[Rumgucker]

Wichtige Qualitätsmerkmale realer Kondensatoren sind die parasitären Elemente "ESR" (Equivalent Series Resistance), "ESL" und der Isolationswiderstand.

[Bild: 230px-Elko-Ersatzschaltbild-Wiki-07-02-08.svg.png]

Ein verlustfreier Kondensator hätte einen ESR von 0 Ohm, eine ESL von 0 nH und einen unendlichen Isolationswiderstand. Während man den Isolationswiderstand noch mit einem guten Widerstandsmessgerät und die Kapazität mit einem modernen Multimeter bestimmen kann, sind die restlichen Daten meist nur mit aufwendigen und teuren Vorrichtungen erfassbar.


Hier werde ich ein fast schon in Vergessenheit geratenes Verfahren zur ESR- und ESL-Messung "auf einen Schlag" vorstellen. Es handelt sich dabei um eins der ältesten Prinzipien der elektrischen Messtechnik überhaupt. Bekannt seit weit vor der Erfindung der Elektronenröhren.

Aber erst durch Verwendung eines modernen elektronischen Bauteils entsteht eine überraschend einfache Vorrichtung, die die o.a. Daten mit hoher Präzision in wenigen Sekunden ermittelt.

[madmoony]

Schoenes Thema...nuetzlich auf jeden Fall!

[Rumgucker]

Zitat:Original geschrieben von madmoony
Schoenes Thema...nuetzlich auf jeden Fall!

Ich bin ja unverändert immer noch der Meinung, dass wir unsere knapp 0,1 Millionen Fachbeiträge in 1100 Themen einmotten und aus dem Webspace mal ne anständige Schweinkramseite basteln.

DAS wäre ein schönes Thema und nützlich auf jeden Fall..... ;deal2

[madmoony]

Ah,neues Thema: Schweinkram

sag das doch gleich...

[Rumgucker]

Das eingangs gezeigte Ersatzschaltbild eines realen Kondensators

[Bild: 230px-Elko-Ersatzschaltbild-Wiki-07-02-08.svg.png]

beinhaltet einen Serienschwingkreis bestehend aus C und ESL.

Wenn man also einen Kondensator mit immer höheren Frequenzen versorgt, so sinkt seine Impedanz nach und nach bis zur Resonanzfrequenz dieses Serienschwingkreises:

[Bild: Kondensator-Impedanzverl%C3%A4ufe-Wiki-1.jpg]

Unterhalb der Resonanzfrequenz dominiert die Kapazität, oberhalb der Resonanzfrequenz dominiert die interne Induktivität.

Bei der Resonanzfreuenz heben sich induktive und kapazitive Komponente vollständig gegenseitig auf und es verbleibt als Impedanz nur der Wirkwiderstand ESR, der bis in den unteren Milliohmbereich sinken kann.

WENN es uns gelänge, den realen Kondensator auf seiner Resonanzfrequenz zum Schwingen zu bringen, so könnten wir aus der Resonanzfrequenz ESL berechnen und gleichzeitig ESR abblesen.

Zur Ablesung des extrem niederohmigen ESR verwenden wir eine der ältesten Messmethoden der Elektrotechnik: eine Brückenschaltung. Und zur Anfachung der Schwingung auf Serienresonanz das ebenso seit Urzeiten bekannte Prinzip eines Oszillators.

Der Trick des Monitors liegt in der Kombination beider Elemente zu einer supersimplen Schaltung, was durch Verwendung eines einzigen modernen Bauteils gelingt.

[Rumgucker]

Die Schaltung besteht aus einem gegenkoppelnden (R2 und Messobjekt) und einem rückkoppelnden Zweig (R1 und Poti), die beide vom Ausgang des OPV gespeist werden. In der Brückenquerverbindung befindet sich der OPV, der die Signale in beiden Zweigen vergleicht.

Man dreht am Poti, bis Schwingungen beginnen. Dies wird mit der LED angezeigt. Dabei stellt sich die Frequenz des im Messobjekt befindlichen Serienkreises (L1 und C1) ein, denn nur bei dieser Frequenz wird die Gegenkopplung minimal.

Bei der Serienresonanz heben sich die Blindwiderstände L1 und C1 im Messobjekt vollständig auf und die Brücke "sieht" nur noch den Wirkwiderstand Rs (= "ESR"), der uns ja interessiert. Der eine Brückenzweig besteht also aus R2 und Rs. Der andere Brückenzweig aus R1 und dem Poti.

Die Stellung des Potis entspricht daher direkt dem Wirkwiderstand Rs! Um Schwingungen anzufachen, muss am Poti eine etwas höhere Spannung abfallen. Man kann also an der dekadisch und linear verlaufenden Potiskala direkt den Widerstand Rs ablesen, wenn der Oszillator gerade eben zu schwingen anfängt.

Gleichzeitig kann man mit dem Oszillatorausgang einen Frequenzzähler speisen und - bei bekannter Kapazität - L1 mit der Schwingungsformel berechnen.

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Die Schaltung ist nicht nur zur ESR-Messung geeignet. Man kann mit ihr auch Spulen oder Kapazitäten messen, wenn man sie mit einem Referenzkondensator bzw. einer Referenzspule zu einem Serienkreis vervollständigt und die sich einstellende Schwingfrequenz auswertet.

Man kann auch Quarze oder sonstige Piezos auf Serienresonanz anregen.

Um möglichst flexibel zu sein wurde ein LM7171 OPV verwendet, der mühelos 100MHz erreichen kann, aber auch mit wenigen Hz keine Schwierigkeiten hat. Der OPV kann derart hohen Ströme aufbringen, dass man sogar noch unter einem Milliohm erfolgreich messen kann. Um das Gerät universell zu halten, kann man den Messbereich über sechs Dekaden umschalten.

Das Gerät soll in diesem Thread fertig aufgebaut werden. Der erste Kontrollausdruck für die Frontplatte zeigt die (erstmal nur aufgelegten) Bedienelemente:



Messobjekt in Polklemmen einschrauben. Bereich in Stufen hochschalten. Poti jeweils hochdrehen. Schwingungseinsatz an der LED erkennen. Schalter und Poti ablesen. In der Abbildung hätten wir es also mit einem ESR von knapp 6 Ohm zu tun.

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Mein Haupproblem ist zur Zeit die rechte Hälfte des fast leeren Geräts. Da muss noch was rein. Ein Wirkleistungsmessgerät hatte ich verworfen, weil das hübsche Drehspulmessgerät aus Shanghai immer noch unterwegs ist.

Daher soll da nun eigentlich ein "NF-Kontrollmonitor" rein (also Kleinleistungslautsprecher mit LM386 und Spannungsteiler vorweg).

Aber wenn das Drehspuldingens morgen noch käme....

[Rumgucker]

Leider kam das Drehspulmesswerk nicht an. Ich bekam allerdings mein Geld zurück. Mittlerweile bietet die Shanghai-Bude überhaupt nichts mehr an. Vom Markt verschwunden. Ich hab allerdings ne Idee, wie ich das bisher verwendete Instrument optisch aufpeppen kann.

Aber das ist für dieses Gerät nun erstmal egal. Heute gehts hier weiter. Praktischer Aufbau der Kiste.

[Rumgucker]

Alle Frontplattenbauteile montiert.



Innenverdrahtung fehlt allerdings noch komplett....

[Rumgucker]

Zwar ist die linke Seite des Gerätes - also die eigentliche Messbrücke - noch ziemlich leer...




Aber die rechte Seite des Gerätes - der Monitor - erfreut sich vollständiger Funktion ....



...wobei man die Elektronik (LM386) allerdings kaum im leeren Gehäuse findet...





Morgen gehts dann los mit der Messbrücke. Allerdings wird es dort fast noch weniger Elektronik geben....

[Rumgucker]

Messbrücke ist halb fertig. Morgen den Rest....

[Rumgucker]

Fertig... nur noch den Chip reinstecken und ein wenig rumtesten.

[Rumgucker]

Es gibt noch ne kleine Nachwehe. Mein mieser Japan-Netztrafo koppelt kapazitiv. Dieser winzige Wechselstrom fließt dann kapazitiv nach Erde und verstellt die Brücke. Sobald ich die Gerätemasse mit Erde verbinde, wird der Blindstrom kurzgeschlossen und das Dingens arbeitet perfekt. Ich will aber keine galvanische Verbindung mit Erde, weil der Monitor potentialunabhängig sein soll und auch der ggfls. angeschlossene Frequenzzähler hochliegen kann. Also werde ich zwischen Gerätemasse und Erde irgendeinen Kondensator legen, möglichst knapp dimensioniert. Wahrscheinlich im unteren nF-Bereich.

[Rumgucker]

Ne.... der "Erdungskondensator" war Pfusch. Eine gut aufgebaute Brücke lässt sich von sowas nicht aus dem Gleichgewicht bringen.

Also nochmal nachgedacht. Wo fließen Ströme (wir messen ja Bruchteile eines Milliohms mit Strömen von bis zu 100mA)? Und wo nicht? Es geht um jeden Zentimeter! Normalerweise kann ich sehr gut in Stromkreisen denken. Aber beim Poti stand ich wohl etwas neben mir.

So ist es jedenfalls richtig:



Der Strom fließt vom Ausgang des OPVs mit dem schwarzen Draht zum Stufenschalter. Spannungsabfälle darauf kompensieren sich. Dann teilt sich der Strom in einen starken Strom (grau) Richtung Messobjekt und einen schwachen Strom (gelb) Richtung Poti auf.

Der starke Strom führt direkt auf die Messobjekt-Klemme und wird dort vom OPV abgetastet.

Der schwache Strom führt ans Poti und wird dort vom OPV abgetastet.

Der schwache Strom vom Poti wird auf die Messobjekt-Masse geführt. Von da aus vereinigt sich der Massestrom und Spannungsabfälle auf der Masserückleitung werden kompensiert. Das Cu-Geflecht dient nur der Optik. Ein dünner Draht hätte es auch getan.

Nun klappt die Kiste

[Rumgucker]

Hier hab ich Alfsch 20mOhm-Kondi mit einem 100mOhm Drahtwiderstand in Reihe geschaltet:



Die Frequenz sinkt um 30kHz (wg. des Drahtwiderstands). Und das Gerät zeigt knapp 0.1 Ohm. Ich bin fasziniert Das Wunder der Messbrücke. Angenehm ist übrigens, dass die Resonanz fast hysteresefrei eingestelt werden kann. Das liegt an den großen Verlusten im Schwingkreis. Nämlich genau an dem zu vermessenden Serienwiderstand

[Rumgucker]

Mittlerweile hab ich neben ESR und ESL auch Quarze, Filter, Spulen (mit bekannter Kapazität in Reihe), Kapazitäten (mit bekannter Spule in Reihe), BNC-Kabel und Antennenfußpunktwiderstände und Resonanzfrequenzen gemessen. Der Monitor kriegt alles zum Resonieren.

Bestimmt kann man damit auch Tesla-Spulen vermessen. Ich hab nur keine.


Fehlanzeigen kanns geben durch:

1. Eingangskapazitäten des LM7171 (ab 50 Mhz)

2. Poti ist kein guter HF-Spannungsteiler (bisher aber noch keine Probleme gesehen)

3. Zuleitungen zum Messobjekt (je kürzer, desto besser)

4. das Messobjekt darf keinen niederohmigen Parallelwiderstand haben, weil sich dann die Offsetspannung des OPVs schädlich auswirkt.


Mich fasziniert die Einfachheit der Bedienung und die binäre Anzeige. LED an. LED aus. Ein wirklich alltagstaugliches robustes und mittlerweile unverzichtbares Universalmessgerät.