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Ersatzschaltbild
des Kondensators
R
p
R
C
ESR
Bild 1: Das Wechselspannungs-Ersatz-
schaltbild des Kondensators verdeut-
licht den Begriff ESR (Equivalent
Series Resistance).
des Elkos mit der Zeit austrocknet (ver-
dunstet) und die Kapazität sich somit ver-
ringert. Maßgeblich entscheidend für den
Austrocknungsprozess ist die Betriebs-
temperatur, die von der Umgebungstem-
peratur und der vom Elko selbst erzeugten
Wärme bestimmt wird. Eine Faustformel
besagt, dass eine Temperaturerhöhung um
10 K die Lebensdauer eines Elkos hal-
biert.
Wird ein Elko zur Spannungsstabilisie-
rung in einem herkömmlichen Netzteil ein-
gesetzt, ist z. B. eine Kapazitätsverringe-
rung von 4700 uF auf 3300 uF üblicher-
weise noch tolerierbar.
Anders sieht die Sache bei modernen
Schaltnetzteilen aus. Hier werden die ein-
gesetzten Elkos extremen Belastungen aus-
gesetzt. Durch die relativ hohe Schaltfre-
quenz und die hohen, zum Teil rechteck-
förmigen Impulsströme erwärmen sich die
Elkos, wodurch die Lebensdauer rapide
absinkt. Nicht umsonst sind Netzteile in
Computern eine der häufigsten Ausfallur-
sachen. Solche Schaltnetzteile finden zu-
nehmend aber auch Einzug in moderne
Consumergeräte.
Hierbei ist ein Trend zu beobachten,
dass viele dieser elektronischen Geräte wie
z. B. Fernseher, Videorecorder, Monitore
usw. heute schon nach relativ kurzer Zeit
ausfallen. Als Fehlerursache stellt sich oft
ein defekter Elko im Schaltnetzteil her-
aus. Misst man solche Elkos mit einem
Kapazitätsmesser nach, stellt man erstaunt
fest, dass diese nur unwesentlich an Kapa-
zität verloren haben. Warum ist das Gerät
bzw. das Schaltnetzteil dann aber ausge-
fallen?
Hier kommt der Innenwiderstand des
Kondensators ins Spiel, der auch ESR
(Equivalent Series Resistance) genannt
wird. Dieser Widerstand stellt vielmehr
die Summe aller seriellen Verluste eines
Kondensator dar. Der Innenwiderstand
steht auch in direktem Zusammenhang mit
dem Alterungszustand des Elkos, er nimmt
mit dem Alter des Elkos zu. Bei hohen
Frequenzen wirkt der ESR zusammen mit
der Kapazität wie ein Tiefpass und setzt so
die Wirkung der realen Kapazität deutlich
herab. Dies hat zur Folge, dass, wie schon
erwähnt, ein Schaltnetzteil z. B. nicht mehr
einwandfrei arbeitet. Dies äußert sich dann
z. B. so, dass das Gerät nur kurz scheinbar
einwandfrei arbeitet, aber bald einfach bis
auf die Standby-Funktion abschaltet.
Um dieses Problem zu umgehen, setzen
die Hersteller sogenannte Low-ESR-El-
L
kos ein, die einen extrem geringen Innen-
s
widerstand aufweisen und speziell für hohe
Temperaturen ausgelegt sind. Solche El-
kos sind meist am Aufdruck „105°C" er-
kennbar - ein Standard-Elko ist nur für
Temperaturen bis 85°C geeignet. Aber auch
solche Low-ESR-Typen sind nicht vom
Alterungsprozess ausgeschlossen. Oft wer-
den aber aus finanziellen Gründen vorwie-
gend bei billigen Geräten einfach „norma-
le" Elkos eingebaut, mit den beschriebe-
nen Folgen.
ESR einfach messen
Mit dem hier vorgestellten ESR-Mess-
gerät kann der Innenwiderstand (ESR) ei-
nes Elkos in der Schaltung gemessen wer-
den, ohne diesen auslöten zu müssen. Hier-
durch wird das lästige und zeitraubende
Auslöten mit dem anschließenden Mes-
sen der Kapazität vermieden. Zudem ist in
solchen Fällen, wie bereits gesagt, der
ESR aussagekräftiger als die mit einem
Kapazitätsmessgerät gemessene Kapazi-
tät.
Bevor es nun an die Schaltungsbeschrei-
bung des „ESR 1" geht, widmen wir uns
kurz den theoretischen Grundlagen der
ESR-Messung.
Jeder Kondensator ist durch seine Bau-
art verlustbehaftet, dies betrifft vor allem
die Elektrolyt-Kondensatoren. Zur besse-
ren Veranschaulichung ist in der Abbil-
dung 1 das Ersatzschaltbild eines mit Wech-
selspannung betriebenen Kondensators
dargestellt. Die parasitären Komponenten
sind wie folgt gekennzeichnet:
R
= Serienverlustwiderstand
ESR
R
= Isolationswiderstand (hervor-
P
gerufen durch den Leckstrom
des Dielektrikums)
L
= Serieninduktivität der An-
S
schlussdrähte und der Elektro-
den
Der ESR (R
ESR
ständen zusammen, die durch die An-
schlussdrähte, den Übergang zu den Elek-
troden und dem Widerstand des Dielektri-
kums entstehen. Dieser ESR ist eine Wech-
selspannungsgröße, die nicht mit einem
normalen Multimeter gemessen werden
kann. Um ein geeignetes Messverfahren
zu finden, soll für die weitere Betrachtung
nur der R
interessant sein.
ESR
Legt man eine Wechselspannung an den
) setzt sich aus den Wider-
Kondensator, ergibt sich zwischen den
Spannungen am „ESR" und am „C" eine
Phasenverschiebung von 90°. Der Schein-
widerstand (Z) des Kondensators (ohne
Berücksichtigung von Ls und Rp) setzt
sich aus den beiden Komponenten Blind-
widerstand (Xc) und dem ESR zusammen,
die in folgender Formel definiert sind:
Die Formel lässt sich grafisch mit Hilfe
eines Zeigerdiagramms darstellen, dass
dann folgendermaßen aussieht:
ESR
Z
Bild 2: Das Zeigerdiagramm verdeut-
licht die Zusammenhänge zwischen
ESR, Schein- und Blindwiderstand.
Wenn es uns gelingt, den Blindwider-
stand des Kondensators so weit zu verklei-
nern, dass dieser ungefähr Null ist, könn-
ten wir die Formel ganz einfach nach ESR
auflösen. Die veränderbaren Parameter für
Xc sind zum einen die Frequenz und zum
anderen die Kapazität. Die Kapazität wird
ja durch den Prüfling vorgegeben, somit
bleibt nur noch die Frequenz übrig. D. h.,
wenn wir die Messfrequenz hoch genug
wählen, tendiert Xc gegen Null, wie das
folgende Beispiel beweist:
Beispiel: f = 60 kHz, C = 100 µF
Durch diese Erkenntnis können wir die
Formel für den Scheinwiderstand Z nach
ESR auflösen, die dann folgendermaßen
aussieht:
Mit einem AC-Widerstandsmessgerät,
das mit einer relativ hohen Frequenz (in
unserem Fall mit 60 kHz) arbeitet, können
wir also den ESR eines Kondensators be-
stimmen.
Es gibt grundsätzlich zwei verschiedene
Messverfahren für solche „Ohmmeter":
Man misst mit konstantem Strom oder mit
einer konstanten Spannung. Wir haben uns
für die Variante mit einer konstanten Span-
nung entschieden. Das Messprinzip ist in
Xc
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