Elektronica-hobby blog van Jos Verstraten (663 artikelen): Meten: ESR70, equiv. series resistance meter

(gepubliceerd op 16-03-2017)

De ESR is een virtuele weerstand die in serie staat met de capaciteit C van de elco. Het regelmatig controleren van de waarde van de ESR is noodzakelijk bij kritische schakelingen. Helaas is de ESR vrij moeilijk te meten met de meetapparatuur waarover een elektronicus beschikt. Met de ESR70 kan het wél en zelfs op een eenvoudige manier.

Achtergrondinformatie

In iedere voeding zit een elco
Iedere elektronische schakeling wordt gevoed uit minstens één gelijkspanning. Die spanning wordt geproduceerd in het deel van de schakeling dat 'de voeding' heet. In die voeding wordt de 230 V wisselspanning van het net omgezet in de noodzakelijke gelijkspanning(en). Dat gebeurt met een transformator, die de 230 V wisselspanning van het net omzet in een lagere wisselspanning. Die wisselspanning wordt door middel van een gelijkrichter omgezet in een pulserende gelijkspanning. Deze spanning is nog volledig ongeschikt voor het voeden van een elektronische schakeling. Zij moet worden afgevlakt en daarvoor is een elco of elektrolytische condensator ideaal.

Hoe het afvlakken in zijn werk gaat
Een elco is een onderdeel dat elektrische lading kan opslaan en nadien weer afgeven. Het is deze eigenschap die volledig tot haar recht komt in een voeding. De gelijkrichter pompt gedurende de toppen van de gelijkgerichte wisselspanning elektrische lading in de elco. De elco geeft deze lading weer af aan de elektronische schakeling die wordt gevoed op het moment dat de toppen van de wisselspanning voorbij zijn. Over de elco ontstaat een vrijwel ideale gelijkspanning die goed genoeg is voor het voeden van gelijk welke elektronische schakeling.

De equivalent series resistance van een elco
Een elco wordt gedefinieerd door zijn capaciteit, uitgedrukt in µF en door de maximale spanning die u over het onderdeel mag zetten, uitgedrukt in V. Die twee grootheden staan duidelijk vermeld op het onderdeel. Een grootheid die echter net zo belangrijk is, maar die u nooit op het onderdeel vermeld ziet, is de 'equivalent series resistance' van het onderdeel. Zoals de naam doet vermoeden is dit een weerstand en wel eentje die in serie staat met de capaciteit van de elco. De ESR is een gevolg van de manier aarop een condensator technologisch in elkaar zit. Vooral grote condensatoren, dus elco's, hebben erg veel last van deze weerstand. De normale waarde van de ESR is afhankelijk van de capaciteit en van de maximale spanning:

	10 V	16 V	25 V	35 V	63 V	160 V	250 V
4,7 µF	40,0 Ω	35,0 Ω	29,0 Ω	24,0 Ω	19,0 Ω	16,0 Ω	13,0 Ω
10 µF	20,0 Ω	16,0 Ω	14,0 Ω	11,0 Ω	9,30 Ω	7,70 Ω	6,30 Ω
22 µF	9,00 Ω	7,50 Ω	6,20 Ω	5,10 Ω	4,20 Ω	3,50 Ω	2,90 Ω
47 µF	4,20 Ω	3,50 Ω	2,90 Ω	2,40 Ω	2,00 Ω	1,60 Ω	1,40 Ω
100 µF	2,00 Ω	1,60 Ω	1,40 Ω	1,10 Ω	0,93 Ω	0,77 Ω	0,63 Ω
220 µF	0,90 Ω	0,75 Ω	0,62 Ω	0,51 Ω	0,42 Ω	0,35 Ω	0,29 Ω
470 µF	0,42 Ω	0,35 Ω	0,29 Ω	0,24 Ω	0,20 Ω	0,16 Ω	0,13 Ω
1.000 µF	0,20 Ω	0,16 Ω	0,14 Ω	0,11 Ω	0,09 Ω	0,08 Ω	0,06 Ω
2.200 µF	0,09 Ω	0,07 Ω	0,06 Ω	0,05 Ω	0,04 Ω	0,03 Ω	0,03 Ω
4.700 µF	0,04 Ω	0,03 Ω	0,03 Ω	0,02 Ω	0,02 Ω	0,02 Ω	0,01 Ω

Als de waarde van de elco groot is, wordt de ESR wel heel erg klein en moeilijk te meten met de standaard meetapparatuur.

De ESR slorpt vermogen en zorgt voor opwarming
Door een elco in de afvlakking van een voeding vloeien twee stromen. Enerzijds een laadstroom I_laad van de gelijkrichter naar de elco, anderzijds een ontlaadstroom I_ontlaad van de elco naar de aangesloten elektronische schakeling. Deze twee stromen vloeien ook door de ESR en dat heeft twee vervelende gevolgen. Een stroom die door een weerstand vloeit wekt over de weerstand een spanning op en wel volgens de formule
U = I x R
spanning is stroom vermenigvuldigd met weerstand. Het zal duidelijk zijn dat de spanning die over de ESR ontstaat niet ter beschikking staat voor de te voeden schakeling. Hoe groter de ESR, hoe meer spanning er verloren gaat. Een stroom die door een weerstand vloeit wekt bovendien vermogen op en wel volgens de formule
P = U x I
vermogen is spanning vermenigvuldigd met stroom. Dat vermogen veroorzaakt opwarming van de ESR en dus ook van de condensator. Deze opwarming heeft een verhoging van de ESR tot gevolg. De kwaliteit van de elco gaat langzaam maar zeker achteruit en op een bepaald moment is de ESR zo groot geworden dat de voeding niet meer goed werkt en/of de elco er de brui aan geeft.

Regelmatig meten van de ESR is noodzakelijk
Bij het preventief onderhoud van kritische elektronische schakelingen mag het meten van de ESR van alle elco's is de voeding(en) niet ontbreken. Toch zal dit niet vaak gebeuren, het meten van die weerstand is met de standaardinstrumenten van een elektronicatechnicus geen sinecure. De standaard componententesters meten immers uitsluitend de capaciteit C van een elco. Zet u de meter in de stand weerstandsmeten, dan zal het apparaat wel iets aangeven, maar dat iets heeft geen enkel verband met de ESR van het onderdeel.

De ESR70 komt ter hulp
De ESR70 is een microprocessorgestuurd meetapparaat dat via de ingebouwde software in staat is automatisch de equivalent series resistance van elco's zeer nauwkeurig te meten en wel tot een waarde van 40 Ω en dit met een maximale resolutie van 0,01 Ω. Meet u aan een uitgesoldeerde elco dan meet de ESR70 ook de capaciteit van de condensator tot een waarde van 22.000 µF. Via een compensatie-algoritme wordt de weerstand van de meetprobes gemeten en van alle ESR-metingen afgetrokken.

De ESR70 van Peak Electronic Design. (© Peak Electronic Design)

Bij het ontwerpen van de ESR70 is rekening gehouden met de praktijk van de onderhoudsmonteur. U kunt zonder problemen meten aan elco's die in een schakeling zijn gesoldeerd. U sluit de ESR70 met de twee meegeleverde clips aan op de elco, drukt op de knop 'ON-TEST' en even later staan de meetgegevens op het display. Door het kort indrukken van deze knop scrolt u door diverse schermen met meetgegevens.

De ESR70 is bestand tegen geladen elco's en meet de ESR ook goed als de condensator vol lading zit. De maximale spanning die het apparaat kan doorstaan is echter afhankelijk van de grootte van de elco. Er wordt gemeten met een sinusvormige spanning van 100 kHz en 2,5 Veff, waarbij de maximale meetstroom 20 mA bedraagt.

De ESR meten met de ESR70

Belangrijke opmerking vooraf
De ESR70 kan wél op condensatoren worden aangesloten die geladen zijn, maar mag onder geen beding worden verbonden met condensatoren die door een schakeling van spanning en stroom worden voorzien. Meet u in een schakeling, dan moet u de netspanning dus in ieder geval uitschakelen! Om ongelukken te voorkomen kunt u er bovendien beter een gewoonte van maken niet alleen het apparaat uit te schakelen, maar de te meten condensator even kort te sluiten, zodat het onderdeel ontladen is tijdens de meting. Over een elco kan immers een gevaarlijke spanning staan.

Meetbereiken
De ESR70 heeft drie meetbereiken, die automatisch geselecteerd worden:

ESR-bereik	Meetstroom	Resolutie
0,00 Ω - 2,00 Ω	20 mA	0,01 Ω
2,0 Ω - 20,0 Ω	2 mA	0,1 Ω
20,0 Ω - 40,0 Ω	1 mA	0,2 Ω

Probe compensatie
De ESR van een grote elco kan kleiner zijn dan 0,01 Ω, een waarde die gelijk is of zelfs kleiner dan de weerstand van de meetprobes waarmee u de ESR70 op de elco aansluit. Het is dus van belang dat u de weerstand van de meetprobes compenseert, zodat zij niet mee wordt gemeten.
Druk minstens vijf seconden op de 'ON-TEST' drukknop, tot de melding 'Probe Compensation' op het scherm verschijnt. Sluit vervolgens de twee probes kort en druk even op de 'ON-TEST' drukknop. De ESR70 meet de weerstand van de meetprobes en slaat deze waarde op in een intern geheugen. Deze waarde wordt automatisch afgetrokken van de gemeten waarde van de ESR. Het apparaat schakelt na afloop van het algoritme automatisch uit.

ESR70 probe compensatie © Peak Electronic Design

De ESR van een elco meten
Nogmaals, de ESR70 is in staat opgeladen condensatoren te meten maar het is aan te bevelen tóch eerst de te meten elco volledig te ontladen. Safety first! Sluit de condensator nadien aan op de twee testclips van uw ESR70, de polariteit is hierbij niet belangrijk. Druk even op de knop 'ON-TEST', de mededeling 'Analysing' verschijnt op het display. Als de ESR70 toch nog een gelijkspanning tussen de polen van de elco vaststelt, zal het apparaat een ontlaadcyclus opstarten en de condensator volledig ontladen. Deze procedure wordt op het schermpje gevolgd. Nadat de elco is ontladen voert de ESR70 het meetalgoritme uit en verschijnt de waarde van de gemeten ESR op het display. Deze meetcyclus duurt ongeveer twee seconden. Meet u aan een vrijstaande elco, dan gaat de ESR70 vervolgens ook de capaciteit van het onderdeel meten, een cyclus die ongeveer tien seconden duurt.

Geluiden inschakelen
De ESR70 kan een vijftal beepjes produceren, bij de start en bij het einde van de analyse en bij het meten van te grote of te kleine elco's en ESR-waarden. Deze optie kunt u inschakelen door gedurende minstens twee seconden de knop 'ON-TEST' in te drukken.

Specificaties van de ESR70

De ESR70 wordt gevoed uit een 12 V batterij, type GP23 of MN21. De behuizing is gemaakt van paarse kunststof en heeft als afmetingen 103 mm x 72 mm x 20 mm. In onderstaande tabel zijn alle elektrische specificaties samengevat.

Grootheid	Minimum	Typisch	Maximum	Eenheid
Teststroom		20	22	mAac
Testspanning		2,5	3,0	Vac
Meetbereik C	1		22.000	µF
Nauwkeurigheid C		±4		%
Meetbereik ESR	0		40	Ω
Resolutie ESR	0,01		0,2	Ω
Nauwkeurigheid ESR		±1,5		%
Spanning over elco (<10 µF)			±275	Vdc
Spanning over elco (>10 µF)			±50	Vdc
Ontladingsgrens			±50	Vdc
Bedrijfstemperatuur	10		40	°C

Referenties

Fabrikantenpagina over de ESR70

(Bol.com sponsor advertentie)
Peak Electronics ESR70