Als sich eines meiner (älteren) Messgeräte "verabschiedet" hatte, stellte sich als Ursache (mal wieder) ein defektes Schaltnetzteil heraus. "Wie immer" war weder der Schaltplan, noch ein Ersatz zu beschaffen. Aber es war ja nicht mein erstes Netzteil, und aus Erfahrung ist es bekannt, daß meistens die Ursache ein Elko ist, der im Laufe der Zeit so sehr gealtert ist, daß das Netzteil nicht mehr funktioniert. Eine optische Überprüfung der (mehr als 30) Elkos in dem Netzteil ergab keinerlei Auffälligkeiten. Keiner der Kondensatoren zeigte Anzeichen für "Überdruck" oder ausgelaufenes Elektrolyt. Also blieb mir nichts anderes übrig, alle Elkos auf Kapazität und ESR zu prüfen.
Was ist überhaupt "ESR"?
Die Abkürzung "ESR" steht für "Equivalent Series Resistance", was die Umladeverluste innerhalb eines Kondensators beschreibt, und als ein Serienwiderstand in Erscheinung tritt. Ein idealer Kondensator hätte ein ESR von 0Ω, nur in der Realität existiert z.B. ein geringer Widerstand der Zuleitungsdrähte. Bei Elkos spielt auch der Zustand der Metallfolien und des Elektrolyts eine große Rolle: Ein Elko mit "etwas löcherigen/zersetzten" Metallfolien kann durchaus noch einen Großteil seiner Kapazität (aktive Fläche) haben, jedoch führt der Stromweg zu den noch intakten Flächen nun über recht dünne und verzweigte Wege. Dadurch ergibt sich ein erhöhter Widerstand, und der Kondensator kann nicht mehr den ursprünglichen Maximalstrom aufnehmen. Wird ein solcher Kondensator mit hohen Impulsströmen (z.B. in einem Schaltnetzteil) "gequält", erwärmt sich das Innenleben (incl. Elektrolyt), dehnt sich aus, und bringt den Elko (mit einer ziemlichen Sauerei) zum Platzen. Gut konzipierte (meist ältere) Netzteile versagen oftmals schon vor diesem "GAU" den Dienst.
Wie misst man den ESR?
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Da nur der ohmsche Anteil der Impedanz gemessen werden soll, wird
eine (geringe) Wechselspannung verwendet (meist 100kHz), bei der der
eigentliche Kondensator schon wesentlich niederohmiger ist, als der zu
messende Serienwiderstand. Ausgangspunkt für das hier beschriebene
Messgerät ist eine genial einfache Schaltung von Jacques (VE2AZX). Mit einer solchen Konstruktion (Ringkerne
"FT50-77", 100 Windungen CuL 0.18mm -> 11mH) hatte ich schon
mehrfach Elkos "mal kurz geprüft", da nun aber mehr
als 30 Messungen anstanden, wurde mir diese Variante (mit Generator und
Oszilloskop) einfach zu umständlich. Also musste ein
"Stand-Alone-Gerät" konstruiert werden...
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Die erweiterte Schaltung:
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Der erste Versuch, auf dem primären Ferritkern eine
zusätzliche Wicklung aufzubringen, um damit einen Meissner-Oszillator
aufzubauen, erwies sich als recht instabil, und die Amplitude der erzeugten
Schwingung wurde vom zu messenden Widerstand stark beeinflusst. Also
bewickelte ich einen "FT23-77" mit einmal 10 (Arbeitswicklung),
und einmal 20 Windungen (Rückkopplungswicklung), und baute damit einen
wesentlich stabileren FET-Meissner-Oszillator auf. Die Entkopplung vom
primären Messtransformator erfolgt mit Hilfe einer
einfachen Treiberstufe. Die im sekundären Messtransformator
induzierte Spannung wird mit einer einfachen Emitterschaltung verstärkt
(einen OpAmp wollte ich bei dieser einfachen Schaltung nicht einsetzen),
einer Gleichrichtung zugeführt, und dann auf das Messinstrument
(100µA) geleitet.
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Das Layout:
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Hierbei habe ich die beiden Messtransformatoren in einem Winkel von 90 Grad
zueinander angeordnet, um eine direkte Beeinflussung möglichst gering
zu halten. Bei der im Layout rot angezeigten Leiterbahn handelt es sich
nicht um eine Leiterbahn, sondern um die Zuleitung zum zu messenden Objekt.
Daher ist es auch nicht notwendig, die Leiterplatte doppelseitig auszuführen.
Die beiden Pins "DUT1" und "DUT2" werden demzufolge auch
nicht bestückt, sondern deren Bohrungen nur zum Durchfädeln der
Messleitung verwendet (jedes Milliohm der Leitung beeinflusst das Messergebnis).
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Der Aufbau:
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Bei der Übertragung des des Entwicklungsaufbaus ("Bauteilknäuel")
auf die Leiterplatte und den ersten Tests der Schaltung wollte der Oszillator
nicht anschwingen -> Typischer Fehler in einer Meissner-Schaltung: Anschlüsse
des Transformators vertauscht... Dann fiel mir auf, daß der angezeigte
Messwert bei Kurzschluß der Messleitung (Vollausschlag des Instruments)
doch sehr von der Geometrie (Verlauf der Messleitung durch die beiden Ringkerne)
abhängig war. Daher habe ich sowohl die beiden Ringkernspulen, als auch
die hindurchgeführte Messleitung grosszügig mit Wachs eingekleistert
und somit fixiert. Auch der Oszillatortrafo hat bei dieser Aktion einen Kleks
Wachs abbekommen. Wachs habe ich verwendet, weil es im erwärmten Zustand
wesentlich dünnflüssiger ist, als z.B. Heiss- oder Epoxydharzkleber,
und somit auch in die schmalen Spalte zwischen den Windungen besser eindringt.
Als Meßspitzen habe ich mir zwei ca. 3cm lange Stücke aus Rundmaterial
(Kupfer) zurechtgedreht, die an einem Ende eine Spitze, am anderen Ende eine
Bohrung erhielten. Den Bohrdurchmesser habe ich so gewählt, daß die
verdrillten Adern der Messleitung "saugend" hineinpassten. Nachdem
die Messleitung mit den Meßspitzen verlötet war, kalibrierte ich das
Gerät auf Vollausschlag des Instrumentes beim Kurzschluß der beiden
Meßspitzen.
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Das fertige Gerät:
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Ich war erstaunt, daß es möglich war, eine Differenz
des Zeigerausschlags zu erkennen, je nachdem, ob ich die Messspitzen an den
Spitzen, oder den Enden kurzschloss (Differenz < 1mΩ). Danach isolierte
ich die Meßspitzen mit etwas Schrumpfschlauch und nahm ein paar Messungen
an vorhandenen 1Ω-Widerständen vor:
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Infos zum ESR von Elkos:
Hier ein paar grobe Anhaltswerte (aus einer entsprechenden
Diskussion
im QRP-Forum
abgeschrieben), welcher ESR bei welchen Elkos zu erwarten ist:
10V | 25V | 63V |
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47µF | 4.2Ω | 2.9Ω | 2.0Ω |
100µF | 2.0Ω | 1.1Ω | 0.93Ω |
470µF | 0.42Ω | 0.29Ω | 0.20Ω |
1000µF | 0.20Ω | 0.14Ω | 0.09Ω |
4700µF | 0.04Ω | 0.03Ω | 0.02Ω |
Das "Material":
Hinweise für Nachbauwillige:
Wer dieses Gerät nachbauen möchte, sollte über die Möglichkeiten der Herstellung einseitiger Leiterplatten und etwas Kentnisse der angewendeten Technik verfügen. Es handelt sich hierbei nicht um einen Bausatz, sondern eher um eine Anregung für eigene Konstruktionen. Alles, was ich dazu anbieten kann, befindet sich auf dieser Seite, d.h. Nachfragen nach fertigen Geräten, Bausätzen oder fertigen Leiterplatten zwecklos → Ich "produziere" ausschliesslich für den Eigenbedarf.
Für die Funktionalität und Nachbausicherheit dieses Gerätes kann ich keinerlei Verantwortung übernehmen. Eine kommerzielle Verwertung des Schaltplans oder des Layouts ist nur mit meiner ausdrücklichen Genehmigung zulässig.
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