- Kondensator-ESR-Messung
- Liste der Einzelteile
- Schaltplan
- Berechnung des ESR des Kondensators
- Beispiel: Messung des ESR für einen 100uf Elektrolytkondensator
Kondensatoren scheinen in Ordnung zu sein, bis Sie den Punkt erreichen, an dem ein Netzteil ausfällt oder sich weigert, eine optimale Leistung zu erbringen. Und wenn das Problem Rauschen ist, gibt es eine einfache Lösung, Sie fügen einfach weitere Kondensatoren hinzu. Aber das löst es nicht. Was könnte falsch sein?
Das Problem ergibt sich aus der naiven Annahme, dass Kondensatoren (weitgehend) "ideale" Geräte sind, während dies in der Tat nicht der Fall ist. Diese unerwünschten Effekte sind auf einen sogenannten Innenwiderstand oder einen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) zurückzuführen. Kondensatoren haben aufgrund der bei ihrer Konstruktion verwendeten Materialien einen endlichen Innenwiderstand. Wir haben ESR und ESL in Kondensatoren im vorherigen Artikel ausführlich erläutert.
Verschiedene Arten von Kondensatoren haben unterschiedliche ESR-Bereiche. Beispielsweise haben Elektrolytkondensatoren im Allgemeinen höhere ESRs als Keramikkondensatoren. Für viele Anwendungen wird es wichtig, den Innenwiderstand von Kondensatoren zu messen. In diesem Artikel werden wir heute ein ESR-Messgerät bauen und lernen, wie das ESR des Kondensators mit einem 555-Timer-IC und Transistoren gemessen wird.
Kondensator-ESR-Messung
Zu Beginn scheint die ESR-Messung eine leichte Aufgabe zu sein.
Der Widerstand kann leicht bestimmt werden, indem ein konstanter Strom angelegt und der Spannungsabfall am zu testenden Gerät gemessen wird.
Was ist, wenn wir einen Kondensator mit einem konstanten Strom versorgen? Die Spannung steigt linear an und stellt sich auf einen Wert ein, der durch die Versorgungsspannung bestimmt wird, was (für unsere Zwecke) unbrauchbar ist.
An diesem Punkt ist es Zeit, zu etwas zurückzukehren, was wir in der Schule gelernt haben: „ Kondensatoren blockieren Gleichstrom und leiten Wechselstrom weiter“
Nachdem wir einige vereinfachende Schlussfolgerungen gezogen haben, verstehen wir, dass Kondensatoren bei hohen Frequenzen im Grunde genommen ein Kurzschluss sind und der kapazitive Teil aus dem Stromkreis kurzgeschlossen wird und die gesamte Spannung über den Innenwiderstand abfällt.
Der Vorteil dieser Methode ist, dass wir die aktuelle brauchen noch nicht einmal wissen, ob wir den internen wissen Widerstand der Signalquelle verwendet werden, weil jetzt die ESR und Innenwiderstand (der Quelle) einen Spannungsteiler bilden, wobei das Verhältnis von Widerstände sind das Verhältnis der Spannungsabfälle, und wenn wir drei kennen, können wir den anderen leicht bestimmen.
Mit einem Oszilloskop werden die Wellenformen am Eingang und am Kondensator gemessen.
Liste der Einzelteile
Für den Oszillator:
1. 555-Timer - sowohl CMOS als auch Bipolar funktionieren einwandfrei, CMOS wird jedoch für hohe Frequenzen empfohlen
2. 100K-Potentiometer - zur Frequenzabstimmung
3. 1nF Kondensator - Timing
4. 10uF Keramikkondensator - Entkopplung
Die Power Stage:
1. BC548 NPN Bipolartransistor
2. Bipolartransistor BC558 PNP
Ein kurzer Hinweis zur Auswahl der Transistoren - jeder kleine Signaltransistor mit einer hohen Verstärkung (300 und höher) und einem etwas großen Strom (50 mA +) funktioniert einwandfrei.
3. 560Ω Basiswiderstand
4. 47Ω Ausgangswiderstand - dies kann zwischen 10Ω und 100Ω liegen.
Schaltplan
Unten ist der Schaltplan für diese ESR-Kondensator-Tester-Schaltung -
Diese ESR-Messschaltung kann in zwei Abschnitte unterteilt werden, den 555-Timer und die Ausgangsstufe.
1. Der Oszillator 555:
Die 555-Schaltung ist ein herkömmlicher astabiler Multivibrator, der eine Rechteckwelle mit einer Frequenz von einigen hundert Kilohertz erzeugt. Bei dieser Frequenz wirken fast alle Kondensatoren wie ein Kurzschluss. Der 100K-Poti ermöglicht die Frequenzabstimmung, um die niedrigstmögliche Spannung über der Kappe zu erhalten.
2. Die Leistungsstufe:
Dies ist eine Problemumgehung für ein anderes Problem. Wir könnten den Kondensator direkt an den Ausgang des 555-Timers anschließen, aber dann müssten wir die Ausgangsimpedanz genau kennen.
Um dies zu beseitigen, wird eine Gegentakt-Ausgangsstufe mit einem Vorwiderstand verwendet. Der Widerstand liefert die Ausgangsimpedanz.
So sieht die komplette Hardware dieser ESR-Messschaltung aus:
Berechnung des ESR des Kondensators
Aus der Spannungsteilergleichung leiten wir folgende Formel ab:
ESR = (V CAP • R OUTPUT) / (V OUTPUT - V CAP)
Wobei ESR der Innenwiderstand des Kondensators ist, V CAP das Signal über dem Kondensator (gemessen am Knoten CAP +), R OUTPUT der Ausgangswiderstand der Leistungsstufe (hier 47 Ohm) und V OUTPUT die Ausgangssignalspannung als gemessen am Punkt A im Stromkreis.
Während der Verwendung dieser Schaltung wird empfohlen, die Oszilloskopsonde auf 1X einzustellen, um die Empfindlichkeit zu erhöhen und die Bandbreite zu verringern, um einen Teil des Rauschens zu beseitigen und eine genaue Messung durchzuführen.
Zunächst wird die Spitze-Spitze-Spannung am Punkt A vor der Impedanz gemessen und notiert. Dann wird der Kondensator angeschlossen. Zoomen Sie hinein, bis Sie eine Rechteckwelle sehen. Drehen Sie den Topf, bis die Wellenform nicht kleiner wird.
Abhängig von der Art des Kondensators sollte die Spitze-Spitze-Spannung der resultierenden Wellenform in der Größenordnung von einigen zehn oder Hunderten von Millivolt liegen.
Beispiel: Messung des ESR für einen 100uf Elektrolytkondensator
Hier ist die rohe Ausgangswellenform der Leistungsstufe:
Und hier ist die Spannung am Kondensator. Beachten Sie das gesamte dem Signal überlagerte Rauschen - seien Sie vorsichtig bei der Messung.
Wenn Sie die Werte in die Formel eingeben, erhalten Sie einen ESR von 198 mΩ.
Der ESR des Kondensators ist ein wichtiger Parameter beim Entwurf von Stromkreisen. Hier haben wir ein einfaches ESR-Messgerät gebaut, das auf dem 555-Timer basiert.