PR´ACTICA 3. MEDIDA DE IMPEDANCIAS: PUENTE DE

PRÁCTICA 3. MEDIDA DE IMPEDANCIAS: PUENTE
DE WHEATSTONE, MEDIDOR LCR. CARACTERIZACIÓN
DE FILTROS.
1
Objetivo.
Realizar medidas de componentes pasivos. Diseño y caracterización de
filtros activos y pasivos tı́picos.
2
Introducción.
El puente de Wheatstone se utiliza, actualmente, en sistemas de medida por comparación, mediante un detector del equilibrio del puente.
El equilibrio se obtiene cuando las caı́das de tensión en las ramas resistivas del puente son iguales. Cuando en el puente de la figura 1 se
cumple la relación R1 R4 R2 R3 , se dice que el puente está equilibrado
y se obtendrá una lectura nula en el detector.
=
R2
R1
G
E
R3
R4
Figura 1: Puente de Wheatstone.
El LCR METER 5020 es un medidor de propósito general de componentes pasivos. Utiliza un microprocesador y circuitos LSI para dar
1
una medida de gran precisión, estabilidad y rapidez. Proporciona un
ajuste de :
en medidas de resistencias, capacidades e inductancias
a distintas frecuencias. El diagrama de bloques interno se muestra en
la figura 2.
0 2%
Dispaly
Teclado
Microprocesador
Detector
de
fase
PLACA DIGITAL
Generador
senoidal
Amplificador
selector
de
medida
Bias externa
Detector
de
amplitud
PLACA ANALOGICA
DUT
Figura 2: Diagrama de bloques del medidor LCR.
Un analizador de espectros es, esencialmente, un receptor de radio en
el que cuando sintonizamos una frecuencia, aparece dibujada en la pantalla, la potencia de la señal frente a la frecuencia centrada en el valor
sintonizado. Es decir, nos muestra el espectro de la señal. En esta
práctica se va a utilizar un analizador de espectro como instrumento
para la caracterización (cálculo de la respuesta en frecuencia) de dos
filtros pasivos muy empleados en etapas de RF. Para ello, hace falta
que el analizador de espectro genere una señal de salida de amplitud
constante y frecuencia variable en todo el rango de medida del equipo
(tracking).
2
2.1 Panel de funciones del medidor LCR
Como puede verse en la figura 3, el cuadro frontal del LCR consta de
las siguientes funciones:
225.6
M KΩ
m µ H
n P F
M
0.004
11
00
00
11
C/D C/Q C/R L/Q L/R R/Q
Ω
K
Q
D
Serie Paralelo
100Hz 120Hz 1KHz 10KHz
Start
1
0
0
1
1
0
Auto
CONECTORES DE TEST
PROTECCION
POWER
Topward LCR METER 5030
Short
Open
-
+
Figura 3: Cuadro frontal del medidor LCR.
1. Pantalla display para las medidas LCR.
2. Pantalla display para las medidas DQR.
3. SELección de función: C/D,C/Q,C/R,L/Q,L/R ó R/Q.
4. Modelo EQUIValente: serie o paralelo.
5. FREQuencia: 100Hz, 120Hz, 1KHz o 10KHz.
6. Tecla de MODE: Automático (AUTO) o manual (START). En el
modo manual la medida se repite cada vez que se pulsa START.
En el modo automático, la medida se va repitiendo automáticamente.
7. Teclas de CALibración: En circuito abierto (OPEN CAL) o en cortocircuito (SHORT CAL).
El resto de funciones no serán utilizadas en esta práctica.
3
2.2 Calibración
Antes de empezar a medir es necesario calibrar el dispositivo. Consiste
en hacer que el propio LCR registre las capacidades, inductancias y
resistencias parásitas que posee su circuiterı́a interna. Las registra en
una memoria interna para que, al calcular la impedancia del elemento
pasivo, se corrijan y compensen todas las desviaciones que, a causa de
los elementos parásitos, se sabe que van a existir.
Hay dos tipos de elementos parásitos a tener en cuenta, a circuito
abierto y a cortocircuito. Dan lugar a dos tipos de calibración:
1. Calibración a circuito abierto:
Pulsar [OPEN CAL] con la unidad de test en circuito abierto. En
la pantalla del LCR debe aparecer el mensaje L–1 y en la DQR
un guión que se irá moviendo durante 7 seg. Al terminar debe
mostrar el mensaje 1111 y volver al modo normal. Si la unidad
de test no está a circuito abierto, aparecerá el mensaje P–3.
2. Calibración en cortocircuito:
Cortocircuitar la unidad de test y pulsar [SHORT CAL]. En la
pantalla LCR debe aparecerel mensaje L–2. Al terminar mostrará
el mensaje 2222 y volverá al modo normal. Si la unidad de test
no está en corto, aparecerá el mensaje P–4.
2.3 Procedimiento de medida.
1. Seleccionar el modo.
2. Colocar el componente en la unidad de test.
3. Seleccionar la frecuencia (FREQ) y la medida (SEL).
4. Pulsar START.
2.4 Parámetros de las medidas. Importancia de la
frecuencia de medida.
Con el LCR podemos medir, prácticamente, todo tipo de impedancias
pasivas. Esto es posible con la combinación de la selección de función
4
y del modelo equivalente. La selección de distintas frecuencias nos
permite un rango de medida distinto para los elementos. Los rangos
recomendados para cada frecuencia son (nótese que es el rango de reactancias, XL e XC , el que permanece constante en el equipo):
f=100Hz.
– L: 7.54mH hasta 754H.
– C: 336uF hasta 3.36nF.
f=1KHz.
– L: 754uH hasta 75.4H.
– C: 33.6uF hasta 336pF.
f=10kHz.
– L: 75.4uH hasta 7.54H.
– C: 3.36uF hasta 33.6pF.
Si no se respetan estos lı́mites, los errores pueden ser grandes, (sumándose al error de 0.2% que de por sı́ ya ofrece el equipo). Como se puede
observar, mayores frecuencias dan más precisión y viceversa.
El circuito equivalente serie y paralelo de la bobina y el condensador
que se usan, se muestran en la figura 4:
1. Modelos serie, figura 4(a).
XC = Rs + j!C1 s , D = Q1 = !RsCs.
s
Bobina: XL = Rs + j!Ls, Q = !L
Rs .
Capacidad:
2. Modelos paralelo, figura 4(b).
XC = Rp + j!RpCp, D = Q1 = j!R1pCp .
Rp
p Rp
Bobina: XL = Rj!L
, Q = !L
.
p +j!Lp
p
Capacidad:
Para la medida de resistencias, la importancia de la frecuencia se centra en aspectos de segundo orden, como el efecto pelicular. De esta
forma, es preferible trabajar a frecuencias bajas, 100Hz ó 120Hz.
5
Cs
Rs
Rs
Ls
(a)
Rp
Rp
Cp
Lp
(b)
Figura 4: Modelos equivalentes de capacidad e inductancia: a) Modelos
serie. b) Modelos paralelo.
2.5 Recomendaciones básicas.
1. Medida de Capacitancia.
Resistencia de pérdidas: Es el parámetro D (modo C/D).
Medida de condensadores de bajo valor: Para un mejor ajuste
en la medida, es necesario usar frecuencias de test mayores
que en la calibración abierta: la opción OPEN CAL compensa
la capacidad paralela parásita. Para mejor ajuste repetir
OPEN CAL después de cambiar la impedancia que se quiere
medir.
Medida de condensadores electrolı́ticos: Normalmente se miden a 100 ó 120 Hz en el circuito serie. Este tipo de componentes pasivos tienen una capacidad y resistencia serie elevada por lo que responden lentamente ante un cambio brusco
de la tensión de entrada. Por conseguir una buena medida,
dado que la fuente interna de tensión del instrumento no es
buena, hay que suministrarles una alimentación externa (se
conecta en las bornas que, a tal efecto, aparecen en el panel
frontal y se coloca en posición ON el interruptor DC BIAS).
La polaridad de los conectores de entrada para la fuente externa es preciso respetarla. Esta fuente de alimentación externa no puede superar los 60 Vdc ofreciendo, el instrumento,
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una protección interna contra sobrecorriente de 250mA.
2. Medida de Inductancia.
Resistencia de pérdidas: El parámetro Q indica el factor de
calidad del inductor. Un valor alto de Q indica una resistencia de pérdidas pequeña. Para medir la resistencia equivalente (serie o paralelo) seleccionar el modo L/R.
Medida de inductores de bajo valor: Para un mejor ajuste,
es necesario que SHORT CAL se haya realizado recientemente. La opción SHORT CAL compensa la inductancia serie parásita.
3. Medida de Resistencias.
3
Para resistencias de más de 1K, seleccionar el modelo paralelo. Para resistencias de menos de 1K, el modelo serie.
No es usual que se observen grandes cambios en la medida
de la resistencia al variar la frecuencia. Estas variaciones
se pueden deber a pequeños términos reactivos o por efecto
pelicular y son mı́nimos a frecuencias bajas. Sı́ son más frecuentes las variaciones en la resistencia debido a cambios en
la temperatura, sobre todo cuando éstas son de bajo valor.
Por ello es recomendable esperar unos segundos a que la medida se estabilice.
Material necesario.
1 Fuente de alimentación variable.
2K 2, 5%.
1 Resistencia de 10
, 1K , 10K y 5:6M .
4 Resistencias de
1 Multı́metro digital.
1 Galvanómetro (Entrada de
cánico VOM).
500A de un multı́metro electrome7
4
LCR METER 5020.
1 Condensador de 22pF, 10nF y 100uF (electrolı́tico).
1 Bobina de
2:2H , otra de 1mH y un transformador.
2 Cables con pinza de cocodrilo.
1 Regleta y varios cables.
1 AOP – TLC072.
Resistencias de precisión para el diseño de los filtros (a determinar por los alumnos).
Condensadores de diversos valores para el diseño de los filtros (a
determinar por los alumnos).
2 Filtros cerámicos pasivos tı́picos (estándares) en receptores de
FM, uno de 10.7MHz y otro de 455KHz.
Realización de la práctica.
4.1 Puente de Wheatstone
1. Medir y anotar los valores exactos de las resistencias de
2K 2.
2. Montar el circuito de la figura 5.
10
3. Aplicar una tensión de v y medir la corriente que circula por el
galvanómetro y la que circula por cada una de las resistencias.
4. Desconectar el galvanómetro del circuito de la figura 5. Calcular y
medir el circuito equivalente Thévenin visto desde los terminales
de conexión del galvanómetro hacia el puente.
5. Construir el circuito equivalente Thévenin calculado en el paso
anterior.
6. Conectar el galvanómetro y medir la corriente circulante.
8
2K2
2K2
500 µ A
E
2K2
2K2
Figura 5: Montaje de Puente de Wheatstone a realizar en la práctica.
7. Con los datos de los pasos anteriores calcular y comprobar el valor
de la resistencia interna del galvanómetro.
8. Aplicar la siguiente aproximación como equivalente Thévenin del
circuito original de la figura 5:
VT h = 4ER R, ZT h = R
Con: R1 = R + R1 , R2 = R + R2 , R3 = R + R3 y R4 = R + R4 .
El término R es el valor acumulado de cada incremento de resistencia sobre su valor nominal. Usar como valor de R, el valor
obtenido de la expresión (R4 ; R2 ) ; (R3 ; R1 ).
9. Construir el equivalente Thévenin utilizando los valores aproximados del paso anterior.
10. Conectar el galvanómetro y medir la corriente circulante.
11. Calcular los errores de corriente circulante por el galvanómetro
en los pasos 3 y 6.
12. Calcular los errores de corriente circulante por el galvanómetro
en los pasos 3 y 10.
13. Calcular los errores de VT h y RT h en los pasos 4 y 8.
9
4.2 Medidor LCR
1. Realizar la calibración del instrumento: OPEN CAL y SHORT
CAL.
2. Para algunas resistencias:
(a) Seleccionar el modelo serie.
(b) Medir R/Q, C/R y L/R para cada frecuencia.
(c) Anotar los resultados en una tabla.
(d) Repetir para el modelo paralelo.
(e) Explicar los posibles cambios en la medida y qué modelo ofrece mejores resultados para cada valor de resistencia. Justificar la posible influencia que tiene la frecuencia en las medidas.
3. Para algunas bobinas:
(a) Realizar la calibración SHORT CAL.
(b) Seleccionar el modelo serie.
(c) Medir L/R y L/Q para cada frecuencia.
(d) Anotar los resultados en una tabla.
(e) Repetir la medida L/R para el modelo paralelo.
(f) Explicar los valores obtenidos de la R parásita. Comprobar
la importancia que tiene la frecuencia de medida para inductancias altas y bajas.
4. Para algunos condensadores:
(a) Realizar la calibración OPEN CAL.
(b) Seleccionar el modelo paralelo.
(c) Medir C/D, C/Q y C/R.
(d) Anotar los resultados en una tabla.
(e) Repetir la medida C/R para el modelo serie.
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(f) Explicar los valores obtenidos de la R parásita. Comprobar la
importancia que tiene la frecuencia de medida para capacidades altas y bajas.
5. En una regleta, medir la inductancia equivalente que se puede
medir en una conexión directa con sólo dos cables. Utilizar más
cables para complicar el circuito, pero sólo cables. Comprobar que
aumentan las pérdidas óhmicas y la inductancia equivalente. Es
un ejemplo de que al utilizar cables en la regleta, DEBEN ser
lo más cortos posible y NO utilizarlos en un número mayor del
estrictamente necesario.
6. Conectar el osciloscopio y usando el modo C/R y el modelo equivalente medir, aproximadamente, la impedancia de entrada que
presenta. Comprobar que, ajustando la frecuencia en el valor
más conveniente, es la especificada por el equipo. Repetir para
el multı́metro digital HM-8011.
4.3 Caracterización de filtros pasivos
1. Caracterizar, en el dominio de la frecuencia, el comportamiento
real de dos filtros pasivos de 10.7MHz y 455KHz, tı́picos en receptores de FM. Representar la respuesta real del filtro. Obsérvese
que el patillaje de estos componentes es siempre el mismo: entrada, común (conector central) y salida.
2. Indicar las limitaciones y utilidad que tiene el uso de los analizadores de espectro en la caracterización de filtros activos y pasivos.
4.4 Caracterización de filtros activos
Este apartado es opcional (se deja a la elección del alumno su realización o no). Antes de comenzar la realización de esta parte de la
práctica y antes de realizar ninguna medida con el analizador de espectro, se deberá avisar al profesor responsable de la misma.
El diseño y uso de filtros analógicos es común en la aduisición de señales
reales. Para la realización de este apartado, el alumno debe repasar
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conceptos, relacionados con el diseño de filtros, estudiados en cursos
previos.
1. Diseñar y montar un filtro Butterworth paso bajo de segundo orden (el esquema de estos filtros se muestra en la figura 6). Seleccionar la frecuencia de corte dentro del rango de medida del
analizador de espectro.
2. Caracterizar, en el dominio de la frecuencia, el comportamiento
teórico del filtro.
3. Caracterizar, en el dominio de la frecuencia, el comportamiento
real del filtro. Para ello se va a utilizar un analizador de espectro
con generación interna de tracking:
La salida del instrumento (tono de frecuencia variable o barrido en frecuencia) se conecta como entrada al filtro.
La salida del filtro se deberá conectar a la entrada del analizador de espectro.
4. Representar la respuesta real y teórica del filtro.
R2
R3
R1
R1
Vout
Vin
+
C1
C1
2
Figura 6: Filtro Butterworth paso bajo de o orden.
5. Diseñar y montar un filtro Butterworth paso alto de segundo orden (el esquema de estos filtros se muestra en la figura 7). Seleccionar la frecuencia de corte dentro del rango de medida del
analizador de espectro.
6. Caracterizar, en el dominio de la frecuencia, el comportamiento
teórico del filtro.
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7. Caracterizar, en el dominio de la frecuencia, el comportamiento
real del filtro. Para ello se va a utilizar un analizador de espectro con generación interna de tracking, como se comentó en el
apartado anterior.
8. Representar la respuesta real y teórica del filtro.
R2
R3
R1
R1
Vout
Vin
+
C1
C1
2
Figura 7: Filtro Butterworth paso alto de o orden.
9. Diseñar y montar un filtro Butterworth paso banda utilizando los
dos montajes anteriores.
10. Caracterizar, en el dominio de la frecuencia, el comportamiento
teórico del filtro.
11. Caracterizar, en el dominio de la frecuencia, el comportamiento
real del filtro. Para ello se va a utilizar un analizador de espectro
con generación interna de tracking, como se comentó en apartadados anteriores.
12. Representar la respuesta real y teórica del filtro.
13. Indicar las limitaciones y utilidad que tiene el uso de los analizadores de espectro en la caracterización de filtros activos y pasivos.
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