consideraciones sobre la medición de capacitancia en
TRANSCRIPT
![Page 1: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/1.jpg)
Consideraciones Sobre La Consideraciones Sobre La
Medición De Capacitancia En Medición De Capacitancia En
Simuladores De CapacitanciaSimuladores De Capacitancia
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
Simuladores De CapacitanciaSimuladores De Capacitancia
Ing. José Angel Ing. José Angel Moreno Hdez.Moreno Hdez.Centro Nacional de Centro Nacional de MetrologíaMetrología
[email protected]@cenam.mx
![Page 2: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/2.jpg)
CONTENIDOCONTENIDO
• Capacitancia
• Simulación de Capacitancia
• Mediciones de Baja Capacitancia
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
• Mediciones de Baja Capacitancia
• Mediciones de Alta Capacitancia
![Page 3: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/3.jpg)
CAPACITANCIA
La capacitancia C es la razón existente entre la carga
eléctrica Q almacenada entre dos conductores (capacitor),
por unidad de diferencia de potencial eléctrico V existente
entre tales conductores.
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
entre tales conductores.
V
QC =
![Page 4: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/4.jpg)
Para un capacitor de placas paralelas, la capacitancia queda
definida por el área de las placas A, su separación d, y la
permitividad εεεε del dieléctrico existente entre ellas.
d
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
d
AεC =
d
A
εεεε
En el vacío:
ε = 8.854 187 817 pF/m
CODATA 2010
![Page 5: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/5.jpg)
d
A
εεεε
aire
A ≈ π (0.05)2 m2
d ≈ 0.01 m
εr-Aire ≈ 1.000 6
C ≈ 6.96 pF
La capacitancia en la palma de sus manos:
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
aire
Material εr
Teflón PTFE 2.1
Polietileno 2.25
Mylar 3.2
Quarzo 4.2
![Page 6: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/6.jpg)
Bajo este principio físico se construyen capacitores.
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
Patrones Arreglo de
Patrones
Componentes
![Page 7: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/7.jpg)
Capacitancia en cables.
Cable coaxial
Malla
Conductor
centralCorte transversal
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
centralCorte transversal
La capacitancia se distribuye a lo largo del
cable.
Para el cable RG58/U la capacitancia nominal es aproximadamente 94 pF/m
![Page 8: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/8.jpg)
Par de Cables Sencillos
La capacitancia no es uniforme a lo
largo del par de cables.
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
Conectores y Adaptadores
La capacitancia
está presente.
![Page 9: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/9.jpg)
L HZ
Concepto de Impedancia de dos y tres terminales.
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
G
![Page 10: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/10.jpg)
L HZ
G
CLG CHG
Configuración
a tres
terminales
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
G
L HZ
G
CHG
Configuración
a dos
terminales
![Page 11: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/11.jpg)
Capacitancia en un Circuito Eléctrico.
i t( ) sin t( ) C Vc t( )1
Ctsin t( )
⌠⌡
d⋅1−
Ccos t( )⋅
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
La tensión en el capacitor tiene un
retraso de 90°respecto a la
corriente.
i t( )
Vc t( )
t
![Page 12: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/12.jpg)
SIMULACIÓN DE CAPACITANCIA
Fluke 5500A0.33 nF a
1.1 mF
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
1.1 mF
0.19 nF a 110 mF
Fluke 5520A
![Page 13: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/13.jpg)
Puente RLC
IL IHVL VH
Simulador
H i(t)
Indicador
Funcionamiento básico.
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
L
H
V(t)
A
i(t)
C
La tensión entre H y L tiene un retraso de 90°respecto a la corriente.
Simulación de Capacitancia
a 2 Terminales
![Page 14: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/14.jpg)
Circuito Interno (Synthesized Impedance Assembly).
V1 V2 kV2 -kV2
i(t)
i(t)
V1 kV2+1
ti t( )⌠ d⋅
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
αV2 V1 kV2+1
Crefti t( )
⌠⌡
d⋅
V2V1
α
V11
Cref 1k
α+
⋅
ti t( )⌠⌡
d⋅
Cx Cref 1k
α+
⋅
![Page 15: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/15.jpg)
Intervalos de operación
0.33 nF
0.5 nF
1,1 nF
3.3 nF
11 nF
33 nF
110 nF
330 nF
1.1 µµµµF
3.3 µµµµF
11 µµµµF
33 µµµµF
110 µµµµF
330 µµµµF
1.1 mF
Fluke 5500A(14 Intervalos)
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
0.19 nF
0.4 nF
1.1 nF
3.3 nF
11 nF
33 nF
110 nF
330 nF
1.1 µµµµF
3.3 µµµµF
11 µµµµF
33 µµµµF
110 µµµµF
330 µµµµF
1.1 mF
3.3 mF
11 mF
33 mF
110 mF
Fluke 5520A(18 Intervalos)
![Page 16: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/16.jpg)
Intervalos de operación (alcance en frecuencia)
700
800
900
1000
1100
Fre
cu
en
cia
(H
z)
Fluke 5500A
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
0
100
200
300
400
500
600
700
1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3
Fre
cu
en
cia
(H
z)
Capacitancia (F)
fmin = 50 Hz
![Page 17: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/17.jpg)
Intervalos de operación (alcance en frecuencia)
100
1000
10000
Fre
cu
en
cia
(H
z)
fmin = 10 Hz
Fluke 5520A
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
0
1
10
100
1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 1E-2 1E-1
Fre
cu
en
cia
(H
z)
Capacitancia (F)
fmin = 10 Hz
fmin = 0 Hz
![Page 18: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/18.jpg)
Función de Compensación
Se dispone de modos de conexión para compensación de baja impedancia a 4 terminales (5500A) y a 2 terminales.
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
Note that compensated
connections for capacitance are
to compensate for lead and internal resistances,
not for lead and internal capacitances.
![Page 19: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/19.jpg)
Conexión sin compensación
Fluke 5520AFluke 5500A
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
Sugerencia: Evitar cables sencillos.
![Page 20: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/20.jpg)
Conexión a 2 Terminales
Fluke 5520AFluke 5500A
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
Sugerencia: Evitar cables sencillos.
![Page 21: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/21.jpg)
Conexión a 4 Terminales
Fluke 5520A
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
Puentes RLC y solo algunos multímetros pueden requerir conexión a 4 terminales.
Sugerencia: Evitar cables sencillos.
![Page 22: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/22.jpg)
La compensación está disponible solo para
capacitancias de 110 nF o mayores
0.33 nF 1,1 nF 11 nF 110 nF 1.1 µµµµF
µµµµ
11 µµµµF
µµµµ
110 µµµµF
µµµµ
1.1 mF
Fluke 5500A
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
0.5 nF 3.3 nF 33 nF 330 nF 3.3 µµµµF 33 µµµµF 330 µµµµF
0.19 nF
0.4 nF
1.1 nF
3.3 nF
11 nF
33 nF
110 nF
330 nF
1.1 µµµµF
3.3 µµµµF
11 µµµµF
33 µµµµF
110 µµµµF
330 µµµµF
1.1 mF
3.3 mF
11 mF
33 mF
110 mF
Fluke 5520A
Intervalo Compensado
Intervalo sin Compensar
![Page 23: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/23.jpg)
MEDICIONES DEBAJA CAPACITANCIA
Para valores menores a 110 nF el efecto de los cables tiene
una alta influencia en la medición.
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
CCable
CSim
Cind
Cind = CSim + CCable
![Page 24: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/24.jpg)
Casos extremos
Usando un cable coaxial (RG58/U) de 50 cm (47 pF):
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
Fluke 5500A
Fluke 5520A
Para 0.5 nF el cable representa 9.4 %La especificación es: 2.5 %
Para 0.4 nF el cable representa 11.8 %La especificación es: 3 %
![Page 25: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/25.jpg)
Compensación Externa Automática
Consiste en discriminar el efecto de los cables mediante las funciones del medidor de capacitancia.
Puente RLC: “Zero”, “Trim”, “Open+Short”
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
Multímetros: “Null”, “Offset”, “Rel”.
Estas funciones se ejecutan con los cables conectados al medidor, pero
no al simulador.
![Page 26: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/26.jpg)
Compensación Externa Manual
Para medidores (RLC o Multímetros) sin funciones de compensación se requiere restar manualmente la capacitancia indicada por el medidor con los cables
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
indicada por el medidor con los cables conectados al medidor, pero no al simulador.
![Page 27: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/27.jpg)
Efecto sobre la incertidumbre.
Modelo:
ε = Cind - Cref
ε = C – (C + C )
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
ε = Cind – (CSim + CCable)
ε = Cind – (CProg - εSim + CCable)
Esta variable contiene contribuciones adicionales por Dispersión y Resolución.
![Page 28: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/28.jpg)
MEDICIONES DEALTA CAPACITANCIA
La impedancia de una capacitor disminuye con el aumento de
su valor capacitivo y de la frecuencia.
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
Cf 21
CZ
π=
Para C = 1 µF a 1 kHz: ZC = 159.15 Ω
Para C = 10 µF a 1 kHz: ZC = 15.915 Ω
Para C = 100 µF a 1 kHz: ZC = 1.591 5 Ω
Para C = 1 mF a 1 kHz: ZC = 0.159 15 Ω
![Page 29: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/29.jpg)
700
800
900
1000
1100
Fre
cu
en
cia
(H
z)
Fluke 5500A
Para altos valores de capacitancia el simulador requiere
operar a baja frecuencia.
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
0
100
200
300
400
500
600
700
1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3
Fre
cu
en
cia
(H
z)
Capacitancia (F)
fmin = 50 Hz
![Page 30: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/30.jpg)
1000
10000
Fre
cu
en
cia
(H
z)
Para altos valores de capacitancia el simulador requiere
operar a baja frecuencia.
Fluke 5520A
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
0
1
10
100
1E-10 1E-9 1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 1E-2 1E-1
Fre
cu
en
cia
(H
z)
Capacitancia (F)
fmin = 10 Hz
fmin = 0 Hz
![Page 31: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/31.jpg)
Se requiere realizar las conexiones de compensación para
alcanzar la exactitud especificada.
Fluke 5520AFluke 5500A
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
![Page 32: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/32.jpg)
Alcance de medidores de capacitancia
Puentes RLC (señales senoidales):
- Su alcance máximo típico es del orden de 1 mF.- Su frecuencia de operación mínima típica es de 20 Hz.
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
![Page 33: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/33.jpg)
Multímetros (rampas de tensión):
- Su operación alcance máximo puede ser de hasta 100 mF.- Por su modo de operación, su “frecuencia” mínima puede ser menor
a 0.1 Hz.
tIV(t) =
para I constante:
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
t
V(t)
∆t
∆V
tCIV(t) =
∆V
∆tIC =entonces:
![Page 34: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/34.jpg)
Dependiendo del fabricante y modelo la señal puede discrepar.
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
![Page 35: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/35.jpg)
Capacitancia Rampa (V/s)*10 µF 0.1 a 14
30 µF 0.1 a 14
100 µF 0.1 a 14
300 µF 0.1 a 10
1 mF 0.1 a 10
La pendiente de la rampa depende del valor de capacitancia medido.
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
1 mF 0.1 a 10
3 mF 0.01 a 6
10 mF 0.01 a 6
30 mF 0.01 a 2
100 mF 0.01 a 1
* De acuerdo a un estudio realizado en el CENAM con
un grupo limitado de multímetros.
La tensión máxima de la rampa generalmente no rebasa 1 V.- Se encontró un multímetro que provoca rampas de tensión de
hasta 4 V.
![Page 36: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/36.jpg)
Consideraciones generalesal calibrar multímetros con el simulador:
- Asegurar no rebasar la frecuencia de operación.- Observar la cantidad de lecturas por unidad de tiempo.- Emplear osciloscopio.
- Asegurar no rebasar la tensión y corriente máxima de operación.
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
- Asegurar no rebasar la tensión y corriente máxima de operación.
![Page 37: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/37.jpg)
GRACIASGRACIAS
POR SUPOR SU
ATENCIÓNATENCIÓN
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
ATENCIÓNATENCIÓN
YY
ASISTENCIAASISTENCIA
![Page 38: Consideraciones Sobre La Medición De Capacitancia En](https://reader036.vdocuments.co/reader036/viewer/2022081700/62d8633000d57313105e0f5a/html5/thumbnails/38.jpg)
En este documento pueden aparecer marcas comerciales
únicamente con fines didácticos.
No implica recomendación o aval del CENAM o de alguna
otra institución del Gobierno Federal de México.
Centro Nacional de Metrología – Derechos Reservados 2012
No implica que los equipos o materiales sean
necesariamente los mejores para el propósito para el que
son usados.
El CENAM y las demás instituciones no tienen compromisos
con ninguna marca comercial en particular.