PRÁCTICA 3. MEDIDA DE IMPEDANCIAS: PUENTE DE WHEATSTONE, MEDIDOR LCR. CARACTERIZACIÓN DE FILTROS.

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1 PRÁCTICA 3. MEDIDA DE IMPEDANCIAS: PUENTE DE WHEATSTONE, MEDIDOR LCR. CARACTERIZACIÓN 1 Objetivo. DE FILTROS. Realizar medidas de componentes pasivos. Diseño y caracterización de filtros activos y pasivos típicos. 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 caídas de tensión en las ramas resistivas del puente son iguales. Cuando en el puente de la figura 1 se cumple la relación R 1 R 4 = R 2 R 3, se dice que el puente está equilibrado y se obtendrá una lectura nula en el detector. R 1 G R2 E R 3 R 4 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

2 una medida de gran precisión, estabilidad y rapidez. Proporciona un ajuste de 0:2% en medidas de resistencias, capacidades e inductancias a distintas frecuencias. El diagrama de bloques interno se muestra en la figura 2. Dispaly Teclado Microprocesador Detector de fase PLACA DIGITAL Generador senoidal Amplificador Bias externa selector de medida 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

3 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: M K Ω m µ H n P F M K D Ω Q C/D C/Q C/R L/Q L/R R/Q Serie Paralelo 100Hz 120Hz 1KHz 10KHz Start Auto POWER CONECTORES DE TEST PROTECCION 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

4 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 circuitería 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 yenladqr 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 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 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

5 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, X L e X C, 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 límites, los errores pueden ser grandes, (sumándose al error de 0.2% que de por sí 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). Capacidad: X C = R s + 1 j!cs Bobina: X L = R s + j!l s, Q =!Ls. 2. Modelos paralelo, figura 4(b)., D = 1 Q =!R sc s. Capacidad: X C = R p + j!r p C p, D = 1 Q = 1 Bobina: X L = Rs j!l pr p R p+j!l p, Q = R p!l p. j!rpcp 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.

6 Cs Rs Rs Ls Rp (a) 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 electrolíticos: 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, 6

7 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. 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 mínimos a frecuencias bajas. Sí 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. 3 Material necesario. 1 Fuente de alimentación variable. 4 Resistencias de 2K2, 5%. 1 Resistencia de 10, 1K, 10K y 5:6M. 1 Multímetro digital. 1 Galvanómetro (Entrada de 500A de un multímetro electromecánico VOM). 7

8 LCR METER Condensador de 22pF, 10nF y 100uF (electrolítico). 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 típicos (estándares) en receptores de FM, uno de 10.7MHz y otro de 455KHz. 4 Realización de la práctica. 4.1 Puente de Wheatstone 1. Medir y anotar los valores exactos de las resistencias de 2K2. 2. Montar el circuito de la figura Aplicar una tensión de 10v 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

9 2K2 2K2 500 µa 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: V Th = E 4R R, Z Th = R Con: R 1 = R +R 1, R 2 = R +R 2, R 3 = R +R 3 y R 4 = R +R 4. 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 (R 4 ; R 2 ) ; (R 3 ; R 1 ). 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 Calcular los errores de corriente circulante por el galvanómetro en los pasos 3 y Calcular los errores de V Th y R Th en los pasos 4 y 8. 9

10 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. 10

11 (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 multímetro digital HM Caracterización de filtros pasivos 1. Caracterizar, en el dominio de la frecuencia, el comportamiento real de dos filtros pasivos de 10.7MHz y 455KHz, típicos 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 11

12 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 Vin R1 R1 - + Vout C1 C1 Figura 6: Filtro Butterworth paso bajo de 2 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. 12

13 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 Vin R1 R1 - + Vout C1 C1 Figura 7: Filtro Butterworth paso alto de 2 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. 13

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