Eigenes ESR-Messgerät bauen: Kompletter Leitfaden für Elektronik-Enthusiasten

Über DIY ESR-Meter: Jedes Handwerk hat seinen einzigartigen Werkzeugsatz. Im Fall der Elektronik sollten Sie mindestens ein Multimeter, Schraubendreher, Seitenschneider, Lötkolben und Drähte haben.

Der beste Teil: Sie finden diese Werkzeuge in jedem Elektronikladen und zu einem erschwinglichen Preis. Es gibt jedoch andere wichtige, aber teure Werkzeuge, die Sie benötigen, wenn Sie den Pfad der Elektronik weitergehen.

Und unter diesen Werkzeugen ist das ESR-Messgerät.

In diesem Artikel zeigen wir Ihnen, wie Sie Ihr eigenes ESR-Messgerät mit einer fertigen Streifenplatine/Vero-Platine bauen, mit dem gleichen Ergebnis wie ESR-Messgeräte auf dem Markt.

Bereit? Lernen wir!

Streifenplatine

Was ist ESR?

Kondensatoren sind nicht immun gegen Alterung. Wenn Sie unerwünschte Effekte sehen, liegt das am Ersatzreihenwiderstand (ESR). Warum? Kondensatoren haben einen begrenzten Innenwiderstand aufgrund der Materialien, die Hersteller zum Bau verwenden.

Zudem haben verschiedene Kondensatortypen unterschiedliche ESR-Bereiche. Daher ist es kritisch, den äquivalenten Reihenwiderstand Ihrer Kondensatoren zu messen.

Was ist ein ESR-Messgerät?

Beim Messen von Kondensatoren können Kapazitätsmessgeräte (digital oder analog) Sie in die Irre führen. Mit diesem Werkzeug könnten Sie denken, ein defekter Kondensator sei gut. Zudem verpassen Sie, wenn Sie nicht auf ESR testen, einen schlechten Kondensator und scheitern an der Reparatur. Was Sie brauchen, ist ein ESR-Messgerät.

Ein ESR-Messgerät ist ein zweipoliges Messwerkzeug mit dem primären Zweck, den ESR von Kondensatoren zu messen. Normalerweise haben schlechte Kondensatoren hohe ESR-Werte, die Sie nicht mit einem herkömmlichen digitalen Kapazitätsmessgerät oder Multimeter messen können.

Das ist noch nicht alles.

Sie können ein ESR-Messgerät verwenden, ohne die Kondensatoren aus Ihrer Schaltung zu entfernen.

Hier ist der beste Teil.

Sie können ein ESR-Messgerät für andere Experimente nutzen, wie das Prüfen von Niedrigohm-Widerständen wie 0,33 Ohm und 0,22 Ohm, Kurzschlüsse auf Leiterplatten lokalisieren, Lautsprecherverstärker prüfen und den Zustand sowohl normaler als auch wiederaufladbarer Batterien überprüfen.

Wie funktioniert das ESR-Messgerät?

Verschiedene Faktoren tragen zum Leistungsverlust in Kondensatoren bei. Sie können diese Faktoren als ESR zusammenfassen. Um vollständig zu verstehen, wie ein ESR-Messgerät funktioniert, schauen wir uns die Komponenten an:

Oszillator

Der Oszillator ist für die Bereitstellung des AC-Signals verantwortlich, das erforderlich ist, um Strom durch den zu testenden Kondensator zu treiben. Ein gutes Beispiel für einen Oszillatorschaltkreis läuft bei etwa 100 kHz.

Auch 100 kHz ist der Industriestandard für ESR-Messungen. Ein Abschnitt dieses Schaltkreises fungiert als Phasenschiebe-Oszillator. Er ist einfach zu implementieren und zeigt eine hervorragende Annäherung an eine Sinuswelle.

Der andere Abschnitt arbeitet als Verstärker und Puffer. Aufgrund des hohen Ausgangsimpedanz des Phasenschiebe-Oszillators verhindert dieser Abschnitt, dass der Oszillatorschaltkreis überlastet wird. Auch können Sie den Pegel des 100-kHz-Signals mit dem Gain-Control-Potentiometer einstellen.

Der ESR-Detektor

Der ESR-Detektor ist der Ort, an dem die meiste Aktion stattfindet. Der erste Abschnitt ist ein Spannung-zu-Strom-Wandler, der das 100-kHz-Signal vom Oszillator in einen Spitzen-zu-Spitzen-Strom von etwa 7 mA umwandelt.

So können Sie den CUT (Kondensator unter Test) in die Rückkopplungsschleife dieser Stufe einbinden. Auch können Sie dies mit zwei Frontplatten-Anschlussklemmen tun, sodass der CUT den gleichen Strom erhält.

Der Leistungswandler-Abschnitt

In diesem Abschnitt erfordert ein Single-Supply-Ansatz, dass Sie eine virtuelle Erdreferenz im gesamten ESR-Messgerät bereitstellen. In dieser Stufe liefert ein konventioneller Drei-Pol-Spannungsregler (am Eingang) einen +5-V-Bus.

Andererseits erhält der -5-V-Bus seine Versorgung von einer praktischen Komponente, die eine DC-Spannung liefert, die dem Betrag entspricht (aber mit umgekehrter Polarität) zum Eingang.

Funktionsweise

ESR Schaltplan

Zuerst erzeugen der TR1 im obigen Diagramm und der befestigte NPN-Transistor eine einfache Rückkopplung, die einen Blockieroszillator auslöst. Der Blockieroszillator beginnt, mit hoher Frequenz zu oszillieren.

Zusätzlich erzeugen die Oszillationen eine konsistente Spannungsgröße über den 5 Windungen des Sekundärtransformators. Auch wendet der Oszillator die induzierte Hochfrequenz über den CUT an.

Auch sehen Sie einen Op-Amp, der mit dem Niederspannungs-Hochfrequenz-Feed verbunden ist. Er arbeitet dort als Spannungsverstärker.

Wenn der ESR fehlt oder Sie einen funktionierenden Kondensator haben, wird das Messgerät eine vollständige Ausschlag anzeigen. Somit zeigt es einen winzigen ESR über dem Kondensator an, der wiederum für verschiedene Kondensatoren – mit unterschiedlichen ESR-Leveln – auf null sinkt.

Nun könnte ein niedrigerer ESR einen mäßig höheren Strom am invertierenden Sensoreingang des Op-Amps aufbauen. Er zeigt sich entsprechend auf dem Messgerät mit hohem Ausschlag und umgekehrt.

Zusätzlich fungiert der höhere BC547-Transistor als üblicher Spannungskollektor und Reglerstufe. Aus diesem Grund kann der Transistor die Oszillatorstufe mit minimalen 1,5 Volt handhaben. Auch andere elektronische Geräte um den CUT bleiben vom Testfrequenz des ESR-Messgeräts unbeeinflusst.

Auch ist es einfach, das Messgerät zu kalibrieren. Zudem, wenn Sie die Testleitungen kurz halten, justiert der 100k-Vorwiderstand nahe dem µA-Messgerät, bis er einen vollständigen Ausschlag auf dem Messgerät-Ziffernblatt erreicht.

Anschließend können Sie verschiedene Kondensatoren mit hohen ESR-Werten am Messgerät und annähernd geringeren Ausschlaggraden verifizieren.

Schließlich steht der Transformator auf einem Ferritring. Er verwendet einen dünnen Magneten mit verschiedenen Windungen im Diagramm.

Wie man sein ESR-Messgerät baut

ESR Schaltplan

In diesem Abschnitt lernen wir, wie man den obigen Schaltkreis baut. Der Schaltkreis bezieht seine Energie aus einer einzelnen 9-V-Batterie. Sie können einen kostengünstigen LDO als Ersatz verwenden, um die maximale Batterielebensdauer zu erhalten, da die Spannung im Laufe der Zeit abfällt.

Zudem ist der LM2936 nicht so teuer und führt Operationen sogar dann aus, wenn er auf 5,5 V abfällt. Auch haben wir eine LED Ein/Aus-Anzeige nach dem Schalter hinzugefügt – obwohl wir sie im obigen Diagramm nicht gezeigt haben.

Schaltkreisbauteile

• C1 – 100 µF
• C2 – 470 pF
• C3 – 10 µF
• C4 – 0,1 µF
• C5 – 100 nF
• C8 – 100 nF
• R1 – 1 kΩ
• R2 – 10 kΩ
• R3 – 150 Ω
• R4 – 12 Ω
• R5 – 12 Ω
• R6 – 27 kΩ
• R7 – 100 kΩ
• R8 – 2,2 kΩ
• R9 – 100 Ω
• R10 – 10 kΩ Poti
• IC1 – 555
• TR1 – 3904
• T1 – 2,1 Transformator
• D1 – 1N4007
• D2 – 1N4007
• D3 – 1N4148
• D4 – 1N4148

Schaltkreisbetrieb

Sehen wir uns einige Illustrationen an, um besser zu verstehen, wie dieser Schaltkreis funktioniert. Wir illustrieren mit den Wellenformen an den Punkten 1, 2 und 3 mit einem verkürzten ESR-Anschluss (0) und einem hohen ESR (5,6) Ohm. Hier entsprechen die Wellenformen den zugehörigen Kanälen und dem Oszilloskopbild.

Auch ist das Signal am Ausgang des Kondensator/Widerstand-Teiler etwa 232 mV Spitzen-zu-Spitzen. Zudem multipliziert der Transistor den Ausgangswert um einen Faktor von über 10. Zusätzlich hält Kanal 3 das gefilterte und gleichgerichtete Signal (ca. 1,35 V).

Wellenformen mit ESR (0)

So sieht das Messgerät in voller Ausschlag nach Einstellung des 10k-Potentiometers aus.

Vollständige Ausschlag von ESR (0)

Andererseits, wenn ein Kondensator einen hohen ESR (5,6 Ohm) hat, können Sie ihn über die Testleitungen einsetzen. So reduziert sich die Ausgangsspannung von Punkt 2, und auch der resultierende DC-Pegel an Punkt 3.

Wellenformen mit ESR (5,6 Ohm)

So sieht das Messgerät mit Ausschlag von ESR = 5,6 Ohm aus.

Messgerät für die Ausschlag von ESR (5,6 Ohm)

Schaltkreis aufbauen

Dieser Schaltkreis ist so einfach, dass Sie eine Lochrasterplatine für die Montage verwenden können. Obwohl es nicht einfach sein wird, einen adäquaten Signaltransformator für T1/E1-Übertragungsverbindungen zu finden, haben Sie vielleicht einen in Ihrer Teilekiste.

Eine großartige Alternative und Lösung für dieses Problem sind Transformatoren aus Schaltnetzteilen (PC ATX-Netzteile). Eine Alternative ist ein größeres Windungsverhältnis. Aber es gibt einen Haken. Sie müssten den 150-Ohm-Reihenwiderstand auf einen höheren Wert einstellen.

So sieht der vollständig montierte Schaltkreis aus:

Schaltkreis Montage

Sobald Sie den Schaltkreis montiert haben, können Sie die Endmontage in einem Metallgehäuse durchführen. Auch können Sie eine Audiobuchse und ein abgeschirmtes Audiokabel verwenden, um Ihre Testfühler anzuschließen. Zudem sollten Sie den Schirm (Ground) mit dem Metallgehäuse verbinden.

Endgültige Schaltkreis Montage

Einschränkungen fast jedes ESR-Messgeräts

Hier sind einige Einschränkungen jedes ESR-Messgeräts:

1. Wenn Sie einen Kondensator mit internem Kurzschluss haben, werden die Messwerte des ESR-Messgeräts Sie irreführen, indem sie einen niedrigen ESR-Wert vortäuschen.

2. Das Messgerät ist nicht die beste Option zum Testen von Kondensatoren mit weniger als 30 Mikrofarad. Wenn der zu testende Kondensator zu niedrig ist, wird die Messreaktanzfrequenz hochsignifikant. Dies führt zu einem übermäßigen ESR.

3. Es können Fehler durch lange Testleitungen des CUT entstehen. Wie? Da der ESR ein Niedrigohm-Messgerät ist.

Abschluss

Ein ESR-Messgerät zu bauen, ist ein einfaches und spaßiges Projekt. Der beste Teil: Sie können dies mit gängigen Teilen in einem Elektroniklabor erreichen. Das ESR-Messgerät ist das Werkzeug der Wahl für Elektronik-Reparaturtechniker, Hobbyisten, Designer und Ingenieure.

ESR ist ein wichtiges Attribut von Kondensatoren größer als 1 Mikrofarad. Zudem benötigen Sie den ESR-Tester, wenn Sie Messungen durchführen möchten, die mit dem Standard-Digitalkapazitätsmessgerät unmöglich sind.

Nun, das fasst alles zusammen, was Sie über ESR-Messgeräte und deren Bau wissen müssen. Wenn Sie Fragen oder Vorschläge haben, zögern Sie nicht, uns zu erreichen. Wir helfen gerne.