Medidas de capacitancia e inductancia con DMMs PXI

Información general

Este tutorial ofrece consejos y técnicas para usar un multímetro digital (DMM) de NI para construir el sistema de medidas más preciso posible. Aprenda cómo el DMM PXIe-4082 puede operar como un DMM de 6½ dígitos, un digitalizador de alto voltaje totalmente aislado capaz de adquirir formas de onda a velocidades de muestreo de hasta 1.8 MS/s a una entrada de ±300 V y un medidor LCR que mide la inductancia y capacidad. Esta sección del tutorial cubre los siguientes temas:

Contenido

Método de medidas de capacitancia e inductancia de NI

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 (Isrc) 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 (Zs) y la admitancia paralela (Yp) introducen un error significativo en la medida, el PXIe-4082 puede medir la magnitud del error y reducirlo usando técnicas de compensación.

Elegir el modelo de capacitancia e inductancia

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:

Xc = –1/(2πfCs)

Para inductores, la reactancia se puede expresar como sigue:

XL = 2πfLs

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/RP

La susceptancia para capacitores se expresa como sigue:

BC = 2fCP = 1/XC

La susceptancia para inductores se expresa como sigue:

BL = 1/2fLP = 1/XL

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.

Tipo de medida
Rango
Impedancia
Modelo
C
>100 uF
<10 Ω
Serie
C
10 nF a 100 uF
10 Ω a 10 kΩ
Serie o paralelo
C
<10 nF
>10 kΩ
Paralelo
L
<1 mH
<10 Ω
Serie
L
1 mH a 1 H
10 Ω a 1 kΩ
Serie o paralelo
L
>1 H
≥1 kΩ
Paralelo
Nota: Los valores de impedancia se calculan a la frecuencia de prueba utilizada en un PXIe-4082 en cada rango especificado.

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

Consideraciones para medidas de capacitancia e inductancia

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.

Dieléctrico
Constante dieléctrica (K)
Vacío
1
Aire
1.0001
Teflón
2.0
Polipropileno
2.1
Poliestireno
2.5
Policarbonato
2.9
Poliéster
3.2
FR-4
3.8–5.0
Vidrio
4.0–8.5
Mica
6.5–8.7
Cerámica
6 a varios miles
Oxido de aluminio
7
óxido de tantalio
11

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, Rp, suele ser un valor grande y su efecto es significativo únicamente cuando se miden capacitores con valores pequeños. La resistencia en serie equivalente, Rs, aunque es un valor pequeño, es importante en capacitores con valores grandes, donde la impedancia es pequeña en comparación con Rs y donde se disipa una gran potencia. La inductancia en serie, Ls, 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 Vrms 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, Rs, representa las pérdidas resistivas en el conductor. La capacitancia en paralelo, Cp, es el efecto capacitivo equivalente entre las vueltas de la bobina y la resistencia en paralelo, Rp, 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 Vrms 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.

Figura 8. Un inductor de núcleo de aire de 5 mH medido en diferentes frecuencias

Se espera que algunos núcleos de ferrita varíen mucho con el nivel de la señal de prueba. En la Figura 9, se prueba un inductor con núcleo de ferrita de 100 uH a diferentes niveles de la señal de prueba. El error se refiere a la medida con una señal de pruebas de 1 mArms a 1 kHz.

Figura 9. Un inductor con núcleo de ferrita de 100 uH probado a diferentes niveles de señal de prueba

Todos estos factores pueden combinarse y causar que los inductores tengan diferentes valores bajo diferentes condiciones de temperatura, frecuencia y nivel de señal.

Señal de prueba

Los DMMs PXIe-4082 utilizan una fuente de corriente AC como excitación para las medidas de capacitancia e inductancia. La forma de onda de corriente es una onda cuadrada limitada armónicamente, muy estable. El método de medidas extrae información de múltiples tonos contenida en la señal de prueba para encontrar la capacitancia o inductancia del dispositivo bajo prueba. La frecuencia y el nivel de la señal de prueba y los tonos extraídos de ella se muestran en las tablas 3 y 4:

Capacitancia
Rango
Fundamental
Tercer armónico
Señal de prueba efectiva
Frecuencia
Corriente
Frecuencia
Corriente
Frecuencia
Corriente
300 pF
1 kHz
0.5 µA
3 kHz
0.16 µA
3 kHz
0.16 µA
1 nF
1 kHz
1 µA
3 kHz
0.33 µA
3 kHz
0.33 µA
10 nF
100 nF
1 kHz
10 µA
3 kHz
3.3 µA
3 kHz
3.3 µA
1 uF
1 kHz
100 µA
3 kHz
33 µA
1 kHz
100 µA
10 uF
1 kHz
1 mA
3 kHz
330 µA
1 kHz
1 mA
100 uF
91 Hz
1 mA
273 Hz
330 µA
91 Hz
1 mA
1,000 uF
10,000 uF

 

Inductancia
Rango
Fundamental
Tercer armónico
Señal de prueba efectiva
Frecuencia
Corriente
Frecuencia
Corriente
Frecuencia
Corriente
10 uH


10 kHz


1 mA


30 kHz


330 µA


30 kHz


330 µA
100 uH
1 mH
1 kHz
1 mA
3 kHz
330 µA
3 kHz
330 µA
10 mH
1 kHz
10 µA
3 kHz
3.3 µA
3 kHz
3.3 µA
100 mH
91 Hz
100 µA
273 Hz
33 µA
273 Hz
33 µA
1 H
91 Hz
10 µA
273 Hz
3.3 µA
273 Hz
3.3 µA
5 H
91 Hz
1 µA
273 Hz
0.33 µA
273 Hz
0.33 µA

Tablas 3 y 4. La frecuencia y el nivel de la señal de prueba y los tonos extraídos de ella

El digitalizador mide la impedancia del DUT en dos frecuencias (tonos). A partir de estas dos medidas se calculan las pérdidas (frontal, cableado y DUT). Utilizando las pérdidas calculadas, el software calcula la capacitancia o inductancia en una de las dos frecuencias (frecuencia efectiva). La señal de prueba efectiva se incluye como referencia. Es la señal que produce un valor de capacitancia o inductancia comparable si se mide con la técnica de medida de un solo tono. Debido a los parásitos y materiales utilizados en la construcción de componentes del mundo real, el valor medido de capacitancia o inductancia puede diferir de un instrumento a otro. Al medir capacitores con mejores propiedades dieléctricas, usted observa diferencias de lectura mucho más pequeñas entre varios instrumentos. Esta observación también se aplica a los inductores con mejor magnetismo. La Tabla 5 muestra algunos ejemplos de dieléctricos con características de frecuencia buenas y malas.

Dieléctricos con buenas características de frecuencia
Dieléctricos con malas características de frecuencia
Teflón
Mica
Polipropileno
Policarbonato
COG de cerámica
óxido de tantalio
Oxido de aluminio
Y5U cerámica

Tabla 5. Ejemplos de dieléctricos con características de frecuencia buenas y malas

Debido a la cantidad de corriente de magnetización requerida, puede ver un aumento en la sensibilidad a los cambios de frecuencia y otros factores de dependencia en los inductores con núcleos de dimensiones más grandes, como los que se usan en transformadores e inductores de potencia.

Efectos de temperatura

La temperatura puede tener un gran impacto en la impedancia del DUT. Por lo general, los capacitares tienen grandes coeficientes de temperatura (5 a 80 por ciento de variación en todo el rango de temperatura, dependiendo del capacitor utilizado), excepto los capacitores COG cerámicos, que pueden mostrar solamente una variación de 0.003%/°C. Los inductores, especialmente aquellos con núcleos que no son de aire, pueden variar mucho con la temperatura. Las variaciones de temperatura ambiente y del DUT (debido a la manipulación, por ejemplo) pueden introducir errores en la medida. Controle los cambios de temperatura ambiente para reducir los errores.

Cableado

Para reducir las variaciones en los parásitos del sistema, NI recomienda usar cable coaxial o pares cruzados blindados, con el blindaje usado como ruta de retorno de corriente y conectado a la entrada LO del DMM. Esta configuración hace más práctica la compensación ABIERTA/CORTA y ayuda a reducir la captación de ruido. Para el sondeo manual de partes de montaje en superficie, puede utilizar un par de pinzas. El DMM PXIe-4082 puede compensar la impedancia introducida por los aparatos de prueba. Consulte la sección de compensación ABIERTA/CORTA a continuación para obtener más información. Reduzca las variaciones mecánicas (por ejemplo, movimiento o flexión de cables, o cambio de accesorios) entre dos medidas consecutivas para mantener la repetibilidad. Utilice un cable de alta calidad, como Belden 83317, disponible en belden.com. NI recomienda cables con aislamiento de teflón, polipropileno o polietileno. Para más información sobre los requisitos de cableado, consulte interconexiones y cables. Se ha logrado un rendimiento muy bueno utilizando hasta 25 pies de este cable tanto en medidas de capacitancia como de inductancia, realizando una compensación ABIERTA/CORTA antes de la medida.

Captación de ruido

Para minimizar la captación de ruido, mantenga los cables, la configuración y el DUT alejados de cualquier fuente de ruido electromagnético, como motores, transformadores y tubos de rayos catódicos (CRT). Evite fuentes de frecuencia alrededor de 91 Hz, 1 kHz, 10 kHz y los armónicos respectivos porque estas frecuencias son las frecuencias de las corrientes de excitación utilizadas por un NI 4082. Utilice cable blindado (se recomiendan conectores BNC y cable coaxial) para el cableado y para conectar el conductor externo a la entrada LO del DMM.

Compensación ABIERTO/CORTO

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.

Consideraciones de polarización DC

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.

Otro hardware para medidas de capacitancia e inductancia

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.

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