Finnished prototype. MK4
Englisch text at the bottom:
Elders op deze site is meer over ESR en de verschillende meet manieren te vinden.
http://www.pa4tim.nl/?p=3775
De meeste meters meten een spanningsval van een blokgolf. Dit werkt niet. OK, het lijkt wel te werken, heel veel condensators lijken slecht te zijn en de echt slechte zit er dan ook meestal bij. Een echt rotte DC kortgesloten condensator zal een lage ESR geven maar niet in deze meter, daar valt hij door de mand. Een echte DC test is het natuurlijk niet, daarvoor heb je de werkspanning in DC nodig. Ook hier heb ik het nodige over geschreven. ESR is een heel complex geheel. Het bestaat uit puur ohms maar ook uit frequentie afhankelijke weerstandsdelen in het diëlectrium. Bij een pure condensator loopt de stroom 90 graden voor op de spanning. Een niet ideale condensator veroorzaakt minder fase verschuiving en dat verschil wordt gemeten. Dit verschil wordt veroorzaakt door de ESR, de equivalente serieweerstand.
Ik wilde een meter bouwen die dat wel kon. Ondertussen ben ik bij versie 4. Deze heeft digitale uitlezing, evt dmv een multimeter en een instelbare frequentie van 10 tot 100 kHz. Zie onder aan de pagina.
Je kan condensators vanaf zo’n 100nF meten zonder correctie tabellen of factoren. 10nF geeft een 5 ohm meetfout (de meter staat dan ongeveer op 9 maar je kunt hem met een zeker goede 10n calibreren als je zou willen, de grotere lopen dan wel de schaal uit) Kleiner heb ik niet geprobeerd. Als ik dat nodig heb (bv in het fasevergelijkend circuit van een nuldetector) meet ik met behulp van een GR brug of VNA. Deze ESR meter is een behoorlijk accuraat apparaatje om rotte elcos’s in bv switchers te zoeken. hij meet met een hogere spanning dan normaal dus in niet voor in circuit. Ik heb het wel geprobeerd en de resultaten waren dan net zo onbetrouwbaar als bij bv de Peak. Het voordeel van een hogerere spanning is dat je een beter resolutie hebt en vooral elco’s in consumenten apparatuur (de beroerde 16V versies) een behoorlijke DC spanning krijgen waardoor ik al diverse instabiele elco’s heb gevonden die met bv mijn peak ESR meter, of zelfs met een HP of GR LCR brug als goed worden gezien. Je ziet aan de analoge meter dat er iets niet deugt. (de meter blijft “dwalen/wiebelen” (je kan de MK4 versie nog steeds van een analoge meter voorzien).
EDIT 2012: In mijn prototype bleek ik een verbinding naar een 4066 stuurpin te zijn vergeten. Dat gaf de invertering en saturatie bij opstarten. Voor een verbeterde versie zie onder. Die heeft ook beveiliging en is geschikt voor een digitale uitlezing mbv een paneel of multimeter. EDIT 2013, dat is nu MK4 geworden. MK3 werkt prima maar het probleem zit hem in de grote verschillen tussen de 74 ICs. De dutycycle moet 50% zijn en ik hoorde van nabouwers dat dit per merk/type/jaar 74 IC blijkbaar erg onvoorspelbaar is. Dat heb ik getest en bleek inderdaad het geval. Daardoor ben ik over gegaan naar een comparator als oscillator en een 4013 als twee deler. Dat heb ik met diverse 4013’s geprobeerd en gaf geen problemen. De waarden voor de frequentie (de juiste waarde voor de 10K pot en 1n condensator moet je even experimenteel vaststellen. Het ding kan tot veel hogere frequenties en het hangt ook af van je bouwwijze)
Na een paar maanden gebruik moet ik zeggen dat ik er erg tevreden over ben. Ik heb de metingen nog talloze keren gecontrolleerd middels andere metingen en VNA metingen en hij blijkt erg betrouwbaar in zijn meet resultaat. Zelfs 10nF tantaaltjes waren testbaar. Grote 15.000uF elco’s kosten wel even tijd, een seconde of 10 tot 20 schat ik. Als hij vol is zie je dat aan de meter. Die gaat dan een heel klein beetje op zijn plaats staan wiebelen. Ontlaadt de elco wel weer na het meten. (dit kwam dus door een fout in de bouw, hij werkte wel goed maar dat veroorzaakte de veertraging. Het schema is echter juist. Maar ik adviseer versie 4 welke ik heb ontworpen ivm goede nabouwzekerheid.
Edit 2012: in het nieuwe schema zit de 7474 niet meer. Het zijn flipflops maar als de oscillator laag is kan de flipflop metastabiel worden en een halve amplitude geven. Daar had ik geen last van bij dit model maar met een ander type oscillator kan het gebeuren.
De opamp is een verschil versterker. De twee sample condensators worden steeds opgeladen en ontladen. Het verschil tussen de twee is de spanningsval over de ESR. Deze wordt versterkt en stuurt een meter aan. De meeste meters meten bij 100KHz omdat ze de impedantie meten, en die is laag op die frequentie. Deze meter meet alleen de ESR, dus bij 20KHz is de ESR wat hoger dan bij 100KHz zoals het hoort. Zou je impedantie meten bij 20 kHz dan was hij echter 5x zo hoog en zou de condensator slecht kunnen lijken. Lagere frequenties zijn vaak goed ivm minder meetproblemen bij elcos met hoge ESL .
Klaar in zijn kastje (MK1)
Dead bug style as usual
Een vrij diepgaand en interessant artikel over ESR : ESR in simulaties (downloadable pdf)
ENGLISCH VERSION
I have written more about ESR on this site so I will not explain that here.
http://www.pa4tim.nl/?p=3775
Most ESR meters just detect the voltage drop caused by a square wave towards ground. This is caused by the impedance, not the ESR. This does not work. OK, it does work, because at 100KHz |Z| is small, it’s an indication but because |Z| is higher as ESR it works a bit to well and it makes you swapping a lot more caps as needed.
The problem is the ESR is rather complex. It is a part frequency indepenend resistive and a part frequency dependend caused by the dielectric losses . This meter uses a phase comparing method to detect the voltage drop that is caused by the ESR.
This meter can be calibrated using resistors like most. You calibrate using a short for zero and some resistors to mark the scale up to around 40 Ohm. It measures acurate from 100nF upto as large as you want. So no problem with 1uF caps like the most meters have.
It does 50-350KHz 4,7Vtt square. There is no diode protection because that influenced measurements (test signal to high) . Caps need to be discharged.
Update 11-2012, a better version.( MK2 )20KHz to 100KHz and some protection. The 74LS74 could become metastabile and give half the amplitude. The ESR then looked higher as it was. My meter never had that problem but it could be possible. I also added some protection. I have not tested upto how many joules it can handle, so decharge the caps before measurement but better as nothing. I do not think it survives a charged 400V, 450 uF cap…
Version MKII. This one is usable for digital readout. (EDIT 2013, last version is MK4)
ESR meter MKII (schematic version 3)
Here I added two comparators as oscillator (4 in one package, do not leave the unused ones floating, tie +in to +5V through a 10K and connect the -in to ground. The outputs through 10K to +5V). The first one makes a 20KHz to 100KHz (more or less) squarewave (or much higher if you leave the 1K2 out). The second one shapes it in a nice 50% dutycycle squarewave. The inverters make two 180 degrees apart squarewaves. (EDIT 2013, from people who build it too I heard the 74LS04 can give the same problems. Duty cycle must be as perfect 50% as possible. MK4 has a 4013 and this seems to rather fool proof. I tried several versions.
It is probably possible to use 1 comparatror, I used two 180 degrees apart instead of the inverters but that did not work as well. The 4013 does.
I had 3 inverters in serie on the pcb, like on the picture because it was the oscillator so thats why I used 3 in the schematic. There are 6 in a package so who cares 😉 (my model uses all six of them, instead of grounding the rest) (this is about MK2)
The opamp is now a LT1013 precision opamp. But it is not very critical. You have less noise and more resolution with this opamp. I added a divider for the minus point of the meter so it can be set to zero Ohm by grounding it.
Be carefull, I use a panelmeter with fixed decimal point. The panel meter goes upto 1.999V but reading 19.99. So 10.00 on the display is 10 Ohm but 1V on a DMM.
First set the frequency at 10KHz so you minimise ESL and skineffect, short the Kelvin style test leads (4 wire methode) and zero the meter with the zero 10 turn trimmer. Then connect a 18 OHm 1% (or better if you have, or just neasure it) and adjust the second trimmer for a 18.00 reading (or 1.8V on a multimeter). If you now use it at 100KHz you will have a small zero offset caused by the resistance of skineffect and ad 18 Ohm too. But if you measure a cap you will see the resistance decreases a little with increasing frequency. Just like it should.
ESR van 440mOhm in a test setup
17.98 Ohm resistor
Finnished prototype.
MK-4