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

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

Das Ziel war die Entwicklung eines Gerätes, mit dem sich die wichtigsten Parameter von ELKOs leicht bestimmen lassen.
 

ELKO-Ersatzschaltbild



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.

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 Temperaturen.

Kapazitäts und ESR Messgerät



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.
Präzisions-Messgleichrichter mit 49-facher Verstärkung

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 mV-AC 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)

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.

OPVs haben leider oft einen kleinen Nullpunktfehler. Ein echtes Problem tritt dann auf, wenn der Nullpunktfehler dieser Schaltung negativ ist, also ohne Eingangssignal eine negative Ausgangsspannung erzeugt wird. Dieser Nullpunktfehler lässt sich dann nicht mehr automatisch kompensieren und der gemessene ESR wird zu klein. Das Problem ließe sich dadurch eliminieren, dass man den positiven Eingang des zweiten OPV nicht mit Masse verbindet, sondern durch einen Spannungsteiler auf eine Spannung von einigen Millivolt anhebt.



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:

  1. Entladen des ELKOs über 25 Ohm, bis die ELKO-Spannung an RA0 unter 0,04V liegt.,
  2. Kapazitätszähler auf 0 setzen,
  3. Laden des Elkos über 250 Ohm starten (RC0),
  4. in einer Schleife alle 0,1733 ms die ELKO-Spannung messen und Kapazitätszähler inkrementieren, bis Spannung an RA0  2,5V erreicht
  5. Kapazitätszähler auslesen und links-oben anzeigen
Messung des ESR
  1. ELKO auf 2,5V laden (wurde zur Kapazitätsmessung getan)
  2. ELKO über 25 Ohm-Widerstände im 100-kHz-Takt mit Vdd und Vss verbinden
  3. AC-Spannung am ELKO über Gleichrichter/Verstärker messen
  4. Gesamtwiderstand Rg aus ADC-Messwert errechnen
  5. aus der gemessenen Kapazität die Impedanz Z errechnen
  6. ESR errechnen (ESR = Rg - Z) und links-unten anzeigen
Messung des Leckstroms
  1. ELKO niederohmig (25 Ohm) mit 5V verbinden
  2. warten bis ELKO auf 5V geladen ist
  3. ELKO über 220-Kiloohm mit 5V verbunden halten
  4. Spannungsabfall am 220 kOhm-Widerstand messen
  5. 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 ermitteln möchte, steckt diesen Jumper.
R1 dient der Kontrasteinstellung des Dot-Matrix-Displays.


Schaltplan


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. (Während 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.


Bekannte Probleme
Ein negativer Offset des Messverstärkers kann vom PIC nicht gemessen und also auch nicht kompensiert werden. Das führt zum einen zu zu kleinen ESR-Messwerten, und bei ELKOs mit sehr kleinem ESR kann ein negativer Überlauf in der ESR-Berechnung auftreten. Dann werden ESR-Werte in der Größenordnung von 65000 angezeigt.
Das muss in Zukunft durch eine Nullpunktverschiebung des Verstärkers vermieden werden.



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 präzise 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


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Autor: sprut
erstellt: 14.01.2004
letzte Änderung: 26.10.2011 / 28.03.2015