Grundlagen Elektrische Messtechnik Teil 1 – Strom und Spannung richtig einsetzen

Ausgabe 171 (11/2023)

Grundlagen Elektrische Messtechnik Teil 1 – Strom und Spannung richtig einsetzen

Dieser Artikel ist der Start einer kleinen Reihe zu den Grundlagen der elektrischen Messtechnik. In dieser Folge wird der Einsatz von Strom und Spannung diskutiert.
Der Widerstand R einer Probe (gerne auch als DUT Device Under Test bezeichnet) ist gegeben durch das Verhältnis aus Spannung U und Strom I:
R = U/I
Dieser allseits bekannte lineare Zusammenhang wird als Ohm’scher Widerstand oder Ohm’sches Verhalten bezeichnet. Um nun den Widerstand zu ermitteln, muss man also den Strom und die Spannung kennen.
In der Praxis erreicht man dieses, indem man entweder mit einer Spannungsquelle (VS: Voltage Source) die Spannung vorgibt und den fließenden Strom misst oder man gibt über eine Stromquelle (CS: Current Source) einen bestimmten Strom vor und misst die anliegende Spannung. Auf den ersten (flüchtigen) Blick sehen beide Vorgehensweisen ähnlich oder gar gleich gut aus. Doch bei genauer Betrachtung ist das nicht der Fall.
Nehmen wir die Faustregel vorweg. Diese besagt, dass man bei kleinen Widerständen eine Stromquelle nutzt und die Spannung misst. Bei hohen Widerständen, circa ab 10 Megaohm, ist es hingegen besser, eine Spannungsquelle zu nutzen und den Strom zu messen.

Grundlagen Elektrische Messtechnik Teil 1 — 4- Punkt-Messung mit einer Stromquelle

Für eine Probe mit einem hohen Widerstand kommt die Kapazität der Messkabel ins Spiel. Hier erfolgt das „Aufladen“ mit einer Spannung schneller als bei der Verwendung einer Stromquelle.. Der Vorteil für den Anwender liegt somit in der Messzeit.. Ein weiterer Grund liegt im thermischen Rauschen des Stromes (Aufbau Spannungsquelle). Das Stromrauschen wird bei hohen Widerständen geringer – entsprechend Formel [1]. Demgegenüber steigt das thermische Rauschen der Spannung beim Stromquellen-Aufbau mit steigendem Widerstand - siehe Formel [2].

IRMS ~ √{1/R} [1]
URMS ~ √{R} [2]

Proben mit kleinen Widerständen können z. B. LEDs, Dioden, Metalle, Legierungen und Supraleiter (R=0) sein. Hier ist es zudem sinnvoll, den Strom zu kontrollieren. Man möchte eine Strom-Spannungs-Charakteristik erstellen und setzt mehrere Anregungspunkte. Im Falle einer Spannungsquelle könnte der Strom unter Umständen unbeabsichtigt stark ansteigen und damit eine starke unerwünschte Aufheizung zur Folge haben.

Was auch immer Ihre Probe erfordern, mit dem M81-SSM von LakeShore / Quantum Design sind Sie dahingegen bestens aufgestellt. Das M81 ist eine Gerätefamilie, die sowohl als Stromquelle + Spannungsmessung als auch als Spannungsquelle + Strommessung eingesetzt werden kann. Diese Flexibilität ergibt sich aus dem modularen Konzept des M81. Gerne stellen wir Ihnen das System näher vor.