Condensator ESR-meter met behulp van oscilloscoop

Condensatoren lijken allemaal in orde totdat je op het punt komt dat een stroomtoevoer uitvalt of weigert optimaal te presteren. En als het probleem ruis is, is er een eenvoudige oplossing: u voegt gewoon meer condensatoren toe. Maar dat lost het niet op. Wat kan er mis zijn?

Het probleem komt voort uit de naïeve aanname dat condensatoren (voor een groot deel) 'ideale' apparaten zijn, terwijl ze dat in feite niet zijn. Die ongewenste effecten zijn het gevolg van iets dat interne weerstand of Equivalent Series Resistance (ESR) wordt genoemd. Condensatoren hebben een eindige interne weerstand vanwege de materialen die bij hun constructie zijn gebruikt. We hebben ESR en ESL in condensatoren in detail uitgelegd in het vorige artikel.

Verschillende soorten condensatoren hebben verschillende ESR-bereiken. Zo hebben elektrolytische condensatoren in het algemeen hogere ESR's dan keramische condensatoren. Voor veel toepassingen wordt het belangrijk om de interne weerstand van condensatoren te meten. En vandaag zullen we in dit artikel een ESR-meter bouwen en leren hoe we de ESR van een condensator kunnen meten met behulp van 555 Timer IC en transistors.

Condensator ESR-meting

In het begin lijkt ESR-meting misschien een gemakkelijke taak.

De weerstand kan eenvoudig worden bepaald door een constante stroom aan te leggen en de spanningsval over het te testen apparaat te meten.

Wat als we een constante stroom op een condensator toepassen? De spanning stijgt lineair en vestigt zich op een waarde die wordt bepaald door de voedingsspanning, die (voor onze doeleinden) nutteloos is.

Op dit punt is het tijd om terug te gaan naar iets dat we op school hebben geleerd: " Condensatoren blokkeren gelijkstroom en geven wisselstroom door"

Na een paar vereenvoudigende conclusies te hebben getrokken, begrijpen we dat condensatoren in feite een kortsluiting zijn bij hoge frequenties en dat het capacitieve deel 'kortgesloten' wordt uit het circuit en dat alle spanning over de interne weerstand valt.

Het voordeel van deze methode is dat we de stroom niet eens hoeven te weten als we de interne weerstand van de gebruikte signaalbron kennen, omdat nu de ESR en interne weerstand (van de bron) een spanningsdeler vormen, de verhouding van weerstanden is de verhouding van de spanningsvallen, en als we er drie kennen, kunnen we gemakkelijk de andere bepalen.

Een oscilloscoop wordt gebruikt om de golfvormen aan de ingang en aan de condensator te meten.

Onderdelen lijst

Voor de oscillator:

1. 555 timer - zowel CMOS als bipolair werken prima, maar CMOS wordt aanbevolen voor hoge frequenties

2. 100K potentiometer - gebruikt voor het afstemmen van de frequentie

3. 1nF condensator - timing

4. 10uF keramische condensator - ontkoppeling

De krachtfase:

1. BC548 NPN bipolaire transistor

2. BC558 PNP bipolaire transistor

Een korte opmerking over de keuze van transistors - elke kleine signaaltransistor met een hoge versterking (300 en hoger) en een ietwat grote stroom (50mA +) werkt prima.

3. 560Ω basisweerstand

4. 47 Ω uitgangsweerstand - dit kan variëren van 10 Ω tot 100 Ω.

Schakelschema

Hieronder vindt u het schakelschema voor dit ESR-condensatortestercircuit -

Dit ESR-metercircuit kan worden onderverdeeld in twee secties, de 555-timer en de eindtrap.

1. De 555-oscillator:

Het 555-circuit is een conventionele astabiele multivibrator die een blokgolf afgeeft met een frequentie van een paar honderd kilohertz. Bij deze frequentie werken bijna alle condensatoren als kortsluiting. De 100K pot maakt frequentieafstemming mogelijk om de laagst mogelijke spanning over de dop te krijgen.

2. De vermogensfase:

Dit is een oplossing voor een ander probleem. We zouden de condensator rechtstreeks op de uitgang van de 555-timer kunnen aansluiten, maar dan zouden we de uitgangsimpedantie nauwkeurig moeten weten.

Om dit te elimineren wordt een push-pull eindtrap met voorweerstand gebruikt. De weerstand zorgt voor de uitgangsimpedantie.

Hier ziet u hoe de complete hardware van dit ESR-metercircuit eruitziet:

ESR van condensator berekenen

Uit de vergelijking van de spanningsdeler leiden we de volgende formule af:

ESR = (V _CAP • R _OUTPUT) / (V _OUTPUT - V _CAP)

Waar ESR de interne weerstand van de condensator is, V _CAP is het signaal over de condensator (gemeten op knooppunt CAP +), R _OUTPUT is de uitgangsweerstand van de eindtrap (hier 47 Ohm) en V _OUTPUT is de uitgangssignaalspanning zoals gemeten op punt A in het circuit.

Tijdens het gebruik van dit circuit wordt aanbevolen om de scoopsonde in te stellen op 1X om de gevoeligheid te vergroten en de bandbreedte te verkleinen om een ​​deel van de ruis te verwijderen en een nauwkeurige meting te doen.

Eerst wordt de piek-tot-piekspanning gemeten op punt A, vóór de impedantie, en genoteerd. Vervolgens wordt de condensator bevestigd. Zoom in tot je een blokgolf ziet. Draai met de pot totdat de golfvorm niet kleiner wordt.

Afhankelijk van het type condensator moet de piek-tot-piekspanning van de resulterende golfvorm in de orde van enkele tientallen of honderden millivolt zijn.

Voorbeeld: ESR meten voor een 100uf elektrolytische condensator

Hier is de ruwe outputgolfvorm van de eindtrap:

En hier is de spanning op de condensator. Let op alle ruis die op het signaal wordt aangebracht - wees voorzichtig met de meting.

Door de waarden in de formule in te voeren, krijgen we een ESR van 198mΩ.

De ESR van de condensator is een belangrijke parameter bij het ontwerpen van stroomcircuits en hier hebben we een eenvoudig ESR-meetapparaat gebouwd op basis van de 555-timer.