R&S®HM8118: Medición de condensadores e inductores

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Su misión

Los componentes más básicos en los circuitos eléctricos son las resistencias, los condensadores e inductores. Se debe asegurar que funcionen correctamente y con exactitud. Por lo tanto, necesitan ser probados minuciosamente durante el diseño del circuito. Esto generalmente se hace usando medidores LCR, los cuales se han vuelto indispensables en el laboratorio y en la producción. Está ficha de aplicación analiza como realizar mediciones básicas de condensadores e inductores con exactitud y de manera confiable.

Principio de la medición de impedancia
Principio de la medición de impedancia
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Solución Rohde & Schwarz

Mediciones básicas

El R&S®HM8118 puente LCR no es un típico instrumento Wien, Maxwell o Thomson basado en puente. A diferencia de otros puentes LCR, utiliza una señal de estímulos AC para medir la impedancia Z y el ángulo de fase Φ.

Hay que tenerlo en cuenta cuando se realizan mediciones en las que las propiedades de los componentes eléctricos (p. ej. condensadores) varían en función de determinados parámetros, específicamente la frecuencia. Otros factores que afectan el comportamiento del componente son el envejecimiento, la temperatura, el sesgo adicional y el estrés eléctrico.

El circuito equivalente de cada dispositivo bajo prueba (DUT) contiene elementos inductivos, óhmicos y capacitivos. Por ejemplo, un condensador tendrá elementos parasitarios inductivos y óhmicos mientras que un inductor tendrá elementos parasitarios óhmicos y capacitivos. Esto significa que una fase de ángulo ideal Φ (90° = puramente inductiva, 0° = puramente óhmica, –90° = puramente capacitiva) nunca será alcanzada. Los elementos parasitarios conducen a la autoresonancia a determinada frecuencia para cualquier tipo de componentes.

Es también importante notar que, debido a los elementos parasitarios, cada medición será hasta cierto grado inexacta, generando un error de medición sistemático.

Adaptador de fijación de 4 terminales R&S®HZ181
Adaptador de fijación de 4 terminales R&S®HZ181
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Prueba de ensamblaje

Tenga siempre en mente que la prueba de ensamblaje puede influenciar significativamente la medición. Por ejemplo, con condensadores en el rango de picofaradios, la posición de las pinzas tiene una influencia considerable en los resultados de la medición. Esto se puede demostrar fácilmente con el siguiente experimento usando las pinzas Kelvin éstandar suministradas con la unidad:

  • Primero, presione [RECALL] [9] para reestablecer el instrumento a la configuración predeterminada de fabrica y realizar una calibración SHORT por medio de un cortocircuito en las pinzas y presionando el botón [SHORT]
  • Segundo, sitúe las pinzas a una distancia de al menos de 20 cm una de la otra y presione [OPEN] para realizar una calibración OPEN. Ahora cambie al modo C-D y sujete las pinzas de modo que sus puntas no se toquen y observe los resultados de la medición. Mostrará unos 3 pF, aunque no se haya conectado ningún componente adicional y solo se haya cambiado la posición de las pinzas.

El experimento muestra que es muy importante elegir el adaptador correcto para su aplicación. El adaptador de fijación de 4 terminales R&S®HZ181 es una buena elección para componentes cableados y evita los problema de la distancia.

Calibración de la estructura de prueba

Para lograr un rendimiento óptimo y exacto, es recomendable calibrar el instrumento en todas las frecuencias disponibles (de 20 Hz a 200 kHz en 69 pasos) cuando se midan dispositivos desconocidos. Después de escoger la prueba de ensamblaje correcta y permitir que el dispositivo caliente por al menos 30 minutos, siga los siguientes pasos para llevar a cabo la calibración:

  • Presionar [RECALL] [9] para configurar el instrumento con la configuración predeterminada de fábrica. Para calibrar en todas las frecuencias, presionar [SELECT] [3], cambie a (Mode) usando el botón giratorio y presione el botón. Ahora cambie de «SGL» a «All», presione el botón de nuevo y salga del menú presionando [ESC]
  • Ahora puede realizar una calibración SHORT haciendo primero un corto circuito en las pinzas y presionando [SHORT]. La calibración SHORT se ejecutará por menos de 2 minutos
  • Después abra las pinzas (si esta usando pinzas Kelvin, asegúrese que estén más o menos en la misma posición como para las mediciones destinadas) y presione [OPEN] para realizar una calibración OPEN. Esto tomará menos de 2 minutos
Φ y Z versus la frecuencia para una bobina estándar con 132 μH/alambre de cobre esmaltado
Φ y Z versus la frecuencia para una bobina estándar con 132 μH/alambre de cobre esmaltado
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Medición de un inductor desconocido

Nota: los inductores que contienen un núcleo de material ferromagnético son usualmente especificados para una determinada banda de frecuencias. Si se prueba un inductor con una frecuencia de medición fuera de esta banda, los resultados pueden diferir de la especificación del inductor. Esto debe ser verificado antes. Primero, encienda el indicador de nivel de señal de prueba:

  • Presionar [SELECT] [2]
  • Cambie a (Vm/Im) usando el botón giratorio
  • Cambie el valor a «ON» y presione el botón de nuevo
  • Salga del menú usando [ESC]

Ahora conecte el inductor desconocido a la estructura de prueba y cambie a la medición Z/Φ presionando [Z – Φ]. El ángulo de fase debe ser positivo.

Ahora busque la mejor frecuencia de adquisición:

  • Presionar [FREQ]
  • Use el botón giratorio para cambiar la frecuencia mientras mantiene Φ tan cerca como sea posible a 90°
  • Presionar [L – R]

La inductancia ahora es mostrada junto con la resistencia en serie. Asegúrese que el voltaje no caiga demasiado (abajo del 35 % del voltaje nominal está bien, en este caso el voltaje nominal es 1 V, ver la sección «LEV» en la parte superior izquierda de la pantalla).

Ángulo de fase versus la frecuencia (270 μF)
Ángulo de fase versus la frecuencia (270 μF)
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Medición de un condensador desconocido

Nota: los condensadores de oro no pueden ser medidos con el R&S®HM8118 porque el material es demasiado inerte.

Encienda el indicador de nivel de señal de prueba y conecte el condensador desconocido a la estructura de prueba.

Cambie a medición Z/Φ presionando [Z – Φ] (el ángulo de fase debe ser negativo). Ahora busque la mejor frecuencia de detección (adquisición):

  • Presionar [FREQ]
  • Use el botón giratorio para cambiar la frecuencia mientras mantiene Φ tan cerca como sea posible a –90°
  • Presione [C – D]

El condensador se muestra ahora junto con la resistencia en serie.

Asegúrese que el voltaje no caiga demasiado (abajo del 35% del voltaje nominal está bien - en este caso el voltaje nominal es 1 V, ver la sección «LEV» en la parte superior izquierda de la pantalla.

Información adicional

Si el voltaje cae abajo del 35 % del valor nominal, encienda el modo de voltaje constante. La calibración antes hecha se mantiene válida cuando se cambia a este modo.

Si el modo de voltaje constante está activo (ON) la resistencia de la fuente está preconfigurada a 25 Ω. El voltaje aplicado al componente bajo prueba será casi constante para todos los componentes con una impedancia sustancialmente mayor a 25 Ω. Esto puede mejorar los resultados principalmente para valores de inductancia más bajos. Es importante notar que la precisión se reduce por un factor de 2 cuando se trabaja en este modo.

Es también posible determinar las características del dispositivo bajo prueba (DUT, por sus siglas en ingles) usando la frecuencia de operación prevista sin sintonización. Con este enfoque, se puede realizar la calibración solo para esta frecuencia, usando el modo «SGL» ( menú del dispositivo «CORR» – «MODE: SGL»).

Referencias

  • Manual de usuario del R&S®HM8118
  • Rohde & Schwarz - Preguntas frecuentes «Como iniciar su HM8118 usando una calibración específica»
  • Rohde & Schwarz - Preguntas frecuentes «HM8118: Resultados de medición diferentes de la misma bobina»
  • Rohde & Schwarz - Preguntas frecuentes «Cómo configurar el HM8118 para usar BIAS externo»