ESR-Meter

Eigenbau ESR-Meter

In letzter Zeit hatte ich immer wieder das Problem das ich bei der Reparatur von allen möglichen Geräten (Flachbildschirmen, DVD-Playern, Steckernetzteilen, Motherboards, Druckern...) feststellte, dass nur ein Sieb-Elko im Netzteil defekt ist. Ich denke mal das hat was mit geplanter Obsoleszenz zu tun. Durch den Ausfall des Elko's gibt das Gerät irgendwann still und leise seinen Dienst auf da die interne Betriebsspannung aufgrund unzureichender Siebung immer geringer bzw. welliger wird. Oft sieht man's dem Elko schon von außen an (aufgeplatzt). Man findet viel zu dieser Thematik im Internet (bad caps).
Es wäre sinnvoll Elkos, die von außen noch gut aussehen, zu testen und das am besten ohne sie auszulöten. Also musste ein ESR-Meter her welches den äquivalenten Serienwiderstand ermittelt. Damit weiss man zwar noch nichts über die Kapazität aber ein steigender ESR reduziert die Siebwirkung des Kondensators und ist oft ein erstes Zeichen für einen bevorstehenden Ausfall.

Nach einigen Recherchen im Internet habe ich Anregungen aufgegriffen und letztlich eine eigene Schaltung entworfen basierend auf bei mir vorhandenen Bauelementen um nichts kaufen zu müssen.

Schaltplan für das ESR-Meter

Als Frequenzgenerator (=> 100Khz) bietet sich ein NE555 in Standardbeschaltung an, dem man allerdings noch einen möglichst niederohmigen Signalausgang verpassen muss. Unter dem Gesichtspunkt das Ganze mit einer kleinen 9V Blockbatterie zu betreiben und deshalb mit einem möglichst geringen Arbeitsstrom auszukommen bot sich die Lösung mit einem kleinen Transformator an. Den findet man z.B. in alten, kleinen Schaltnetzteilen (Handy-Lader etc.) deren Schwingfrequenzen oft zwischen 100 und 200Khz liegen und ein Windungsverhältnis von 20:1 haben... das passt ja!
Ziel ist es aus der Ausgangsspannung des Generators von etwa 4V Rechteck nur noch max. 0,2V Rechteck zu machen. Diese niedrige Prüfspannung von 0,2V ist kaum noch in der Lage irgendwelche Halbleiterstrecken durchzusteuern. Somit kann der zu prüfende Elko in der Schaltung eingebaut bleiben ohne das Messergebnis wesentlich zu verfälschen.
Dann kommt der zu testende Kondensator mit entsprechender Schutzschaltung. Das heißt für den Fall das der noch geladen ist wird er durch zwei antiparallele Dioden kurzgeschlossen. Danach wird das Rechteck-Signal, welches bei mir nach Messung genau 124KHz hat (was unkritisch vom Wert her ist), ordentlich verstärkt und gleichgerichtet womit man bereits problemlos ein Feininstrument von 100 Mikroampere zum Vollausschlag bringen kann. Da ich aber leider nur ein 1mA Messgerät zur Verfügung hatte habe ich einfach noch einen Stromverstärker dahinter gesetzt um aus den 100uA etwa 1mA zu machen. Die eingesetzten Transistoren sind unkritisch sollten aber eine hohe Stromverstärkung haben.
Das als Prüfsignal ein Rechteck und kein Sinus genommen wird stört nicht weiter, da hat man eben ein ganzes Frequenzbündel was durch den Elko geschickt wird. Und so genau muss das Ergebnis ja nicht sein sondern es geht ja nur darum zu sehen ob ein Elko noch seinen Dienst tut oder nicht.
Als Faustregel kann man sagen moderne Elkos >100u sollten einen ESR unter 1Ohm haben. Aber das hängt natürlich noch von vielen Randbedingungen ab wie z.B. Bau-Serie, Spannungsfestigkeit und Temperatur. Am besten mal in die Electrolytic Capacitors-Datenblätter von den großen Herstellern gucken, welche man im Internet findet, wenn man Vergleichswerte braucht.

Zusammengebaut

Für die Spannungsversorgung war eine 9V Blockbatterie gesetzt weil was anderes nicht problemlos in das angedachte Gehäuse rein passt. 

Das ESR-Meter basiert darauf eine definierte hochfrequente Messspannung durch einen Kondensator zu schicken, zu verstärken und dann zu schauen was noch ankommt. D.h. eine stabile Versorgungsspannung ist äußerst wichtig. Somit ist der Einsatz einer Spannungsstabilisierung zwingend. Von den mir zur Verfügung stehenden IC bot sich ein LP2951 an (Datenblatt siehe Internet). Der hat einige Vorteile gegenüber einem Regler aus der beliebten 78LXX Reihe in Sachen Ruhestromverbrauch und vor allem Dropout Voltage. Man findet den LP2951 häufig in Computerschrott wie z.B. alten Laptop’s, Dockingstationen etc. Meist ist dort die SMD Version (8-SOP) verbaut, welche sich aber noch gut mit dem „normalen“ Lötkolben verarbeiten lässt. Man kann aber auch eine andere Spannungsstabilisierung verwenden ob mit 78L05 oder Z-Diode oder… 

Ich habe die Versorgungsspannung des ESR-Meter auf etwa 5V festgelegt und die Schaltung entsprechend designt. Somit ist genug Reserve vorhanden und man kann eine 9V Batterie bis 5,3V leer lutschen.

Skale

Die Kalibrierung erfolgt durch Einsatz normaler Widerstände anstelle von Kondensatoren als Messobjekt. So ist auch die selbst gemalte Skale entstanden. D.h. Kurzschluss = Skalenausschlag 0Ohm; 1Ohm als Messwiderstand = Skalenausschlag 1Ohm; 2Ohm als Messwiderstand = Skalenausschlag 2Ohm usw. Der Feinabgleich ist im Schaltplan beschreiben.

Innenleben

Das Ganze wurde auf einer kleinen Lochrasterleiterplatte aufgebaut und die SMD-IC's (NE555, LP2951) wurden mit SMD R’s und C’s direkt/frei verlötet und mit ein paar stabilen Drähten mit der Lochraster-LP verbunden. Dann fand alles Platz in einem kleinen Plastikgehäuse mit zwei ungepolten Anschlussbuchsen, einem EIN/AUS-Schalter und noch der Einstellmöglichkeit für den Messgeräte-Vollausschlag (roter Knopf). Auf eine aufwendigere arbeitspunktstabilisierte Verstärkerschaltung wurde bewusst verzichtet, da durch die steckbaren Messstrippen und einer Messung im Milliohm-Bereich besser gleich der Vollausschlag mit einem Potentiometer eingestellt werden sollte.

links das Poti für Vollausschlag welches mit Heißkleber festgeklebt wurde

NACHTRAG:

Da ich noch mal eines bauen wollte und dieses mal ein 200uA Messinstrument hatte habe ich die Schaltung angepasst und sie sieht dann folgendermaßen aus:

ESR-Meter V2 mit 200uA Instrument

Interessant ist das man eine Spreitzung des nieder-OhmBereiches (0Ohm - 3Ohm) sehr gut durch die Reduktion der beiden Widerstände R8 und R7 erreichen kann. R7 bildet mit dem zu messenden Kondensator einen Spannungsteiler und desto kleiner R7 desto gespreitzer wir die Anzeige im 1 Ohm Bereich. Genau das wird heutzutage immer wichtiger wenn man die Glättungskondensatoren in modernen Schaltnetzteilen überprüfen will. Da machen 100 Milliohm mehr oder weniger schon was aus.