Einfach nachzubauende Kondensator - Meß- und Prüfgeräte

Ohne langwierige und aufwändige Berechnungen und ohne Spezialskalen lassen sich Kapazität und auch Isolation mit den beiden hier vorgestellten einfach nachzubauenden Meßgeräten ermitteln.

Den Werkstattechniker interessieren bei Kondensatoren vor allem zwei Größen : die Kapazität und der Isolationswiderstand.
Zur Messung der Kapazität bedient er sich gern der einfachen Methode nach Bild A, bei welcher der Kondensator Cx in Reihe mit einem Wechselstrom-Milliamperemeter ans Netz gelegt wird. Der dann fließende und vom Instrument angezeigte Strom I hängt vom kapazitiven Widerstand des Kondensators ab.


Da der ohmsche Widerstand des Amperemeters wesentlich kleiner ist als der kapazitive Widerstand des Kondensators, beeinflußt er das Meßergebnis nicht nennenswert, so daß die Größe des Stromes als Maß für die Kapazität des Kondensators dienen kann.


- In abgewandelter Form arbeitet die Schaltung nach Bild B nach dem gleichen Prinzip. Hier liegen der Kondensator unbekannter Größe Cx und ein ohmscher Widerstand bekannter Größe R in Reihe am Netz. Die Größe des Stromes I hängt von der Höhe der Spannung U, der Frequenz f und der Größe des komplexen Widerstandes aus Cx und R ab, der durch geometrische Addition des ohmschen Widerstandes R und des kapazitiven Widerstandes von Cx errechnet wird.


Nun wird aber nicht die Größe des Stromes gemessen, sondern der Spannungsabfall Ua, den er am Widerstand R hervorbringt.


Alle Werte dieser Formel sind bis auf Cx bekannt, so daß die gemessene Spannung Ua von der Größe von Cx abhängt und infolgedessen zur Bestimmung der Kapazität benutzt werden kann.
Allerdings muß die Messung von Ua leistungslos erfolgen, damit der durch den Widerstand R fließende Strom durch die Messung keine Änderung erfährt. - Da es sich um einen Wechselstrom handelt und der Spannungsabfall eine Wechselspannung ist, kann man einen Nf-Verstärker nachschalten, an dessen Ausgang die verstärkte Wechselspannung zu messen ist. In diesem Falle geht der ständig gleiche und bekannte Verstärkungsfaktor dieses Verstärkers mit in die Rechnung ein.

Ein Kapazitätsmeßgerät dieser Art ist nach dem vereinfachten Schema - im folgenden Bild zu erkennen - geschaltet.


Die Spannung Uo wird nicht direkt dem Netz entnommen, sondern über einen Transformator, mit dessen Hilfe Spannungen verschiedener Höhe an die Reihenschaltung von Cx und R angelegt werden können.
Dieser Umstand macht erst ein Meßgerät mit umfassendem Bereich möglich. Würde man ständig mit der vollen Netzspannung arbeiten, so ergäben sich bei der Messung an Kondensatoren großer Kapazität sehr große Ströme, wie es umgekehrt Schwierigkeiten bereiten würde, die kleinen Ströme zu messen, die fließen, wenn Kondensatoren kleiner Kapazität eingeschaltet sind.
Die durch Spannungsabfall an R auftretende Wechselspannung U wird dem angedeuteten Nf-Verstärker zugeführt, dessen Ausgangsspannung Ui mit einem gleichrichtenden Milliamperemeter gemessen wird. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers muß regelbar sein, was in dem nachfolgenden Schaltungsbeispiel durch veränderliche Gegenkopplung der Fall ist.

Mit Hilfe dieser Regelung wird zugleich die Eichung der Meßanordnung erzielt, die vor allem dann erforderlich ist, wenn die Netzspannung nicht konstant ist.


In der Schaltung des Meßgerätes wird ein zweistufiger RC-gekoppelter Nf-Verstärker mit den beiden Triodensystemen der Doppelröhre ECC 82 verwendet, der den Verstärkungsfaktor 100 aufweist.
Dieser Wert kann mit dem Widerstand R 14 im Gegenkopplungskanal eingestellt werden, wenn die gekoppelten Schalter S 1 und S 2 auf Stufe 1 stehen. Dann liegen der bekannte Kondensator Ce (1nF) und der Widerstand R 1 in Reihe an der Spannung, die der Transformator T 1 an der zweiten Anzapfung der Sekundärwicklung aufweist. Der Ausschlag des Meßinstrumentes kann dann an R 14 einreguliert werden.
Die vom Transformator T 1 abgegebene Spannung und die Widerstände R 2...R 9 sind so bemessen, daß bei Vollausschlag des Meßinstruments am Verstärkerausgang eine Spannung von 25 V herrscht und dementsprechend am Eingang, d. h. an dem jeweils eingeschalteten Widerstand R 2...R 9 die Spannung von 0,25 V.
Als Ausgangstransformator T 2 kann ein Anpassungstransformator verwendet werden, wie er zum Anschluß des Lautsprechers im Rundfunkempfänger benutzt wird.
Mit Hilfe des Widerstandes R 15 erhält das Milliamperemeter mit Graetzgleichrichter den Spannungsmeßbereich 0...25 V.
Wenn die Meßgeräte-Skala gleichmäßig in zehn Teile aufgeteilt ist kann sie, ohne Änderung, der Anzeige des angelegten Kapazitätswertes dienen.
Die Genauigkeit des Meßergebnisses wird mindestens 5 % betragen. - Voraussetzung dazu ist aber, daß die sinusförmige Netzspannung um höchstens 5 % verzerrt ist, ansonsten kann ein geringer Isolationswiderstand zwischen den Belägen des zu messenden Kondensators störend in Erscheinung treten; sein Einfluß wirkt um so störender, je kleiner die Kapazität des Kondensators Cx ist.
Bis zu welchem Widerstandswert das Meßergebnis um weniger als 5% gefälscht wird, läßt die im folgenden Bild wiedergegebene Kurve erkennen.


Während bei einem Kondensator von 10 uF noch ein Widerstand von 900 Ohm hingenommen werden kann, müssen bei einem Kondensator von 100 pF mindestens 90 MOhm gefordert werden. Diese Tatsache läßt erkennen, daß bei der Messung der Kapazität kleiner Kondensatoren Verschmutzung und Feuchtigkeit auf der äußeren Hülle eine Rolle spielen können, wie andererseits die Klemmen zur Befestigung der Kondensatoren auf das beste isoliert sein müssen.

Beim Aufbau der Anordnung ist darauf zu achten, daß keine Brummspannung an den Verstärkereingang gelangt, weil sie - ebenso wie der Spannungsabfall an den Widerständen R 1... R 9 - angezeigt wird.
Auf diesen Umstand ist bei der Leitungsführung und bei der Aufstellung des Transformators T 1 unbedingt zu achten !

Hinweis : Die angeführten Formeln gelten nur unter der Voraussetzung, daß der kapazitive Widerstand viel größer ist als der ohmsche Widerstand, an dem der Spannungsabfall gemessen wird. - Dies ist jedoch bei den Meßbereichen im Schaltbild bereits berücksichtigt.

Messung des Isolationswidcrstandes

Die Größe des Isolationswiderstandes des Kondensators muß also bekannt sein, bevor die Kapazität gemessen wird, damit feststeht ob seine Größe das Meßergebnis beeinflußt oder nicht. Zur Bestimmung des Isolationswiderstandes kann eine Anordnung nach dem folgenden Schaltbild dienen.


Hier liegen der Kondensator Cx und der Widerstand R 4 in Reihe an einer Gleichspannung, die durch Gleichrichtung und Siebung der Wechselspannung aus dem Transformator gewonnen wird.
Mit dem Schalter S 1 können drei Wechselspannungen verschiedener Höhe entnommen werden, so daß über den Schalter S 2 Gleichspannungen von 500 V, 50 V und 5 V zur Verfügung stehen.
In Reihe mit Cx und R 4 liegt jeweils einer der Widerstände R l...R 3, deren Aufgabe es ist, den Strom zu begrenzen, falls der zu prüfende Kondensator einen Durchschlag (Kurzschluß) aufweisen sollte.
Der in dem Gleichstromkreis fließende Strom bringt an R 4 einen Spannungsabfall hervor, der ans Steuergitter der Röhre EBC 91 gelangt und den von dem Milliamperemeter angezeigten Katodenstrom beeinflußt.
Um den Zeiger dieses Instruments auf den Nullpunkt einstellen zu können, ist eine Gegenspannung aus der Batterie B 2 vorgesehen, die an R 6 einreguliert werden kann. - Die Batterie B 1 liefert die erforderliche Gittervorspannung, damit die Röhre auf der Mitte des geraden Teils der Kennlinie arbeitet. - Dadurch ist die Anzeige des Meßinstruments linear und die vorhandene lineare Teilung der Skala kann somit verwendet werden.
Vor der Messung soll der Schalter S 3 geschlossen sein, damit der Widerstand R 5 wirksam ist. Zuerst muß nämlich der Kondensator Cx auf die angelegte Gleichspannung aufgeladen werden, - was vor allem bei größeren Elektrolytkondensatoren erhebliche Ströme von längerer Dauer verursacht. Ihre Wirkung auf das Meßinstrument wird durch Schließen des Schalters S 3 aufgehoben.
Es ist zweckmäßig, den jeweils höchsten Widerstandswert der Bereiche auf den Teilstrich 1 der zehnteiligen Skala und den niedrigsten Widerstandswert auf 8,5 zu legen; diese Einstellung läßt sich mit Hilfe bekannter Widerstände an Stelle Cx festlegen.

Es bleibt eine interessante Aufgabe für den geschickten Techniker, die Schaltung des Kapazitätsmeßgerätes mit der des Widerstandsmessers für den Isolationswiderstand zu kombinieren. - In diesem Falle ist es zweckmäßig, bei letzterem nicht die Röhre EBC 91, sondern durch Umschaltung ein Triodensystem der Röhre ECC 82 zu verwenden.
Faßt man die Schalter S 1 und S 2 der beiden Geräte zusammen, indem man zweistufige Schalter verwendet, - und nimmt man die Umschaltung von der einen Betriebsart auf die andere mit einem weiteren mehrstufigen Schalter mit zwei Stellungen vor, so kann das ganze Gerät mit zwei Knöpfen bedient werden, wenn man von den anderen Regulierungsmöglichkeiten absieht.

Viel Spass beim Nachbau ..