Medidas Electrónicas II · 120 h · Contenido 1 de 10

Medición de parámetros de dispositivos

Un capacitor electrolítico de 10 μF medido a 1 MHz ya no es un capacitor: está por encima de su autorresonancia y el medidor LCR lo ve como una inductancia.

Medidor LCR Modelo serie y paralelo Factor de disipación Autorresonancia Trazador de curvas

01El medidor LCR

Los puentes de Medidas Electrónicas I se equilibran a mano. Un medidor LCR moderno hace lo mismo en forma automática con un puente autobalanceado: aplica una tensión senoidal de frecuencia conocida al componente, lleva el otro terminal a una tierra virtual con un amplificador, mide la corriente con una resistencia de rango y calcula la impedancia compleja con dos detectores sincrónicos, en fase y en cuadratura:

\[ Z = \frac{V}{I} = R + jX \] De \( R \) y \( X \) el instrumento deduce el valor que pide el usuario según el modelo elegido: capacidad o inductancia serie o paralelo, y el factor de disipación \( D = R/|X| \) o el de calidad \( Q = 1/D \).

Un componente real no es ideal, y el número que muestra el instrumento depende del modelo y de la frecuencia de ensayo. Para un mismo componente, el modelo serie y el paralelo dan valores distintos:

\[ C_p = \frac{C_s}{1 + D^2} \] Con pérdidas chicas, \( D \ll 1 \), los dos modelos coinciden. Por convención se usa el serie para impedancias bajas (capacitores grandes, inductores chicos) y el paralelo para impedancias altas.

02El capacitor real

Un capacitor tiene, además de su capacidad, una resistencia serie equivalente (ESR), por los electrodos, el dieléctrico y el electrolito, y una inductancia serie (ESL), por sus terminales y su construcción. Su impedancia baja con la frecuencia hasta la autorresonancia, donde vale solo la ESR, y por encima crece como la de un inductor:

\[ Z(f) = ESR + j\left(2\pi f\, ESL - \frac{1}{2\pi f C}\right) \] \[ f_r = \frac{1}{2\pi \sqrt{ESL \cdot C}} \] Un electrolítico de 10 μF con 10 nH de ESL resuena en 503 kHz. Por encima, no desacopla: por eso en las placas se ponen capacitores cerámicos chicos en paralelo con los grandes.

Laboratorio · lo que lee un medidor LCR sobre un capacitor real

La impedancia de un capacitor con ESR y ESL en función de la frecuencia. El punto marca la frecuencia de ensayo del medidor; los datos son lo que mostraría en los modelos serie y paralelo.

Capacidad nominal =

ESR =

ESL =

03Conexión y compensación

Los cables y el soporte agregan su propia impedancia. Para impedancias bajas se usan cuatro terminales, con la corriente y la tensión por pares separados, como en el método Kelvin; para impedancias altas, blindajes que llevan las capacidades parásitas a tierra. Antes de medir se hace la compensación: una medición en circuito abierto y otra en cortocircuito, que el instrumento resta. Sin ella, un capacitor de 1 pF o una resistencia de 10 mΩ se leen con errores grandes.

04Dispositivos activos: el trazador de curvas

Para transistores y diodos, el trazador de curvas aplica una tensión en escalones a la base o compuerta y un barrido a colector o drenador, y dibuja la familia de curvas de salida. De ellas se leen la ganancia de corriente, la resistencia de salida, la tensión de saturación y la de ruptura. Los analizadores de parámetros de semiconductores, con unidades de fuente y medición (SMU), hacen lo mismo con precisión de picoamperes y permiten medir corrientes de fuga y capacidades de juntura. Los modelos que se miden son los de el transistor bipolar y el MOSFET, de Dispositivos Electrónicos.

05En el laboratorio

Actividad 1 · Barrido de un electrolítico

Medir un capacitor electrolítico con un medidor LCR a todas sus frecuencias de ensayo, en modelo serie, y estimar la ESR y la ESL. Comparar con la hoja de datos.

Actividad 2 · Compensación

Medir un capacitor de 10 pF con y sin la compensación de circuito abierto, y una resistencia de 0,1 Ω con y sin la de cortocircuito.

Actividad 3 · Curvas de un transistor

Obtener con un trazador de curvas la familia de salida de un transistor bipolar y calcular β y la tensión de Early.

06Errores frecuentes

Medir un capacitor sin fijarse la frecuencia de ensayo. El valor cambia con ella, y cerca de la resonancia deja de tener sentido.
Olvidar la compensación. Los cables pueden sumar más que el componente.
Confundir el modelo serie con el paralelo. Con pérdidas grandes, dan valores muy distintos.
Medir en el circuito. Los componentes en paralelo cambian la lectura.

07Autoevaluación

¿Dónde resuena un capacitor de 100 nF con 5 nH de ESL?

\( 1/(2\pi\sqrt{5\cdot10^{-9} \cdot 10^{-7}}) \approx 7{,}1 \) MHz.

Un medidor lee C_s = 1 μF con D = 0,5. ¿Cuánto leería en paralelo?

\( 1/(1 + 0{,}25) = 0{,}8 \) μF.

¿Por qué se usa medición de cuatro terminales para resistencias bajas?

Para que la caída en los cables de corriente no entre en la medición de tensión.

¿Qué mide un trazador de curvas?

Las familias de curvas de salida de un dispositivo activo, barriendo la tensión de salida para varios valores de la entrada.

08Para ampliar

Keysight Technologies. Impedance Measurement Handbook. 6.ª ed., Keysight, 2016. La guía de referencia sobre medidores LCR, modelos, fixtures y compensación.
Albert D. Helfrick y William D. Cooper. Instrumentación electrónica moderna y técnicas de medición. Prentice Hall Hispanoamericana, 1991. Los puentes y los instrumentos de medición de componentes.
Clyde F. Coombs Jr. (ed.). Electronic Instrument Handbook. 3.ª ed., McGraw-Hill, 1999. Capítulos por instrumento, entre ellos el medidor de impedancias y el trazador de curvas.

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