Medidas de Capacitancia/Inductancia

Visión General

Esta guía ofrece recomendaciones y técnicas para utilizar un multímetro digital (DMM) de NI para construir el sistema de medición más preciso posible. Aprenda cómo el NI 4072 puede funcionar como un DMM de 6½ dígitos; como un digitalizador de alto voltaje completamente aislado capaz de adquirir formas de onda a velocidades de muestreo de hasta 1.8 MS/s a ±300 V de entrada; y como un medidor LCR que mide inductancia y capacitancia. Esta sección de la guía cubre estos temas a continuación. Para obtener más información regrese a la Guía Completa sobre Medidas de Multímetros Digitales

Contenido

Método de Medición de Capacitancias e Inductancias de NI

El NI 4072 utiliza una técnica de dos cables, múltiples tonos y corriente constante para medir impedancias. Cuando usted aplica una fuente de corriente constante de múltiples tonos (Isrc) al dispositivo bajo prueba, el NI 4072 mide el armónico fundamental y el tercero de la forma de onda de voltaje.



Figura 1. Midiendo el Fundamental y el Tercer Armónico de una Forma de Onda de Voltaje

 

Cuando la corriente y el voltaje son conocidos, el NI 4072 calcula la capacitancia o la inductancia utilizando el análisis de pico de la transformada rápida de Fourier (FFT). Si la impedancia en serie del residual (Zs) y la admitancia parásita en paralelo (Yp) introducen un error significativo en la medida, el NI 4072 puede medir la magnitud del error y reducirlo utilizando técnicas de compensación.

Eligiendo el Modelo de Capacitancia e Inductancia

Las cargas capacitivas e inductivas se oponen al flujo de corrientes alternas. Esta oposición es expresada como impedancia a cierta frecuencia. El efecto de una carga de impedancia en el mundo real es observado como una atenuación de la señal y un desfase. Por la naturaleza de la impedancia, ésta es representada como un vector cuyo ángulo es igual al ángulo de fase entre el voltaje y la corriente, y la magnitud de la impedancia es igual al cociente entre las magnitudes del voltaje y la corriente, como se muestra a continuación.

Nota: Los valores en negrillas denotan cantidades de vector o números complejos.

Z = V/I

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

Z = R + jX

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 se muestra a continuación:

Xc = –1/(2pfCs)

Para inductores, la reactancia se puede expresar como se muestra a continuación:

XL = 2pfLs

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

 



Figura 2. Las cargas pueden representarse fácilmente como una combinación en paralelo o en serie de una carga resistiva y una reactiva utilizando las fórmulas mencionadas anteriormente.

Para simplificar el manejo matemático, los cálculos y los análisis, a veces es más conveniente expresar la impedancia como su cantidad recíproca, o admitancia. La admitancia es definida como

Y = 1/Z = I/V

y puede ser escrita como

Y = G + jB

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 se muestra a continuación:

G = 1/RP

La susceptancia de los capacitores es expresada como se muestra a continuación:

BC = 2fCP = 1/XC

La susceptancia de los inductores es expresada como se muestra a continuación:

BL = 1/2fLP = 1/XL

En general, es más fácil matemáticamente manejar cargas en paralelo como admitancias, y cargas en serie como impedancias.




Figura 3. Es más fácil matemáticamente manejar cargas en paralelo como admitancias, y cargas en serie como impedancias.

A veces, es necesario obtener el resultado como un modelo en serie o como un modelo en paralelo. La resistencia en paralelo generalmente es más grande que la resistencia en serie. Para medir pequeños valores reactivos, tales como capacitores de alto valor e inductores de bajo valor, es preferible utilizar el modelo en serie debido a que la resistencia en serie es más significante que la resistencia en paralelo. Al medir valores reactivos grandes, tales 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
En Serie
C
10 nF a 100 uF
10 Ω a 10 kΩ
En Serie o Paralelo
C
<10 nF
>10 kΩ
En Paralelo
L
<1 mH
<10 Ω
En Serie
L
1 mH a 1 H
10 Ω a 1 kΩ
En Serie o Paralelo
L
>1 H
≥1 kΩ
En Paralelo
Nota: Los valores de impedancia se calculan a una frecuencia de prueba utilizada en el NI 4072 en cada rango especificado.

Tabla 1. Medidas de Capacitancias e Inductores y sus Modelos Preferidos

Consideraciones de las Medidas de Capacitancias e Inductancias

Capacitores

Un capacitor es un componente electrónico capaz de almacenar energía como carga. Cada capacitor consiste de dos placas de material conductivo separadas por un dieléctrico, el cual puede ser aire, papel, plástico, óxido o cualquier otro tipo de aislante. La constante dieléctrica, K, de un aislante representa su habilidad 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
Óxido de Aluminio
7
Óxido de Tantalio
11

Tabla 2. Valores K para Diferentes Materiales Dieléctricos

Las propiedades eléctricas de los aislantes presentan variabilidad con factores tales como temperatura, frecuencia, voltaje y humedad. Esta variabilidad y la construcción mecánica del capacitor crean un dispositivo no ideal. Una mejor representación de capacitores del mundo real se muestra en el modelo equivalente en la Figura 4, la cual puede ayudarle a entender los diferentes elementos parásitos que están presentes en un componente en el mundo real. Estos elementos parásitos impactan la impedancia del capacitor a diferentes frecuencias de prueba.



Figura 4. Un Modelo de Diferentes Elementos Parásitos en un Componente en el Mundo Real que Pueden Impactar al Capacitor

La resistencia en paralelo, Rp, generalmente es un valor grande, y su efecto es significante sólo cuando se mide capacitores con valores pequeños. La resistencia en serie equivalente, Rs, aunque tenga un valor pequeño, es importante en los capacitores con valores grandes, en donde la impedancia es pequeña comparada a Rs y en donde se disipa una gran cantidad de potencia. La inductancia en serie, Ls, representa la atenuación total de la inductancia y capacitancia a frecuencias más altas. A bajas frecuencias, la capacitancia varía con la frecuencia y el nivel de la señal de prueba, debido a los cambios en las propiedades dieléctricas. La gráfica en la Figura 5 muestra un capacitor electrolítico de aluminio de 2.2 µF y 100 V medido a diferentes frecuencias. El error está referenciado a la medida utilizando una señal de prueba de 1 Vrms AC a 1 kHz.


Figura 5. Un Capacitor Electrolítico de Aluminio de 2.2 µF y 100 V Medido a Diferentes Frecuencias

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

Inductores

Un inductor es un componente electrónico capaz de almacenar energía como corriente. Cada inductor consiste en una bobina conductiva que se puede enrollar sin un núcleo o alrededor de un material magnético. La permeabilidad del material del núcleo es la medida de la intensidad del campo magnético que se le puede inducir. Las propiedades eléctricas de los núcleos muestran variabilidad con factores tales como temperatura, frecuencia y corriente entre otros. Esta variabilidad y la construcción mecánica del inductor crean un dispositivo no ideal. Una mejor representación de inductores del mundo real se muestra en el modelo equivalente en la Figura 6, la cual puede ayudarle a entender los diferentes elementos parásitos que están presentes en un componente en el mundo real. Estos elementos parásitos impactan la impedancia del inductor a diferentes frecuencias de prueba.


Figura 6. Un Modelo de Diferentes Elementos Parásitos en un Componente en el Mundo Real que Pueden Impactar al Inductor

La resistencia en serie, Rs, representa las pérdidas resistivas en el conductor. La capacitancia en paralelo, Cp, es el efecto de capacitancia 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 altos de inductancia. Por lo tanto, los núcleos de aire por lo general son imprácticos para aplicaciones, debido a su tamaño y peso grandes. También, los núcleos de aire generalmente tienen una capacitancia de devanado grande y una resistencia en serie con un valor de inductancia alto. No todos los elementos parásitos afectan el valor del inductor, pero algunos elementos parásitos son más prominentes que otros, dependiendo de la construcción de la bobina, la geometría del inductor, el calibre del alambre y las características del núcleo. El valor del inductor y la magnitud de cada tipo de elemento parásito en relación a otros tipos de elementos parásitos determinan la respuesta en frecuencia. La geometría de algunos componentes puede incrementar la sensibilidad de los componentes a factores externos, y esta sensibilidad incrementada puede afectar el valor del inductor. Los inductores solenoides son más sensibles a los materiales metálicos que están en la proximidad debido a que tales materiales modifican el campo magnético. Los inductores toroidales mantienen el flujo adentro del núcleo y son menos sensibles a conductores externos en las proximidades. Consulte la Figura 7 para ver el flujo asociado con estos tipos de inductores:


Figura 7. Tipos de Flujos de Inductor

En la Figura 8, un inductor de 5 mH con núcleo de aire es medido a diferentes frecuencias. El error está referenciado a la medida con una señal de prueba de 1 Vrms a 1 kHz. Este tipo de inductor tiene un alto grado de capacitancia de devanado debido a su tamaño y al número de vueltas necesarias para su construcción. Por lo tanto, este tipo de inductor mide como si hubiera una fuerte variación de inductancia con frecuencia.


Figura 8. Un Inductor de 5 mH con Núcleo de Aire a Diferentes Frecuencias

Se espera que algunos núcleos de ferrita varíen de manera significante con el nivel de señal de prueba. En la Figura 9, un inductor de 100 uH con núcleo de ferrita es probado a diferentes niveles de señal de prueba. El error está referenciado a la medida con una señal de prueba de 1 mArms a 1 kHz.


Figura 9. Un Inductor de 100 uH con Núcleo de Ferrita es Probado a Diferentes Niveles de Señal de Prueba

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

Señal de Prueba

Los dispositivos NI 4072 utilizan una fuente de corriente AC como excitación para medidas de capacitancias e inductancias. La forma de onda de las corrientes es una onda cuadrada muy estable y limitada armónicamente. Este método de medida extrae información de múltiples tonos contenidos en la señal de prueba para saber la capacitancia o inductancia del dispositivo bajo prueba. La frecuencia y nivel de la señal de prueba y los tonos extraídos de ésta 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

El digitalizador mide la impedancia del dispositivo bajo prueba a dos frecuencias (tonos). De estas dos medidas, se pueden calcular las pérdidas (frontales, de cableado y del dispositivo bajo prueba). Utilizando las pérdidas calculadas, el software calcula la capacitancia o la inductancia a una de las dos frecuencias (frecuencia efectiva). La señal de prueba efectiva es incluida como una referencia. Es la señal la que produce un valor de capacitancia o inductancia comparable si se mide con la técnica de medida de un solo tono. Debido a los elementos parásitos y los materiales utilizados en la construcción de componentes del mundo real, el valor de la capacitancia o inductancia medida puede diferir entre instrumentos. Al medir capacitores con mejores propiedades dieléctricas, usted puede observar diferencias de lectura mucho menores entre varios instrumentos. Esta observación también aplica a los inductores con mejores propiedades magnéticas. La Tabla 5 muestra algunos ejemplos de dieléctricos con buenas y malas características de frecuencia.

Dieléctricos con Buenas Características de Frecuencia
Dieléctricos con Malas Características de Frecuencia
Teflón
Mica
Polipropileno
Policarbonato
Cerámica C0G
Óxido de Tantalio
Óxido de Aluminio
Cerámica Y5U

Tabla 5. Ejemplos de Dieléctricos con Buenas y Malas Características de Frecuencia

Debido a la cantidad de corriente de magnetización, usted puede ver un incremento en sensibilidad a cambios de frecuencia y otros factores de dependencia en inductores con núcleos de mayores dimensiones, tales como aquellos utilizados en transformadores e inductores de potencia.

Efectos de Temperatura

La temperatura puede tener un gran impacto en la impedancia del dispositivo bajo prueba. Generalmente, los capacitores tienen coeficientes de temperatura grandes (con variación de 5 a 80 por ciento sobre el rango completo de temperatura, dependiendo del capacitor utilizado) excepto por los capacitores de cerámica C0G, los cuales pueden presentar sólo una variación de 0.003%/°C. Los inductores, especialmente aquellos que no tienen núcleo de aire, pueden variar bastante con la temperatura. Variaciones en el ambiente y la temperatura del dispositivo bajo prueba (debido al manejo, por ejemplo) puede introducir errores en la medida. La temperatura de ambientes controlados cambia para reducir errores.

Cableado

Para reducir las variaciones en los elementos parásitos de un sistema, NI recomienda utilizar cable coaxial o par trenzado blindado, con el blindaje utilizado como el camino de regreso de la corriente y conectado a la entrada baja (LO) del DMM. Esta configuración hace que la compensación de circuito ABIERTO/en CORTO sea más práctica y ayude a reducir la introducción de ruido. Para probar manualmente partes de montaje superficial, se pueden utilizar un par de pinzas. El NI 4072 puede compensar la impedancia introducida por el equipo involucrado en las pruebas. Consulte la sección de Compensación de Circuito en ABIERTO/en CORTO a continuación para obtener más información al respecto. Reduzca las variaciones mecánicas (por ejemplo, mover o flexionar cables, o cambiar el equipo involucrado en las pruebas) entre dos medidas consecutivas para mantener la repetitividad. Utilice un cable de alta calidad, tal como el Belden 83317, disponible en belden.com. NI recomienda cables con asilamiento de teflón, polipropileno o polietileno. Para más información sobre requisitos de cables, consulte la sección de Interconexiones y Cables. Se ha logrado muy buen rendimiento utilizando hasta 25 pies del cable Belden 83317 en medidas de capacitancias e inductancias al utilizar la compensación de circuito en ABIERTO/en CORTO antes de realizar la medida.

Introducción de Ruido

Para minimizar la introducción de ruido, mantenga los cables, el dispositivo bajo prueba y el equipo involucrado lejos de cualquier fuente de ruido electromagnético, por ejemplo motores, transformadores y tubos de rayos catódicos. Evite fuentes de frecuencia alrededor de 91 Hz, 1 kHz, 10 kHz y los armónicos respectivos porque estas frecuencias son las frecuencias de corrientes de excitación utilizadas por el NI 4072. Utilice cable blindado (se recomiendan conectores BNC y cable coaxial) para cableado y para conectar el conductor externo a la entrada LO del DMM.

Compensación de Circuito ABIERTO/en CORTO

En la mayoría de las aplicaciones prácticas, el DMM se conecta al dispositivo bajo prueba con conmutadores y/o más equipo. Estos conmutadores y equipos pueden introducir errores no deseados a la medida. La compensación minimiza los errores entre el NI 4072 y el dispositivo bajo prueba.

Compensación de desfase

La compensación consiste en medir el error, y aplicar el error medido a la medida actual para corregir y minimizar los errores introducidos por el sistema de pruebas. Las funciones de compensación deben ser ajustadas a un rango específico, antes de tomar cualquier medida. Cualquier cambio en ajustes de rango o función resulta en un tipo de compensación nula. Por lo tanto, usted tendría que calcular estos valores de nuevo. Para proporcionar máxima flexibilidad en el sistema de pruebas, los valores de compensación son mostrados por el API. Usted puede manipular, almacenar y utilizar estos valores en sistemas de muchos canales.

Para realizar compensación de circuito ABIERTO para medidas de capacitancia e inductancia, siga los siguientes pasos:

  1. Desconecte el dispositivo bajo prueba del DMM, en el extremo del dispositivo bajo prueba.
  2. Configure el DMM para capacitancia o inductancia en el rango deseado.
  3. En el software LabVIEW, ejecute la función niDMM Configure Cable Comp Type (niDMM_ConfigureCableCompType), y ajuste el Cable Comp Type a CABLE COMP OPEN (abierto).
  4. Ajuste una condición de circuito abierto, en la cual nada esté conectado al equipo involucrado en la prueba. Si el sistema de conmutación que se está utilizando tiene capacitancias similares en diferentes canales, usted puede dedicar un canal a medidas abiertas. Los cables y conmutadores con baja capacitancia y baja resistencia de recorrido son recomendados.
  5. Ejecute la función niDMM Perform Open Cable Comp (niDMM_PerformOpenCableComp) mientras la entrada al DMM aún está abierta. Este VI o función proporcionará dos valores: conductancia y susceptancia.
  6. Utilice los dos valores obtenidos en el paso previo en la función niDMM Configure Open Cable Comp Values (niDMM_ConfigureOpenCableCompValues). Al utilizar estos valores se restará la medida abierta a todas las medidas subsecuentes.
  7. Realice la medida deseada.

Para realizar compensación de circuito en CORTO para medidas de capacitancia e inductancia, siga los siguientes pasos:

  1. Desconecte el dispositivo bajo prueba del DMM, en el extremo del dispositivo bajo prueba.
  2. Configure el DMM para capacitancia o inductancia en el rango deseado.
  3. En el software LabVIEW ejecute la función niDMM Configure Cable Comp Type (niDMM_ConfigureCableCompType), y ajuste el Cable Comp Type a CABLE COMP SHORT (en corto).
  4. Ajuste una condición de circuito en corto, en la cual nada esté conectado al equipo involucrado en la prueba utilizando una conexión de baja impedancia entre las terminales HI y LO del DMM. Si el sistema de conmutación que se está utilizando tiene inductancias similares en diferentes canales, usted puede dedicar un canal a medidas en corto. Los cables y conmutadores con baja capacitancia y baja resistencia de recorrido son recomendados.
  5. Ejecute la función niDMM Perform Open Cable Comp (niDMM_PerformShortCableComp) mientras la entrada al DMM aún está en corto. Este VI o función proporcionará dos valores: resistencia y reactancia.
  6. Utilice los dos valores obtenidos en el paso previo en la función niDMM Configure Short Cable Compensation Values (niDMM_ConfigureShortCableCompValues). Al utilizar estos valores se restará la medida en corto a todas las medidas subsecuentes.
  7. Realice la medida deseada.

Para realizar compensación de circuito ABIERTO y en CORTO para medidas de capacitancia e inductancia, siga los siguientes pasos:

  1. Configure el DMM para capacitancia o inductancia en el rango deseado.
  2. En el software LabVIEW, ejecute la función Configure Cable Comp Type (niDMM_ConfigureCableCompType), y ajuste el Cable Comp Type a CABLE COMP OPEN AND SHORT. (abierto y en corto).
  3. Desconecte el dispositivo bajo prueba del DMM, en el extremo del dispositivo bajo prueba.
  4. Ajuste una condición de circuito abierto, en la cual nada esté conectado al equipo involucrado en la prueba. Si el sistema de conmutación que se está utilizando tiene inductancias similares en diferentes canales, usted puede dedicar un canal a medidas abiertas. Los cables y conmutadores con baja capacitancia y baja resistencia de recorrido son recomendados.
  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. Utilice los dos valores obtenidos en el paso previo en la función niDMM Configure Open Cable Comp Values (niDMM_ConfigureOpenCableCompValues).
  7. Ajuste una condición de circuito en corto, en la cual nada esté conectado al equipo involucrado en la prueba utilizando una conexión de baja impedancia entre las terminales HI y LO del DMM. Si el sistema de conmutación que se está utilizando tiene inductancias similares en diferentes canales, usted puede dedicar un canal a medidas en corto. Los cables y conmutadores con baja capacitancia y baja resistencia de recorrido son recomendados.
  8. Ejecute la función niDMM Perform Short Cable Comp (niDMM_PerformShortCableComp) mientras la entrada al DMM aún está en corto. Este VI o función proporcionará dos valores: resistencia y reactancia.
  9. Utilice los dos valores obtenidos en el paso previo en la función niDMM Configure Short Cable Comp Values (niDMM_ConfigureShortCableCompValues).
  10. NI-DMM toma cuatro valores medidos en condiciones de circuito abierto y en corto para compensar todas las medidas subsecuentes.
  11. Realice la medida deseada.


Nota: Debido a variaciones de temperatura y otros cambios ambientales, tales como humedad, usted podría necesitar realizar compensaciones de circuito ABIERTO y en CORTO mínimo una vez al día. Al utilizar un sistema de conmutación, verifique que las medidas de circuito ABIERTO y en CORTO en el canal de referencia coincidan con las medidas del resto de los canales que usted está compensando. Si este método de compensación no cubre sus requerimientos de errores, entonces deberá realizar compensación de circuito ABIERTO y/o en CORTO en el mismo canal que utiliza para realizar las medidas del dispositivo en prueba.

Consideraciones de Polarización DC

Para probar algunos componentes polarizados, tales como capacitores electrolíticos y de tantalio, usted podría preferir utilizar sólo voltajes positivos. Durante la operación normal, la corriente AC cambia a negativo 50 por ciento del tiempo, lo cual resulta en una polarización inversa del capacitor bajo prueba. Para prevenir esta polarización inversa, usted puede aplicar polarización DC para prevenir que el voltaje se vuelva negativo.

Nota: Cuando se utiliza la polarización DC, el potencial alto se reflejará en la terminal HI del DMM. Asegúrese de que el componente está polarizado correctamente conectando la terminal negativa del componente a la terminal LO del DMM.

El voltaje de polarización DC es un valor fijo y sólo se puede encender o apagar. El valor de voltaje nominal es 0.45V y puede ser utilizado para cualquier rango de capacitancia. El ajuste predeterminado de polarización DC es apagado.