Messgerät
für ELKOs
mit PIC16F883
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Dieses Projekt lag 7 Jahre lang auf Eis. Es ist nun Zeit, es wieder
aufzugreifen.
Allgemeines
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Messbereich |
Toleranz / Fehler |
| Kapazität: |
10µF ... 65 000µF |
10% |
| ESR (bei 100 kHz): |
20 mOhm ... 1 Ohm |
10% |
| Leckstrom: |
1 µA ... 22 µA |
10% |
| Messzeit: |
< 1 s / 1000 µF + 2 s
|
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Das Ziel war die Entwicklung eines Gerätes, mit dem sich
die wichtigsten
Parameter von ELKOs leicht bestimmen lassen.
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 |
Einleitung
Den idealen Kondensator gibt es nicht. Wenn man einen ELKO mit seiner
Kapazität und seiner maximalen Betriebsspannung kauft, dann kauft
man auch seinen Serienwiderstand (ESR) und seinen Parallelwiderstand
(Rp)
mit.
- Rp: Der Parallelwiderstand sorgt für
Leckströme
durch
den ELKO, und ist bei intakten Kondensatoren extrem groß
(>>
1 MOhm).
- ESR: Der Serienwiderstand (ESR)
ist von größerer Bedeutung. Er sorgt nicht nur für
Verluste
im ELKO, sondern begrenzt auch seine Fähigkeit, als Siebelko z.B.
eine Spannung zu glätten. Seine Messung ist für jeden, der
mit
Schaltnetzteilen bastelt sehr wichtig. Der ESR beträgt einige 10
mOhm
bis zu einigen 100 mOhm
- C: Die Messung der realen Kapazität eines ELKOs ist
auch nicht
uninteressant. Schließlich ändert sich dieser Wert durch
Lagerung
und Nutzung, und gibt Auskunft über die Gesundheit eines
Kondensators.
Messung der Kapazität C
Die Kapazität
eines ELKOS kann man anhand seines Ladeverhaltens bestimmen.
Dabei wird der
leere Elko über einen 250 Ohm-Widerstand aus der Betriebsspannung
5 V von 0 V bis auf 2,5 V aufgeladen. Die Ladezeit ist proportional zur
Kapazität.
Es gilt:
C = 0,005771 x T
Ein Mikrofarad entspricht einer Ladezeit von 0,1733
Millisekunden. 10000 µF entsprechen folglich 1,733 Sekunden.
Während des Ladens wird ein 16-Bit-Zähler mit 5771
Hz inkrementiert.
Beim Erreichen von 2,5 V wird der Zählerstand ausgelesen. Sein
Wert
entspricht der Kapazität in Mikrofarad.
Das Erreichen der 2,5 V kann mit einem Komparator
oder einem ADC erkannt werden. Ich
verwende den ADC.
Im Beispiel in der unten stehenden Abbildung lädt der PIC den
ELKO
über RC0, während die Ladespannung mit dem ADC über RA0
beobachtet
wird. Das Pin RC0 hat FET-Treiber. Im High-Zustand verbindet ein P-FET
das
Pin RC0 mit Vdd. Dieser FET hat einen Innenwiderstand von ca. 70 Ohm,
der mit dem externen Ladewiderstand in Reihe liegt. Folglich darf
der
externe
Ladewiderstand nur 180 Ohm betragen.
Vor der Messung muss der ELKO auf 0 V entladen werden,
das erfolgt durch T2 (angesteuert durch RC1). Um die Entladezeit in
Grenzen zu halten,
wird nur bis
auf 40 mV entladen.
Dieses Messprinzip wird auch in
diesem
Lernbeispiel verwendet.
Problematisch ist der Innenwiderstand der RC0-Endstufe. Er streut
exemplarabhängig
und steigt mit der Temperatur (bei 70°C doppelter Wert als
bei
20°C). Ein externer Treiber würde höhere Genauigkeit,
Temperaturstabilität
bieten. Andererseits herrschen in der Bastlerwerkstatt meist konstante
Temperasturen.
Messung des Reihenwiderstandes ESR
Insbesondere für den
Einsatz in Schaltnetzteilen benötigt
man ELKOs mit einem kleinen ESR. Da der ESR frequenzabhängig ist,
ist es wichtig, den ESR bei einer ausreichend hohen Frequenz (100 kHz)
zu bestimmen. Oft in Datenblättern zu findende ESR für
kleinere
Frequenzen sind sind für viele Einsatzzweck nutzlos.
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Die Messung des ESR ist dadurch erschwert, dass der
Kondensator (mit
seinem Wechselstromwiderstand/Impedanz Z) in Reihe zum ESR
liegt.
Am Besten ist es, den Gesamtinnenwiderstand (Rg) des ELKOs bei 100 kHz
zu messen, und danach den durch die ELKO-Kapazität bestimmten
Wechselstromwiderstand
abzuziehen. Der Gesamtinnenwiderstand (Rg) der ELKOs liegt im Bereich
von
20 .. 1000 Milliohm (bei 100 kHz). Eine Messung mit einer
Auflösung
von 1 Milliohm erscheint deshalb sinnvoll.
Zur Messung wird eine 100-kHz-Wechselspannung (5V p-p, Rechtecksignal)
an eine Reihenschaltung aus einem Widerstand (25 Ohm) und dem ELKO
geschickt.
Der AC-Spannungsabfall über dem ELKO wird gemessen, und daraus der
Gesamtinnenwiderstand errechnet. Ein möglichst großer
Strom vereinfacht die Messung. Bei 100-mA AC-Strom fallen am ELKO
AC-Spannungen
von 2 ..100 mVAC ab. Um die mit einer Auflösung von 0,1 mVAC zu
messen, ist eine Präzisionsgleichrichter nötig, der den
AC-Anteil
der Spannung am ELKO gleichrichtet und 49-fach
verstärkt.
Danach kann die Spannung mit dem ADC eines PIC gemessen werden. Mit dem
ADC lassen sich dann Gesamtwiderstände von Rg = 0
..1000 mOhm messen.
Der Messverstärker wird so ausgelegt, dass das
ADC-Ergebnis direkt dem Gesamtwiderstand Rg in Milliohm entspricht. Das
ist garantiert, wenn ein Eingangssignal von 100 µV AC (p-p) am
Verstärkerausgang 4,9 mV DC ergeben. (Verstärkung: 49)
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Der Wechselstromwiderstand Z wird dann wie folgt errechnet:
Z = 1/ (6,28 x f x C) = 1/(628318 x C)
Das ergibt folgende vereinfachte Formel:
Z [mOhm] = 1591 / C [µF]
und vom Messwert Rg abgezogen.
ESR = Rg - Z
Die 100-kHz-AC werden vom PIC erzeugt (RC1, RC2), und mit einer
Gegentakttreiberstufe
(T1, T2) und 25 Ohm Widerständen (R8, R9) auf 100 mA
verstärkt.
Mein Messgleichrichter besteht z.Z. aus drei OPVs. Der erste nimmt
nur die positiven Halbwellen des Eingangssignals und invertiert sie.
Die zweite Stufe verdoppelt den Pegel der invertierten positiven
Halbwellen und addiert sie mit dem Eingangssignal. Dadurch haben wir
nun alle
Halbwellen im positiven Spannungsbereich. Der Kondensator wandelt die
Halbwellen in eine positive Gleichspannung (Tiefpassfilter). Der dritte
OPV verstärkt die gleichgerichtete Spannung 49-fach.
Messung des Leckstromes durch Rp
Ein hoher Leckstrom ist ein Zeichen für einen ELKO-Defekt, oder
einen ELKO, der lange Zeit gelagert hat, und erst wieder trainiert
werden
muss. Der Leckstrom kann durch den Spannungsabfall an einem
hochohmigen
Messwiderstand gemessen werden. Der ELKO wird auf 5 V (Vdd) geladen,
und
anschließend über einem 220 kOhm-Widerstand mit 5 V
in Verbindung gehalten. Der
Leckstrom (I) fließt durch den Widerstand und erzeugt einen
Spannungsabfall
(Ul). Daraus kann der Leckstrom errechnet werden:
I = Ul / R
Für einen 220 kOhm-Widerstand
ergibt das:
I[µA] = UI[adc] / 45
..wobei als UI-Wert die Differenz
zwischen dem ADC-Ergebnis bei aktivem Ladetransistor T1 und bei
abgeschaltetem T1 genommen wird.
Der maximal messbare Leckstrom beträgt 22 µA, und die
Messung ist nicht linear. Aber alles oberhalb von 5 µA ist
ohnehin ein deutliches Anzeichen eines ELKO-Defektes, und bis 5
µA ist die Linearität ausreichend.
PIC-Typ
Zur Messung des ESR wird ein ADC benötigt. Zum Anschluss
des Displays sowie der Messelektronik werden so viele Pins
benötigt,
das PICs im 8- oder 14-Pin-Gehäuse ausscheiden. Beim Blick in
meine
Bastelkiste fand sich einen geeigneten PIC16F883. Am PortB
wird
ein 2-zeiliges LCD-Display
angeschlossen
(2x16).
Ablauf der Messung
Messung der Kapazität:
- Entladen des ELKOs über 25 Ohm, bis die ELKO-Spannung
an RA0 unter
0,04V
liegt.,
- Kapazitätszähler auf 0 setzen,
- Laden des Elkos über 250 Ohm starten (RC0),
- in einer Schleife alle 0,1733 ms die ELKO-Spannung messen und
Kapazitätszähler
inkrementieren, bis Spannung an RA0 2,5V erreicht
- Kapazitätszähler auslesen und links-oben anzeigen
Messung des ESR
- ELKO auf 2,5V laden (wurde zur Kapazittätsmessung getan)
- ELKO über 25 Ohm-Widerstände im
100-kHz-Takt mit Vdd und Vss
verbinden
- AC-Spannung am ELKO über Gleichrichter/Verstärker messen
- Gesamtwiderstand Rg aus ADC-Messwert errechnen
- aus der gemessenen Kapazität die Impedanz Z errechnen
- ESR errechnen (ESR = Rg - Z) und links-unten anzeigen
Messung des Leckstroms
- ELKO niederohmig (25 Ohm) mit 5V verbinden
- warten bis ELKO auf 5V geladen ist
- ELKO über 220-Kiloohm mit 5V verbunden halten
- Spannungsabfall am 220 kOhm-Widerstand messen
- Leckstrom errechnen und rechts-oben anzeigen
Schaltung im Detail
Oben waren bereits Prinzipschaltungen zu sehen. Hier nun ist die
Gesamtschaltung.
Stromversorgung
Die Stromversorgung muss +5VDC mit mindestens 140mA für den PIC
bereitstellen. Außerdem wird eine positive und eine negative
Betriebsspannung für den ADC benötigt. Wer einen OPV mit
rail-to-rail-Ausgang verwendet, könnte als positive OPV-Spannung
die +5VDC verwenden, mein TL084 erfordert aber eine etwas höhere
positive Betriebsspannung.
Messgleichrichter
Der Messgleichrichter erfordert 3 OPVs. Die ersten beiden müssen
problemlos ein 100 kHz-Rechtecksignal verarbeiten können,
deshalb sollte ihre Bandbreite mindestens 3 MHz betragen. Ich habe
einen TL084 verwendet, der 4 OPVs enthält. Die Dioden D1 und D2
sollten eine kleine Kapazität haben, und für hohe Frequenzen
geeignet sein. Die Verbindungen/Leiterbahnen von C1 zum Test-ELKO sowie
vom Pin 3 des TL084 zum Masseanschluss des Test-ELKOs sind so zu legen,
das durch sie keine Ströme fließen. Insbesondere die
Lade/Entladeströme von T1 und T2 dürfen diese Leiterbahnen
nicht mitbenutzen. Ansonsten würde zusätzlich zum ESR des
ELKOs noch der Widerstand der Leiterbahnen gemessen werden.
R23 dient der Verstärkungseinstellung. Er ist erst einmal auf
Mittelstellung zu drehen. Später wird er im Laufe der Kalibrierung
genau eingestellt.
PIC & Co
R23 dient der genauen Einstellung des Ladestroms zur
Kapazitätsmessung. Anfangs sollte er auf etwa 60 Ohm eingestellt
werden. Später wird er im Laufe der Kalibrierung genau
eingestellt. Die Jumper JP2 und JP3 dienen in erster Linie der
Kalibrierung des Messgerätes. Im Normalbetrieb sind sie offen.
JP2 (an RC5) hat aber noch einen zusätzliche Funktion. Um den
reinen ESR zu bestimmen, wird der frequenz- und
kapazitätsabhängige imaginäre Wechselstromwiderstand des
ELKOs errechnet und vom gemessenen Gesamtwiderstand subtrahiert (ich
weiß, dass ich eigentlich die Wurzel der Differenz der Quadrate
beider Werte berechnen müsste). Diese Korrektur wird nicht
vorgenommen, wenn JP2 geschlossen ist. Wer also lieber den
Gesamtwiderstand anstelle des ESR ermittel möchte, steckt diesen
Jumper.
R1 dient der Kontrasteinstellung des Dot-Matrix-Displays.
Kalibrierung
Es sind zwei
Kalibrierschritte notwendig. Dafür benötigt man ein
Strommessgerät und einen genauen Widerstand von einigen 100
Milliohm (z.B. 470 Milliohm)
Für den ersten Kalibrierschritt ist vor dem Zuschalten der
Betriebsspannung JP3 zu schließen, JP2 zu öffnen und
anstelle des Test-ELKOs an JP1 das Strommessgerät
anzuschließen.. Nach dem Einschalten erscheint rechts-unten im
Display "K:20mA". An R22 wird
der am
Messgerät angezeigte Strom auf 20 mA eingestellt. Dann wird das
Gerät wider abgeschaltet. (Wärend der Kalibrierung zeigt das
Display den Spannungsabfall an JP1 an.)
Für den zweiten Kalibrierschritt sind vor dem Zuschalten der
Betriebsspannung JP3 und JP2 zu schließen und anstelle des
Test-ELKOs an JP1 der bekannte Widerstand (470 Milliohm)
anzuschließen.. Nach dem
Einschalten erscheint rechts-unten im Display "K:mOhm". Das Gerät misste den
Widerstandswert und zeigt das Ergebnis links-unten im Display an. R23
wird nun so verstellt, dass der angezeigte Wert dem realen
Widerstandswert möglichst nahe kommt. Dabei sollte man sich etwas
Zeit nehmen, da der Messwert nur etwa alle 2 Sekunden neu ermittelt
wird.
Danach wird JP1 kurzgeschlossen. Der nun angezeigte Widerstandswert
sollte unter 10 mOhm liegen.
Abschließend werden beide Jumper entfernt.
Entwicklungsstand
Kapazität
Die Messung der Kapazität war erprobt und funktioniert
problemlos.
ESR
Die ESR-Messung ist wesentlich kritischer. Der Messgleichrichter muss
AC-Spannungen von 2 ... 100 mV bei 100 kHz präziese gleichrichten
und
verstärken. Das ist komplizierter, als es sich anhört. Erst
einmal benötigt der OPV neben der positiven Betriebsspannung (Vdd)
auch noch einen negative Betriebsspannung von einigen Volt.
Außerdem hat der
Gleichrichter natürlich einen kleinen Nullpunktfehler, der aber
per
Software kompensiert wird.
Leckstrom
Die Messung des Leckstromes erwies sich als unkompliziert. Sie ist
allerdings nur ein Behelf, da der Leckstrom hier immer bei 5V gemessen
wird. Normalerweise sollte hier die jeweilige Betriebsspannung des
ELKOS verwendet werden.
15.09.2011
- Urversion
17.10.2011
- C5 auf 1000 uF vergrößert
- R7 & R17 auf 1k verringert
26.10.2011
- Pinout der Transistoren in den Eagle-files korrigiert
- Änderung der Stromversorgung
Download
Hier liegt
mögliche Erweiterungen
- Überarbeitung des Messgleichrichters
- Erkennung eines fehlenden ELKOs
- automatische Erkennung von ELKO-Fehlern
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Autor: sprut
erstellt: 14.01.2004
letzte Änderung: 26.10.2011
