationen. Trotzdem sind sie zur Datenauswertung populär und auch geeignet, wenn sie richtig gehandhabt werden.

== Fußnoten ==
<references />

[[Category:Grundlagen]]
[[Category:Oszilloskope und Analyzer| ]]