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LCR-Meter Basics und ESR bei Kondensatoren

LCR-Meter Grundlagen

Mit einem LCR-Meter können Spulen, Kondensatoren und Widerstände überprüft werden. Viele Multimeter bieten ebenfalls eine Funktion zur Messung von Spulen, Kondensatoren und Widerständen, liefern aber nicht die gleichen Ergebnisse wie ein LCR-Meter. Obwohl ein LCR-Meter einem herkömmlichen Multimeter optisch ähnlich schaut, ist dieses technisch komplett anders aufgebaut. In diesem Artikel geht es allgemein um das LCR-Meter sowie um die Inbetriebnahme und um das richtige Messen verschiedener Bauteile mit den richtigen Einstellungen. Anschließend geht es noch um das Thema ESR bei Elektrolytkondensatoren. Als Gerät wird das Matrix LCR-Meter MCR5030 verwendet.

Weiterführende Links zum aktuellen Projekt:

Video: LCR-Meter Basics & ESR bei ELKOs
Matrix LCR-Meter MC5030


Wer braucht ein LCR-Meter überhaupt?

Geht es nur darum, Bauteile wie Spulen, Kondensatoren (ohne ESR) oder Widerstände grob zu überprüfen, reicht ein normales Multimeter, sofern es den gewünschten Wert auch messen kann, aus. Das LCR-Meter ist ein Präzisionsmessgerät, welches im Gegensatz zum Multimeter auch sehr kleine Induktivitäten, Kapazitäten oder Widerstände messen kann. Interessant wird ein LCR-Meter überhaupt erst für diejenigen, die sich mit der Wechselstromtechnik oder Gerätereparatur befassen. Wer zum Beispiel einen Frequenzfilter oder Schwingkreis baut, weiß, dass sich die elektronischen Eigenschaften von Bauteilen mit der Frequenz ändern. Und um ein Bauteil mit einer bestimmten Frequenz überprüfen zu können, dafür wird dann ein LCR-Meter benötigt.

Ein LCR-Meter dient also zum Messen von elektronischen Eigenschaften verschiedener Bauteile in Abhängigkeit von einer bestimmten Frequenz.

Was kann ein LCR-Meter messen?

Aus physikalischer Sicht misst ein LCR-Meter nur Spannung, Strom und Phasenlage. Erst daraus werden die einzelnen Parameter errechnet. Folgende Parameter können mit den meisten Geräten gemessen werden:

  • Induktivität (L)
  • Kapazität (C)
  • Ohmscher Widerstand (R)
  • Impedanz (Z)
  • Blindwiderstand (X)
  • Gütefaktor (Q)
  • Verlustfaktor (D)
  • Phasenverschiebung (Θ)

  • Bevor man mit der Messung beginnt

    In der Betriebsanleitung von professionellen Messgeräten liest man oft, dass das Gerät eine Aufwärmphase hat. Bei den kleinen batteriebetriebenen LCR-Metern ist dies normalerweise nicht notwendig. Man schaltet Stationsgeräte daher bereits 15 Minuten vor der Messung ein, um Temperatureinflüsse zu minimieren. Die Messleitungen sind doppelt ausgeführt, damit der Eigenwiderstand von den Messleitungen kompensiert wird. Nach dem Einschalten oder insbesondere nach Änderungen an den Messleitungen muss daher immer eine Nullkalibrierung durchgeführt werden. Während der Nullkalibrierung werden beide Messleitungen zusammengeschlossen und wieder geöffnet. Dies ist auch bekannt als [Clear] mit dem [SHORT] & [OPEN] Verfahren. Wie die Nullkalibrierung durchzuführen ist, findet man in der Betriebsanleitung vom jeweiligen Gerät.

    Die richtige Messfrequenz

    Das LCR-Meter kann Bauteile mit einer bestimmten Frequenz messen.

    Beispiel: Nimmt man einen Kondensator mit 100 µF, so zeigt das LCR-Meter bei einer Messfrequenz von 100 Hz auch 100 µF an. Erhöht man die Frequenz auf 1 kHz, liegt die Kapazität bei etwa 99 µF. Wird die Frequenz nochmals auf 10 kHz erhöht, sinkt die Kapazität weiter auf etwa 85 µF. Mit steigender Frequenz nimmt also die Kapazität eines Kondensators ab. Doch welche Messfrequenz ist für welchen Kondensator geeignet?

    Die ideale Messfrequenz wäre jene, mit der das Bauteil auch später konfrontiert wird. Man findet bei vielen Bauteilen auch Hinweise im zugehörigen Datenblatt. Der Hersteller nimmt ja an den Bauteilen auch selbst Messungen vor. Grundsätzlich gilt: Je höher die Kapazität oder Induktivität des Bauteils ist, desto niedriger muss die Messfrequenz gewählt werden. Je kleiner der Bauteilwert, desto höher ist die Messfrequenz. Um einen großen Kondensator (Bsp. über 100µF) zu messen, wird eine Frequenz von 100 Hz gewählt, während bei einem sehr kleinen Kondensator (Bsp. 50 pF) eine hohe Frequenz >10 kHz gewählt werden kann. Diese Regel wird auch bei Induktivitäten gleichermaßen angewendet.

    Bei Anwendungen wo nur Gleichströme fließen, wird mit der niedrigsten Frequenz gemessen.

    LCR Meter Oszilloskop

    Serielle oder parallele Messung

    Am LCR-Meter gibt es für die Kapazitätsmessung die Auswahl Cs (Seriell) und Cp (Parallel) und bei der Induktivitätsmessung die Auswahl Ls (Seriell) und Lp (Parallel). Schaltet man von seriell auf parallel um, ändern sich die Messwerte oft deutlich. Daher stellt sich die Frage, was hier einzustellen ist.

    Spulen und Kondensatoren haben neben den ohmschen Widerstand auch einen komplexen Widerstand. Diese Impedanz ändert sich mit der Frequenz, man spricht hier also von einer Reaktanz. Hat man eine hohe Reaktanz, so ist der Strom recht klein. Dadurch wählt man den parallelen Messmodus. Umgekehrt, wenn man eine kleine Reaktanz hat, ist der Strom groß, weshalb man zum seriellen Messmodus schaltet. Hinweise zur richtigen Messmethode findet man oft im Datenblatt des Bauteils. Ansonsten kann die richtige Einstellung anhand folgender Regel gewählt werden:

    Kapazität

    Kapazität Reaktanz Messmodus
    Große Kapazität Kleine Reaktanz Serieller Messmodus
    Kleine Kapazität Große Reaktanz Paralleler Messmodus


    Induktivität

    Induktivität Reaktanz Messmodus
    Große Induktivität Große Reaktanz Paralleler Messmodus
    Kleine Induktivität Kleine Reaktanz Serieller Messmodus


    ESR Messung

    In einem Kondensator gibt es einen unerwünschten kleinen seriellen Innenwiderstand, der als Equivalent Series Resistance (ESR) bezeichnet wird. Der ESR-Wert ist speziell bei Elektrolytkondensatoren von großer Bedeutung. Bei großen Kondensatoren wie zum Beispiel in Schaltnetzeilen, wo hohe Ströme fließen, wirkt sich der ESR auf den Wirkungsgrad und die Leistungsaufnahme der Schaltung aus. Mit der Alterung eines ELKOs steigt oft der ESR-Wert an, was den Lade- & Entladevorgang des Kondensators verlangsamt und dadurch zum Beispiel eine höhere Restwelligkeit in einem Netzteil entsteht. Im schlimmsten Fall bricht dadurch der Regelkreis zusammen und das Netzteil schaltet ab, obwohl der Kondensator von der Kapazität her noch in der Toleranz ist und optisch keine Defekte zu erkennen sind. Ein anderes Szenario wäre, dass sich mit Anstieg vom ESR auch der Kondensator mehr erwärmt, wodurch das Elektrolyt schneller verdampft und der Kondensator aufplatzten kann.

    In der Praxis werden daher oft mehrere kleinere Kondensatoren parallel geschaltet, anstatt einem großen Kondensator. Daraus ergibt es sich der Vorteil, dass der ESR kleiner bleibt, sollte ein Kondensator schlechter werden. Nachteil ist der zusätzliche Platzbedarf auf der Platine.

    Ein guter ESR-Wert bei einem Elektrolytkondensator liegt in der Regel bei weniger als 0,5 Ohm (bei Raumtemperatur, gemessen an 100 Hz). Es gibt aber auch Low-ESR Kondensatoren, wo der ESR-Wert bei weniger als 0,1 Ohm liegt. Typische ESR-Werte und Maximalwerte findet man meist im Datenblatt oder in ESR-Tabellen vom Hersteller.

    ESR Kondensator

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