PROYECTO FINAL DE CARRERA
MEDIDA DE LAS
PROPIEDADES
DIELÉCTRICAS
Alumno: Jordi Bustos Romero
Especialidad: Electrónica Tarde
Tutor del proyecto: Jordi Sellarès
INDICE

1. Introducción
 Justificación del proyecto
 Antecedentes
 Objetivos
 Descripción general

3. Resultados
 Ámbito de utilización
 Descripción del
funcionamiento
 Validación de diseños
 Aplicaciones del proyecto

2. Diseños
 Metodología utilizada
 Recursos utilizados
 Descripción primer diseño
 Descripción segundo
diseño

4. Comentarios finales
 Plan de trabajo
 Presupuesto
 Objetivos conseguidos
 Conclusiones
 Mejoras futuras
1. INTRODUCCIÓN
Justificación del proyecto

Que es un analizador de impedancias?




Mide la impedancia de un circuito en función de la
frecuencia.
El circuito puede consistir en una célula de medida.
La impedancia se obtiene como magnitud compleja.
Obtiene dos magnitudes. Por ejemplo la capacidad
(C) y la tangente del ángulo de perdidas (D); el
modulo y el argumento de la impedancia, …
Modelo HP4192 ALF
Justificación del proyecto

Analizador de impedancias comercial:
Ventajas: Precisión, amplio rango de
frecuencias.
 Inconvenientes: No transportable, coste
elevado, requiere hardware específico para
conexión a ordenador.


En algunas aplicaciones se puede
sacrificar precisión y rango de frecuencias
en favor del coste, tamaño y simplicidad.
Antecedentes

“Aprovechamiento de ordenadores obsoletos para
automatizar prácticas de laboratorio”, por Sergio Egea.

“Mejora de las prácticas de laboratorio utilizando entrada
y salida digital”, por Joan Puig.

“Diseño y realización de un electrómetro”, por Xavier
Montolio.

Laboratorio de materiales dieléctricos, aplica el análisis
de impedancias a diferentes investigaciones.
Objetivos

Demostrar la viabilidad de la técnica de la
correlación de señales para construir un
analizador de impedancias:

Bajo coste.

Montaje sencillo.

No requiere hardware especial (AD/DA).

Rango de frecuencias de audio.

Ligero y transportable.
Descripción general

Primer diseño:






Analizador de impedancias compacto y utilizable.
El cálculo de la correlación se implementará a través del
ordenador.
Utilizable para un amplio rango de impedancias.
Se conecta a una célula de medida mediante conectores BNC.
Conexión al ordenador mediante la tarjeta de sonido.
Segundo diseño:




Demostrar que la correlación calculada analógicamente es
viable.
El cálculo de la correlación se realiza prescindiendo del
ordenador.
No mide muestras reales, se simulan en una etapa del circuito.
Los resultados se miden con un voltímetro convencional.
2. DISEÑOS
Metodología utilizada

Los diseños deben efectuar la correlación de señales entre una señal proporcional al
voltaje entre los extremos de la muestra y una señal proporcional a la intensidad que
atraviesa la muestra para obtener la impedancia como magnitud compleja.

El tratamiento puede ser digital o analógico según se realice en el ordenador o en el
circuito.
Metodología utilizada
Generador
Amplificador
Seguidor
Seguidor
Carga
Z
Conversor I- V
Multiplicador
Multiplicador
Promedio temporal
Promedio temporal
B
A
Metodología utilizada
Metodología utilizada
Generador
Amplificador
Seguidor
Seguidor
Carga
Z
Conversor I- V
Multiplicador
Multiplicador
Promedio temporal
Promedio temporal
B
A
Metodología utilizada
Generador
Amplificador
Comparador
Comparador
Carga
Z
Conversor I- V
Interruptor
Interruptor
Promedio temporal
Promedio temporal
B
A
Metodología utilizada
Metodología utilizada
Generador
Amplificador
Comparador
Comparador
Carga
Z
Conversor I- V
Interruptor
Interruptor
Promedio temporal
Promedio temporal
B
A
Metodología utilizada
DAC
Amplificador
Seguidor
Carga
Conversor I- V
ADC
Z
Recursos utilizados

Características amplificador operacional modelo UA741:

El modelo UA741 se caracteriza por ser de uso general.

Este modelo lleva dos pins para ajustar el offset.
Recursos utilizados

Características amplificador operacional modelo
LMC6062:

Este es un amplificador operacional de precisión y bajo
consumo, con una corriente de fondo de 16 μA.

En el mismo integrado el modelo LMC6062 ofrece dos
amplificadores operacionales.
Recursos utilizados

Características switch
analógico modelo
HDF4066B:

Posee cuatro interruptores
independientes.

Lo que realiza este integrado
es dejar pasar la señal de
entrada a la salida si
únicamente la puerta (control,
interruptor) esta activada.
Recursos utilizados

Características oscilador
modelo XR-8038ACP:

Es un generador de
funciones de alta precisión.

El oscilador ofrece salida
sinusoidal, triangular y
cuadrada.

Tiene un rango muy
elevado de frecuencias de
0.001 Hz hasta 200 KHz.
Recursos utilizados

Material utilizado en el laboratorio:

Ordenador.

Sondas.

Osciloscopio marca PROMAX
modelo OD-352 frecuencia
máxima 20 MHz.

Soldador de estaño marca JBC de
11 W.

Estaño de plata.

Cable wire-up.

Llave wire-up.

Destornillador, alicates y
herramientas similares.

Fuente de alimentación marca
PROMAX modelo FAC-662B.

Generador de funciones marca
PROMAX modelo GF-1000G.

Multímetro marca PROMAX
modelo PD 695.
Recursos utilizados

Material utilizado en la elaboración de los diseños:

1 caja de plástico de 250x250x50
mm. (ancho x largo x profundo)
para proteger la placa.

2 conectores tipo Jack hembra
(audio).

1 caja de plástico de 45x85x30
mm. (ancho x largo x profundo)
para proteger la muestra del
primer diseño.

1 puerto paralelo de 25 pines .

2 cables de audio Jack machomacho de 3,5 mm. , uno stereo y

4 conectores BNC.
otro mono.

9 conectores tipo bananas.
Descripción del primer diseño
Descripción del primer diseño
Descripción del primer diseño
Descripción del primer diseño

P.G.A. (Amplificador de ganancia programable):
R(interruptor)=??
Zin = Alta
ΔV=0v
Descripción del segundo diseño
Descripción del segundo diseño
Descripción del segundo diseño
Descripción del segundo diseño
Descripción del segundo diseño
3. RESULTADOS
Ámbito de utilización

Complemento a analizadores comerciales en tareas que
requieran una mayor economía o portabilidad.

Aplicación aplicada a procesos que no necesiten una
precisión muy elevada.

La utilización de este sistema es para el rango de audio
frecuencia.

Ninguno de los dos diseños requiere un hardware
especial de adquisición de datos.
Descripción del funcionamiento
PRIMER DISEÑO

Para conectar la muestra al circuito, la
conexión se hará mediante dos cables
que en sus extremos llevan
conectados conectores BNC machos.

Conectaremos el puerto paralelo del
ordenador a la placa.

Conectamos los cables de audio. Un
cable es mono (generador de
funciones), y otro estéreo (envía al
ordenador dos señales).

Conectamos la alimentación.

Ejecutamos los programas de: P.G.A.
(puerto paralelo), el oscilador (a través
de tarjeta de audio), recepción de la
señal (a través de tarjeta de audio),
AUMIX (control del mixer).
Descripción del funcionamiento
SEGUNDO DISEÑO
Descripción del funcionamiento
SEGUNDO DISEÑO

Conectamos la
alimentación a la placa.

Conectamos dos
voltímetros en A y B.

Ajustamos la frecuencia
del oscilador.

Ajustamos la muestra.
Validación de los diseños
PRIMER DISEÑO

Demostración de los resultados haciendo una simulación y
comparando con los reales.

El circuito de la simulación es el siguiente:
Validación de los diseños
PRIMER DISEÑO
Validación de los diseños
PRIMER DISEÑO

Para una mejor visualización de los resultados,
realizamos una tabla con valores simulados y reales:
FRECUENCIA
Amplitud simulada
Desfase simulada
Amplitud
real
Desfase
real
200 Hz
0.001194 V
0.00104 seg.
0.001241 V
0.001 seg.
400 Hz
0.024870 V
0.000624 seg.
0.022491 V
0.000612 seg.
1000 Hz
0.036226 V
0.000099 seg.
0.036864 V
0.0000748 seg
2000 Hz
0.041581 V
0.000028 seg.
0.041698 V
0.0067494 seg.
4000 Hz
0.025124 V
0.000062 seg.
0.046863 V
0.0034291 seg.
5000 Hz
0.042844 V
0.000005 seg
0.039242 V
0.0000057 seg.
Validación de los diseños
PRIMER DISEÑO
Validación de los diseños
PRIMER DISEÑO


Mult. mejor que interr.
especialmente a frecuencias
altas.
Buenos resultados en ambos
casos.


Peores resultados para
frecuencias altas (sampling
insuficiente).
A partir de 3 kHz la evaluación
de B es muy difícil.
Validación de los diseños
SEGUNDO DISEÑO

Demostración de los resultados haciendo una simulación y
comparando con los reales.

El circuito de la simulación es el siguiente:
Validación de los diseños
SEGUNDO DISEÑO
Validación de los diseños
SEGUNDO DISEÑO

Cálculo de la impedancia:
Z  Rc
G ·C o

A B
2
1
arg Z  tan
2
 A 
 
B 2

Siendo, G =1, Co =1, Rc = 675Ω y obtenido los valores de A y B
podemos calcular la impedancia.

Otra demostración de nuestro diseño con impedancia teórica:
Z  R
Z 
1
C ·

1
R  
 C ·2 · · f
2
arg( Z )  tan
1



2

1

 C ·2 · · f ·R



Validación de los diseños
SEGUNDO DISEÑO
Validación de los diseños
SEGUNDO DISEÑO



Diseño simulado funciona
mejor para muestras
capacitivas.
Diseño real funciona mejor
para muestras resistivas.
Diferencias poco significativas,
prob. debido a capacidad
parásita.



Diferencia nula entre diseño
simulado y teoría.
Diferencia sistemática entre
diseño real y teoría, prob.
Debido a un desfase.
Magnificación del efecto para
argumentos altos debido a
propiedades función atan.
Aplicaciones del proyecto
Tiene varias aplicaciones y utilidades diferentes:

Dieléctrico, conductividad,
espectroscopia de la impedancia y
análisis de material:




Polímeros, cauchos, pegamentos,
epoxis, cristales líquidos,
ferromagnéticos, cerámicas, células
biológicas y líquidos polares:
Espectros dieléctricos, relajación
molecular y dinámica, transición vitrea.
Análisis del tiempo de polimerización
para controlar reacciones químicas.
Usos farmacéuticos, caracterización de
medicamentos, distribución en el cuerpo,
bio impedancia de los medicamentos.
Semiconductores, cristales orgánicos.

Espectroscopia electroquímica EIS de
la impedancia:






Transporte de iones y de electrones en
electrólitos.
Caracterización de interfases y
membranas del metal del electrolito.
Pilas de combustible e investigación de
baterías.
Sistemas, órganos y estudios biológicos
del tejido fino.
Caracterización de la impedancia de la
corrosión de pinturas y de capas
inhibidoras de corrosión.
Análisis general de la impedancia:


Desarrollo de sensores, de LCD y de
componentes electrónicos.
Control de calidad de aislantes,
componentes eléctricos, circuitos
impresos, plásticos, cauchos, líquidos,
pinturas, alimentos, etc.
3. COMENTARIOS
FINALES
Plan de trabajo
Pasos realizados durante el proyecto:









Estudio del funcionamiento y
método de trabajo del analizador de
impedancias.
Estudio de los componentes a utilizar
para el diseño1.
Comprobación de los componentes
adquiridos montando por etapas el
diseño 1 en placa protoboard.
Montaje del diseño 1 en una placa de
baquelita utilizando wire-up y estaño.
Realización de pruebas del primer
diseño.
Mecanización de la caja del diseño 1.
Comprobación del funcionamiento
del diseño 1 en su caja.
Estudio de los componentes a utilizar
en el diseño 2.
Comprobación de los componentes
adquiridos montando por etapas el
diseño 2 en una placa protoboard.







Montaje del diseño 2 en una placa
de baquelita utilizando wire-up y
estaño.
Realización de pruebas de
funcionamiento del segundo
diseño.
Calibración de los potenciómetros
del oscilador del diseño 2.
Cálculo de las impedancias en el
primer diseño, variando la
frecuencia.
Cálculo de las impedancias en el
segundo diseño, variando la
resistencia de la carga.
Validación de los resultados
simulados con los experimentados
en el primer diseño.
Validación de los resultados
simulados con los experimentados
en el segundo diseño.
Lista de materiales
Material
Unidades
Utilización
Material
Unidades
Utilización
Resistencia 1 KΩ,
¼ de vatio y
5% tolerancia
1
1er primer diseño
amplificador
inversor
Resistencia 120
KΩ, ¼ de vatio y
5% tolerancia
1
1er diseño del
P.G.A.
2
1er diseño muestra
y
amplificador
inversor
Resistencia 150
KΩ, ¼ de vatio y
5% tolerancia
1
1er diseño del
P.G.A.
Resistencia 1,5 MΩ,
¼ de vatio y 5%
tolerancia
1
1er diseño del
P.G.A.
Resistencia 10 KΩ,
¼ de vatio y 5%
tolerancia
1
2º diseño del
oscilador
Resistencia 680 Ω,
¼ de vatio y 5%
tolerancia
1
2º diseño del
conversor
intensidad voltaje
Resistencia 4,7 KΩ,
¼ de vatio y 5%
tolerancia
2
2º diseño filtro
sallen & Key
Resistencia 1,2 MΩ,
¼ de vatio y 5%
tolerancia
4
2º diseño filtro
sallen & Key
Condensador
cerámico de 100 nF
1
1er diseño de la
muestra
Resistencia 2,2 KΩ,
¼ de vatio y
5% tolerancia
Resistencia 220 Ω,
¼ de vatio y
5% tolerancia
1
Resistencia 1,2 KΩ,
¼ de vatio y
5% tolerancia
1
Resistencia 1,8 KΩ,
¼ de vatio y
5% tolerancia
1
Resistencia 12 KΩ,
¼ de vatio y
5% tolerancia
1
Resistencia 15 KΩ,
¼ de vatio y
5% tolerancia
1
1er diseño
conversor
intensidad
voltaje
1er diseño del
P.G.A.
1er diseño del
P.G.A.
1er diseño del
P.G.A.
1er diseño del
P.G.A.
Lista de materiales
Material
Condensador
cerámico de 10 nF
Unidades
Utilización
3
2º diseño para
oscilador y filtro
Sallen & Key
Condensador
cerámico de 1 nF
2
2º diseño para
filtro Sallen &
Key
Condensador
cerámico de 220
nF
1
2º diseño de la
muestra
Condensador
cerámico de 22 nF
2
2º diseño filtro
Sallen & Key
Potenciómetro de
5 KΩ
1
2º diseño de la
muestra
Potenciómetro de
100 KΩ
2
2º diseño del
oscilador
Amplificador
operacional
UA741
5
Para los dos
diseños
Material
Unidades
Utilización
Amplificador
operacional
LMC6062
2
Para los dos
diseños
Switch analógico
HDF4066B
2
Para los dos
diseños
Oscilador XR8038ACP
1
2ª diseño
2
Para los dos
diseños
Placa fibra de
vidrio
Presupuesto
MATERIAL
UNIDADES
PRECIO UNIDAD(€)
PRECIO TOTAL
(€)
Resistencias de diferentes
valores de ¼ W y 5%
tolerancia
19
0,0201
0,3819
Condensador cerámico de 100
nF
1
0,0280
0,0280
Condensador cerámico de 10
nF
3
0,0324
0,0972
Condensador cerámico de 1
nF
2
0,0280
0,056
Condensador cerámico de 220
nF
1
0,0583
0,0583
Condensador cerámico de 22
nF
2
0,0572
0,1144
Potenciómetro de 5 KΩ
1
0,7030
0,950
Potenciómetro de 100 KΩ
2
0,7030
1,406
Amplificador operacional
UA741
5
0,1390
0,695
Amplificador operacional
LMC6062
2
4,500
9,000
Interruptor integrado
HDF4066B
2
0,1610
0,322
Presupuesto
MATERIAL
UNIDADES
PRECIO UNIDAD(€)
PRECIO TOTAL
(€)
Oscilador integrado XR8038ACP
1
7,7800
7,7800
Placa de fibra de vidrio
2
3,62
7,24
Caja de plástico
1
4,48
4,48
Conectores tipo banana de 4
mm
9
1,08
9,72
Conectores BNC
4
2,56
10,24
Conectores tipo jack hembra
2
1,87
3,74
Puerto paralelo 25 pins
1
2,11
2,11
Cable audio macho-macho
mono
1
0,98
0,98
Cable audio macho-macho
stereo
1
1,97
1,97
Horas de montaje
15
30
450
TOTAL
510,8057
Objetivos conseguidos

Realización de un analizador de impedancias de bajo
coste a frecuencias diferentes controlado por ordenador
con conexión a una célula de medida.

Validación de un prototipo de analizador de impedancias
enteramente analógico, a frecuencia fija.
Conclusiones







El método de correlación de señales
permite utilizar una electrónica sencilla
para la realización de un analizador de
impedancias.
Es factible conseguir tres o cuatro
décadas de frecuencias con el
procesado digital.
Por debajo de 50 Hz la intensidad
disminuye, debido al aumento de la
impedancia, de manera que no es
posible una amplificación satisfactoria.
Alrededor de 5 kHz el sampling es
insuficiente para calcular A y B de
manera precisa.
La precisión que se puede conseguir
esta limitada principalmente por:
tolerancia en los valores de los
componentes y frecuencia de
muestreo.
El algoritmo de multiplicación es más
preciso que el basado en interruptores.
La tarjeta de sonido tiene un
rendimiento aceptable como
dispositivo AD/DA.






Es posible realizar la correlación de
forma totalmente analógica.
En este caso la precisión está
limitada principalmente por:
comportamiento no ideal de los
componentes y aparición de
impedancias parásitas.
En ambos casos, un voltaje de 5
voltios es el mejor compromiso
para el funcionamiento de los
diferentes integrados.
En ambos casos, hay que utilizar
operacionales de precisión en la
última etapa.
En ambos casos, hay que tener
cuidado con la saturación de los
operacionales de precisión y con la
corriente que proporcionan los
operacionales de uso general.
El procesado digital da mejores
resultados para impedancias
capacitivas mientras que el
procesado analógico es mas
adecuado para impedancias
resistivas.
Mejoras futuras
Primer Diseño

Mejorar la calibración de los
componentes.


Segundo Diseño

Augmentar la amplificación de la
intensidad para alcanzar
frecuencias más bajas.
Realizar un analizador de
impedancias con frecuencia y
ganancia variable, todo
analógico.

Conectar a un dispositivo AD/DA
con una frecuencia de
adquisición más elevada.
Realizar conexión que permita la
utilización de una célula de
medida.

Realizar un prototipo robusto y
práctico.
Bibliografía

Electrical Impedance, in Wikipedia –
the free encyclopedia.

Dielectric spectroscopy, in Wikipedia –
the free encyclopedia.

Proyecto “Aprovechamiento de
ordenadores obsoletos para
automatizar prácticas de laboratorio”,
realizado por Sergio Egea.

Proyecto “Mejora de las prácticas de
laboratorio utilizando entrada y salida
digital”, realizado por Joan Puig.

Proyecto “Diseño y realización de un
electrómetro”, realizado por Xavier
Montolio.

Impedance Measurement Techniques:
Sine correlation, A.J.Hinton and B.
Sayers. Solartran.

Medidor de la permeabilidad
dieléctrica compleja de líquidos en el
rango de audiofrecuencia, H. Murguía
Aguilar y Oscar Avellano Tánori.
Electro2001, Instituto Tecnológica de
Chihuahua.

Electrical properties of polymers,
A.R. Blythe, Cambridge U. Press.

Filter desing in thirty seconds, B.
Carter, Texas Instruments Application
Report SLOAΦ93.

Donald L. Schilling, Charles Belove,
(3ª Edición 1993). Circuitos
Electrónicos. Editorial McGraw Hill.
Descargar

PROYECTO FINAL DE CARRERA MEDIDAS DE LAS …