Hallo zusammen,

schon vor etlichen Jahren habe ich mir das auf dieser Homepage

ludens.cl/Electron/esr/esr.html

vorgestellte Gerät aufgebaut. Es misst zwar nicht den ESR, sondern den Scheinwiderstand eines Kondensators für den geräteintern erzeugten 50-kHz-Wechselstrom, aber hilfreich ist es trotzdem. Es ist aus meiner Sicht auch den üblichen mikrocontrollergesteuerten Komponententestern vorzuziehen, da die Messung schnell vonstatten geht, meist bei noch eingebauten Kondensatoren möglich ist und der Zeigerausschlag deutlicher einen Defekt anzeigt als ein klein eingetragener Zahlenwert auf einem winzigen Display.

Der Anlass für den Post ist mein heutiger Griff in die Bastelkiste alter Elkos. Drei rote Roedersteine (ich heb sie auf, wenn sie keine Risse aufweisen), 47 µF, 16V wollte ich weiterverwenden. Kapazität: unauffällig, Reststrom: nach ein paar Minuten Nennspannung im Bereich von wenigen µA. Zur Sicherheit führte ich noch den Scheinwiderstandstest durch. Hier zeigten zwei der Kondensatoren Werte von weniger als 1 Ohm, der auffällige lag bei ca. 5 Ohm. Er hätte damit sicher auch noch seinen Zweck erfüllt, aber sicher nicht allzu lange. Eine genauere Inspektion mit der Lupe zeigte denn auch zwei erste Risse in Kappennähe im Bakelit.

Insbesondere wenn man mehrere Kondensatoren gleichen Typs (Kapazität, Hersteller, Spannungsklasse) vergleichen kann, findet man sehr gut Ausreißer. Aber auch so, im Bereich von 0,47 µF bis ca. 220 µF hat man schnell den Dreh raus, was gut ist und was grenzwertig.

Viele Grüße,
Christian

Auch alte PC-Netzteile, Monitore o.ä. enthalten oft kleine geignete Ferritkerne. Meiner stammt aus so einer Quelle und wurde umgewickelt. Selbst in Energiesparlampen, Lampentreibern, LED-Netzteilen, u.v.m. wird man fündig. Aber falls ein Luftspalt vorhanden ist, sollte man den entfernen oder weiter suchen. Ansonsten sind die magnetischen Eigenschaften eher unkritisch und durch Umwickeln leicht anpassbar.

Viele Grüße,
Christian

Hallo Reinhard,

da kann man die Prozedur mit dem ELV-Gerät ja durchaus "Messen" nennen. Das habe ich bei meinem Bastelteil bewusst vermieden, obwohl ich die Skale mit Widerständen kalibriert habe. Die Schaltung erzeugt bei mir 3,5 Vss, sekundär sind es dann 150 mVss mit 57 kHz. Die Signalform ähnelt einem Rechteck, allerdings etwas deformiert durch die Grenzen des Opamps. Dieses Frequenzgemisch bringt zusätzliche Ungenauigkeiten mit sich, wenn man versuchen sollte, Berechnungen zur Aufteilung des Scheinwiderstandes anzustellen. Den Trend sieht man trotzdem. Ein Tantal oder ein Folienkondensator von 4,7 uF weisen einen sichtbar niedrigeren, aber doch noch deutlichen Scheinwiderstand auf im Vergleich zu einem durchschnittlichen Elko. Und klar: je kleiner der Wert, umso höher der schon von der Kapazität verursachte Scheinwiderstand. Deshalb liegt die untere sinnvolle Grenze für die Anwendung des Testgerätes bei 0,47 uF. Unterhalb dieses Wertes bekommt man auch bei einem intakten Kondensator zu geringe Zeigerausschläge.

Viele Grüße,
Christian

Die Angaben des Autors zur Nutzung verschiedener Opamps sind wichtig und richtig bei Einsatz mit einer 9 V-Batterie. Da ich neugierig geworden bin, habe ich mir den Schaltungsteil ab dem Kleintrafo auf dem Steckbrett aufgebaut. Der linke Part, also der Rechteckoszillator, wird durch den Funktionsgenerator UVG2 ersetzt. Damit kann ich zwischen Sinus und Rechteck wechseln, Frequenzen nach Lust und Laune anpassen und auch sehr einfach den Quellwiderstand variieren.

Auch diesmal funktionierte die Schaltung auf Anhieb. Da ich einen TL081 genutzt habe, allerdings erst mit einer Versorgungsspannung von 8 Volt. Die nächstniedrigere Stufe meiner Stromversorgung sind 5 Volt, da ist der Aussteuerungsbereich dieses Opamps dann doch zu gering.

Dafür gibt es Entwarnung beim Trafo. Es sollte fast alles an kleinen Ferritkernen geeignet sein, was man so in alten Schaltnetzteilen findet.
Hier ist eine winzige Ferrit-Drossel aus einer defekten LED-Leuchtstofflampe im Einsatz. Die beiden Ferrithälften waren verklebt, mit dosierter Lötkolbenhitze ließen sie sich dann lösen. Der Mittelsteg ist etwas zurückgesetzt, dadurch entsteht ein Luftspalt von 0,4 mm, so was ist üblich für Speicherdrosseln. Wenn ich es richtig bedenke, der Luftspalt ist sogar sinnvoll, da er die magnetische Kennlinie linearisiert, genau so wie bei einem Übertrager.

Die Originalwicklung besaß 300 Windungen, damit lag die Induktivität bei 4 mH. Da ich sie nicht wieder so schön ordentlich nebeneinander auf den winzigen Spulenkörper aufbringen konnte, hat die Primärseite nun nur noch 200 Windungen und misst damit ca. 1,5 mH. Sekundär habe ich zweimal 10 Windungen aufgebracht, nutze aber nur eine Hälfte. Damit funktioniert die Schaltung mit dem originalen Übersetzungsverhältnis 20:1 trotz deutlich geringerer Windungszahl tadellos. Ein Sinus kommt sauber auf der Sekundärseite an, selbst bei Kurzschluss der Prüfleitungen. Dafür sorgt der 10-Ohm-Widerstand in Reihe mit denselben. Sein Widerstand erscheint im Verhältnis 20² = 400 auf der Primärseite. Die Signalquelle wird also nur mit 4 kOhm belastet.

Nun werde ich wohl doch noch einmal etwas experimentieren. Ein besseres Messwerk, ein - ggf. variabler - Sinusgenerator am Eingang und saubere Kalibration sollte es doch möglich machen, ähnliche Qualitäten wie bei Reinhards ELV-Gerät zu erreichen. Die Variation des Messwerks ist übrigens ebenfalls unkritisch. Durch Wahl eines passenden Potis lassen sich durchaus auch Messwerke mit 100 µA oder 250 µA für den Endausschlag verwenden. Also alles in allem ist das eine richtig schöne, flexible Bastelschaltung.

Viele Grüße,
Christian

Das heutige Experimentieren bestand vor allem daraus: Ordentliches Messwerk einsetzen und Variation des Übersetzungsverhältnisses des Meßtransformators. Das Messwerk stammt aus einer alten Vakuumüberwachungseinheit, das erklärt die ungewöhnliche Einheit auf der Skala.

Meßfrequenz: Sinus, 50 kHz vom NF-Generator

Vorab - die Erhöhung der Übersetzung des Trafos auf ca. 1:60 und der Ersatz der 10-Ohm-Widerstände in der Schaltung durch welche mit 1 Ohm macht das Gerät empfindlich für deutlich geringere Schweinwiderstände. Der Messbereich liegt damit zwischen 0 und ca. 5 Ohm. Es lassen sich so Unterschiede bei Elkos bis ca. 2200 µF erkennen. Auch die von Reinhard erwähnte Abschätzung der Induktivität kleiner Spulen mit geringem Drahtwiderstand ist damit sehr gut machbar. Weiterhin kann man Sekundärwicklungen von Trafos gut größenmäßig vergleichen und zuordnen, wenn es z.B. mehrere mit Mittenanzapfung gibt. Mit einem DC-Ohmmeter scheitert man da aufgrund des geringen Wicklungswiderstandes.
Es gibt aber auch den Nachteil, dass eine niederohmige und vor allem stabile Kontaktierung der Meßleitungen zum Prüfobjekt sehr wichtig wird. Übergangswiderstände fließen hier halt in den ausgegebenen Wert stärker ein als bei einem Messbereich bis 100 Ohm. Aber prinzipiell funktionierte es, auch halbwegs wiederholsicher.



Bei kurzgeschlossenen Meßleitungen wird der Ausschlag mittels Verstellen der Ausgangsamplitude am Generator (Sinus,50 kHz) auf Maximum gestellt. Anschließend kann mit Widerständen zwischen 0,22 Ohm bis 4,7 Ohm zwischen den Klemmen der zugehörige Skalenwert abgelesen werden. Ich habe die innere, gleichmäßig bis 10 eingeteilte Skale genutzt. Als Ergebnis gibt es eine Kalibrierkurve:



Da die Regressionsformel eine recht gute Näherung aufweist, lässt sie sich für die Umrechnung der Ablesewerte in den Scheinwiderstand in Excel nutzen.

Ergebnisse:
Zwei gute 47 µF Roederstein mit gemessenen 51 µF (Xc theoretisch bei 50 kHz: 0,062 V/A), ergeben 0,86 und 0,52 Ohm Z gesamt. Der ESR dominiert, das zeigt die Rückrechnung mittels der Formel ESR = Wurzel(Z^2 - Xc^2).

Bei einem 4,7 µF Folienkondensator von Wima sieht es nicht mehr so logisch aus. Die Anzeige schoß etwas über das Maximum hinaus, das entspricht einem Scheinwiderstand kleiner 0, obwohl doch der kapazitive Blindwiderstand bei 0,68 V/A liegen müsste. Erneute Prüfung mit kurzgeschlossenen Messleitungen: Der Zeiger erreicht exakt das Skalenende, also nix verstellt, nix weggelaufen.
Die simple Rückrechnung mit den quadrierten Werten von Zges und Xc erübrigt sich so leider, da man in der reellen Welt keine Wurzeln aus negativen Werten zieht.

Wie kann es dazu kommen? Am Meßwiderstand von 1 Ohm erzeugt der Wechselstrom aus der Kette Sekundärwicklung Messtrafo - Kapazität und Induktivität Meßleitung - Übergangswiderstände - Kapazität und Induktivität des Kondensators einen Spannungsabfall. Der wird ja letztlich gemessen und mittels Vergleich mit einem ohmschen Widerstand zwischen den Meßklemmen beurteilt. Damit wird der Betrag aus der Differenz aller Reaktanzen und Induktanzen als Scheinwiderstand wirksam, der dann stets kleiner als der reine kapazitive Blindwiderstand ist und durchaus auch kleiner als beim eingesetzten ohmschen Widerstand werden kann.

Experimenteller Nachweis 1: Eine 10 µH - Induktivität ergab einen Ablesewert von 1,8 ( entspricht 2,8 Ohm), die berechnete Induktanz lag bei 3,14 V/A. Ein 1,0 µF-Folienkondensator erzielte den Wert 3,8 (1,46 Ohm), dessen berechnete Reaktanz hätte 3,18 V/A haben müssen. Beide in Reihe lagen dann beim Ablesewert 7,7 (0,35 Ohm Gesamtinduktanz). Das ist nochmals ein deutlich niedrigerer Wert von Z ges im Vergleich zu den Einzelwerten. Ein Wickelkondensator ist als Ersatzschaltbild nicht viel anders aufzufassen: Eine Reihenschaltung von ohmschem, induktivem und kapazitivem Element.

Experimenteller Nachweis 2:
Nach Rückbau auf 10 Ohm-Widerstände und Übersetzung 1:20 lassen sich mit dem Aufbau Widerstände bis ca. 80,max. 100 Ohm erfassen. Ich verglich dann einen Keramikkondensator (vernachlässigbare Induktanz) mit einem Folienkondensator, beide mit dem Kapazitätswert von 100 nF, was bei 50 kHz eine Reaktanz von knapp 32 Ohm erzeugt.

Der Folienkondensator kam mit 20 Ohm aus dem Test, also deutlich niedriger als die Reaktanz erwarten ließe, der Kerko mit etwas über 32 Ohm. Auch weitere Wickeltypen wiesen Werte deutlich unterhalb der Reaktanz auf.

Fazit: Das wird auf die Schnelle doch kein Messgerät. Um vernünftige Rückschlüsse auf den ESR zu ziehen, müsste man wohl sämtliche relevanten parasitären Einflüsse abschätzen und mittels komplexer Rechnung berücksichtigen. Bei einem Gerät mit Microcontroller ist das sicher umsetzbar, aber hier, mit dem simplen Aufbau nicht.
Außerdem ist die Meßfrequenz mit 50 kHz weitab von der, mit der üblicherweise Elkos hinsichtlich Kapazität und ESR spezifiziert werden. Meist sind das nur 120 Hz. Ab und an ist mir eine Angabe des Scheinwiderstandes bei 100 kHz begegnet. Dort hat ein mittelgroßer Elko meist sein (temperaturabhängiges) Minimum. Zumindest da ist man mit dem Gerät ja halbwegs dran.
Mit der vorliegenden Schaltung werden Wickelkondensatoren durch ihre parasitäre Induktanz etwas zu "gut" gemessen. Es bleibt also bei einer - trotzdem äußerst hilfreichen - Schätzkeule. Dank Reinhards Post für mich nun nicht mehr nur für Elkos.

Viele Grüße,
Christian

Hab noch eine Spur: Bei der Bastelschaltung kommt ein Parallelschwingkreis zustande, sobald ein Kondensator angeschlossen ist. Der ist zwar stark bedämpft, aber trotzdem gibt es ja ein Maximum und das sogar relativ breit. Mit 5-10 uH sekundär und einem C von 4,7 uF liegt die Generatorfrequenz 50 kHz gerade noch innerhalb der Bandbreite. In dem Fall sieht der Messwiderstand einen höheren Strom als der Trafo von Haus aus liefert.

Im Widerspruch dazu stehen meine Ergebnisse mit den 0,1 uF-Kondensatoren. Das muss noch etwas Anderes sein.

VG,
Christian

Gefällt mir! Auch der Bereichswechsel klingt vernünftig. Die Bauteile sind problemlos beschaffbar. Da der Autor sogar das Platinenlayout zur Verfügung gestellt hat, könnte man die Schaltung ohne großen Aufwand mal aufbauen. Falls noch wer Lust hat, würde ich mich um ein paar Leiterplatten kümmern.

Christian