Einfache ESR-Messschaltung

Der Beitrag beschreibt eine einfache ESR-Messschaltung, mit der fehlerhafte Kondensatoren in einer elektronischen Schaltung identifiziert werden können, ohne sie praktisch von der Leiterplatte zu entfernen. Die Idee wurde von Manual Sofian angefordert

Technische Spezifikationen

Haben Sie einen Schaltplan zum ESR-Messgerät? Die Techniker empfehlen mir, den Elektrolyt jedes Mal zu überprüfen, wenn ich auf einen toten Stromkreis stoße. Ich weiß jedoch nicht, wie ich ihn messen soll.

Danke im Voraus für deine Antwort.

Was ist ESR?

ESR, das für Equivalent Series Resistance steht, ist ein vernachlässigbar kleiner Widerstandswert, der normalerweise Teil aller Kondensatoren und Induktivitäten wird und mit ihren tatsächlichen Einheitswerten in Reihe geschaltet wird. Insbesondere bei Elektrolytkondensatoren kann der ESR-Wert jedoch aufgrund der Alterung weiter ansteigen auf abnormale Werte, die die Gesamtqualität und das Ansprechverhalten der betroffenen Schaltung nachteilig beeinflussen.

Das sich entwickelnde ESR in einem bestimmten Kondensator kann allmählich von nur wenigen Milliohm auf bis zu 10 Ohm ansteigen, was die Schaltungsantwort stark beeinflusst.

Das oben erläuterte ESR bedeutet jedoch möglicherweise nicht unbedingt, dass auch die Kapazität des Kondensators beeinträchtigt wird. Tatsächlich könnte der Kapazitätswert intakt und gut bleiben, die Leistung des Kondensators verschlechtert sich jedoch.

Aufgrund dieses Szenarios kann ein normales Kapazitätsmessgerät einen fehlerhaften Kondensator mit hohem ESR-Wert nicht vollständig erkennen, und ein Techniker stellt fest, dass die Kondensatoren hinsichtlich ihres Kapazitätswerts in Ordnung sind, was wiederum die Fehlerbehebung äußerst schwierig macht.

Wenn normale Kapazitätsmesser und Ohmmeter beim Messen oder Erkennen eines abnormalen ESR in fehlerhaften Kondensatoren völlig unwirksam werden, ist ein ESR-Meter äußerst praktisch, um solche irreführenden Geräte zu identifizieren.

Unterschied zwischen ESR und Kapazität

Grundsätzlich gibt der ESR-Wert eines Kondensators (in Ohm) an, wie gut der Kondensator ist.

Je niedriger der Wert ist, desto höher ist die Arbeitsleistung des Kondensators.

Ein ESR-Test warnt uns schnell vor Fehlfunktionen des Kondensators und ist im Vergleich zu einem Kapazitätstest viel hilfreicher.

Tatsächlich können mehrere defekte Elektrolyte OKAY aufweisen, wenn sie mit einem Standardkapazitätsmesser untersucht werden.

In letzter Zeit haben wir mit vielen Personen gesprochen, die die Bedeutung von ESR nicht unterstützen und in welcher Wahrnehmung es von der Kapazität einzigartig ist.

Daher denke ich, dass es sich lohnt, einen Clip aus einer technologischen Nachricht in einem renommierten Magazin zu veröffentlichen, das von Doug Jones, dem Präsidenten von Independence Electronics Inc., verfasst wurde. Er geht effektiv auf das Anliegen von ESR ein. 'ESR ist der aktive natürliche Widerstand eines Kondensators gegen ein Wechselstromsignal.

Ein höherer ESR kann zu zeitkonstanten Komplikationen, Erwärmung des Kondensators, Erhöhung der Stromkreisbelastung, Gesamtausfall des Systems usw. führen.

Welche Probleme kann ESR verursachen?

Ein Schaltnetzteil mit Kondensatoren mit hohem ESR startet möglicherweise nicht optimal oder überhaupt nicht.

Ein Fernsehbildschirm kann aufgrund eines hohen ESR-Kondensators von den Seiten / oben / unten eingeschoben werden. Dies kann auch zu vorzeitigen Dioden- und Transistorausfällen führen.

All diese und viele weitere Probleme werden normalerweise durch Kondensatoren mit geeigneter Kapazität, aber großem ESR verursacht, die nicht als statische Zahl erkannt werden können und aus diesem Grund nicht mit einem Standardkapazitätsmesser oder einem Gleichstrom-Ohmmeter gemessen werden können.

ESR wird nur angezeigt, wenn ein Wechselstrom an einen Kondensator angeschlossen ist oder wenn die dielektrische Ladung eines Kondensators ständig den Zustand wechselt.

Dies kann als der gesamte gleichphasige Wechselstromwiderstand des Kondensators in Kombination mit dem Gleichstromwiderstand der Kondensatorleitungen, dem Gleichstromwiderstand der Verbindung mit dem Kondensatordielektrikum, dem Plattenwiderstand des Kondensators und dem gleichphasigen Wechselstrom des dielektrischen Materials angesehen werden Widerstand in einer bestimmten Frequenz und Temperatur.

Alle Elemente, die die Bildung von ESR verursachen, können als Widerstand in Reihe mit einem Kondensator angesehen werden. Dieser Widerstand existiert nicht wirklich als physikalische Einheit, daher ist eine sofortige Messung über den 'ESR-Widerstand' einfach nicht möglich. Wenn andererseits ein Ansatz zugänglich ist, der bei der Korrektur der Ergebnisse der kapazitiven Reaktanz hilft, und wenn berücksichtigt wird, dass alle Widerstände in Phase sind, könnte der ESR unter Verwendung der grundlegenden Elektronikformel bestimmt und getestet werden E = I x R!

AKTUALISIEREN einer einfacheren Alternative

Die unten angegebene Schaltung auf der Basis von Operationsverstärkern sieht zweifellos komplex aus, daher könnte ich nach einigem Überlegen auf diese einfache Idee kommen, um den ESR eines Kondensators schnell zu bestimmen.

Dafür müssen Sie jedoch zuerst Berechnung wie viel Widerstand der jeweilige Kondensator idealerweise besitzt, unter Verwendung der folgenden Formel:

Xc = 1 / [2 (pi) fC]

• wobei Xc = Reaktanz (Widerstand in Ohm),
• pi = 22/7
• f = Frequenz (nehmen Sie 100 Hz für diese Anwendung)
• C = Kondensatorwert in Farad

Der Xc-Wert gibt Ihnen den äquivalenten Widerstand (Idealwert) des Kondensators an.

Als nächstes finden Sie den Strom durch das Ohmsche Gesetz:

I = V / R, hier ist V 12 × 1,41 = 16,92 V, R wird durch Xc ersetzt, wie aus der obigen Formel erreicht.

Sobald Sie die ideale Nennstromstärke des Kondensators gefunden haben, können Sie das Ergebnis mit der folgenden praktischen Schaltung mit dem oben berechneten Wert vergleichen.

Dazu benötigen Sie folgende Materialien:

• 0-12V / 220V Transformator
• 4 Dioden 1N4007
• 0-1 Ampere FSD Moving Coil Meter oder ein beliebiges Standard Amperemeter

Die obige Schaltung liefert eine direkte Anzeige darüber, wie viel Strom der Kondensator durch ihn liefern kann.

Notieren Sie den aus dem obigen Aufbau gemessenen Strom und den aus der Formel erzielten Strom.

Verwenden Sie zum Schluss noch einmal das Ohmsche Gesetz, um die Widerstände aus den beiden Stromwerten (I) zu bewerten.

R = V / I, wobei die Spannung V 12 x 1,41 = 16,92 beträgt, 'I' entspricht den Messwerten.

Schneller Erhalt des idealen Werts eines Kondensators

Wenn Sie im obigen Beispiel die Berechnungen nicht durchführen möchten, können Sie den folgenden Referenzwert verwenden, um die ideale Reaktanz eines Kondensators für den Vergleich zu erhalten.

Gemäß der Formel liegt die ideale Reaktanz eines 1 uF-Kondensators bei 1600 Ohm bei 100 Hz. Wir können diesen Wert als Maßstab nehmen und den Wert jedes gewünschten Kondensators durch eine einfache inverse Kreuzmultiplikation wie unten gezeigt bewerten.

Angenommen, wir möchten den idealen Wert eines 10uF-Kondensators erhalten, ganz einfach wäre es:

1/10 = x / 1600

x = 1600/10 = 160 Ohm

Jetzt können wir dieses Ergebnis mit dem Ergebnis vergleichen, das durch Lösen des Amperemeter-Stroms im Ohmschen Gesetz erhalten wurde. Der Unterschied zeigt uns den effektiven ESR des Kondensators.

HINWEIS: Die in der Formel verwendete Spannung und Frequenz sowie die praktische Methode müssen identisch sein.

Verwenden eines Operationsverstärkers zur Herstellung eines einfachen ESR-Messgeräts

Ein ESR-Messgerät kann verwendet werden, um den Zustand eines zweifelhaften Kondensators bei der Fehlerbehebung bei einer alten elektronischen Schaltung oder Einheit zu bestimmen.

Darüber hinaus ist das Gute an diesen Messgeräten, dass sie zum Messen des ESR eines Kondensators verwendet werden können, ohne dass der Kondensator von der Leiterplatte entfernt oder isoliert werden muss, was dem Benutzer die Arbeit ziemlich einfach macht.

Die folgende Abbildung zeigt eine einfache ESR-Messschaltung, die für die vorgeschlagenen Messungen gebaut und verwendet werden kann.

Schaltplan

Wie es funktioniert

Die Schaltung kann auf folgende Weise verstanden werden:

TR1 bildet zusammen mit dem angeschlossenen NPN-Transistor einen einfachen rückkopplungsgetriggerten Sperroszillator, der mit einer sehr hohen Frequenz schwingt.

Die Schwingungen induzieren eine proportionale Spannungsgröße über die 5 Windungen sekundär des Transformators, und diese induzierte Hochfrequenzspannung wird über den fraglichen Kondensator angelegt.

Ein Operationsverstärker ist auch mit der obigen Niederspannungs-Hochfrequenzspeisung verbunden und als Stromverstärker konfiguriert.

Ohne ESR oder im Fall eines neuen guten Kondensators wird das Messgerät so eingestellt, dass es eine vollständige Auslenkung anzeigt, die einen minimalen ESR über den Kondensator anzeigt, der für verschiedene Kondensatoren mit unterschiedlichen ESR-Pegeln proportional gegen Null abfällt.

Ein niedrigerer ESR bewirkt, dass sich über den invertierenden Erfassungseingang des Operationsverstärkers ein relativ höherer Strom entwickelt, der entsprechend im Messgerät mit einem höheren Ablenkungsgrad angezeigt wird und umgekehrt.

Der obere BC547-Transistor wird als gemeinsame Kollektorspannungsreglerstufe eingeführt, um die Oszillatorstufe mit einer niedrigeren Spannung von 1,5 V zu betreiben, so dass das andere elektronische Gerät in der Leiterplatte um den zu prüfenden Kondensator von der Prüffrequenz von Null unter Spannung gehalten wird das ESR-Messgerät.

Der Kalibrierungsprozess des Messgeräts ist einfach. Wenn die Messleitungen kurzgeschlossen bleiben, wird die 100k-Voreinstellung in der Nähe des uA-Messgeräts angepasst, bis eine vollständige Auslenkung des Messgeräts erreicht ist.

Danach konnten verschiedene Kondensatoren mit hohen ESR-Werten im Messgerät mit entsprechend geringeren Auslenkungsgraden überprüft werden, wie im vorherigen Abschnitt dieses Artikels erläutert.

Der Transformator wird über einen beliebigen Ferritring gebaut, wobei ein dünner Magnetdraht mit der angegebenen Anzahl von Windungen verwendet wird.

Ein weiterer einfacher ESR-Tester mit einer LED

Die Schaltung liefert einen negativen Widerstand, um das zu testende ESR des Kondensators zu beenden, wodurch eine kontinuierliche Serienresonanz durch eine feste Induktivität erzeugt wird. Die folgende Abbildung zeigt den Schaltplan des ESR-Messgeräts. Der negative Widerstand wird vom IC 1b erzeugt: Cx zeigt den zu testenden Kondensator an und L1 ist als fester Induktor positioniert.

Grundlegende Arbeitsweise

Pot VR1 erleichtert das Einstellen des negativen Widerstands. Zum Testen drehen Sie einfach VR1 weiter, bis die Schwingung gerade aufhört. Sobald dies erledigt ist, kann der ESR-Wert von einer Skala überprüft werden, die hinter dem VR1-Rad angebracht ist.

Schaltungsbeschreibung

In Abwesenheit eines negativen Widerstands arbeiten L1 und Cx wie ein Serienresonanzkreis, der durch den Widerstand von L1 und den ESR von Cx unterdrückt wird. Diese ESR-Schaltung beginnt zu schwingen, sobald sie über einen Spannungsauslöser mit Strom versorgt wird. IC1 a funktioniert wie ein Oszillator, um ein Rechtecksignalsignal mit einer niedrigen Frequenz in Hz zu erzeugen. Dieser spezielle Ausgang wird differenziert, um die Spannungsspitzen (Impulse) zu erzeugen, die den angeschlossenen Resonanzkreis auslösen.

Sobald der ESR des Kondensators zusammen mit dem Widerstand von R1 dazu neigt, mit dem negativen Widerstand abgeschlossen zu werden, wird die Klingelschwingung zu einer konstanten Schwingung. Dadurch wird anschließend die LED D1 eingeschaltet. Sobald die Schwingung aufgrund des Abfalls des negativen Widerstands gestoppt wird, erlischt die LED.

Erkennen eines kurzgeschlossenen Kondensators

Wird bei Cx ein kurzgeschlossener Kondensator erkannt, leuchtet die LED mit erhöhter Helligkeit. Während der Periode, in der der Resonanzkreis schwingt, wird die LED nur durch die positiv umrandeten Halbzyklen der Wellenform eingeschaltet. Dadurch leuchtet sie nur mit 50% ihrer Gesamthelligkeit auf. IC 1 d liefert eine Halbversorgungsspannung, die als Referenz für IC1b verwendet wird.

S1 kann zum Einstellen der Verstärkung von ICIb verwendet werden, wodurch sich der negative Widerstand ändert, um breite ESR-Messbereiche über 0-1, 0-10 und 0-100 Ω zu ermöglichen.

Liste der Einzelteile

L1 Bau

Der Induktor L1 wird hergestellt, indem er direkt um die internen 4 Säulen des Gehäuses gewickelt wird, die zum Verschrauben der Leiterplattenecken verwendet werden können.

Die Anzahl der Windungen kann 42 betragen, wobei 30 SWG super emaillierter Kupferdraht verwendet wird. Erstellen Sie L1, bis Sie einen Widerstand von 3,2 Ohm an den Wicklungsenden oder einen Induktivitätswert von etwa 90 uH haben.

Die Drahtdicke ist nicht entscheidend, aber die Widerstands- und Induktivitätswerte müssen wie oben angegeben sein.

Testergebnisse

Mit den oben beschriebenen Wicklungsdetails sollte ein in den Cx-Steckplätzen getesteter 1000-uF-Kondensator eine Frequenz von 70 Hz erzeugen. Ein 1 pF-Kondensator kann eine Erhöhung dieser Frequenz auf etwa 10 kHz verursachen.

Während ich die Schaltung untersuchte, schloss ich einen Kristallohrhörer über einen 100 nF-Kondensator bei R19 an, um die Frequenzpegel zu testen. Das Klicken einer Rechteckwellenfrequenz war gut hörbar, während VR1 weit entfernt von der Stelle eingestellt wurde, an der die Schwingungen aufhörten. Während der VR1 auf seinen kritischen Punkt eingestellt wurde, konnte ich den reinen Klang einer Niederspannungs-Sinusfrequenz hören.

So kalibrieren Sie

Nehmen Sie einen hochwertigen 1.000µF-Kondensator mit einer Nennspannung von mindestens 25 V und setzen Sie ihn in die Cx-Punkte ein. Variieren Sie den VR1 schrittweise, bis die LED vollständig ausgeschaltet ist. Markieren Sie diesen bestimmten Punkt hinter dem Topfskalenrad mit 0,1 Ω.

Schließen Sie als Nächstes einen bekannten Widerstand in Reihe mit dem vorhandenen zu testenden Cx an, wodurch die LED aufleuchtet. Stellen Sie nun VR1 erneut ein, bis die LED gerade ausgeschaltet ist.

Markieren Sie an dieser Stelle die VR1-Zifferblattskala mit dem neuen Gesamtwiderstandswert. Es kann durchaus vorzuziehen sein, mit Schritten von 0,1 Ω im Bereich von 1 Ω und entsprechend größeren Schritten in den beiden anderen Bereichen zu arbeiten.

Interpretation der Ergebnisse

Die folgende Grafik zeigt Standard-ESR-Werte gemäß den Aufzeichnungen der Hersteller und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der bei 10 kHz berechnete ESR im Allgemeinen 1/3 des bei 1 kHz getesteten ESR beträgt. Die ESR-Werte mit 10-V-Kondensatoren in Standardqualität sind viermal höher als bei 63-V-Typen mit niedrigem ESR.

Wenn sich ein Kondensator mit niedrigem ESR-Wert auf ein Niveau verschlechtert, bei dem sein ESR dem eines typischen Elektrolytkondensators sehr ähnlich ist, erhöhen sich seine internen Aufwärmbedingungen um das Vierfache!

Wenn Sie sehen, dass der getestete ESR-Wert größer als das Zweifache des in der folgenden Abbildung gezeigten Werts ist, können Sie davon ausgehen, dass der Kondensator nicht mehr im besten Zustand ist.

ESR-Werte für Kondensatoren mit anderen als den unten angegebenen Spannungswerten liegen zwischen den zutreffenden Linien in der Grafik.

ESR-Messgerät mit IC 555

Nicht so typisch, aber diese einfache ESR-Schaltung ist äußerst genau und einfach zu bauen. Es werden sehr gewöhnliche Komponenten wie ein IC 555, eine 5-V-Gleichstromquelle und einige andere passive Teile verwendet.

Die Schaltung wird unter Verwendung eines CMOS-IC 555 aufgebaut, der mit einem Tastverhältnis von 50:50 eingestellt ist.
Das Tastverhältnis könnte durch die Widerstände R2 und r geändert werden.
Selbst eine kleine Änderung des Wertes von r, die dem ESR des betreffenden Kondensators entspricht, bewirkt eine signifikante Änderung der Ausgangsfrequenz des IC.

Die Ausgangsfrequenz wird durch die Formel gelöst:

f = 1 / 2CR1n (2 - 3k)

In dieser Formel stellt C die Kapazität wieder her, R wird gebildet durch (R1 + R2 + r), r bezeichnet das ESR des Kondensators C, während k als der Faktor positioniert ist, der gleich ist:

k = (R2 + r) / R.

Um sicherzustellen, dass die Schaltung korrekt funktioniert, darf der Faktor k-Wert nicht über 0,333 liegen.

Wenn es über diesen Wert erhöht wird, wird der IC 555 bei einer extrem hohen Frequenz in einen unkontrollierten Oszillationsmodus versetzt, der ausschließlich durch die Ausbreitungsverzögerung des Chips gesteuert wird.

Sie finden eine exponentielle Zunahme der Ausgangsfrequenz des IC um das 10-fache als Reaktion auf eine Erhöhung des Faktors k von 0 auf 0,31.

Wenn es noch weiter von 0,31 auf 0,33 erhöht wird, erhöht sich die Ausgangsfrequenz um eine weitere 10-fache Größe.

Unter der Annahme von R1 = 4k7, R2 = 2k2, einem minimalen ESR = 0 für C sollte der k-Faktor um 0,3188 liegen.

Angenommen, wir haben einen ESR-Wert von etwa 100 Ohm, würde der k-Wert bei 0,3286 um 3% ansteigen. Dies zwingt den IC 555 nun dazu, mit einer Frequenz zu schwingen, die dreimal höher ist als die ursprüngliche Frequenz bei r = ESR = 0.

Dies zeigt, dass mit zunehmendem r (ESR) ein exponentieller Anstieg der Frequenz des IC-Ausgangs verursacht wird.

So testen Sie

Zuerst müssen Sie die Schaltungsantwort mit einem hochwertigen Kondensator mit vernachlässigbarem ESR und einem Kapazitätswert kalibrieren, der mit dem zu testenden identisch ist.

Außerdem sollten Sie eine Handvoll verschiedener Widerstände mit genauen Werten zwischen 1 und 150 Ohm haben.

Zeichnen Sie nun ein Diagramm von Ausgangsfrequenz vs. r für die Kalibrierwerte

Schließen Sie als nächstes den Kondensator an, der auf den ESR getestet werden muss, und beginnen Sie mit der Analyse seines ESR-Werts, indem Sie die entsprechende Frequenz des IC 555 und den entsprechenden Wert im Diagramm vergleichen.

Um eine optimale Auflösung für niedrigere ESR-Werte, beispielsweise unter 10 Ohm, sicherzustellen und auch Frequenzunterschiede zu beseitigen, wird empfohlen, einen Widerstand zwischen 10 Ohm und 100 Ohm in Reihe mit dem zu testenden Kondensator zu schalten.

Sobald der r-Wert aus dem Diagramm erhalten wurde, müssen Sie nur den festen Widerstandswert davon subtrahieren r um den ESR-Wert zu erhalten.