R&S®HM8118: Medição de capacitores e indutores

Sua tarefa

Resistores, capacitores e indutores são os componentes mais importantes dos circuitos elétricos. É preciso assegurar que eles funcionem corretamente e com precisão. Por isso, eles precisam ser completamente testados durante o projeto do circuito. Em geral, isso é feito com medidores LCR, que se tornaram indispensáveis no laboratório e na produção. Esta ficha de aplicação mostra como realizar medições básicas de capacitor e indutor, de maneira precisa e confiável.

A solução da Rohde & Schwarz

Conceitos básicos de medição

O medidor LCR R&S®HM8118 não é um instrumento de medição comum baseado em ponte Wien, Maxwell ou Thomson. Diferente de outros medidores de ponte LCR, ele usa um sinal de estímulo CA para medir a impedância Z e o ângulo de fase Φ.

Ao realizar medições, é preciso lembrar que as propriedades dos componentes elétricos (por exemplo, capacitores) variam em função de determinados parâmetros, especificamente a frequência. Outros fatores que afetam o comportamento dos componentes incluem tempo de uso, temperatura, ajustes adicionais e sobrecarga elétrica.

O circuito equivalente de cada dispositivo em teste contém elementos indutores, ôhmicos e capacitores. Por exemplo, um capacitor terá elementos ôhmicos e indutores parasitas, e um indutor terá elementos ôhmicos e capacitores parasitas. Isso significa que um ângulo de fase Φ ideal (90° = totalmente indutor, 0° = totalmente ôhmico, –90° = totalmente capacitor) nunca será atingido. Os elementos parasitas causam a autorressonância em uma determinada frequência, em qualquer tipo de componente.

É importante observar também que, devido aos elementos parasitas, todas as medições terão certo nível de imprecisão, o que gera um erro de medição sistemático.

Montagem do teste

Lembre-se sempre de que a montagem do teste pode influenciar de maneira significativa a medição. Por exemplo, com capacitores na faixa de picofarads, a posição dos grampos tem grande influência sobre o resultado da medição. É fácil demonstrar isso com o experimento a seguir, por meio das pinças Kelvin padrão fornecidas com a unidade:

• Primeiro, pressione [RECALL] [9] para redefinir o instrumento com as configurações originais e faça uma calibração SHORT causando o curto-circuito das pinças e pressionando o botão [SHORT]
• Depois, posicione as pinças com pelo menos 20 cm de distância uma da outra e pressione [OPEN] para fazer uma calibração OPEN. Em seguida mude para o modo C-D, segure as pinças de modo que as pontas não encostem e veja o resultado da medição. Ele será de aproximadamente 3 pF, mesmo que nenhum outro componente tenha sido conectado e apenas as posições das pinças tenham sido alteradas.

O experimento mostra que é muito importante escolher o adaptador de teste correto para sua aplicação. O adaptador de 4 terminais R&S®HZ181 é uma excelente opção para os componentes conectados e evita problemas de distância.

Calibração da estrutura de teste

Para conseguir desempenho e precisão ideais, recomendamos calibrar o instrumento em todas as frequências disponíveis (entre 20 Hz e 200 kHz em 69 etapas) ao medir dispositivos desconhecidos. Depois de escolher a montagem de teste correta e esperar o instrumento aquecer por pelo menos 30 minutos, siga essas etapas para realizar a calibração:

• Pressione [RECALL] [9] para redefinir o instrumento com as configurações originais. Para calibrar em todas as frequências, pressione [SELECT] [3], mude para (Mode) usando o botão giratório e pressione esse mesmo botão. Agora mude de "SGL" para "All", pressione o botão giratório novamente e saia do menu pressionando [ESC]
• Em seguida, você pode fazer uma calibração SHORT começando pelo curto-circuito das pinças e pressionando [SHORT]. A calibração SHORT ocorrerá por menos de dois minutos
• Então, abra as pinças (se estiver usando pinças Kelvin, certifique-se de colocá-las aproximadamente na mesma posição que aquela para as medições desejadas) e pressione [OPEN] para fazer uma calibração OPEN. Isso levará menos de dois minutos

Medição de um indutor desconhecido

Observação: normalmente, os indutores que contêm material de núcleo ferromagnético são especificados para uma determinada banda de frequências. Se um indutor for testado com uma frequência de medição fora dessa banda, os resultados poderão ser diferentes da especificação relacionada. Verifique essa informação com antecedência. Primeiro, ligue o indicador de nível do sinal de teste:

• Pressione [SELECT] [2]
• Mude para (Vm/Im) usando o botão giratório
• Mude o valor para "ON" e pressione o botão novamente
• Saia do menu pressionando [ESC]

Agora, conecte o indutor desconhecido para testar a estrutura e mude para a medição de Z/Φ pressionando [Z – Φ]. O ângulo de fase deve ser positivo.

Em seguida, procure a melhor frequência de aquisição:

• Pressione [FREQ]
• Use o botão giratório para mudar a frequência enquanto mantém Φ o mais próximo possível de 90°
• Pressione [L – R]

A indutância é exibida junto com resistência em série. Certifique-se de que a tensão não caia demais (até 35% da tensão nominal é um valor aceitável – neste caso, a tensão nominal é de 1 V; veja a seção "LEV" no canto superior esquerdo da tela).

Medição de um capacitor desconhecido

Observação: não é possível medir supercapacitores com o R&S®HM8118, uma vez que o material é muito inerte.

Ligue o indicador de nível do sinal de teste e conecte o capacitor desconhecido à estrutura de teste.

Mude para a medição Z/Φ pressionando [Z – Φ] (o ângulo de fase deve ser negativo). Em seguida, procure a melhor frequência de aquisição:

• Pressione [FREQ]
• Use o botão giratório para mudar a frequência enquanto mantém Φ o mais próximo possível de –90°
• Pressione [C – D]

A capacitância é exibida junto com a resistência em série.

Certifique-se de que a tensão não caia demais (até 35% da tensão nominal é um valor aceitável – neste caso, a tensão nominal é de 1 V; veja a seção "LEV" no canto superior esquerdo da tela).

Informações adicionais

Se a tensão ficar abaixo de 35% do valor nominal, ative o modo de tensão constante. A calibração feita anteriormente continua válida neste modo.

Se o modo de tensão constante estiver ativo (ON), a resistência da fonte será predefinida a 25 Ω. A tensão aplicada ao componente em teste será quase constante para todos os componentes com uma impedância significativamente mais alta que 25 Ω. Isso pode melhorar os resultados, principalmente para valores de indutância mais baixos. É importante observar que a precisão é reduzida por um fator de 2 quando este modo é usado.

Também é possível determinar as características do dispositivo em teste usando a frequência de operação desejada sem ajuste. Com esta abordagem, você pode realizar a calibração para apenas esta frequência usando o modo "SGL" (menu do dispositivo "CORR" – "MODE: SGL").

Referências

• Manual do usuário R&S®HM8118
• Perguntas frequentes à Rohde & Schwarz: "Como inicializar o HM8118 usando uma calibração específica"
• Perguntas frequentes à Rohde & Schwarz: "Resultado de medição diferente da mesma bobina no HM8118"
• Perguntas frequentes à Rohde & Schwarz: "HM8118 para usar BIAS externo"