Práctica 2. Diseño y medida de una Red Resonante. Laboratorio de medidas e instrumentación. Nombres. Grupo

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1 Red resonante Laboratorio de medidas e instrumentación i Laboratorio de medidas e instrumentación. Práctica 2. Diseño y medida de una Red Resonante. Nombres Grupo

2 Red resonante Laboratorio de medidas e instrumentación 1 OBJETIVOS 1.-Realizar el diseño y montaje de una red resonante sintonizable, que resuene entre 40 y 195 MHz, a partir de los cálculos teóricos. 2.-Medir con el VNA el comportamiento del circuito diseñado y calcular el valor real de la inductancia diseñada para la red resonante. INTRODUCCIÓN Se realizará el diseño de una red resonante serie mediante una capacidad variable y una bobina aérea de fabricación propia. La siguiente gráfica muestra el esquema de una red resonante serie: + C L R - La red resonante está formada por una capacidad, una bobina y una resistencia. La particularidad de este circuito es que a la frecuencia de resonancia su impedancia es puramente resistiva. La forma de calcular esta frecuencia, a partir de los valores de la capacidad y de la inductancia, es la siguiente: f 0 1 = 2π L C El montaje de la red se hará en un placa de circuito impreso que, posteriormente y para realizar las medidas, se soldará a una caja metálica con conectores tipo N.

3 Red resonante Laboratorio de medidas e instrumentación 2 Para la resistencia serie del circuito se elige 50 Ω. Para ello, bien se puede poner una carga en el terminal de salida o calibrar el puerto 2 del VNA y utilizarlo como carga, pues la impedancia de entrada de ese puerto serán 50 Ω, una vez calibrado. Qué utilidad tiene escoger una resistencia de 50 Ω respecto a otros valores, desde el punto de vista de la medida de la frecuencia de resonancia? SUMARIO Para el desarrollo de la práctica se seguirá el siguiente guión: 1. Obtención en Internet del programa de diseño de bobinas aéreas. 2. Montaje del circuito para el cálculo de la inductancia parásita de la capacidad variable y medidas. 3. Fabricación de la bobina aérea. 4. Montaje y medidas del circuito resonante serie completo. 1. PROGRAMA DE DISEÑO Para realizar el diseño de esta práctica será necesario obtener el programa Inductance Coil Calculation, que servirá para calcular el valor de la inductancia de las bobinas fabricadas. Para realizar el diseño de una bobina en este programa, se ha de escoger el diámetro que se desea para la bobina. Además, en el programa hay que incluir otros parámetros. Se han de seguir los siguientes pasos: 1. Escribir el valor de la inductancia L (en μh) que se quiere implementar. 2. Escribir el valor del diámetro de la bobina (Winding D). 3. Escribir el valor del diámetro del hilo de cobre (Wire d). Con estos valores se obtienen unos valores para los siguientes parámetros: a) Step of Winding: Se trata de la distancia que existe entre dos vueltas consecutivas.

4 Red resonante Laboratorio de medidas e instrumentación 3 b) Wire Length: Es la longitud total del hilo de cobre. c) Turns number: Nº de vueltas que ha de tener la bobina. Es muy probable que el número de vueltas no sea un número entero. Es posible acercar el valor del número de vueltas a un número entero modificando el parámetro Winding Length, se trata de la longitud de la bobina (no confundir con Wire Length, que es la longitud del hilo). Existe una relación entre el parámetro Winding Length, y los parámetros: Step of Winding y Turns number. Winding Length= Turns number X Step of Winding Por lo tanto, modificando Winding Length, mientras Step of Winding mantiene su valor, modificamos Turns number. Cómo afectan la variación de los parámetros Winding D, Step of Winding y Wire d en el valor de la inductancia de una bobina? 2. INDUCTANCIA PARÁSITA El condensador que se va a utilizar es de tipo variable. El rango mínimo de variación del condensador es 10 pf-100 pf. Este tipo de condensadores variables tiene una inductancia en serie parásita o indeseada. Qué efecto produce esa inductancia en el circuito resonante serie?

5 Red resonante Laboratorio de medidas e instrumentación 4 Para calcular esa inductancia parásita se seguirán los siguientes pasos: 1. Montar el circuito con la capacidad variable. 2. Escoger valores de la capacidad midiéndolo con el polímetro. 3. Calcular la frecuencia de resonancia en el analizador de redes. Se realizarán estos pasos para tres valores diferentes de la capacidad y se calculará el valor medio de la inductancia parásita. No es aconsejable utilizar valores de capacidad menores de 75 pf, para evitar que la falta de exactitud del polímetro falsee las medidas. 1. Valor de capacidad (pf) Frecuencia de resonancia (MHz) Inductancia parásita (nh) Valor medio Uso de VNA Para realizar las medidas de la frecuencia de resonancia se recomienda lo siguiente: o Disminuir la escala del aparato a 2 db/division. (SCALE >> SCALE/DIV) o Variar en nivel de referencia (SCALE >> REFERENCE LEVEL) o Disminuir el rango de frecuencias visualizado (FREQ >> SPAN) o Activar la función AVERAGE del aparato (AVG >> AVERAGE ON off) 3. DISEÑO DE LA BOBINA Una vez calculado el valor de la inductancia parásita, se puede proceder al diseño de la bobina. Hay que tener en cuenta que tenemos una capacidad variable, y que para un valor de inductancia, podremos conseguir distintas frecuencias de resonancia, tanto mayores cuanto menor sea la capacidad. La condición de diseño es que el circuito resonante completo, con la capacidad variable y la bobina diseñada, ha de resonar en un rango mínimo de 40 MHz a 195 MHz. Con esta condición se podrá obtener un valor de inductancia, y a partir de ese valor, utilizando el programa Inductance Coil Calculation, se obtendrán los parámetros de la bobina. Para fabricar la bobina basta enrollar el

6 Red resonante Laboratorio de medidas e instrumentación 5 cable alrededor de un cilindro que tenga el diámetro que se desea para la bobina. Qué valor de inductancia es necesario diseñar? Cuáles son los parámetros de la bobina que indica el programa para ese valor de inductancia? 4. CIRCUITO RESONANTE Una vez diseñada la bobina, se suelda en serie con la capacidad variable. Habrá que raspar el esmalte de los terminales de la bobina para que ésta haga contacto y quede bien soldada en la placa. Posteriormente se medirá su comportamiento con el analizador de redes. El diseño ha de cumplir las condiciones anteriores; si no lo hace, será necesario rediseñar la bobina. El procedimiento para el cálculo de la bobina diseñada es similar al cálculo anterior. Con la bobina diseñada conectada en serie a la capacidad variable, se obtienen distintos valores de frecuencia de resonancia en función del valor de esa capacidad (se utilizarán los mismos valores de capacidad que para el cálculo de la inductancia parásita). Una vez obtenida la frecuencia de resonancia, se puede obtener la inductancia total y, posteriormente la inductancia de la bobina diseñada. 1. Valor de capacidad (pf) Frecuencia de resonancia (MHz) Inductancia total (nh) Inductancia diseñada (nh) Valor medio

7 Red resonante Laboratorio de medidas e instrumentación 6 La siguiente tabla ha de rellenarse con las frecuencias extremas de oscilación de la etapa resonante diseñada, que ha de cumplir la condición descrita arriba. Además, han de presentarse las dos gráficas que muestren las frecuencias de resonancia extremas inferior y superior, con un marcador que muestre el valor de esas frecuencias de resonancia. Frecuencia extrema inferior (MHz) Frecuencia extrema superior (MHz) Qué conclusiones se pueden obtener comparando el valor real de la inductancia con el valor calculado con el programa? Después de las variaciones realizadas en la bobina para conseguir cumplir las especificaciones, cuál es el valor que se obtiene en el programa Inductance Coil Calculation introduciendo los parámetros de esa bobina?

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