Wichtige Qualitätsmerkmale realer Kondensatoren sind die parasitären Elemente "ESR" (Equivalent Series Resistance), "ESL" und der Isolationswiderstand. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/51/Elko-Ersatzschaltbild-Wiki-07-02-08.svg/230px-Elko-Ersatzschaltbild-Wiki-07-02-08.svg.png Ein verlustfreier Kondensator hätte einen ESR von 0 Ohm, eine ESL von 0 nH und einen unendlichen Isolationswiderstand. Während man den Isolationswiderstand noch mit einem guten Widerstandsmessgerät und die Kapazität mit einem modernen Multimeter bestimmen kann, sind die restlichen Daten meist nur mit aufwendigen und teuren Vorrichtungen erfassbar. Hier werde ich ein fast schon in Vergessenheit geratenes Verfahren zur ESR- und ESL-Messung "auf einen Schlag" vorstellen. Es handelt sich dabei um eins der ältesten Prinzipien der elektrischen Messtechnik überhaupt. Bekannt seit weit vor der Erfindung der Elektronenröhren. Aber erst durch Verwendung eines modernen elektronischen Bauteils entsteht eine überraschend einfache Vorrichtung, die die o.a. Daten mit hoher Präzision in wenigen Sekunden ermittelt. --------- Das oben gezeigte Ersatzschaltbild eines realen Kondensators beinhaltet einen Serienschwingkreis bestehend aus C und ESL. Wenn man also einen Kondensator mit immer höheren Frequenzen versorgt, so sinkt seine Impedanz nach und nach bis zur Resonanzfrequenz dieses Serienschwingkreises: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d4/Kondensator-Impedanzverl%C3%A4ufe-Wiki-1.jpg Unterhalb der Resonanzfrequenz dominiert die Kapazität, oberhalb der Resonanzfrequenz dominiert die interne Induktivität. Bei der Resonanzfreuenz heben sich induktive und kapazitive Komponente vollständig gegenseitig auf und es verbleibt als Impedanz nur der Wirkwiderstand ESR, der bis in den unteren Milliohmbereich sinken kann. WENN es uns gelänge, den realen Kondensator auf seiner Resonanzfrequenz zum Schwingen zu bringen, so könnten wir aus der Resonanzfrequenz ESL berechnen und gleichzeitig ESR abblesen. Zur Ablesung des extrem niederohmigen ESR verwenden wir eine der ältesten Messmethoden der Elektrotechnik: eine Brückenschaltung. Und zur Anfachung der Schwingung auf Serienresonanz das ebenso seit Urzeiten bekannte Prinzip eines Oszillators. Der Trick des Monitors liegt in der Kombination beider Elemente zu einer supersimplen Schaltung, was durch Verwendung eines einzigen modernen Bauteils gelingt.
Die Schaltung besteht aus einem gegenkoppelnden (R2 und Messobjekt) und einem rückkoppelnden Zweig (R1 und Poti), die beide vom Ausgang des OPV gespeist werden. In der Brückenquerverbindung befindet sich der OPV, der die Signale in beiden Zweigen vergleicht. Man dreht am Poti, bis Schwingungen beginnen. Dies wird mit der LED angezeigt. Dabei stellt sich die Frequenz des im Messobjekt befindlichen Serienkreises (L1 und C1) ein, denn nur bei dieser Frequenz wird die Gegenkopplung minimal. Bei der Serienresonanz heben sich die Blindwiderstände L1 und C1 im Messobjekt vollständig auf und die Brücke "sieht" nur noch den Wirkwiderstand Rs (= "ESR"), der uns ja interessiert. Der eine Brückenzweig besteht also aus R2 und Rs. Der andere Brückenzweig aus R1 und dem Poti. Die Stellung des Potis entspricht daher direkt dem Wirkwiderstand Rs! Um Schwingungen anzufachen, muss am Poti eine etwas höhere Spannung abfallen. Man kann also an der dekadisch und linear verlaufenden Potiskala direkt den Widerstand Rs ablesen, wenn der Oszillator gerade eben zu schwingen anfängt. Gleichzeitig kann man mit dem Oszillatorausgang einen Frequenzzähler speisen und - bei bekannter Kapazität - L1 mit der Schwingungsformel berechnen. -------------- Die Schaltung ist nicht nur zur ESR-Messung geeignet. Man kann mit ihr auch Spulen oder Kapazitäten messen, wenn man sie mit einem Referenzkondensator bzw. einer Referenzspule zu einem Serienkreis vervollständigt und die sich einstellende Schwingfrequenz auswertet. Man kann auch Quarze oder sonstige Piezos auf Serienresonanz anregen. Um möglichst flexibel zu sein wurde ein LM7171 OPV verwendet, der mühelos 100MHz erreichen kann, aber auch mit wenigen Hz keine Schwierigkeiten hat. Der OPV kann derart hohen Ströme aufbringen, dass man sogar noch unter einem Milliohm erfolgreich messen kann. Um das Gerät universell zu halten, kann man den Messbereich über sechs Dekaden umschalten.
Hier nun der praktische Aufbau (zusammen mit einem kleinen NF-Monitorverstärker im gleichen Gehäuse).
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