A Capacitor Equivalent Series Resistance  Tester, and an introduction to making a PCB, by David, M0XUK. 

Firstly, the technical information for this article is not original! It came from VE7IT’s page at http://members.shaw.ca/SWSTUFF/esrmeter.html . 

I wanted to be able to test electrolytic capacitors in‐circuit – as any of you will know who’s tried to do this with a conventional DVM that just doesn’t always work. 

I quote from Lawrence’s article: 

“What is ESR? 

"ESR" stands for equivalent series resistance. ESR is one of the characteristics that defines the performance of an electrolytic capacitor. Low ESR is highly desirable in a capacitor as any ripple current through the capacitor causes the capacitor to heat up due to the resistive loses. This heating accelerates the demise of the capacitor by drying out the electrolyte at an ever increasing rate. Over the lifetime of a capacitor, it is not uncommon for the ESR to increase by a factor of 10 to 30 times or even go open circuit. Typical lifetime ratings for electrolytics are 2000‐15000 hours and are very dependent on ambient operating temperature. As the ESR increases, the filtering operation of the capacitor becomes impaired and eventually the circuit fails to operate correctly. 

Why are ESR Meters so Useful? 

A typical capacitor checker measures the capacity (usually in micro farads) of the test capacitor. Some advanced units also test for leakage current. Most of these testers require that the capacitor be removed from the circuit. Unless the capacitor has totally failed, they will not detect a high ESR value. In a typical circuit, there may be 10's or 100's of capacitors. Having to remove each one for testing is very tedious and there is a great risk of damaging circuit boards. This tester uses a low voltage ( 250mv ) high frequency (150khz) A/C current to read the ESR of a capacitor in the circuit. The in circuit testing is possible because of the low voltage used for obtaining the measurement. The voltage is low enough that solid state devices in the surrounding circuitry are not activated and do not affect the low resistance reading we are attempting to obtain. A lot of capacitor checkers will be damaged if you happen to test a charged capacitor. This circuit is A/C coupled and will withstand up to 400vdc of charge on a capacitor (but watch your fingers!). The ESR checker will not detect shorted capacitors as they will read with a very low ESR value. If you are trouble shooting a circuit, you will have to use several instruments including your nose, voltmeter and oscilloscope to locate all the possible failure modes. My experience has found that the ESR meter catches about 95% of capacitor problems and potential problems 

Features 

    * Tests electrolytic capacitors > 1uf in circuit. 

    * Caps may be tested in circuit or by bridging them across the terminal posts or using test leads. 

    * Polarity insensitive testing. 

    * Tolerates charged capacitors up to 400vdc. 

    * Low battery draw (approx 25ma) resulting in about 20 hours of battery time when using 4 cheap       AA nicads. 

    * Easy to read analog meter. 

    * Measures ESR range from 0‐75ohms with an expanded scale A/C ohmmeter. 

Circuit Description 

See the schematic for component designations. The circuit starts with a 150khz oscillator using one gate of a 74hc14. The rest of the gates are used as buffers to increase the current drive to the low pass filter. The single pole low pass filter is necessary because the square wave signal contains a lot of energy in high frequency odd order harmonics. The output of the filter is applied across a 10 ohm load resistor that provides the low impedance drive signal to the test capacitor. Diodes D5 and D6 protect the circuit from discharge spikes if you happen to test a charged capacitor. R18 is used to discharge C5 so that you don't blow up anything if you alternately test charged high and low voltage caps. C5 isolates the test circuit from DC voltages up to 400 volts. 

Be careful if you are testing high voltage capacitors... the safest way to work is to make sure the test capacitors are discharged before testing them. Be aware that high voltage capacitors can hold a lethal charge for several days depending on the circuit design. I learned this first hand in high school electronics class. Students (not to be named!) used to charge the caps and put them back on the shelf for the next unsuspecting victim to pick up. 

The rest of the circuit is a very straight forward transistor amplifier with a gain of about 10.5. This amplifies the A/C signal passed through the test capacitor up to several volts in amplitude. The signal is then coupled to a full wave bridge rectifier that has the meter as its load. The threshold voltage of the bridge rectifier is used to an advantage and provides the expanded scale function of the ohm meter. The amplified voltage from the test capacitor must be great enough to overcome 2 diode drops before the meter will start to respond. This sets the high resistance threshold for the meter at somewhere between 75‐100 ohms. The meter is zeroed by shorting the test leads together and adjusting the pot in the meter circuit for a full scale ( 0 ohms )reading on the meter. Proper operation of the circuit can be verified by checking several values of resistors with the meter. Shorted leads should indicate full scale, a 1 ohm resistor should read about 90% of full scale, a 10 ohm resistor should read about 40% of full scale and a 47 ohm resistor should barely move the needle to about 10% of FSD. The absolute readings will vary with temperature and battery voltage, but the idea is that most ESR values should be much less than 10 ohms which means good caps test at very close to full scale and bad caps test at little or no deflection. ” So, I decided to record my progress on the project, including making the pcb as this is what a lot of people fight shy of. You will need some kit however, but if you’re going to get serious about homebrewing you’re going to have to bite the bullet sometime! Here’s what you’ll need: 

A UV lightbox Transparency material (& a printer!) – for printing the pcb layout onto. Single sided light‐sensitive PCB material (I use FotoBoard) Ferric Chloride (etching fluid). You can get this pre‐mixed or in pellet form. I prefer the pre‐mixed, and if you’re doing a lot it’s much more economical to buy a big container. The small (eg Maplin’s)  bottles cost nearly a fiver , whereas I bought 5 litres for about  17 quid from Rapid Electronics. Developer – best to buy the proper stuff, as Sodium Hydroxide is much too vicious and unpredictable! Sundry glass or plastic mixing/developing vessels.  I use ‘pyrex’ dishes as they’re easy to clean afterwards. Also, the lids make a nice shallow tray for reasonable size PCB’s so you don’t use too much etchant. Cheap plastic tweezers. (see photo later) Polifix block. This is a solid block of material for cleaning/polishing the copper after etching. Not 

essential! Maplin’s etc. Measuring jug – for diluting etchant if needed, and  getting correct amount of water for mixing developer. Small scales for weighing developer. Sundry hand tools. Optional – for this project I decided to have a go at ‘tinning’ the pcb using  ‘immerse tin powder’. This leaves a very thin layer of tin on the copper which stops it discolouring with time, and is nice to solder to. 

Here’s the procedure: 

1. Mark out the correct dimensions of the pcb on the board. Score the lines with a Stanley knife or similar: 

 2. Cut out carefully using a junior hacksaw: 

 File off these edges to get them nice and clean and straight. 

3. Print out your transparency and aim to have the printed side on the PCB side (when exposing) of the foil so that the light doesn’t diffuse over the edges. Difficult to explain this, but if the printed side is about 1mm (thickness of the foil) away from the pcb, you’ll see that light has a chance to creep in on the edges. Not critical on a pcb with nice big tracks, but essential with very fine tracks.  

4. Here’s an early version of the foil on my lightbox. Remember to put it on the correct way round, and yes I’ve done it the wrong way more than once! I didn’t like the pads on this layout I downloaded from Lawrence’s page so I took the picture into Photoshop and thickened up some of the pads. 

 Take off the black protective layer of the pcb and expose for the recommended time. If this is your first effort I strongly suggest you play with exposure times using a specially created foil (using your image editing program) that has very thin and some thicker tracks. You don’t necessarily need to develop the pcb – look at it with a magnifying glass and you should be able to see the tracks as greeny‐yellow  lines on the pcb. If you’re missing the fine tracks you’ve probably over‐exposed. 

5. Chemicals 

 Mix up the chemicals as per the instructions. This particular etchant can be diluted 30%, and with the developer I measure out 25gms to dissolve in 500mL of water. Pay attention to the recommended temperatures. I am not going to give you safety instructions; that’s your responsibility. Heed the printed warnings – both of these substances are DANGEROUS! Wear old clothes as stains from Ferric Chloride don’t come out. 

6. Develop the pcb. Don’t have the developer too hot or it will all happen too quick! Hold the pcb with your fingers (with suitable gloves on of course) and swish it too and fro. You should 

see the tracks turning green and a misty green cloud will lift from the pcb. Once the tracks look nice and green remove immediately and wash in cold water. If you over‐develop the tracks will disappear, and if you under‐develop the etchant won’t be able to remove any copper. This is what it should look like: 

 7. Get your etchant nice and warm – this is where the pyrex dish succeeds as you can put 

boiling water in the main dish so that it just touches the bottom of the upturned lid, which fits nicely on the top. Put in your pcb and carefully swish to and fro. It will be a while before anything happens depending on the temperature, but you should see the etchant going black around the copper areas that are being etched. I actually keep the face of the pcb turned downward so it is getting maximum heat from below and just turn over occasionally with the tweezers to check progress. When most of the copper has gone, I then keep the other way up so that I don’t over‐etch. Here’s the pcb half‐etched: 

  You can clearly see that the bulk of copper has gone from the large areas. Keep your eye on it carefully from this point as you don’t want to etch off your fine tracks. Note: on FotoBoard the substrate has some internal trade mark markings which is easy to mistake for copper still on the board. If in doubt wash the board in water and look carefully at it. Here’s the board fully etched: 

 I wasn’t too pleased with it as some of the tracks on the rhs were touching where the copper hadn’t etched properly. I think this was due to under exposure. However, I figured for a simple job like this it would do, and I just carefully removed the bridged copper with a Stanley knife. (Hey, I’m only human too!).  Heat up your developer if it’s gone cold and put the pcb back in – this cleans off the chemical from the tracks and in my opinion makes it easier to solder. I rub it with my fingers and you can usually see more green stuff floating off.  Ditch the developer, and save your etchant in a plastic screw‐topped bottle away from bright light and anyone’s prying fingers. God forbid your children should get their hands on it. 

8. Dry the pcb and give it a rub (not essential, but essential if you’re going to tin it) with the Polifix block. As noted above, I decided to have a go at tinning the board for this project: 

 And this is how it turned out: 

 Very pleasing! 

9. Now you need to drill all the holes. A very boring job. So that the drill locates correctly, use a sharp pointed object (eg an old jeweler’s screwdriver with the end filed to a sharp point) to make a pilot for the drill. Failure to do this will leave you very disappointed when your drill skids across a fine track! 

 I just steady the board with one hand and use a Dremel drill with a 0.8mm bit. You can use a stand but I find it quicker this way. When I first started and didn’t have a Dremel, I used one of those little bit holders with a pump type action – cheap as chips. Don’t be tempted to use a bigger bit – 0.8mm is wide enough for most leaded components and you can’t put it back when it’s gone! 1mm is too wide in my opinion and leads to bad/dry joints. For anyone in my area, you can buy these very cheaply at Blunsdon Market.  Safety – you’re drilling fiberglass here. Inspect the pcb with a magnifying glass to make sure you don’t have any bridged or broken tracks. Use the foil as a reference. 

10. Hurrah – soldering at last! This is my favourite bit. This project is not critical with what sort of capacitors, so I just used what I had in the shack – no need to follow my example. Carefully check your soldering with a magnifying glass, particularly looking for bridges between tracks. 

 The pin top left is just a short where the test leads will go, just to test the meter. Next two holes down for power, and the bottom two for the meter. Test the circuit using about 5v with the meter (50 micro‐amps) connected, and you should get a full scale deflection. At this stage you can carefully adjust the voltage to get the exact deflection required, but don’t give it more than 6.5V as that is what the chip’s max voltage is rated at, not that you should need it. If you’re getting nothing then back to checking everything! 

11. OK, here’s the bit I hate – putting it all in to a box. This is the plastic box I used, cut out for meter and switches. I couldn’t find one quite big enough for batteries as well, so I decided to add a couple of holes on the end for a DC feed from my variable PSU. That also meant I wouldn’t need the zero adjust pot – just adjust using voltage. 

 Sprayed out in the garden with a couple of coats of matt black primer, then some Hammerite: 

 

 12. And here’s the finished project. Second pic shows testing with a 1.5ohm resistor 

 

 To the left of 25uA will represent ‘bad’ caps and to the right OK – need to use ‘Galva’ to do a meter panel. OK, OK, I’ll probably never get round to that! 

Have fun making this project, but if you get stuck feel free to email me – m0xuk@sdarc.net 

The pcb layout for printing is at http://www.sdarc.net/m0xuk/esrPCB.jpg 

I haven’t pasted this into this file as you would have problems printing it at the correct size. 

Circuit diagram follows (VE7IT). You can make your components list from this and the board layout following. 

 

 

 

 

 

 

 

 

PCB layout follows (VE7IT)