自作ESRメーター完全ガイド：電子工作愛好家向け

DIY ESRメーターについて、すべての職業には独自のツールセットがあります。電子工作の場合、少なくともマルチメーター、ドライバー、カッター、はんだごて、ワイヤーが必要です。

良いニュースは、これらのツールがどこの電子部品店でも手頃な価格で手に入ることです。しかし、電子工作の道を進むにつれて必要になる、重要だが高価なツールもあります。

その中の一つがESRメーターです。

本記事では、市販のESRメーターと同等の結果が得られる、完成済みストリップ/ベロボードを使った自作ESRメーターの作り方を紹介します。

準備はいいですか？学びましょう！

ストリップボード

ESRとは？

コンデンサは劣化から免疫ではありません。望ましくない影響が見られるとき、それは等価直列抵抗（ESR）が原因です。なぜか？コンデンサは、製造に使用される材料により内部抵抗が限られています。

また、様々なタイプのコンデンサには異なるESR範囲があります。したがって、コンデンサの等価直列抵抗を測定することは重要です。

ESRメーターとは？

コンデンサ測定では、静電容量メーター（デジタルまたはアナログ）が誤解を招くことがあります。このツールでは、不良コンデンサを良品と判断してしまう可能性があります。また、コンデンサのESRをテストしないと、不良コンデンサを見逃し、修理に失敗します。必要なのはESRメーターです。

ESRメーターは、コンデンサのESRを測定することを主目的とする二端子測定ツールです。通常、不良コンデンサは通常のデジタル静電容量メーターやマルチメーターでは測定できない高いESR値を示します。

それだけではありません。

コンデンサを回路から外さずにESRメーターを使用できます。

ここが一番のポイントです。

ESRメーターは、0.33Ωや0.22Ωのような低抵抗抵抗器のチェック、プリント基板上の短絡箇所の特定、スピーカーアンプ、通常および充電式電池の状態チェックなど、他の実験にも使用できます。

ESRメーターの仕組み

様々な要因がコンデンサの電力損失に寄与します。これらをまとめたものがESRです。ESRメーターの仕組みを完全に理解するために、コンポーネントを見てみましょう：

発振器

発振器は、テスト中のコンデンサを通じて電流を駆動するために必要なAC信号を供給します。発振器回路の良い例は約100kHzで動作します。

また、100kHzはESR測定の業界標準です。この回路の一部分は位相シフト発振器として機能します。実装が簡単で、正弦波の優れた近似を示します。

もう一部分は増幅器とバッファとして機能します。位相シフト発振器が高出力インピーダンスを持つため、この部分が発振器回路の過負荷を防ぎます。また、ゲイン制御ポテンショメータで100kHz信号のレベルを調整できます。

ESR検出器

ESR検出器が最も重要な動作を行う部分です。第一段は電圧-電流変換器で、発振器からの100kHz信号を約7mAピークツーピークの電流に変換します。

したがって、テスト中のコンデンサ（CUT）をこの段のフィードバックループ内に接続できます。また、フロントパネルの2つのバインディングポストでこれを行えるため、CUTは同じ電流を受け取ります。

電力変換部

この段では、シングル電源アプローチにより、ESRメーター全体で仮想グラウンド基準を提供する必要があります。この段では、従来の三端子電圧レギュレータ（入力側）が+5Vバスを供給します。

一方、-5Vバスは、入力と同じ大きさで極性が反転したDC電圧を出力する優れたコンポーネントから供給されます。

動作原理

ESR回路図

まず、上図のTR1と固定されたNPNトランジスタがシンプルなフィードバックを作り、ブロッキング発振器をトリガーします。ブロッキング発振器が高周波で発振を開始します。

また、発振によりトランスの二次側5ターンで一定の大きさの電圧が生成されます。また、発振器が誘導された高周波をCUTに印加します。

また、低電圧高周波フィードと接合したオペアンプが見えます。これが電圧増幅器として働きます。

ESRがないか、正常なコンデンサの場合、メーターは完全な偏向を示唆します。したがって、コンデンサ上の微小なESRを示し、これは様々なESRレベルを持つコンデンサでゼロまで下がります。

一方、ESRが低いと、オペアンプ反転検知入力により適度に高い電流が蓄積し、メーターに対応する高い偏向で表示され、逆もまた然りです。

また、より高いBC547トランジスタが通常の電圧コレクタとレギュレータ段として働きます。このため、トランジスタが発振器段を最小1.5ボルトで処理できます。また、CUT周辺の他の電子デバイスがESRメーターのテスト周波数からストレスを受けません。

また、メーターの校正は簡単です。テストリードを短く保ち、uAメーター近くの100kプリセットを調整して、メーターダイヤルで健全な偏向を達成するまで続けます。

その後、メーターで高いESR値を持つ様々なコンデンサを検証し、約小さな偏向度を確認できます。

最後に、トランスはフェライトリングの上にあります。また、図では様々なターン数の薄いマグネットワイヤーを使用します。

ESRメーターの作り方

ESR回路図

このセクションでは、上記回路の作り方を学びます。回路は単一の9V電池から電力を得ます。低コストLDOを代替として使用すれば、電圧が時間とともに低下しても最大電池寿命を得られます。

また、LM2936はそれほど高価ではなく、5.5Vまで低下しても動作します。また、スイッチ後のLEDオン/オフインジケータを追加しましたが、上図には示していません。

回路部品

• C1 - 100μF
• C2 - 470pF
• C3 - 10μF
• C4 - 0.1μF
• C5 - 100nF
• C8 - 100nF
• R1 - 1kΩ
• R2 - 10kΩ
• R3 - 150Ω
• R4 - 12Ω
• R5 - 12Ω
• R6 - 27kΩ
• R7 - 100kΩ
• R8 - 2.2kΩ
• R9 - 100Ω
• R10 - 10kΩポット
• IC1 - 555
• TR1 - 3904
• T1 - 2.1トランス
• D1 - 1N4007
• D2 - 1N4007
• D3 - 1N4148
• D4 - 1N4148

回路動作

いくつかの図解で、この回路の仕組みをよりよく理解しましょう。ポイント1、2、3での波形を、ESR短絡リード（0Ω）と高ESR（5.6Ω）で図解します。波形は関連チャネルとオシロスコープショットに対応します。

また、コンデンサ/抵抗分圧器出力の信号は約232mVピークツーピークです。さらに、トランジスタが出力値を10倍以上に増幅します。また、チャネル3にはフィルタリングされ整流された信号（約1.35V）が保持されます。

ESR（0）での波形

これは、10kポテンショメータ調整後のESR（0）完全枯渇時のメーターの様子です。

ESR（0）の完全枯渇

一方、コンデンサが高ESR（5.6Ω）を持つ場合、テストリード間に挿入できます。ポイント2の出力電圧が低下し、ポイント3の結果としてのDCレベルも低下します。

ESR（5.6Ω）での波形

これはESR = 5.6Ωでの枯渇時のメーターの様子です。

ESR（5.6Ω）枯渇時のメーター

回路の構築

この回路は非常に簡単なので、パーフボードで組み立てられます。ただし、T1/E1伝送リンク用の適切な信号トランスを見つけるのは簡単ではないかもしれませんが、パーツビンにあるかもしれません。

この問題への優れた代替案と解決策は、スイッチング電源（PC ATX電源）からのトランスです。もう一つの選択肢は大きいターン比のものです。ただし、落とし穴があります。150Ω直列抵抗をより高い値に調整する必要があります。

完全組み立て後の回路の様子は以下の通り：

回路組み立て

回路を組み立てたら、金属ケース内で最終組み立てができます。また、オーディオジャックとシールドオーディオケーブルでテストプローブを接続できます。さらに、グラウンド（シールド）を金属ケースに接続すべきです。

最終回路組み立て

ほぼすべてのESRメーターの限界

あらゆるESRメーターの限界をいくつか紹介します：

1. 内部短絡を持つコンデンサがある場合、ESRメーターの読み値が低ESR値を持つと誤認させます。

2. 30μF未満のコンデンサテストには最適ではありません。テスト中のコンデンサが小さすぎると、測定リアクタンス周波数が高度に有意になります。その結果、過大なESRになります。

3. CUTの長いテストリードからエラーが生じる可能性があります。なぜか？ESRは低レンジオームメーターだからです。

まとめ

ESRメーターの構築は簡単で楽しいプロジェクトです。最高なのは、電子実験室でよく見つかる一般的な部品で達成できることです。ESRメーターは、電子修理技術者、ホビイスト、設計者、エンジニアの必須ツールです。

ESRは1μF以上のコンデンサの重要な属性です。標準的なデジタル静電容量メーターでは不可能な測定を行いたい場合、ESRテスターが必要です。

以上で、ESRメーターとその作り方について知っておくべきすべてをまとめました。ご質問やご提案があればお気軽にお問い合わせください。喜んでお手伝いします。