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Investigación de Q en condensadores

¿Cómo probamos la Q de un condensador? O, ¿por qué los diodos varactor son tan horribles en un VCO?

Me hice esta pregunta el domingo por la noche (9/1/19). Por la mañana todavía estaba ansioso por obtener una respuesta. Al final, esta exploración no me llevó a ninguna aclaración sobre cómo extraer el factor Q para un condensador en particular. En cambio, condujo a una demostración de una diferencia importante entre los varactores y los condensadores variables con espacio de aire.

Interrumpí el trabajo de mi buen amigo Hans Summers para preguntarle: "¿Cómo probamos la Q de un condensador?"

Estaba muy ocupado, así que dijo: "No sé. Ni idea. Se requiere una investigación en Google".

La Q de un condensador aparecía en Google y los resultados incluían "¡Q medido en culombios, V en voltios y C en Faradios!"

"Esta es Q pero no la Q que queremos", dije.

⚛ Encontré una descripción bonita pero no muy útil

En física e ingeniería, el factor de calidad o factor Q es un parámetro adimensional que describe cuán amortiguado es un oscilador o resonador, y caracteriza el ancho de banda de un resonador en relación con su frecuencia central. Nota: Esto se refiere a una cantidad escalar o una cantidad de dimensión uno

¡Hans hizo una búsqueda en Google y obtuvo mejores resultados que yo en horas! Su primer éxito fue una página con la siguiente información:

El factor Q de un condensador, también conocido como factor de calidad, o simplemente Q, representa la eficiencia de un condensador dado en términos de pérdidas de energía. Se define dentro de las siguientes fórmulas:

Qc = {Xc \ over Rc} = {1 \ over ω0C Rc}

Donde QC es el factor de calidad, XC es la reactancia del condensador, C la capacitancia del condensador, RC es la resistencia en serie equivalente (ESR) del condensador, y ω0 es la frecuencia en radianes a la que se toma la medición.

En un sistema de CA, el factor Q representa la relación entre la energía almacenada en el condensador y la energía disipada como pérdidas térmicas en la resistencia en serie equivalente. Por ejemplo, un condensador que es capaz de almacenar 2000 julios de energía mientras desperdicia solo 1 julio tiene un factor Q de 2000. Dado que Q es la medida de la eficiencia, un condensador ideal tendría un valor infinito de Q, lo que significa que no se pierde energía en absoluto en el proceso de almacenamiento de energía. Esto se deriva del hecho de que la ESR de un condensador ideal es igual a cero.

El factor Q no es un valor constante. Cambia significativamente con la frecuencia por dos razones. La primera razón es el término ω0 completamente obvio en la ecuación anterior. La segunda razón es que la ESR no es un valor constante con respecto a la frecuencia. La ESR varía con la frecuencia debido al efecto de la piel, así como a otros efectos relacionados con las características dieléctricas. (esto es para condensadores relativamente normales y no para un varactor, donde la sedimentación se vuelve aún más compleja)

Un término relacionado, llamado factor de disipación (DF), a veces se establece en las hojas de datos del condensador en lugar del factor Q. En los circuitos de CA, el DF es simplemente el valor recíproco de Q.

Leer más en http://www.capacitorguide.com

Fácil ¿verdad? Sí, no es malo en absoluto ...

Es bueno tener una definición, por lo que los puntos clave de la propaganda anterior son:

  1. El factor Q de un condensador, también conocido como factor de calidad, o simplemente Q, representa la eficiencia de un condensador dado, y esta eficiencia es inversamente proporcional a las pérdidas de energía del condensador.
  2. El factor Q no es un valor constante.
  3. La primera razón de la falta de constancia anterior, es el término totalmente obvio en la ecuación anterior.
  4. La segunda razón es que [ESR] (https://en.wikipedia.org/wiki/Equivalent_series_resistance) no es un valor constante.
  5. La ESR varía con la frecuencia debido al efecto de la piel, así como a otros efectos relacionados con las características dieléctricas.

Nota: Si los puntos clave anteriores no tienen ningún sentido para usted, entonces es posible que este artículo esté en el nivel de discurso incorrecto en este momento. 1

Entonces, ¿cómo medir la Q de un condensador?

⚛ Método calitativo

Una vez tenemos nuestro espacio de trabajo listo, nos damos cuenta de que puede existir un gran problema ...

Cuando tratamos de medir el misterio ilusorio Calidad o factor Q, elegimos rápidamente usar métodos cualitativos, ya que no tenemos el presupuesto o CERN o NPL para comprar equipos de prueba caros, personal igual de caro con batas blancas y largas barbas, alrededor del acelerador de partículas sagradas...

Puede descubrir qué modos metodológicos de investigación cualitativos son preferidos para este tipo de problema cuando tiene un presupuesto bajo, leyendo en adelante.

⚛ Construye un oscilador Colpitts

Entonces, mientras todavía buscamos el misterioso 'factor de calidad', construimos un oscilador colpitts usando un resonador de cerámica. Esto se hace para que podamos extraer la frecuencia del resonador cerámico con capacitancia de un diodo varactor u otro condensador variable. Posterior e importante, nosotros (todavía no Real) podremos medir y observar la salida del oscilador y estudiar qué diferencias, si las hay, se encuentran al usar diferentes tipos de condensadores variables para 'tirar' la frecuencia lejos de la frecuencia central del resonador.

⚛ El esquema de este fácil circuito

Nota: Este circuito colpitts tiene una serie de características que son importantes en este contexto.

  1. Hay un POT debajo del emisor antes de la resistencia de 1K a tierra y este potenciómetro se puede usar para mejorar la calidad de la salida deteniendo el transistor del oscilador del recorte.

  2. El oscilador está amortiguado con un seguidor de emisor, de modo que no cargamos el oscilador de manera apreciable cuando medimos con un osciloscopio u otro equipo de prueba.

  3. No hay inductor colocado en la ruta de CA, a menudo usado para extender el rango de tracción.

  4. Este no es un oscilador de funcionamiento libre, es un oscilador de colpitts controlado por resonador de cerámica. Esto no es tan rígido como un oscilador controlado por cristal. Sin embargo, hacemos uso de esta falta de rigidez al 'estirar' el resonador de cerámica mucho más de lo que es posible con un cristal.

  5. El diseño del oscilador es robusto y se presta a la experimentación, además de ser ideal para su uso en aplicaciones de radio.

⚛ "Ugly style"

ug

  1. El colpitts está construido con un estilo "ugly" para que podamos encenderlo, y para que podamos cambiar las cosas fácilmente.

  2. Hay personas notables que critican este estilo diciendo "métodos débiles" o algo peor.

  3. Si bien el resultado final, sin duda, no se pule, es muy adecuado para la creación de prototipos y se puede utilizar para hacer artículos terminados (con un poco más de cuidado).

⚛ Señal desagradable

picture of nasty wave output

El aspecto horrible de la onda no es el punto principal. Sin embargo, estamos interesados ​​en la forma en que un diodo varactor u otro condensador variable podría afectar la calidad de la forma de onda.

⚛ Diodo 1n4007 quitado quirúrgicamente

Surgically Removed Diode

Después de extraer quirúrgicamente el diodo 1n4007, nosotros (no Reales) pasamos a pastos más nuevos y más verdes. Específicamente, tomamos un descanso y hacemos los cables necesarios para conectar un condensador variable rotativo.

⚛ Condensador variable rotativo

air-spaced variable capacitor.

  1. El precioso condensador variable está listo para usar en nuestro oscilador (uso liberal de terminologías de inconsciencia colectiva).

  2. No se realiza ninguna otra alteración, cambio o manipulación del circuito.

  3. El oscilador se activa listo para mirar la señal de onda de salida para compararla con la de la señal producida cuando se utilizó el diodo.

⚛ Mayor tracción y, en general, una mejor señal

7129 MHz with nice output

Disculpe la foto fuera de foco aquí, pero tenga en cuenta la frecuencia de 7129 kHz y la suavidad de la onda.

⚛ El otro extremo del rango de tracción

Bien, ahora medimos en el otro extremo del rango de extracción de este oscilador colpitts basado en resonador.

other end

Ok, esta es una foto mejor del alcance que muestra una frecuencia de 7017 kHz y una señal atractiva que se ve muy bien en todo el rango.

⚛ Conclusiones

  1. La pureza de la onda es diferente con el diodo que cuando se emplea un condensador variable rotativo.

  2. Tiene un aspecto desagradable con el diodo, mientras que con el condensador variable rotativo es excelente.

  3. El diodo causa horror y distorsión.

  4. El condensador variable no causa este horror.

  5. El rango de extracción del diodo y el condensador variable varían en 10 kHz en esta configuración.

    1. El condensador variable tiene un rango de 113 kHz.

    2. El diodo tiene un rango de 90 KHz.

⚛ ¿Por qué?

  1. Bien, entonces ¿por qué el diodo hace esto?
  2. ¿Por qué el diodo hace el resultado más feo?
  3. ¿Por qué usamos diodos si esto es lo que hacen?
  4. ¿Por qué ya no usamos condensadores variables?

⚛ Respuestas poco probables

  1. 😉El diodo resuena con los efectos sutiles pero poderosos de Celebrity Cult Leaders.

  2. 😉Los fabricantes saben que usamos diodos 1n4007 baratos como varactores; alteran estos baratos para hacerlos horribles, así que tenemos que comprar los caros en su lugar.

  3. 😉Formas de vida extraterrestres o políticos están interfiriendo con nuestras mentes.

  4. 😉No utilizamos condensadores variables rotativos porque las potencias extranjeras han tomado el control de todas las instalaciones de fabricación y están acumulando los condensadores como una medida primordial de supervivencia.

Nada de lo anterior es cierto, pero si sintonizas con este artículo de nuevo, puede aparecer más información sobre este fenómeno

Notas al pie:


  1. La aparente falta de fluidez con la comprensión es un gran problema y es natural que a primera vista, un deseo apremiante sea arrojar a Aristóteles a un arbusto en llamas. Puede elegir otros estilos de vida que sean menos estresantes; podrías saltar arriba y abajo en charcos fangosos; podrías seguir leyendo hasta que hayas asimilado correctamente todas las palabras, con la esperanza de que al menos algunas de estas tonterías tengan sentido; ¿Podrías volver a esta página en otro momento? 

  2. Una lista de componentes a menudo se denomina BOM (Bill Of Materials) 

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