PROYECTO FINAL DE CARRERA MEDIDA DE LAS PROPIEDADES DIELÉCTRICAS

1. PROYECTO FINAL DE CARRERAMEDIDA DE LAS PROPIEDADES DIELÉCTRICAS Alumno: Jordi Bustos Romero Especialidad: Electrónica Tarde Tutor del proyecto: Jordi Sellarès

2. INDICE • 3. Resultados • Ámbito de utilización • Descripción del funcionamiento • Validación de diseños • Aplicaciones del proyecto • 4. Comentarios finales • Plan de trabajo • Presupuesto • Objetivos conseguidos • Conclusiones • Mejoras futuras • 1. Introducción • Justificación del proyecto • Antecedentes • Objetivos • Descripción general • 2. Diseños • Metodología utilizada • Recursos utilizados • Descripción primer diseño • Descripción segundo diseño

3. 1. INTRODUCCIÓN

4. 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

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 2. DISEÑOS

10. 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.

11. Generador Amplificador Seguidor Seguidor Carga Z Conversor I- V Multiplicador Multiplicador Promedio temporal Promedio temporal B A Metodología utilizada

12. Metodología utilizada

13. Generador Amplificador Seguidor Seguidor Carga Z Conversor I- V Multiplicador Multiplicador Promedio temporal Promedio temporal B A Metodología utilizada

14. Generador Amplificador Comparador Comparador Carga Z Conversor I- V Interruptor Interruptor Promedio temporal Promedio temporal Metodología utilizada B A

15. Metodología utilizada

16. Generador Amplificador Comparador Comparador Carga Z Conversor I- V Interruptor Interruptor Promedio temporal Promedio temporal Metodología utilizada B A

17. Metodología utilizada DAC Amplificador Seguidor Carga Z Conversor I- V ADC

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. Recursos utilizados • Material utilizado en el laboratorio: • Ordenador. • Osciloscopio marca PROMAX modelo OD-352 frecuencia máxima 20 MHz. • Fuente de alimentación marca PROMAX modelo FAC-662B. • Generador de funciones marca PROMAX modelo GF-1000G. • Multímetro marca PROMAX modelo PD 695. • Sondas. • Soldador de estaño marca JBC de 11 W. • Estaño de plata. • Cable wire-up. • Llave wire-up. • Destornillador, alicates y herramientas similares.

23. 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. • 1 caja de plástico de 45x85x30 mm. (ancho x largo x profundo) para proteger la muestra del primer diseño. • 4 conectores BNC. • 9 conectores tipo bananas. • 2 conectores tipo Jack hembra (audio). • 1 puerto paralelo de 25 pines . • 2 cables de audio Jack macho-macho de 3,5 mm. , uno stereo y otro mono.

24. Descripción del primer diseño

25. Descripción del primer diseño

26. Descripción del primer diseño

27. R(interruptor)=?? Zin = Alta Δ V = 0 v Descripción del primer diseño • P.G.A. (Amplificador de ganancia programable):

28. Descripción del segundo diseño

29. Descripción del segundo diseño

30. Descripción del segundo diseño

31. Descripción del segundo diseño

32. Descripción del segundo diseño

33. 3. RESULTADOS

34. 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.

35. Descripción del funcionamientoPRIMER 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).

36. Descripción del funcionamientoSEGUNDO DISEÑO

37. Descripción del funcionamientoSEGUNDO DISEÑO • Conectamos la alimentación a la placa. • Conectamos dos voltímetros en A y B. • Ajustamos la frecuencia del oscilador. • Ajustamos la muestra.

38. Validación de los diseñosPRIMER DISEÑO • Demostración de los resultados haciendo una simulación y comparando con los reales. • El circuito de la simulación es el siguiente:

39. Validación de los diseñosPRIMER DISEÑO

40. Validación de los diseñosPRIMER DISEÑO • Para una mejor visualización de los resultados, realizamos una tabla con valores simulados y reales:

41. Validación de los diseñosPRIMER DISEÑO

42. Validación de los diseñosPRIMER DISEÑO • Peores resultados para frecuencias altas (sampling insuficiente). • A partir de 3 kHz la evaluación de B es muy difícil. • Mult. mejor que interr. especialmente a frecuencias altas. • Buenos resultados en ambos casos.

43. Validación de los diseñosSEGUNDO DISEÑO • Demostración de los resultados haciendo una simulación y comparando con los reales. • El circuito de la simulación es el siguiente:

44. Validación de los diseñosSEGUNDO DISEÑO

45. Validación de los diseñosSEGUNDO DISEÑO • Cálculo de la impedancia: • 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:

46. Validación de los diseñosSEGUNDO DISEÑO

47. Validación de los diseñosSEGUNDO 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.

48. 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.

49. 3. COMENTARIOS FINALES

50. Plan de trabajo Pasos realizados durante el proyecto: • 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. • 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.