Medidor Digital de Capacitores

MEDIDOR DIGITAL DE CAPACITORES Zepeda Olmos Norma zeon1974@ho zeon1 974@hotmail tmail.com .com

RESUMEN: El principal objetivo es colaborar en paralelo con la instrumentación ya existente para realizar la medición de capacitores teniendo los siguientes puntos a cubrir: • • •

Realizar un medidor con un pequeño rango de error. Estimular la experimentación y la implementación de circuitería para instrumentación. Contribuir con una nueva opción para medir capacitores.

Por lo general la mayoría de los ohmetros y multimetros de uso común, no son capaces de medir o detectar ese tipo de parámetros que pueden llegar a provocar errores hasta de decenas de Megohms (millones de ohms) que afectan al funcionamiento de los circuitos donde son usados. Los capacitores sufren alteraciones de de sus parámetros físicos, de acuerdo a la combinación combinación con otros componentes y los cambios que pueden sufrir las variables de un circuito, provocando el mal funcionamiento en donde estén conectados. Estas alteraciones, si bien no se manifiestan manifiestan a simple simple vista se puede apreciar que sufrirán deformaciones mecánicas, se verán abiertos o hinchados, dejando residuos de acido en sus terminales. Si no se presentan tales tales alteraciones, se pueden utilizar instrumentos adecuados para medir y comprobar los principales parámetros, que no cambien bajo cierta prueba. En un dispositivo de esta naturaleza los parámetros a medir revelan el buen estado o el daño del mismo. Tres parámetros se miden en el dispositivo:

• La medida del valor de ESR (temperatura, calidad, frecuencia, edad, resistencia, calidad del material, etc). • La corriente de fugas. • Su valor de capacidad.

Este proyecto pretende medir de una manera de una cierta manera a los condensadores. Este proceso de medición se lleva a cabo por medio de un circuito integrado monoestable no redisparable, redisparable , una compuerta AND y un contador digital, las mediciones obtenidas se podrán hacer dentro de varios rangos.

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Proyecto de Diseño con Electrónica Integrada.

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1 .- ¿QUÉ ES UN CAPACITOR? Los capacitores son dispositivos de dos placas conductoras paralelas, separadas por un material aislante, (dieléctrico). Si se aplica un voltaje a las placas, se forman líneas de flujo eléctrico en el dieléctrico entre las placas. La capacidad de flujo que se desarrolla es una medida de la capacitancia formada por las placas y el dieléctrico. ) [2] La unidad básica para la medida de esta capacitancia es el Farad, de donde se derivan los microfaradios (µ f = 10-6 F) y los picofaradios (pf = 10-12 F).[3] Existen capacitares fijos y variables los cuales están hechos de diferentes materiales (Fig. 1)

a) Básico

b) Electrolítico y de cerámica Figura 1 Composición básica de distintos capacitores

Las alteraciones de los capacitores, al no detectarse producen mal funcionamiento del circuito en que se trabaja lo desemboca en grados extremos la perdida del circuito y costos elevados en la inversión para reponerlos o restaurarlos. Al no contar con un ohmetro y/o multímetro, comercial y barato capaz de medir estos parámetros se puede construir de una manera facil y a bajo costo, como el que se presenta. [4 ] La construcción monolítica utilizada en la producción de los chips multicapa da por resultado un bloque sólido de cerámica con un sistema de electrodos unificados y terminales metalizados para permitir el soldado al circuito. Norma Zepeda Olmos,

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Terminales: Las dos áreas metalizadas de conducción del cuerpo del capacitor están conectadas a sus electrodos internos. Los capacitores cerámicos en chips no tienen polaridad por lo tanto no se necesita hacer otra distinción en los terminales. El terminal metálico conecta las placas en paralelo. El valor de capacitancia creado por la intersección entre éstas placas, separadas por capas de dieléctrico, se suma. Dieléctrico: Es un material aislante entre las capas conductivas que almacena la carga eléctrica. Electrodos: Son placas conductivas internas en un capacitor cerámico monolítico en chips, que están depositados en una secuencia impresa alternada. Se colocan capas sucesivas para aumentar la capacitancia al valor de diseño requerido. Placa dieléctrica: Está compuesta por dos electrodos opuestos que almacenan la carga dieléctrica. El espesor está determinado por el voltaje de corriente continua que soporta el chip. Fórmula para determinar la capacitancia en capacitores monolíticos cerámicos en chip:

Capaci tan cia( pF ) = K * A * N * 4.452 * t

(1.1)

K = Constante dieléctrica relativa del material utilizado para formar el área dieléctrica activa. En el aire o vacío es 1. A = Área útil de los electrodos en pulgadas cuadradas. N = Número de capas dieléctricas activas. t = Espesor de la capa dieléctrica activa en pulgadas. 4.452 = Factor de conversión de unidades. Se puede incrementar la capacitancia por medio de un aumento en K, en el área del electrodo, o en el número de capas dieléctricas. También reduciendo el espesor de la capa dieléctrica. Otra forma de cálculo es:

Capaci tan cia(F ) = E 0 * E γ * ( N − 1) * Ad Norma Zepeda Olmos,

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(1.2)

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E0 = Constante dieléctrica absoluta, 8.85 x 10-12 [F/m]. Er = Constante dieléctrica relativa del material. A = Área efectiva de los electrodos [m2]. N = Número de capas dieléctricas activas. d = Espesor de la capa dieléctrica activa [m].

Construcción: Los capacitores monolíticos cerámicos se construyen por medio de depósitos sucesivos de material dieléctrico y electrodos. Se usan las unidades y símbolos del Sistema Internacional de Unidades (SI). En caso de usar unidades no pertenecientes al SI, se indica su conversión al ser introducidas por primera vez.

2.- DISEÑO Y FUNCIONAMIENTO GENERAL 2.1 MONOESTABLE NO REDISPARABLE Un Monoestable no redisparable, es un IC 555 usado en este proyecto. Funciona como un multivibrador de un solo disparo, el cual contiene un estado de salida astable (normalmente Q = 0, /Q = 1), donde permanece hasta que es disparado por una señal de entrada. Una vez disparado, permanece en este estado por un periodo fijo, definido por una constante RC de tiempo que resulta de los valores de los componentes externos que se conectan al monoestable (Fig.3). La duración del pulso de salida siempre es la misma, independientemente de la duración de los pulsos de entrada. Este tipo de monoestable es más estable. [5 ] Por medio de un IC monoestable 555, al dispararlo, en su salida, tendremos un pulso cuadrado. Este pulso va a la entrada, y se obtiene de acuerdo a la constante RC. Un oscilador de onda cuadrada de cristal provee una frecuencia fija y en su salida se obtiene un tren de pulsos que va de acuerdo a la duración del pulso del monoestable. El tiempo en segundos que tarda un capacitor en cargarse hasta las 2/3 partes del voltaje de la fuente de alimentación, es igual al producto de los ohms, de la resistencia en serie utilizada, por los farads de la capacidad del capacitor, todo esto se multiplica por un valor constaste, (0.693). Este producto es la constante de tiempo RC. TIEMPO : segundos = [0. 693 * resistencia (Ω )* capacidad (Farad )]

(2.1)

Haciendo uso de las matemáticas se tiene que: Capacidad

 resistencia =  )  (  0.693 

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tiempo

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Con esta formula se encuentra el valor de un capacitor “X”, usando únicamente un reloj temporizador y un vultímetro.

3.- PROCEDIMIENTO E IMPLEMENTACION Usar una fuente de corriente directa de 12V, colocar un resistor en serie con el capacitor y alimentar el circuito, se conecta el voltímetro en paralelo con las terminales del capacitor y se mide el tiempo que tarda en subir la tensión, a las dos terceras partes de los 12 V (8V aproximadamente). Tanto el resistor como el vultímetro consumen corriente y los capacitores muy pequeños tardarán milésimas de segundos para cargarse. En el capacitómetro digital se usa el IC 555, que entrega un voltaje positivo en su terminal 3. Cuando el voltaje en el capacitor de carga este debajo de las 2/3 partes del voltaje de alimentación en las terminales 8 y 1, si se conecta un capacitor entre las terminales 1 y 6 (comparador de voltaje) y se somete a una carga lenta, empleando un resistor conectado al positivo de la fuente, la terminal 6 hará que la salida del IC 555 pase a estado bajo, de inmediato detectará 2/3 de Vcc entre las 2 placas del capacitor. La terminal 7 (descarga) conectada a tierra siempre que el 6 detecte los 2/3 del Vcc.; si se une con el 6, el capacitor se descargara a tierra, para iniciar de nuevo el ciclo de contero de tiempo y dar un pulso negativo al terminal 2 (trigger). Al conectar la salida del 555 a un reloj electrónico que funcione únicamente cuando le llegue un pulso positivo, se obtienen los datos necesarios para aplicar la fórmula de la capacidad. No importa el valor del resistor de carga colocado para que el tiempo “T”, es directamente proporcional a la Resistencia/ Capacidad; la fórmula no se altera al colocar una resistencia de valor mayor, puesto que el tiempo aumenta en la misma proporción.

 T  Capacidad = K   ( resistencia) K  1 

(3.1)

Se calcula el resistor que se necesita para que el reloj muestre el número de faradios del capacitor de prueba.

Re sistencia = 

Tiempo 

 (Capacidad ) 0.693  

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Para medir µF se tardara demasiado, para medir nF se precisan resistores altos y seria imposible medir capacitores del orden de los picofaradios. El capacímetro posee un transconductor conformado por 2 integrados IC555 que se encarga de hacer que los valores de capacidad sean convertidos a idioma de los circuitos digitales y se puedan presentar en un display. Esta parte también se presenta por medio de un óhmetro, velocímetro o frecuencímetro.(Fig. 5). La primera parte del transconductor convierte en mayor o menor duración de tiempo la capacidad del capacitor, el cual se conecta como elemento de retardo en el temporizador 555B. El “T” es directamente proporcional al producto RC, por lo que resulta evidente que la duración del pulso positivo de salida del 555, depende únicamente del capacitor en prueba, ya que el resistor será siempre igual para todas las lecturas en la misma escala. La segunda parte del transconductor la constituye el 555 A, configurado en un oscilador astable, el cual se encarga de generar una cantidad determinada de pulsos por segundo, llamado Clock. La última parte del transconductor se encarga de la NAND, que entrega a los contadores 7490 los pulsos “A” de acuerdo con la duración de los pulsos “B”. El pulso largo del 555B, proporciona a la capacidad medida, abre la compuerta NAND “D” para que pasen los pulsos iguales y cortos del oscilador “A”. [5]

Figura 2 Configuración de el temporizador 555

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4.- DIAGRAMAS CIRCUITO BASE DEL MEDIDOR DE CAPACITORES

Figura 3 Diagrama de el medidor digital de capacitares

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Figura 4 Configuración de la tarjeta del medidor digital de capacitares( parte posterior)

Figura 5 Vista superior de la tarjeta del medidor digital de capacitares

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Se coloca un capacitor en las ranuras para C (valor buscado). Se pone en una escala de acuerdo al valor estimado por el fabricante (C aproximado). Se posiciona el botón de inicio y se suelta (la presión sobre el botón debe durar un máximo de 1 segundo).

DIAGRAMA EN MULTISIM

Figura 6 Diagrama de simulación en Multisim 2001

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5.- RESULTADOS Se obtuvieron los siguientes resultados para C: Error + 2.0% por medio del C.I. 555 Usando un monoestable mas preciso esto mejora. Se obtuvieron tiempos de espera para la conversión del capacitor de máximo de 0.001 seg. El valor del capacitor quedó determinado para

Vc = Vcm − K

(5.1) .

(C de 20 pf a 10 µ f) k = 20pf Vc = valor de C real

Vc

= Vcm

(5.2)

(para C de 200 pf a 10µ f) Vcm = valor de C medido K es una constante que se obtuvo ya que internamente el CI tiene un pequeño retardo de µsegundos.

CONCLUSIONES Este circuito es un buen instrumento de medición de capacitancía, tiene una buena precisión, un error máximo de + 0.8% este error se disminuye mejorando el monoestable. Es un instrumento útil en el área de diseño de circuitos electrónicos y su costo es razonable, a un precio accesible, la realización de este proyecto es por sus características muy aplicable. El resaltar la importancia del presente trabajo y el aporte al desarrollo de la electrónica nos da la idea de la relevancia de contar con instrumentos de medición precisos, fáciles de leer y con conversión de valores. La aplicación se puede llevar a diferentes campos como el digital o análogo, etc.

RECOMENDACIÓN Descargar siempre los condensadores después de esta prueba, poniendo en cortocircuito sus terminales Norma Zepeda Olmos,

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6.- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] http://opiniones.ebay.es/Que-es-un-comprobador-de-condensadorestransformadores_W0QQugidZ10000000000823393 [2]

http://www.creatronica.com.ar/capacitometro.htm

[3] http://images.google.com.mx/imgres?imgurl=http://www.feiradeciencias.com.br/sala20/image 20/5C1010.gif&imgrefurl=http://www.feiradeciencias.com.br/sala20/PIRA_Eletrostatica.asp& h=400&w=530&sz=22&tbnid=6HWdaiXZoIHzRM:&tbnh=97&tbnw=129&hl=es&start=6&p rev=/images%3Fq%3Dcapacitores%2B%26svnum%3D10%26hl%3Des%26lr%3D%26sa%3 DG [4] http://www.osvic.com.ar/detector_de_fugas_en_condensador.htm [5] ING. Horacio D. Vallejo, Club Saber Electrónica Vol. , (No.11), Págs.86-90 (2005). [6] http://images.google.com.mx/imgres?imgurl=http://www.monografias.com/trabajos7/case/Ima ge2565.jpg&imgrefurl=http://www.monografias.com/trabajos7/case/case.shtml&h=482&w=5 67&sz=55&tbnid=rgdOfZC3rUHejM:&tbnh=111&tbnw=131&hl=es&start=12&prev=/image s%3Fq%3Dcapacitores%2B%26svnum%3D10%26hl%3Des%26lr%3D%26sa%3DG

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