Kapazitätsmessung mit dem Digitalmultimeter Mit der richtigen Methode die Kapazität eines Kondensators zuverlässig messen

Misst man die Kapazität eines Kondensator mit einem 100-€-Handmultimeter, kommt ein anderes Ergebnis heraus, als wenn man die gleiche Messung mit einem LCR-Messgerät der 8000-€-Klasse vornimmt. Je nach Messmethode und Dielektrikum variieren die Ergebnisse sogar um etliche Prozentpunkte. Um zu wissen, warum die Ergebnisse so unterschiedlich ausfallen, und vor allem, um zu überblicken, wann es notwendig ist, mit dem welchem Messgerät zu arbeiten, muss der Messtechniker verstehen, wie die Kapazitätsmessung im Detail funktioniert.

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Man versteht das Funktionsprinzip der Kapazitätsmessung am besten, wenn man weiß, wie man Widerstände misst. Ein Digitalmultimeter (DMM) leitet hierzu einen konstanten Strom bekannter Größe durch den zu messenden Widerstand, über dem dadurch eine bestimmte Spannung abfällt. Diese Spannung wird gemessen. Aus ihr lässt sich über einen A/D-Wandler und die entsprechende Firmware problemlos der Widerstandswert errechnen.

Die potenziellen Fehlerquellen bei einer Widerstandsmessung sind Thermospannung, Widerstand der Messleitungen, Leckströme und Erwärmung durch den Messstrom. Sie lassen sich mit einer guten Messmethodik und den jeweiligen Möglichkeiten des Messgeräts (z.B. Offset-Kompensation) leicht in den Griff bekommen. So kann der Messtechniker selbst mit preisgünstigen Messgeräten Widerstandsmessungen mit einer Genauigkeit >30 ppm ohne größere Probleme ausführen. Eine vergleichbar genaue Messung an einem anderen passiven Bauelement, wie etwa einem Kondensator, ist dagegen ein andere Sache.

Diese Widerstandsmessung im Hinterkopf, beruht eine Kapazitätsmessung nun darauf, dass man einen Wechselstrom durch den zu messenden Kondensator leitet. Hochwertige LCR-Meter nutzen dieses Prinzip auch tatsächlich: Man legt ein Wechselstromsignal bekannter Frequenz an ein RC-Glied an, bei dem ein interner Widerstand geringer Größe und der zu messende Kondensator hintereinander geschaltet sind.

Der Wechselstrom, der durch den Kondensator fließt, fließt auch durch den Widerstand und lässt an ihm eine bestimmte Wechselspannung entstehen. Größe und Phasenlage dieser Wechselspannung lassen sich messen und mit dem Originalsignal vergleichen. Daraus kann der Messtechniker die Kapazität des Messobjekts errechnen. Diese frequenzbasierte Messmethode kann sehr genau sein, sie liefert außer der Kapazität noch weitere Parameter wie beispielsweise die Verlustleistung.

Allerdings eignen sich Messgeräte, die nach diesem Verfahren arbeiten, nur zur Messung passiver Netzwerke. Sie kosten außerdem über 3000 s. Gängige Vielfachmessgeräte haben dagegen aus Kostengründen oft keine eingebaute Wechselstrom-Signalquelle. Dennoch können auch sie Kapazitäten messen. Sie führen diese Messungen mit der Gleichstromquelle aus, die sie für die Widerstandsmessung eingebaut haben.

Wie bereits erwähnt, verfügen DMMs über eine genaue interne Stromquelle, die eine Gleichspannung am Widerstand entstehen lässt. Legt man die gleiche Gleichstromquelle am Kondensator an, entsteht auch an ihm eine Spannung.

Wird ein idealer Kondensator mit einem ideal konstanten Gleichstrom geladen, steigt die Spannung über dem Kondensator gemäß folgender Gleichung an:

Lädt man nun den Kondensator mit Konstantstrom, lässt sich auf diese Weise die Kapazität C aus dem Zeitverlauf der Spannung errechnen. Manche preisgünstigen Hand- und Tischmultimeter messen Kapazitäten nach dieser Methode. Sie setzen dabei voraus, dass sowohl der Ladestrom als auch der zu messende Kondensator ideal sind.

Der Nachteil: Es gibt keine idealen Kondensatoren. Reale Kondensatoren zeigen Abweichungen vom Ideal wie dielektrische Absorption, Leckströme, Verlustfaktor und Serienwiderstand (ESR). Diese Faktoren können bei der eben beschriebenen Messmethode zu einem nicht unerheblichen Messfehler führen. Aus diesem Grund vermerkt meistens die Fußnote zu den Spezifikationen preisgünstiger Messgeräte: „Die angegebene Genauigkeit für Kapazitätsmessungen gilt nur für Folienkondensatoren.“ Folienkondensatoren mit Polyester- oder Polypropylen-Dielektrikum weisen hinreichend geringe Verluste auf, sodass mit der beschriebenen Messmethode Genauigkeiten von 1% erreichbar sind.

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