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ESR-Messgerät

Beschreibung​

Dieses Projekt entstand zunächst aus der Notwendigkeit, defekte Kondensatoren in Schaltnetzteilen zu prüfen, vor allem in LED- und LCD-Fernsehern. Sein Zweck — die Messung der ESR (Equivalent Series Resistance, Ersatzserienwiderstand) eines Kondensators, ohne ihn aus der Schaltung zu entfernen — ist auf der Werkbank sehr nützlich, um defekte Exemplare zu erkennen, ohne ein Kapazitätsmessgerät zu benötigen.

Es ist auch beim Entwurf von Schaltnetzteilen sehr nützlich, um die Qualität der verwendeten Elektrolytkondensatoren zu prüfen.

Schaltung​

Im Internet finden sich mehrere ESR-Messgerät-Schaltungen, darunter die von Manfred Mornhinweg (An Equivalent Series Resistance Meter), ein auf 5 Transistoren basierendes Design aus dem EEVBLOG-Forum, sowie eine weitere, veröffentlicht in der italienischen Ausgabe der Zeitschrift Nova Eletrônica. Ich habe auch den Bau eines aufwendigeren Instruments mit Mikrocontroller (Arduino) und LCD-Display in Betracht gezogen, dies aber auf ein künftiges Projekt verschoben, da das analoge Instrument bereits eine gute Genauigkeit bietet.

Einer der kritischen Punkte beim Bau vieler ESR-Messgeräte ist die Wicklung eines kleinen Ferritkern-Transformators, was ein gewisses Geschick und Geduld im Umgang mit dünnen Drähten erfordert. Das in der Zeitschrift Nova Eletrônica vorgestellte Design verwendet nur diskrete Bauteile und einen Operationsverstärker TL084.

Schaltplan des ESR-Messgeräts

Die Schaltung wird von einer 9-V-Quelle oder Batterie versorgt, wobei U1A für die Erzeugung der symmetrischen Spannung +4,5 V / -4,5 V verantwortlich ist, die zur Versorgung des Operationsverstärkers TL084 benötigt wird. U1D ist ein 100-kHz-Oszillator, gefolgt von Q1 und Q2, die das Signal für eine Wheatstone-Brücke aus R9–R12 verstärken. Die Wheatstone-Brücke ermöglicht die Messung eines unbekannten Widerstands — in dieser Schaltung des internen Widerstands des an Cx angeschlossenen Kondensators — und U1B ist als Subtrahierer konfiguriert. U1C ist ein Präzisionsgleichrichter, der eine dem ESR entsprechende Gleichspannung erzeugt.

Als Mikroamperemeter wurde ein analoges Multimeter im Bereich 0,5 V verwendet. Je nach verwendetem Instrument oder Messbereich kann RV1 durch einen Wert zwischen 10 kΩ und 100 kΩ ersetzt werden, um den Bereich anzupassen.

Aufbau​

Der Aufbau birgt keine Geheimnisse: Es wurden ¼-W-Widerstände mit 5 % Toleranz und Kondensatoren für 16 V oder mehr verwendet. Für eine höhere Genauigkeit können R9, R10, R11, R12, R13, R14, R15, R16, R17 und R19 durch Widerstände mit 1 % Toleranz ersetzt werden. Es wurde eine einseitige Leiterplatte mit der Software KiCad entworfen.

Bestückte Leiterplatte des ESR-Messgeräts

Projektdateien (KiCad, PDF)

Tests und Kalibrierung​

Nach der Prüfung aller Verbindungen und Bauteile der Schaltung kann sie über eine 9-V-Quelle oder Batterie an J1 und J2 mit Spannung versorgt werden. Beim Kurzschließen von J3 und J4 sollte die LED LD1 aufleuchten, und RV1 muss so eingestellt werden, dass das an J5 und J6 angeschlossene Messgerät den vollen Skalenendwert erreicht. Wie zuvor beschrieben, kann es notwendig sein, RV1 zu ersetzen, um den Messbereich anzupassen.

Zur Kalibrierung der Ohm-Skala des Messgeräts auf den äquivalenten Widerstand können mehrere Widerstände von 0,1 Ω bis 20 Ω verwendet werden. Diese Widerstände können mit einem Multimeter überprüft werden.

Kalibrierskala des Messgeräts

Es gibt mehrere Tabellen zur ESR eines Kondensators in Abhängigkeit von Kapazität und Spannung, dieser Wert variiert jedoch je nach Hersteller und Typ und sollte im Datenblatt nachgeschlagen werden. Manche Modelle tragen die Aufschrift LOW ESR, besonders solche, die in DC-DC-Wandlern verwendet werden. Lieferantenseiten wie Mouser und Digikey stellen Datenblätter von Kondensatoren mit allen Spezifikationen bereit.

Referenzen​