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ESR-Meter
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TipFox
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Beitrag1/4, Verfasst am: 08.03.2012, 20:44   

Betreff:   ESR-Meter
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Liebe Bastelfreunde,

im Folgenden soll es um den Bau eines einfachen "ESR"-Messgerätes für Netzteilelkos gehen - gemeint sind Elkos über 100µF, also ausdrücklich nicht die üblichen Netzteilelkos von RöhrenGeräten.

"ESR" steht hier in Anführungsstrichen, weil eigentlich der Wechselstromwiderstand "gemessen" wird. Allerdings geschieht dies bei einer Messfrequenz von ca. 100 KHz, wodurch man bei grossen Kondensatoren den Einfluss von XC vernachlässigen kann - und dann ist man beim ESR.

OK - aber Eines nach dem Anderen ...

Ich denke, zunächst muss man sich klar machen, welche KennGrößen man bei einem realen Kondesator vorfindet. Wir Bastler gehen ja meist unbewusst von einem idealen Kondensator aus, wenn wir "Kondensator" sagen. Dass Kondensatoren aber eben keine idealen Bauteile sind, kennen wir alle aus der Praxis.

Bei unseren alten RöhrenGeräten macht uns Reststrom zu schaffen, bei Schaltnetzteilen spielt uns der ESR einen Streich und bei sehr hohen Frequenzen gibt es dann auch noch einen ESL, der uns zur Verzweiflung treiben kann - hat sich was mit "einfacher" Kondensator Wink

Hier also zunächst mal das Ersatzschaltbild eines realen Kondensators:





Nehmen wir uns also die Bestandteile im Einzelnen vor:

- C ist die reine Kapazität des Kondensators

- R Iso ist der Isolationswiderstand. Dieser ist ein ganz Hinterhältiger Wink. Wenn dieser Widerstand zu klein ist, kann der Kondensator seine Aufgabe(n) nicht mehr erfüllen, schlimmer noch: jede weitere Messung an diesem C erzeugt nur noch "Hausnummern". Wenn also bei Euch das schicke digitale LCR-Meter mehr Kapazität anzeigt, als aufgedruckt ist - dann solltet Ihr von einem Defekt ausgehen! Das liegt daran, dass diese Geräte eben auch einfach so tun, als sei der R Iso nicht vorhanden. Ist er es doch, messen sie nur noch Müll. Und ein ESR von "0" ist auch nur scheinbar toll Wink

Das ist also der Parameter, den man als erstes kontrollieren muss, wenn man einen Kondensator überprüft !!!


- ESL, die "effektive serielle Induktivität" ist die Zusammenfassung aller induktiven Anteile eines realen Kondensators. Im "Alltag" haben wir damit kaum zu tun, weil er sich erst bei hohen Frequenzen spürbar auswirkt. Wer in UKW- oder gar Fernsehtunern Kondensatoren tauschen muss, sollte ihn aber unbedingt im Hinterkopf behalten!

- ESR, der "effektive serielle Widerstand" ist praktisch die Zusammenfassung aller ohmschen Anteile eines Kondensators, da fallen natürlich auch die Anschlussdrähte darunter.

Im Bereich der alten RöhrenGeräte haben wir damit wenig zu tun - der Reststrom überwiegt hier in den meisten Fällen und die Strombelastung der Elkos hält sich in Grenzen...

Ganz anders bei modernen Schaltnetzteilen, da kann ein erhöhter ESR die Funktion behindern oder sogar zu überhitzung und Platzen eines Elkos führen. Dort sind aus diesem Grund oft viele Kondenstoren kleinerer Kapazität parallel geschaltet, das verringert den ESR und verteilt die entstehende Wärme.

Was das Ersatzschaltbild auch zeigt: je höher die Frequenz wird, um so mehr nähert sich "Widerstand" C (also XC) einem Wechselstrom-Kurzschluss, bleiben also noch ESL und ESR. Da für die Funktion eine Elkos in einem Schaltnetzteil sowohl ESL als auch ESR schädlich sind, darf man für eine "Gut/Schlecht"-Aussage in Kauf nehmen, dass ESL ins Ergebnis eingeht. Bei 100KHz sollte dieser auch sehr gering sein.

Ein "ESR"-Meter in diesem Sinne wäre also ein Wechselstrom-Ohmmeter mit einer Arbeitsfrequenz um 100KHz - gängige ESR-Messgeräte arbeiten auch meist mit dieser Frequenz.

natürlich gibt es so etwas zu kaufen, Bausatz um 50€, Fertig um 80€, kommerzielle Geräte nach oben offen, da gibt es scheinbar noch nicht mal eine Anstandsgrenze ...

Ich will natürlich nicht Alles neu erfinden, also habe ich mich etwas im Internet umgesehen. Es gibt zahlreiche Ideen und BauVorschläge, teilweise recht aufwendig. Fasziniert hat mich folgende relativ simple Schaltung eines Funkamateurs (DK1RM) :





Auf der Schaltung befindet sich der Hinweis, dass die ursprüngliche Idee für die Messmethode von einem anderen Funkamateur, nämlich von VE2AZX stammt. Wer sich die "Uridee" ansehen möchte: Hier ist die PDF.

Also wenn ich schon die Idee toll finde - die Umsetzung durch DK1RM finde ich einfach genial. Sehr überschaubar und verständlich, praxisorientierter Aufwand. Man kann damit natürlich nicht wirklich absolute ESR-Werte messen - das dürfte schon an einer geeichten Skala scheitern - aber wenn von zwei 1000µF-Kondensatoren ein gemessener "ESR" kleiner ist als der andere, dann weiss ich welcher der bessere Kondensator ist - das reicht mir Wink

Genau nach diesem Schema will ich mir ein ähnliches Gerät bauen - der Testaufbau läuft bereits und ich kann hier daher die Schaltung(en) bringen.

Wegen der übersichtlichkeit habe ich das Projekt in Blöcke unterteilt, die da wären:

- 100 KHz-Ozillator
- Puffer/Treiber
- Stromtransformatoren (oder Messwandler)
- Messverstärker
- Gleichrichtung und Anzeige

Hier also zunächst der 100KHz-Oszillator - real läuft er bei mir mit 96 KHz:





Das ist so weit dem Original entnommen, Unterschiede sind durch anderen FET, Ringkern usw. bedingt. Im Unterschied zum Original entkoppele ich diesen Teil gesondert über 33 Ohm von der Betriebsspannung. Bei 100 Ohm schwang der Oszillator erst bei 8V an - so liege ich bei knapp 5V und kann einen 9V-Block bis zu völligen Entleerung benutzen.

Es folgt der Puffer/Treiber, er arbeitet auf eine Ringkernspule mit 120 Windungen - gemessene 11mH, spielt hier aber keine Rolle, solange L Größer als 1 mH ist. Diese Spule ist die Primärseite des 1. Stromwandlers (oder Trafos) - die Sekundärseite wird später durch die Messschleife gebildet. Auch diese Baugruppe wird entkoppelt (über 100 Ohm/10µF) mit Spannung versorgt






Die Messchleife, die die Sekundärseite des 1. Trafos bildet, ist gleichzeitig Primärseite des 2. Trafos. Dessen Sekundärseite ist ein gleicher Ringkern mit ebenfalls 120 Windungen. Das von diesem Ringkern gelieferte Signal wird dem Messverstärker, der natürlich erst recht entkoppelt mit Betriebsspannung versorgt wird, zugeführt:





Bei 9V Betriebsspannung kann ich am Ausgang knapp 8vss messen - die Arbeitspunkte wurden unter Last so eingestellt, dass das Signal möglichst beim Sinus bleibt - ganz gelingt das aber nicht...

Was noch fehlt ist die Gleichrichtung und Anzeige, die Ihr hier seht. Die Anschaltung des Messinstrumentes (aus altem Multimeter) habe ich so angepasst, dass ich bequem den Nullpunkt einstellen kann. Das Instrument ist mit 2 antiparallel geschalteten Dioden vor Überspannung geschützt. Zudem bedämpfen die Dioden die Zeigerbewegung, wenn das Instrument schnell bewegt wird. Das ist hier aber nicht so wichtig, dass Instrument hat eine Wirbelstrombremse - selbst bei Überspannung "knallt" der Zeiger also nicht an den Anschlag.

Hier die Schaltung:






Wie schon erwähnt, ist der Testaufbau schon funktionsbereit - hier ein Bild aus dem Chaos. Stört Euch nicht an den "S-Units", an eine Skala kann ich erst beim endgültigen Aufbau denken :





Als Messschleife habe ich hochflexible Leitung mit viel Querschnitt genommen - je niederohmiger man hier wird, um so Größer ist der ausnutzbare Bereich. An die vom Urheber angegebenen 20 Ohm komme ich jedoch bei weitem nicht heran, bei mir ist bei etwa 10 Ohm Schluss. Das macht aber gar nichts, weil jeder Netzteilelko > 100µF mit mehr als 0,5 Ohm als schlecht angesehen werden kann...

P.S.: hab gerade gesehen, dass ich mich vertan habe. Der Urheber gibt nicht 20 Ohm sondern 2 Ohm an. Dann bin ich mit den erreichten letztlich 5 Ohm sehr zufrieden Wink





Nun muss ich wohl das Ganze noch einmal aufbauen - dieses Mal so, dass es in das Messgeräte-Gehäuse passt. Schau'n 'mer mal Wink


Faszinierend ist hier für mich die Art und Weise, wie ein HF-Signal mit einer Kurzschlussleitung einfach ein- und ausgeschaltet werden kann. Man stelle sich vor: eine Morsetaste an der Messchleife, eine Antennenanpassung anstelle der Gleichrichtung - fertig ist ein Morsesender, der die Taste völlig kalt lässt Wink

Wenn man die Gleichrichtung durch einen Diodendetektor ersetzt, kann man sehr kleine Spannungen verstärken. Angeschlossen an die Messchleife wird das HF-Signal damit moduliert und nach dem Detektor bleibt die verstärkte Spannung übrig. Auf diese Weise könnte man z.B. ein Bändchenmikro ohne Übertrager betreiben. Jedenfalls ist eine Gitarrenseite, wenn man einen Magneten daneben hält, deutlich im Kopfhörer zu hören.

Daraus ergibt sich natürlich auch die Möglichkeit eines AM-Senders ...



Genau darum baue ich so etwas gerne selber - man versteht einfach mehr und hat mehr davon Wink
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Gruß TipFox

Zuletzt bearbeitet von TipFox am 18.08.2022, 22:31, insgesamt 11-mal bearbeitet
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Beitrag2/4, Verfasst am: 13.03.2012, 22:54   

Betreff:
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Das Gerät ist nun fertig aufgebaut und funktioniert. Was noch fehlt, ist die Skala - da muss ich mir erst einmal überlegen, wie ich die einigermaßen genau hin bekomme ...

Hier schon mal eine Innenansicht des fertigen Aufbaus:

Nach ersten Versuchen wird der nutzbare Bereich bis 5 Ohm reichen. Darüber gibt es zwar noch einen Ausschlag, aber das kann man nicht mehr als "Messwert" bezeichnen.





Der Bereich ist völlig ausreichend - ich habe festgestellt, dass selbst bei einem 47µF-Kondensator noch ein brauchbarer Ausschlag vorhanden ist - was will man mehr ?
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Zuletzt bearbeitet von TipFox am 18.08.2022, 22:42, insgesamt 3-mal bearbeitet
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Beitrag3/4, Verfasst am: 14.03.2012, 16:22   

Betreff: Fertiges Gerät
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Das Gerät ist heute fertig geworden, hier ein Bild:





Die Skala wurde abgeglichen mit abgemessenen Kupferdrahtstücken, die biffilar aufgewickelt wurden, um induktiven Einfluss möglichst klein zu halten.

Wie schwierig das ist, sieht man auf dem Foto: da ist noch der 0,1 Ohm - Draht angelötet, angezeigt wird aber etwa 0,15 Ohm. Das ist kein Fehler sondern liegt daran, dass ich beim Fotografieren den Draht nicht spannen kann, die Teilstücke also nicht parallel verlaufen. Sofort kommt Induktivität ins Spiel und geht in das Messergebnis ein. Da merkt man eben doch, dass hier Z und nicht der "ESR" gemessen wird - daher habe ich auf der Skala auch keinen "ESR" erwähnt.

Im Umkehrschluss heisst das, man kann mit diesem Gerät auch sehr kleine Induktivitäten bestimmen kann - mit etwas Rechenaufwand. Dazu muss man aber erst die Messfrequenz exakt bestimmen - "ca. 100KHz" reicht da nicht mehr ...
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Gruß TipFox

Zuletzt bearbeitet von TipFox am 18.08.2022, 22:44, insgesamt 3-mal bearbeitet
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Beitrag4/4, Verfasst am: 30.03.2012, 15:35   

Betreff: Erfahrungen
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Das Gerät hat sich mittlerweile bereits bewährt. Man kann damit schon im eingebauten Zustand defekte C's erkennen - man hat sehr schnell ganze Platinen überprüft. In alten Schaltnetzteilen findet man regelmäßig schlechte C's ...
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