ESR-Meter

Mit dem hier vorgestellten Messgerät kann man den Ersatz-Serienwiderstand von Elektrolyt-Kondensatoren ausmessen und somit beurteilen, ob der Kondensator in Ordnung ist. Das Gerät stammt originalerweise aus dem ELVjournal, Ausgabe 4/2002, wurde aber - wie schon der 18V-Akkulader - teilweise umgebaut, es besitzt in dieser Version statt einem LCD eine LED-Siebensegment-Anzeige und wird stationär durch ein Netzgerät mit 9 bis 12 Volt versorgt, wodurch auch die Auto-Power-Off-Schaltung des Originalgerätes wegfällt.

Technischer Hintergrund

Jeder Kondensator besitzt prinzipiell drei parasitäre Komponenten: Eine Serieninduktivität Ls, bedingt durch die Anschlussdrähte, einen Parallelwiderstand Rp, bedingt durch Leckströme, sowie einen Serienwiderstand Rs.

Ersatzschaltbild eines Kondensators

Je niedriger dieser Serienwiderstand Rs (engl. ESR, equivalent series resistance) ist, umso besser ist der Kondensator. Der ESR steigt mit zunehmendem Alter und mit hoher Temperaturbelastung an, und ein zu hoher ESR kann zu Ausfällen des Gerätes führen (ein berühmter Fehler unter anderem bei Schaltnetzteilen!).

Mit dem hier vorgestellten Gerät kann der ESR eines Kondensators bestimmt und so dessen Zustand ermittelt werden. Darüberhinaus ist es auch noch als Ohmmeter im Bereich zwischen 0 und 20 Ohm zu gebrauchen. Es misst - im Gegensatz zu herkömmlichen Ohmmetern - mit einer Wechselspannung mit einer Frequenz von etwa 60 kHz, womit der im Bild oben gezeichnete (ideale) Kondensator C praktisch als Kurzschluss fungiert und nur der ESR Rs (und die im Vergleich dazu vernachlässigbare Serieninduktivität Ls) ausgemessen wird.

Die Schaltung

Hier gibt es den Schaltplan des ESR-Meters (PDF-Datei).

Auf Seite 2 ist oben links im Schaltbild die Stromversorgung zu sehen. Das Gerät benötigt eine Gleichspannung im Bereich von etwa 9 bis 12 Volt, die einmal direkt zur Versorgung des OpAmps verwendet wird und zusätzlich mit IC3 auf 5V stabilisiert wird. Die Diode D1 dient als Verpolungsschutz, C2, C3, C7 und C8 stabilisieren die Spannungen vor und nach dem Regler.

Darunter ist der Oszillatorteil zu sehen, der mit einem IC des Typs NE555 aufgebaut ist. (In der Originalschaltung wurde ein stromsparender ICM7555 verwendet, was jedoch hier wegen der Versorgung aus einem Netzteil nicht nötig ist.) Der NE555 ist als astabiler Multivibrator geschaltet, dessen Frequenz von R3 und C1 bestimmt wird. Am Ausgang, Pin 3, steht ein Rechtecksignal mit einer Frequenz von ungefähr 60 kHz an, das über die beiden Tiefpässe R5/C4 und R7/C6 geschickt wird und danach in etwa Sinusform hat. Über den Treibertransistor T1 und die Koppelkondensatoren C9 und C10 wird es auf den Messeingang gegeben, an den der zu messende Kondensator angeschlossen wird. Der Spannungsabfall über dem Kondensator wird am Verbindungspunkt C9/C10 abgenommen und gelangt auf 3 hintereinander geschaltete Operationsverstärkerstufen, die das Signal jeweils etwa um den Faktor 4,5 verstärken, insgesamt also um den Faktor 90. Mit IC1D ist ein Spitzenwertgleichrichter aufgebaut, der das Signal gleichrichtet. Anschließend wird es mit R15/C13 gefiltert und gelangt auf den Eingang IN_HI des ICL7107. Der Pegel an IN_LO kann über das Poti P3 verändert werden, womit ein Nullpunktabgleich durchgeführt werden kann.

Der ICL7107 ist ein integrierter Chip, der neben einer AD-Wandlerschaltung auch einen Zähler und Anzeigetreiber beinhaltet. Er vergleicht die Eingangsspannung an IN_HI und IN_LO mit einer vorgegebenen Referenzspannung an REF_HI und REF_LO und ermittelt so den Anzeigewert. Letztere wird beim ESR-Meter aus der 1,2V-Referenzdiode D7 vom Typ LM385 erzeugt, mit P4 kann die Referenzspannung abgeglichen und somit die Verstärkung des ESR-Meters eingestellt werden. Für die Generierung der notwendigen negativen Hilfsspannung wird das Oszillatorsignal an Pin 38 auf Inverter vom Typ 4049 gegeben, die zusammen mit C15, D5, D6 und C17 eine Ladungspumpe bilden. An C17 entsteht so eine negative Spannung von ca. -6 bis -7V.

Nachbau und Abgleich

Mein allererstes ESR-Meter habe ich auf einer Lochrasterplatine aufgebaut, was aufgrund der vielen Verbindungen zwischen ICL7107 und den Siebensegmentanzeigen schon ein nettes Stück Arbeit war. Hier könnt ihr euch den zugehörigen Aufbauplan als Bild ansehen.

Vorderseite des Lochraster-Aufbaus
Rückseite des Lochraster-Aufbaus

Inzwischen gibt es - nach einer Version 1 mit "echter" Platine, designed in Target - eine Version 2.1, wieder mit "echter" Platine, die in KiCAD entstanden ist und speziell für ein Teko-Gehäuse angepasst ist.

Das folgende Bild zeigt Version 2.0, auf der noch ein paar kleinere Schaltungsfehler enthalten sind. Sie sind in Version 2.1 behoben. Die Leiterplatte habe ich bei PCB-Joker herstellen lassen, diesmal hatte ich Glück und hab todschicke weiße Leiterplatten in Standarddicke 1,6mm erhalten :-)

ESR-Meter Version 2.0

Das komplette KiCAD-Projekt, inkl. PDFs für Schaltplan, Bestückungsplan, Layout und einer umfangreichen Materialliste mit Bestellangaben könnt ihr euch hier herunterladen. Im Unterverzeichnis kicad/CAM liegen auch Gerber-Dateien bereit, die ihr direkt an euren favorisierten Leiterplattenhersteller senden könnt. Am oberen Rand des Gehäuses sind eine DC-Hohlbuchse zum Anschluss eines (Stecker-)Netzteils und ein Schiebeschalter zum Ein- und Ausschalten des ESR-Meters eingebaut.

Man sollte, wenn man die Messleitungen steckbar machen möchte, zumindest immer die gleichen Messleitungen verwenden und die beiden einzelnen Leitungen zusammenbinden (Schrumpfschlauchstückchen oder Klebeband), da sich ansonsten der Nullpunkt verändern könnte! Aus diesem Grund sind die Messleitungen bei mir fest angelötet und als einfache 2x 0,5mm² Zwillingslitze ausgeführt, die an den Enden mit IC-Prüfklemmen versehen sind.

ESR-Meter geöffnet

Nach dem Aufbau der Schaltung sollte man zunächst ohne eingesetzte ICs die Betriebsspannung anlegen. Der Dezimalpunkt in der zweiten Stelle sollte dann schon leuchten, da er über einen Widerstand fest aktiviert ist. Jetzt kann man die Betriebsspannungen an den IC-Sockeln messen und schauen, ob alle korrekt vorhanden sind (die negative Spannung für den ICL7107 fehlt natürlich noch). Anschließend kann man die ICs einsetzen und die Spannung wieder anschalten.

Der Abgleich gestaltet sich relativ einfach. Nach dem Einschalten des Gerätes werden die Messleitungen zusammengehalten. Der Trimmer P3 wird nun so eingestellt, dass das Display null anzeigt (eventuell muss man auch an P4 etwas drehen, bis man die Null "einfangen" kann). Anschließend wird ein Widerstand mit ca. 10 Ohm, dessen genauer Wert vorher mit dem Multimeter ausgemessen wurde, angeschlossen und das Display mit P4 auf diesen Wert abgeglichen. Das war's auch schon.

ESR-Meter eingebaut ins Gehäuse

Messpraxis

Für die Messung müssen die Elkos nicht zwingend ausgebaut werden, man kann sie auch direkt in der Schaltung vermessen. Ganz prinzipiell gilt:

Je KLEINER die Kapazität und je HÖHER die Nennspannung, desto HÖHER darf der ESR-Wert sein.

Ich hab mir mal ein paar Elkos aus meiner Sammlung vorgenommen und einige Durchschnittswerte für verschiedene Kapazitäten und Nennspannungen ermittelt und mit den Angaben von ELV aus deren Bedienungsanleitung zum ESR1 zusammengefasst, das Ergebnis zeigt die folgende Tabelle:

16..35V 50..63V 100V 350..400V
1µF 3.3Ω 3.8Ω
2.2µF 2.0Ω 2.7Ω
4.7µF 2.3Ω 1.3Ω 2.4Ω
10µF 0.8Ω 2.2Ω 2.9Ω
47µF 0.6Ω 0.5Ω 0.4Ω 0.4Ω
100µF 0.2Ω 0.4Ω 0.3Ω
470µF 0.3Ω 0.4Ω
1000µF 0.2Ω 0.1Ω
2200µF 0.1Ω 0.1Ω

Das Ganze gilt natürlich nur als Richtwert. Ein Elko, der knapp über den angegebenen Werten liegt, ist deswegen noch nicht unbedingt schlecht. Erst wenn der Wert deutlich überschritten wird (beispielsweise mehr als das Dreifache), sollte man an einen Ersatz denken. Im Zweifelsfall kann man den Wert immer mit einem Elko mit gleichen oder möglichst ähnlichen Daten vergleichen.

Und jetzt folgt zum Abschluss noch der ultimative Elko-Contest. Es treten an: drei Kandidaten mit jeweils 100µF und Nennspannungen von 10 bis 50V.

Die Testkandidaten

Links im Bild ein Typ mit 10V-Nennspannung eines Herstellers mit den Buchstaben "HL" im Logo, in der Mitte ein alter Philips-Elko mit 25V, und ganz rechts ein noch recht neuer mit 50V-Nennspannung vermutlich aus der SG-Serie von Samwha, gekauft bei Reichelt. Lassen wir die drei mal gegeneinander antreten:

InFocus LP820 InFocus LP820 InFocus LP820

Der 10V-Elko hat mit 0,83 Ohm den höchsten Wert, trotz der geringsten Nennspannung. Da sollte man sich schon überlegen, ob man den noch verwenden möchte - zur Spannungspufferung in einem Netzteil würd ich ihn nicht mehr einsetzen. Der Philips-Elko überrascht, da er trotz seines Alters den geringsten ESR mit 0,21 Ohm hat. Respekt! Das war halt noch ein Qualitätsprodukt. Aber auch der neue Elko ganz rechts spielt gut mit, da er mit 50V eine doppelt so hohe Nennspannung wie der Philips hat, gehen die 0,34 Ohm noch völlig in Ordnung.


Download Version 2.1 (KiCAD)

Hier gibt es die kompletten Unterlagen (Schaltplan, Bestückungsplan, Layout, Stückliste) als PDFs sowie das komplette KiCAD-Projekt.

Download Version 1 (Target, alt)

Hier gibt es noch die alte Version V1 zum Download.
Hinweis: Bei den Layouts ist die Seite mit der Kupferfläche die LÖTSEITE.

Schaltplan ESR-Meter (PDF)
Bestückungsplan und Layout (PDF)
Target-Projekt (gezippte T3000-Datei)


Nachbauten

Einen ersten Prototypen, basierend auf Version 1 hat Robert gebaut. Dabei kamen zwei Fehler heraus, zum Einen war die Tausender-Stelle nicht richtig verschaltet (Segmente a, b statt b, c), zum Anderen war der Platz für die 4,7µF-Kondensatoren zu knapp bemessen. Beide Fehler sind im oben verlinkten Design bereits behoben.

Hier ein Foto seines Prototypen:

ESR-Meter Prototyp (Robert)

Ein weiteres Gerät hat Thomas gebaut. Er hat ebenfalls das Layout zu Version 1 verwendet und die Platinen selbst geätzt (!). Hier zwei Fotos des fertigen Gerätes:

ESR-Meter (Thomas)
ESR-Meter Innenansicht (Thomas)

Hier noch zwei Fotos von Martin, der es meinem ersten ESR-Meter gleich getan hat und das Gerät ebenfalls auf Lochrasterplatinen aufgebaut hat:

ESR-Meter (Martin)
ESR-Meter Innenansicht (Martin)

Auch von der neuen KiCAD-Version 2 gibt es bereits Nachbauten. Andreas hat das ESR-Meter auf einer im wahrsten Sinne des Wortes "handgefertigten" Platine untergebracht, und sich die Standardwerte aus meiner Tabelle auf das Gehäuse notiert. Sehr schöne Arbeit!!

ESR-Meter (Andreas)
ESR-Meter (Andreas)

Und hier ein ESR-Meter von Antonio aus Spanien, der trotz Schwierigkeiten bei der Bauteilbeschaffung (in Spanien bekommt man wohl Bauteile nicht ganz so leicht wie bei uns) sein Gerät aufbauen konnte:

ESR-Meter (Antonio)
ESR-Meter (Antonio)
ESR-Meter (Antonio)

Von Benjamin kommt ein Nachbau mit einem veränderten Layout, das nur eine einseitige Platine hat und dafür ein paar Drahtbrücken benötigt. Das zugehörige Layout als Target-File könnt ihr hier herunterladen.

ESR-Meter (Benjamin)
ESR-Meter (Benjamin)
ESR-Meter (Benjamin)