Impedanz-Analysator und LCR-Meter - was ist der Unterschied?

Zwei ähnliche Messgeräte-Typen mit einem kleinen Unterschied

Was ist Impedanz?

Die Impedanz ist der Wechselstrom-Widerstand.
Während sich der Gleichstrom-Widerstand recht einfach durch das ohm'sche Gesetzt beschreiben lässte (Widerstand R ist das Verhältnis von Spannung zu Strom, also R = U / I, alles Gleichgrößen), ist die Darstellung im Wechselstromkreis komplizierter. Spannung und Strom sind hier im Optimalfall möglichst perfekt sinusförmige Wechselgrößen, die auch phasenverschoben auftreten können. Dies geschieht durch den Einfluss der Impedanz. Während der ohm'sche Anteil (R) keine Phasenverschiebung auslöst, sorgt eine Kapazität C dafür, dass der Strom gegenüber der Spannung "vorauseilt" oder eine Induktivität (L), dass der Strom sich gegenüber der Spannung "verspätet". Der Widerstand im Wechselstromkreis (die Impedanz) ist daher eine komplexe Funktion der Frequenz. Der Betrag der komplexen Impedanz wird als Scheinwiderstand bezeichnet. Abweichend von dieser physikalisch korrekten Definition wird häufig der Begriff Impedanz auch für den Scheinwiderstand (Betrag der Impedanz) verwendet.

Impedanz ist demnach eine wichtige Größe in der Elektrotechnik. Die passiven Bauelemente Spule (Induktivität/L), Kondensator (Kapazität/C) und ohm'scher Widerstand gehören zum Grundbaukasten jeder Schaltung und ihre Spezifizierung und Prüfung sind enorm wichtig. Aber auch die Impedanz von Leitungen, Batterien und ganzen Baugruppen, oft auch als eigentlich ungewollter Effekt, ist je nach Anwendung von großer Bedeutung.

LCR als Bauelement - Spule, Kondensator, Widerstand

• Das Bauelement Spule ist ein (meist um einen Spulenkern) aufgewickelter Draht mit voneinander isolierten Windungen. Wichtigster Kennwert ist ihre Induktivität L, gemessen in der Einheit Henry, definiert als: 1 H = 1 Vs / A = 1 Ωs.
• Das Bauelement Kondensator besteht aus zwei Elektroden, die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Wichtigste Kenngröße ist die Kapazität C als das Verhältnis der Ladungsmenge Q, die auf den Elektroden gespeichert ist und der zwischen ihnen herrschenden Spannung: C = Q / U. Die Einheit ist Farad: 1 F = 1 As / 1 V = 1 C / 1 V.
• Das Bauelement Widerstand ist der ohm'schen Widerstand, definiert als R = U / I in der Einheit Ohm (Ω).

Die Messung der Kenngrößen L, C und R ist bei den Bauelementen erforderlich, um sie zu charakterisieren, zu prüfen und zu sortieren.

LCR-Meter und Impedanz-Analysator

Die Impedanz ist das Verhältnis von Spannung und Strom als komplexe Funktion der Frequenz. Beim Messen und Testen spielen also Spannung, Strom und Frequenz eine Rolle. Durch das Messen des phasenabhängigen Verhältnisses von Spannung zu Strom können die grundlegenden Impedanz-Werte erfasst werden. Dabei werden verschiedene Messprinzipien eingesetzt, auf die hier nicht näher eingegangen werden soll. Letztendlich werden Parameter wie Kapazität, Induktivität und Widerstand oder Q-Faktor und Verlustleistung gemessen bzw. aus gemessenen Werten rechnerisch abgeleitet.

LCR-Meter, Beispiel HIOKI IM3536

Ein LCR-Meter arbeitet dabei meistens mit einem festen Satz an Test-Frequenzen und Test-Spannungen. Somit lassen sich feste Kenngrößen wie eben L, C und R ermitteln und numerisch anzeigen. Sinn und Zweck ist es, die elektronischen Eigenschaften dieser Bauelemente zu charakterisieren, zu prüfen und sie zu klassifizieren oder die Bauteile für ganze Baugruppen wie Schwingkreisen oder Filtern mit der interessierenden Frequenz zu testen. Für einfachere und mobile Anwendungen sind LCR-Meter als Handheld-Geräte oder in Pinzetten-Bauform erhältlich. Nachdem bei Bauteilprüfungen in großem Stil jedoch auch die Geschwindigkeit und/oder die Genauigkeit eine Rolle spielt, sind größere LCR-Meter für Produktionstests daraufhin optimiert.

Impedanz-Analysator, Beispiel HIOKI IM3570

Im Gegensatz zum LCR-Meter verfügt ein Impedanz-Analysator zusätzlich über die Funktionen, Frequenzbereiche per Sweep zu durchlaufen ("wobbeln"). So können die Impedanz-Parameter nicht nur als feste Werte numerisch, sondern als Kurven grafisch dargestellt werden. Die Anwendung von Impedanz-Analysatoren liegt ebenfalls in der Charakterisierung von Bauelemente und Baugruppen, allerdings statt mit festen Frequenzen eben über einen weiten Frequenzbereich. Dazu kommen Bereiche wie Materialanalyse und Komponentenprüfung oder auch die Impedanz-Prüfungen an Batterien. Da es bei der Übertragung von Wechselspannung an Impedanzen zu Reflexionen von Wellen kommt, ist für Impedanz-Analysatoren auch der Reflexionsfaktor r von Interesse. So tritt zum Beispiel eine Änderung der Impedanz des Übertragungsmittels von Messleitungen zu den Eingänge von Messgeräten wie Oszilloskopen, Spektrum-Analysatoren und VNA auf, die eine Impedanzanpassung erfordern.

Die Übergänge zwischen den Gerätetypen können fließend sein: Manche LCR-Meter arbeiten mit vielen Testfrequenzen und können aus den so ermittelten vielen Parameter eine Kurve interpolieren. Umgekehrt können Impedanz-Analysatoren ähnlich einem LCR-Meter mit einer festen Frequenz feste Impedanz-Parameter ermitteln.