ESR-Meßgerät (Elko-Tester)
Mit dem hier vorgestellten Messgerät kann man den Ersatz-Serienwiderstand von Elektrolyt-Kondensatoren und auch von Akkumulatoren (!) ausmessen. Das Gerät stammt originalerweise aus dem ELVjournal, Ausgabe 4/2002, wurde aber - wie schon der 18V-Akkulader - teilweise umgebaut, es besitzt in dieser Version 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.
Je niedriger der Ersatz-Serienwiderstand ( 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 ( Stichwort: Schaltnetzteile !! ).
Mit dem hier vorgestellten Gerät kann der ESR eines Kondensators näherungsweise bestimmt und so dessen Zustand ermittelt werden. Auch Akkumulatoren können auf diese Weise ausgemessen und beurteilt werden, und 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 ( ideale ) Kondensator praktisch als Kurzschluss fungiert und nur der ESR ausgemessen wird.
Die Schaltung
Hier gibt es den Schaltplan des ESR-Meters (PDF-Datei).Oben links im Schaltbild ist die Stromversorgung zu sehen. Das Gerät benötigt eine Gleichspannung im Bereich von etwa 9 bis 12 Volt, die einmal direkt verwendet wird und zusätzlich mit IC1 auf 5V stabilisiert wird. Die Diode D1 dient als Verpolungsschutz, C1 bis C4 stabilisieren die Spannungen.
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 dank Netzteilversorgung nicht nötig ist.) Am Ausgang, Pin 3, steht ein Rechtecksignal mit einer Frequenz von ungefähr 60 kHz an, das über die beiden Tiefpässe R2/C7 und R3/C8 geschickt wird und danach in etwa Sinusform hat. Über den Treibertransistor T1 wird es gleichspannungsentkoppelt auf den Messeingang gegeben, an den der zu messende Kondensator angeschlossen wird. Der Spannungsabfall über dem Kondensator wird abgenommen, mit der OP-Kette IC3A bis C verstärkt und mit IC3D gleichgerichtet.
Anschließend wird diese Spannung auf den Eingang von IC4, einem Displaytreiber des Typs ICL7107, gegeben. Dieser ist standardmäßig nach Datenblatt beschaltet und beinhaltet alle nötigen Komponenten, vom A/D-Wandler bis zum Anzeigentreiber. Das Ergebnis wird dann direkt auf vier Siebensegmentanzeigen (Typen mit gemeinsamer Anode) gegeben.
Nachbau und Abgleich
Beim Nachbau ist aufgrund der hohen Frequenzen auf eine saubere Leiterbahnführung zu achten. Die verwendeten Messleitungen sollten fest angeschlossen werden oder stramm in den Buchsen sitzen, außerdem sollten die Leitungen nahe beieinander geführt werden (idealerweise alle 10cm mit Klebeband o.Ä. zusammenbinden).
Der Abgleich gestaltet sich relativ einfach. Nach dem Einschalten des Gerätes werden die Messleitungen zusammengehalten. Der Trimmer R21 wird nun so eingestellt, dass das Display null anzeigt. Anschließend wird ein Widerstand zwischen 10 und 18 Ohm, der vom Wert her möglichst genau bekannt sein sollte, angeschlossen und das Display mit R25 auf diesen Wert abgeglichen.
Damit ist der Abgleich schon beendet. Nun noch ein Wort zur Messpraxis. Elkos mit niedriger Kapazität weisen naturgemäß einen höheren ESR auf als Höherkapazitive. Wird jedoch ein Wert über 10 Ohm gemessen, kann der Elko sicher als unbrauchbar eingestuft werden. Im Bereich unter 30µF kann schon mal ein Wert um die 3-5 Ohm auftreten, was noch nicht unbedingt schlecht ist. Elkos über 100µF sollten jedoch deutlich unter 2 Ohm liegen. Hier ist ein wenig Erfahrung mit den Werten gefragt.
Übrigens können Elkos aufgrund der niedrigen Messspannung auch direkt in der Schaltung gemessen und müssen nicht vorher ausgebaut werden.
Das Bild zeigt mein fertiges Messgerät, eingebaut in ein schönes Gehäuse von Bopla. Neben dem Ein/Aus-Schalter sind die beiden Buchsen, an die der Elko angeschlossen wird. An der Stirnseite die Buchsen zur Stromversorgung. Am Eingang hängt gerade ein Elko mit 47µF / 10V, der hier aufgrund des hohen Wertes schon als nicht mehr ganz frisch gewertet werden kann.
Downloads
Mein eigenes ESR-Meter ist auf einer Lochraster-Platine aufgebaut (siehe Fotos oben). Aufgrund vielfältiger Nachfrage ist aber inzwischen ein Layout dafür entstanden, das hier heruntergeladen werden kann. Bei den Nachbauten (weiter unten) gibt es Fotos einiger auf diesen Platinen basierenden Geräte.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 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 aktuellen Layout bereits behoben.Hier ein Foto des Prototypen:
Ein weiteres Gerät hat Thomas gebaut. Er hat mein zweiseitiges Layout verwendet und die Platinen selbst geätzt (!). Hier zwei Fotos des fertigen Gerätes:
Hier noch zwei Fotos von Martin, der es mir gleich getan hat und das ESR-Meter ebenfalls auf Lochraster aufgebaut hat.
