An updated version: http://www.pa4tim.nl/?p=3775
Een ELCO bestaat in werkelijkheid uit een weerstand (ESR), spoel (ESL) en de eigenlijke ELCO. Hier gaan we proberen deze zaken te meten.
Om dat te doen zijn er diverse methodes. De beste manieren zijn speciale vectoriale 3 of 4 draads LCR meters of RF-IV (impedantie) meters. ook met een VNA gaat het best goed. Deze metinge gaan uit van de afwijking die de condensator heeft ten opzichte van 90 graden. Dat is de loss angle.
ESR is het weerstandsdeel en het is frequentie afhankelijk. De VNA meet R-jX. Het jX deel is de impedantie gevormd door de som van de ESL en Xl. R is het ohmse deel en de ESR. De beste methode is middels een S21 shunt meting. Zie Agilent application note 5989-5935EN (ultra low impedance measurements using two port measurements) of mbv een RF-IV meetkop (welke ik ten tijde van deze test nog niet had. http://www.pa4tim.nl/?p=3331 hier staat een RF-IV meting bij met een HP vna) ESR is het laagste bij zelfresonantie.
Zonder VNA kan het ook maar dan zijn er diverse methodes.
De meest voorkomende is de bekende ESR meter bestaande uit een blokgolf generator. De stroom door de weerstand wordt gemeten door de spanningsval te meten. Ze worden geijkt met weerstanden. Deze methode werkt alleen niet op de manier zoals de meeste meters zijn uitgevoerd. Deze meten middels een diode de spanning over de weerstand tov massa. Deze spanning wordt echter bepaald door de ESR, de ESL en de reactantie en de spanningsval die je wil is “zwevend”. Dit is leuk als indicatie als je er een tabel bij houdt ivm het soort elco maar zegt weinig over de ESR zelf en zit er soms behoorlijk naast. de ESR wordt meestal op 1KHz opgegeven en is dan veel hoger dan op 100 of 200KHz waarbij de meeste meters meten. De hoge uitkomst van de meeste meters lijkt daardoor te kloppen. Zeker met een paar flinke meetsnoeren er aan waarvan de inductie en weerstand al stukken hoger is dan de dingen die je wil meten. Maar voor reparatie doeleinde als go-no-go meter werkt het.
De ESR is er wel mee te meten als je er een scoop probe op aan sluit. Je moet dan de frequentie zo instellen dat je de driehoekige vormen krijgt en dan meet je de spanningsval tussen de top en de neergaande lijn. Dat is de spanningsval over het weerstandsdeel. Je meet eerst de open klem spanning en daarna deel je deze door de meetweerstand. Daarna deel je de spanningsval door deze stroom en dan weet je de ESR. Deze waarde komt overeen met de VNA metingen. Dit kun je echter niet door middel van een diodedetector meten.
An Elco (electrolytic capacitor) is electrical a combination of resistance (ESR, or Rs), inductance (ESL, jXl) and capacitance (jXc, and we call all jX forms areactance). Rs and jX form the impedance.
Here I am going to test some methodes in measuring these parameters. The best way is with a RF-IV impedance meter or other vectorial methode. The loss angle is what tells the real story about ESR. The VNA is a usefull tool for this too. The ESR is the pure ohms part, Rs but does change with frequence. It becomes lower as frequency increases. It is lowest at the self resonant frequency. A VNA can split the impedance in R – jX. But jX is the combination Xc and Xl. Without a VNA it is also possible the measure ESR, but not like you read on most sites. Most times they use a square wave generator as current source and measure by means of a diode or on eye the top value of the voltage over a resistor as an indication of the current. However, you shall see this is not the correct way. You measure a mix of parameters but one you do not measure and that is ESR. But it is rather difficult to measure. The values are very small so you need a serious generator and not just a 555 or equivalent. But the latter will do because most times we need an indication and 100 mOhm more ore less is no real problem. For all because most times we do not have the datasheet of the elco. But remember 100 mOhm at 100KHz can look good, but if the datasheet tells you it should be 100 mOhm at 100Hz, your cap is far from good.
I first do some simulations:
Eerst maar eens wat simulaties:
Dit is wat je ziet bij 100KHz op de scoop na meting met een ESR meter zoals beschreven. (the simulation of a DIY ESR meter)
Je diode meet hier de spanning tussen de nul lijn en de top. In dit simulatie geval zit er geen serie condensator in de signaalweg ( in de generator) waardoor er ook ( expres hier, omdat bv een 555 dat ook heeft) een DC offset is. Maar het gaat om het signaal waar je aan meet. De ESR is hier op een grove manier met de scoop meetbaar. Namelijk de spanning net na de inductiepiek veroorszaakt door de ESL. Deze waarde is als indicatie wel bruikbaar maar als je de grafiek leest lijkt het zo 30 mV, Zie de berekening hieronder over wat de echte waarden zijn..
Above picture: 100KHz, the diode, or reading your scope, will measure the Vt but the ESR is the voltage drop over the internal resistance just after the ESL induction spike and it looks like 30 mV here, the inductor is +j0,03 Ohm, the capacitor is -j0.038 Ohm, together -j0.00915 ohm so the generator sees a 174 uF capacitor in series with 330 mOhm or a total Z of 330.126 mOhm. Down under more zoomed, you would measure probably 38 mV. ( here a 100 ohm source) but the real value is lower mV because the ESR is the small drop just before the ringing?
Dit is de bij 100KHz maar wat verder vergroot. (at 100KHz but zoomed in)
Als je de frequentie zo instelt dat je dit totaal beeld krijgt kan je met inzomen op een scoop heel precies meten.
Dit is de juiste manier. je ziet hier een klein uitvergroot stukje van het signaal. (1KHz and zoomed in, this is the way to go)
Now we have zoomed in enough an used a better frequency (25KHz) You can see clearly the voltdrop over the ESR not distracted by ESl. But the Voltdrop 0f 38.5 mV divided by 0.0998Arms gives 0.385 Ohm. Not 0.190 Ohm. Voltdrop over Jx will be 0.0998 x 0.1347 is 14.67 mV and over 190 mOhm will be 18.96 mV together 33 mV ( i used rounded values and did not correct for ESL here)
Hierbij wat foto’s : Als eerste de meetopstelling van de meting mbv een functie generator. De R&S AFGU welke voor deze foto op 10Vtt 1KHz blokgolf met 50% dutycycle staat. (De echte metingen heb ik echter op 20Vtt uitgevoerd.) vna meting gaf 280 mOhm aan ( maar op een hogere frequentie dus op 1KHz met de ESR hoger zijn)
Here some pictures. The R&S AFGU delivers a 10Vtt 1KHz squarewave. The real measurement was 20Vtt, the elco is 47uF and has 280 mOhm ESR, measured with the VNA but at higher freuency ( starts at 100 KZhz) so real value must be higher.
Hieronder het resultaat op het scherm van een 47uF elco met een ESR van ongeveer 280 mOhm:
Je ziet dat de meetpunten voor ESR, dat is een spanning van 50mV op een signaal van 10V. Bij 20V kon ik nog preciezer meten (115mV) jX is 3.38Ohm, stroom is ongeveer 400mA dus de weerstand hier is 288 mOhm.
The voltage at the measuring points is 50mV . A big ratio towards the 10Vtt. (At 20Vtt I measured 115mV) so ESR will be 288 mOhm.
Maar nu de beelden van de ESR meter mbv 555 blokgolf oscillator over een 2 ohm meetweerstand. Het hele schema staat hier. http://octopus.freeyellow.com/99.html Deze methode werkt dus als je weet waar en op welke frequentie je moet meten en omdat je met de scope meet. Als je dit signaal gaat versterken en gelijkrichten zul je nooit de ESR meten. Je meet dan namelijk ook de DC offset.
This are pictures made after building the ESR meter from that link. This is a good way as you use the right frequency and because you use a scope. Under this you find more pictures at different frequencys. It is AC coupled because there is a DC offsett. The DC you also measure when you use a diode and meter as detector. You see the real ESR voltage is real small compared to the rest. The simulations show the ratio’s. I placed pictures of the whole signal and the zoomed in signal.
Op 100KHz zie je dit. Let op dit is nu AC coupled anders kreeg ik ze niet samen in beeld door dat er nogal een DC offset kan zijn. Die DC offset meet je ook met de diodes en dat ijk je met de weerstanden. Zeg maar de traagheid van de Elco, ze gaan bufferen. De ESR is vreselijk klein in vergelijking daarmee. Daarom ook een plaatje uit simetrix om het verschil in grootheid tussen blokgolf en resultaat over de elco te laten zien. Dat hele kleine signaaltje bevat dan het nog kleinere ESR info stukje.
De groene lijn is het resultaat van je meting voor piek-detectie.
Zo ziet het er op de scope uit.
En als je inzoomd in beide krijg je de hieronder staande plaatjes:
De cursor op de scoop geeft ongeveer de waarde aan die je in het gunstigste geval met een diode zou meten. Mbv meetsnoeren zijn de spikes echt mega en een beetje snelle diode pakt daar wat van mee.
The cursor on the scope gives the “ESR” a diode detector would have measured. If the ESL spike is big, and with testleads it will be !!! you also measure the spike. So as ESL meter it will do better 
Dan doen we de zelfde 47uF condensator nu op 1KHz (now at 1KHz)
Hier zie je het oorspronkelijke signaal wat bijna 8Vtt (voor het door de weerstanden enzo heen is. Open klem spanning is nog geen volt ter vergelijk van de open klem spanning van 20V bij de R&S) is en het resultaat (ac gekoppeld) wat ongeveer 20mV is en ongeveer 3mV daar weer van is uiteindelijk de maat voor ESR. Dat kun je nooit met een diodedetector meten.
(the original 8Vtt from the DIY ERS meter gives an unloaded voltage that is less than 1 Volt. Compare this with the 20V from the generator. The ESR is now just 3mV from the 20mV you see and this makes it very unusable for accurate measuremeny. ESR would be around 235 mOhm ( to low but a usable indicator)
Hier zie je dat het 1KHz is.
In simetrix, eerst totaal en daarna ingezoomd (some simulations, whole signal and zoomed):
De meetinfo (the results)
Ik heb steeds een 47uF/100V condensator gemeten op diverse manieren zoals hierboven beschreven
Op 100KHz heeft 47 uF een reactantie van 0,033 ohm.
METING 1
VNA S21 op 100KHz in shunt opstelling
S21: 51,12 ohm -0,03ohm , -38,987dB, -9,121 graden. S21=0,011094 wat ongeveer 280,4 mOhm oplevert. Formule: 25(Rho/(1-Rho))
S11: 284,14 mOhm en 47,46uF, Q=0,118 (in deze meetopstelling) en D=8,474 en 0,033 x 8,8474 is inderdaad 280 mOhm.
Dit na calibratie en de condensator als shunt erin gesoldeerd. Shunt meting gebruik je bij heel lage impedanties. Je krijgt dan een soort kelvin meet opstelling.
Een eerdere S11 meting waarbij de elco direct tussen poort en massa staat en dus niet parallel aan de 50 ohm RX ingang leverde 356 mOhm maar daar de reflectie op zo’n waarde is bijna 1 en de precisie neemt dan af. 100mOhm is natuurlijk ook heel weinig.
(I used a VNA in shunt mode so the measurement is kelvin-like, the elco is soldered at a calibrated DUT holder, this is better as S11 because reflection is almost 1 at this impedance)
METING 2
Weerstand op DUT houder VNA, R&S AFGU generator 10nS risetime blok 50% duty, 100KHz 20Vtt, via 49,15 ohm serie weerstand via een 47uF condensator naar massa. Meetpunt over elco heen. Volgens deze methode zou de stroom nu 20/99,15=201,7mA moeten zijn. Ik meet 9,8Vtt direct over de 49,15 ohm = 199,39mA Ik ga even uit van de 201,7mA want de scope meet niet twee digits achter de komma. Dat zou 7.7 mV over de elco alleen zijn. Best redelijk in de buurt dus.
Over deze methode hier meer info: http://www.emcesd.com/tt020100.htm (measurement done like in this link and this is very usable as indication)
ESR bij 100KHz 191 mOhm (38,5mV), bij 20KHz: 201 mOhm (40,5mV) en bij 4MHz 193 mOhm (39mV) . ESR is frequentie onafhankelijk en dat zie je hier goed maar je ziet ook dat dingen als ESL roet in het eten gooien want de waarden liggen dicht bij elkaar en 4MHz moet lager zijn dan 100KHz tenzij het voorbij zelfresonantie is. wat je echter zo niet zult zien. Het zijn tenslotte ook scopemetingen en je maakt zo kleine fouten. De ESL meting lukte me niet want ik kom niet uit die formules. Maar kan prima met een resonantie meting. ESL= ((1/SRF)/2pi)^2/C . C is hierbij de ware C (bv op 1KHz gemeten waar de ESL verwaarloosbaar is) De spikes waren achter een volgend: 92mV voor 100KHz (ik ben hier vergeten de 20MHz bandbreedte af te zetten dus deze klopt niet ) en , 265mV en 280mV.
Ook lukt het me niet om op deze methode de capaciteit te berekenen. De spanning stijgt van de ESR waarde naar de topwaarde:
100KHz: 38,5-46mV, 20KHz: 40,5-47,5mV, 4MHz: 39mV- ?? is bijna niet te meten omdat de tijd te kort wordt om goed te laden en ontladen denk ik. Deze metingen wijken wel af van de VNA meting.
METING 3
(This way is a very accurate way, see the link for details)
De elco direct over de meetzender uitgang zonder de weerstand volgens de methode van Freddy. http://www.meettechniek.info/passief/capacitief.html
Bij 100KHz kreeg ik echter een plaatje zoals bij bovenstaande meting. De stroom is 20/50=400mA
Alleen nu een spike van 468mV, de ESR spanning na de spike: 77mV en de topwaarde: 137mV. Dat zou een ESR van 193 mOhm zijn.
Toen de frequentie naar 1KHz verlaagd. Toen kreeg ik wel het plaatje van Freddy te zien. Nu zou ik de stroom moeten bepalen door i=Vt/Rgen en dat is dan 200mA. De spanningsval Ur=115mV, de Uc is 2,145
De formule 0,115/(2 x 0,2)=288 mOhm en dat klopt wel aardig met de VNA meting.
METING 4
This methode is used by most populair ESR meters and comes from an application note from a well known expensive ESR meter manufacturer. But I think they also measure the phase info.
4) Toen de condensator naar een 50,22 ohm weerstand (bnc dummy) en deze weerstand naar massa. De spanning wordt over de weerstand gemeten. Zo werkt dat dure merk van ESR meters (vanaf 2400 euro) en volgens mij al die zelfbouwmetertjes waarbij de topwaarde wordt gelijkgericht en gecalibreerd met weerstanden.
Bij 100KHz meet ik 9,8V aflopend naar 7,3V. De formule voor deze methode was volgens een aplication note: Vout=Iesr x Rsample zijn. Dus 9,8/50,22=0,19514A of 7,3/50,22=0,14536A. Er valt dus 0,2V over de elco. Dat zou betekenen dat de ESR 1,0248 Ohm of 1,376 Ohm is. De Xc moet er in dit geval wel af lijkt me. Dat is dan 992mOhm. Dat lijkt weer wat op de D van 880 mOhm die de voltcraft LCR meter aangeeft maar zit ver van de rest af en is niet frequentie onafhankelijk. Voor de zekerheid namelijk dit ook op 10KHz, 1KHz en 4MHz gedaan maar dan wordt het helemaal bizar. Vout wordt dan 4,25, 4,6 en 9,75. Dit is veel te frequentie afhankelijk en dat is denk ik, Dat merk gebruikt waarschijnlijk de fase informatie.
Meetbruggen gebruiken DF, of D de dissipatiefator. Dat is 1/Q en er zijn nog veel afleidingen. bv Tan (90-loss angle). De D is ook frequentie afhankelij. Als de brug op 1KHz werkt en een D van 0.001 geeft op zijn uitlezing en je zou op 10KHz meten dan is die aflezing niet correct en moet gecorrigeerd worden. Maar D is verder redelijk frequentie afhankelijk. Het is de ratio tussen Xc en R en de brug meet de fasefout. Dus een D van 0.001 zegt gewoon dan dat Xc x 0,001 de ESR is. Een heel goede en makkelijke methode. Helaas zijn meetbruggen schaars aan het worden.
Meer over elco’s:
Elco’s vervangen of niet?
