Medidas de capacitancia e inductancia con DMMs PXI

El PXIe-4082 utiliza una técnica de corriente constante, múltiples tonos y 2 hilos para medir la impedancia. Cuando usted aplica una fuente de corriente constante de múltiples tonos (I_src) al dispositivo bajo prueba (DUT), el PXIe-4082 mide el tercer armónico y fundamental de la forma de onda de voltaje.

Figura 1. Medir el tercero armónico y fundamental de una forma de onda de voltaje

Cuando se conocen la corriente y el voltaje, el NI 4082 calcula la capacitancia o la inductancia utilizando análisis de picos de transformada rápida de Fourier (FFT). Si la impedancia en serie residual (Z_s) y la admitancia paralela (Y_p) introducen un error significativo en la medida, el PXIe-4082 puede medir la magnitud del error y reducirlo usando técnicas de compensación.

Las cargas capacitivas e inductivas se oponen al flujo de corrientes alternas. Esta oposición se expresa como impedancia a una frecuencia dada. El efecto de una carga de impedancia del mundo real se observa como una atenuación de la señal y un desplazamiento de fase. Debido a la naturaleza de la impedancia, se denota como un vector cuyo ángulo es el mismo que el ángulo de fase entre el voltaje y la corriente, y la magnitud de la impedancia es la misma que el cociente entre las magnitudes de voltaje y corriente, como sigue.

Nota: Los valores en negrita denotan cantidades vectoriales o números complejos.

Z = V/I

Numéricamente, el vector de impedancia se representa como un número complejo en forma polar (magnitud y fase) o rectangular (real e imaginario). La siguiente ecuación expresa la impedancia en forma rectangular:

Z = R + jX

donde R y X son resistencia y reactancia, respectivamente. Cuando X = 0, la carga es puramente resistiva; cuando R = 0, la carga es puramente reactiva. Para capacitores, la reactancia se puede expresar como sigue:

X_c = –1/(2πfC_s)

Para inductores, la reactancia se puede expresar como sigue:

X_L = 2πfL_s

En las aplicaciones del mundo real, las cargas no son ni puramente reactivas ni puramente resistivas. Sin embargo, se pueden modelar fácilmente ya sea como una combinación en serie o en paralelo de una carga resistiva y una reactiva utilizando las fórmulas anteriores.

Figura 2. Usted puede modelar fácilmente ya sea como una combinación en serie o en paralelo de una carga resistiva y una reactiva utilizando las fórmulas anteriores.

Para simplificar la manipulación matemática, el cálculo y el análisis, a veces es conveniente expresar la impedancia como su cantidad recíproca o admitancia. La admitancia se define como

Y = 1/Z = I/V

y se puede escribir como

Y = G + jB

donde G y B son los componentes rectangulares (real e imaginario), conocidos como conductancia y susceptancia, respectivamente. La conductancia G es el recíproco de la resistencia en paralelo, como sigue:

G = 1/R_P

La susceptancia para capacitores se expresa como sigue:

B_C = 2fC_P = 1/X_C

La susceptancia para inductores se expresa como sigue:

B_L = 1/2fL_P = 1/X_L

En general, es matemáticamente más fácil manipular cargas paralelas como admitancias y cargas en serie como impedancias.

Figura 3. Es matemáticamente más fácil manipular cargas paralelas como admitancias y cargas en serie como impedancias.

En ocasiones, es posible que necesite obtener el resultado como un modelo en serie o como un modelo en paralelo. La resistencia en paralelo suele ser mayor que la resistencia en serie. Para medir valores reactivos pequeños, como capacitores de alto valor e inductores de bajo valor, es preferible usar el modelo en serie porque la resistencia en serie es más significativa que la resistencia en paralelo. Al medir valores reactivos grandes, como inductores de alto valor o capacitores de bajo valor, es preferible utilizar el modelo en paralelo.

Tabla 1. Medidas de capacitores (C) e inductores (L) y sus modelos preferidos

Capacitores

Un capacitor es un componente electrónico que es capaz de almacenar energía como carga. Cada capacitor consta de dos placas de material conductor que están separadas por un dieléctrico, que puede ser aire, papel, plástico, óxido o cualquier otro tipo de aislante. La constante dieléctrica, o K, de un aislante representa su capacidad para almacenar carga. La Tabla 2 muestra los valores de K para diferentes materiales dieléctricos.

Tabla 2. Valores K para diferentes materiales dieléctricos 

Las propiedades eléctricas de los aislantes muestran variabilidad con factores como temperatura, frecuencia, voltaje y humedad. Esta variabilidad y la construcción mecánica del capacitor crean un dispositivo lejos de ser ideal. Una mejor representación de los capacitores del mundo real se muestra en el modelo equivalente en la Figura 4, que puede ayudarlo a comprender los diferentes elementos parásitos que están presentes en un componente del mundo real. Estos elementos parásitos afectan la impedancia del capacitor a diferentes frecuencias de prueba.

Figura 4. Un modelo de diferentes elementos parásitos en un componente del mundo real que puede afectar al capacitor

La resistencia en paralelo, R_p, suele ser un valor grande y su efecto es significativo únicamente cuando se miden capacitores con valores pequeños. La resistencia en serie equivalente, R_s, aunque es un valor pequeño, es importante en capacitores con valores grandes, donde la impedancia es pequeña en comparación con R_s y donde se disipa una gran potencia. La inductancia en serie, L_s, representa la caída total de la inductancia y la capacitancia a frecuencias más altas. A bajas frecuencias, la capacitancia varía con la frecuencia y el nivel de la señal de prueba, debido a cambios en las propiedades dieléctricas. La gráfica de la Figura 5 muestra un capacitor electrolítico de aluminio de 2.2 µF y 100 V medido a diferentes frecuencias. El error se refiere a la medida utilizando una señal de pruebas de AC de 1 V_rms a 1 kHz.

Figura 5. Un capacitor electrolítico de aluminio de 2.2 µF, 100 V medido a diferentes frecuencias

Estos factores hacen que los capacitores tengan diferentes valores bajo diferentes condiciones de temperatura, frecuencia y nivel de señal.

Inductores

Un inductor es un componente electrónico que es capaz de almacenar energía como corriente. Cada inductor consta de una bobina conductora que se puede envolver sin un núcleo o alrededor de un material magnético. La permeabilidad del material del núcleo es una medida de la intensidad del campo magnético que se puede inducir en él. Las propiedades eléctricas de los núcleos muestran variabilidad con factores como temperatura, frecuencia, corriente, etc. Esta variabilidad y la construcción mecánica del inductor crean un dispositivo lejos de ser ideal. Una mejor representación de los inductores del mundo real se muestra en el modelo equivalente en la Figura 6, que puede ayudarlo a comprender los diferentes elementos parásitos que están presentes en un componente del mundo real. Estos elementos parásitos afectan la impedancia del inductor a diferentes frecuencias de prueba.

Figura 6. Un modelo de diferentes elementos parásitos en un componente del mundo real que puede afectar al inductor

La resistencia en serie, R_s, representa las pérdidas resistivas en el conductor. La capacitancia en paralelo, C_p, es el efecto capacitivo equivalente entre las vueltas de la bobina y la resistencia en paralelo, R_p, es la suma de todas las pérdidas atribuibles al material del núcleo. Los núcleos de aire requieren muchas más vueltas en la bobina para lograr valores de alta inductancia. Por lo tanto, los núcleos de aire a menudo no son prácticos para las aplicaciones, debido a su gran tamaño y peso. Además, los núcleos de aire suelen tener una gran capacidad de embobinado y una resistencia en serie con un alto valor de inductancia. No todos los parásitos afectan el valor del inductor, pero algunos parásitos son más prominentes que otros, dependiendo de la construcción de la bobina, la geometría del inductor, el calibre del cable y las características del núcleo. El valor del inductor y la magnitud de cada tipo de parásito en relación con los otros tipos de parásitos determinan la respuesta de frecuencia. La geometría de algunos componentes puede aumentar la sensibilidad de los componentes a factores externos, y esta mayor sensibilidad puede afectar el valor del inductor. Los inductores de flujo abierto son más sensibles a los materiales metálicos que se encuentran muy cerca porque dichos materiales modifican el campo magnético. Los inductores toroidales mantienen el flujo dentro del núcleo y son menos sensibles a los conductores externos cercanos. Consulte la Figura 7 para ver el flujo asociado con estos tipos de inductores:

Figura 7. Tipos de flujo inductor

En la Figura 8, un inductor de núcleo de aire de 5 mH se mide en diferentes frecuencias. El error se refiere a la medida utilizando una señal de pruebas de 1 V_rms a 1 kHz. Este tipo de inductor tiene un alto grado de capacitancia de embobinado debido al tamaño y número de vueltas requeridas para su construcción. Por lo tanto, este tipo de inductor mide como si hubiera una fuerte variación de inductancia con la frecuencia.

En la mayoría de las aplicaciones prácticas, el DMM está conectado al DUT con interruptores y/o accesorios. Estos interruptores y accesorios pueden introducir errores no deseados en la medida. La compensación minimiza los errores entre el DMM PXIe-4082 y el DUT.

Compensación de desfase

La compensación consiste en medir el error y aplicar el error medido a la medida real para corregir y minimizar los errores introducidos por el sistema de pruebas. Las funciones de compensación deben configurarse antes de realizar cualquier medida en una función y rango especificados. Cualquier cambio en el rango o la función hace que el tipo de compensación sea ninguno. Por lo tanto, debe calcular estos valores nuevamente. Para proporcionar la máxima flexibilidad en el sistema de prueba, la API devuelve los valores de compensación. Usted puede manipular, almacenar y cargar estos valores para sistemas con gran cantidad de canales.

Para realizar una compensación ABIERTA para medidas de capacitancia e inductancia, complete los siguientes pasos:

1. Desconecte el DUT del DMM en el DUT.
2. Configure el DMM para capacitancia o inductancia en el rango deseado.
3. Llame a niDMM Configure Cable Comp Type o niDMM_ConfigureCableCompType y establezca Cable Comp Type en CABLE COMP OPEN.
4. Configure una condición abierta, donde nada esté conectado al equipo de prueba. Si el sistema de conmutación en uso tiene una capacitancia similar en diferentes canales, usted puede asignar un canal para medidas abiertas. Se recomiendan cables e interruptores con baja capacitancia y resistencia de paso bajo.
5. En el software NI LabVIEW, llame a niDMM Perform Open Cable Comp o niDMM_PerformOpenCableComp mientras la entrada al DMM está abierta. Este VI o función devuelve dos valores: conductancia y susceptancia.
6. Pase los dos valores del paso anterior a niDMM Configure Open Cable Comp Values o niDMM_ConfigureOpenCableCompValues. Al pasar estos valores, se resta la medida abierta de todas las medidas subsecuentes.
7. Realice la medida deseada.

Para realizar una compensación CORTA para medidas de capacitancia e inductancia, complete los siguientes pasos:

1. Desconecte el DUT del DMM en el DUT.
2. Configure el DMM para capacitancia o inductancia en el rango deseado.
3. Llame a niDMM Configure Cable Comp Type o niDMM_ConfigureCableCompType y establezca Cable Comp Type en CABLE COMP SHORT.
4. Configure una condición corta al final del equipo de prueba utilizando una conexión de baja impedancia entre las terminales HI y LO. Si el sistema de conmutación en uso tiene una inductancia similar en diferentes canales, usted puede asignar un canal para medidas cortas. Se recomiendan cables e interruptores con baja capacitancia y resistencia de paso bajo.
5. En el software NI LabVIEW, llame a niDMM Perform Short Cable o niDMM_PerformShortCableComp mientras la entrada al DMM está abierta. Este VI o función devuelve dos valores: resistencia y reactancia.
6. Pase los dos valores del paso anterior a niDMM Configure Short Cable Compensation Values o niDMM_ConfigureShortCableCompValues. Al pasar estos valores, se resta la medida corta de todas las medidas subsecuentes.
7. Realice la medida deseada.

Para realizar una compensación ABIERTA y CORTA para medidas de capacitancia e inductancia, complete los siguientes pasos:

1. Configure el DMM para capacitancia o inductancia en el rango deseado.
2. Llame a iDMM Configure Cable Comp Type o niDMM_ConfigureCableCompType y establezca Cable Comp Type en CABLE COMP OPEN AND SHORT.
3. Desconecte el DUT del DMM en el DUT.
4. Configure una condición abierta, donde nada esté conectado al equipo de prueba. Si el sistema de conmutación en uso tiene una inductancia similar en diferentes canales, usted puede asignar un canal para medidas abiertas. Se recomiendan cables e interruptores con baja capacitancia y resistencia de paso bajo.
5. Llame niDMM Perform Open Cable Comp o niDMM_PerformOpenCableComp mientras la entrada al DMM está abierta. Este VI o función devuelve dos valores: conductancia y susceptancia.
6. Pase los dos valores del paso anterior a niDMM Configure Open Cable Comp Values o niDMM_ConfigureOpenCableCompValues.
7. Configure una condición corta al final del equipo de prueba utilizando una conexión de baja impedancia entre las terminales HI y LO. Si el sistema de conmutación en uso tiene una inductancia similar en diferentes canales, usted puede asignar un canal para medidas cortas. Se recomiendan cables e interruptores con baja capacitancia y resistencia de paso bajo.
8. Llame a niDMM Perform Short Cable Comp o niDMM_PerformShortCableComp mientras la entrada al DMM está en corto. Este VI o función devuelve dos valores: resistencia y reactancia.
9. Pase los dos valores del paso anterior a niDMM Configure Short Cable Comp Values o niDMM_ConfigureShortCableCompValues.
10. NI-DMM toma los cuatro valores medidos en condiciones de abierto y corto para compensar todas las medidas posteriores.
11. Realice la medida deseada.

Nota: Debido a las variaciones de la temperatura ambiente y otros cambios ambientales, como la humedad, es posible que deba realizar una compensación ABIERTA y CORTA al menos una vez al día. Cuando utilice un sistema de conmutación, verifique que las medidas ABIERTO y CORTO en el canal de referencia coincidan perfectamente con las medidas en el resto de los canales que está compensando. Si este método de compensación no cumple con sus requisitos de presupuesto de errores, debe realizar una compensación ABIERTA y/o CORTA en el mismo canal que se utilizó para realizar las medidas del DUT.

Para probar algunos componentes polarizados, como capacitores electrolíticos y de tantalio, es posible que usted prefiera usar voltajes positivos únicamente Durante el funcionamiento normal, la fuente de corriente AC oscila negativamente el 50 % del tiempo, lo que da como resultado una polarización inversa del condensador bajo prueba. Para evitar esta polarización inversa, puede aplicar una polarización de DC para evitar que el voltaje en la pieza se vuelva negativo.

Nota: Cuando la polarización de DC está activada, el potencial alto aparece en el terminal HI. Asegúrese de que el componente esté polarizado correctamente conectando la terminal negativa del componente a la terminal LO.

El voltaje de polarización de DC es un valor fijo y solamente se puede encender y apagar. El valor de voltaje nominal es de 0.45 V y se puede utilizar para cualquier rango de capacitancia. El ajuste predeterminado es OFF.

NI también ofrece una unidad de medida de fuente combinada y un medidor LCR que puede usar para medir y probar la inductancia, capacitancia y resistencia (LCR) de equipos electrónicos. El medidor LCR PXI proporciona medidas de capacitancia de clase femtofaradio y medidas de corriente de clase femtoamperios en un formato PXI de una sola ranura.