Hvordan måle en kondensator eller en induktor med mp3 -spiller: 9 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:21

Her er en enkel teknikk som kan brukes til å måle presis kapasitans og induktans til en kondensator og induktor uten dyrt utstyr. Måleteknikken er basert på en balansert bro, og kan enkelt konstrueres av rimelige motstander. Denne måleteknikken måler mer enn bare kapasitansverdien, men også den effektive seriemotstanden til kondensatoren samtidig.

Nødvendige komponenter:

1. Få variable motstander

2. En MP3 -spiller

3. Et multimeter

4. En kalkulator for å regne ut verdien

Trinn 1: Litt bakgrunnsteori

Som en introduksjon til prosjektet, la oss ta det som er en LCR -bro og hva det tar å lage

en. Hvis du bare vil lage en LCR -bro, hopper du over disse trinnene.

For å forstå hvordan en LCR -bro fungerer, er det nødvendig å snakke om hvordan en kondensator, en motstand og en induktor oppfører seg i en vekselstrømskrets. På tide å tørke av ECE101 -læreboken din. Motstand er det enkleste å forstå elementene fra gruppen. En perfekt motstand oppfører seg det samme når en likestrøm passerer gjennom motstanden som når en vekselstrøm passerer gjennom den. Den gir motstand mot strømmen som strømmer, selv om den dermed avleder energi ved å gjøre det. Det enkle forholdet mellom strøm, spenning og motstand er:

R = I / V

En perfekt kondensator er derimot en ren energilagringsenhet. Det forsvinner ikke over noen energi som går forbi. Når en AC -spenning påføres en kondensatorterminal, kreves strømmen selv om kondensatoren er strøm for å legge til og fjerne chage fra kondensatoren. Som et resultat strømmer strømmen gjennom kondensatoren ut av fase når den sammenlignes med terminalens spenning. Faktisk er det alltid 90 grader foran spenningen over terminalen. Den enkle måten å representere dette på er bruk av imaginært tall (j):

V (-j) (1 / C) = I

I likhet med kondensatoren er induktoren en ren energilagringsenhet. Som et eksakt kompliment til kondensatoren bruker induktoren magnetfelt for å opprettholde strømmen som passerer gjennom induktoren, og justerer sin terminale spenning ved å gjøre det. Dermed er strømmen som strømmer gjennom induktoren 90 grader foran terminalspenningen. Ligningen som representerer spenningen og strømforholdet på tvers av terminalen er:

V (j) (L) = I

Trinn 2: Mer teori

Som en oppsummering kan vi tegne motstandsstrømmen (Ir), induktorstrømmen (Ii) og kondensatorstrømmen (Ic) alle på samme vektordiagram, vist her.

Trinn 3: Mer teori

I en perfekt verden med perfekte kondensatorer og induktorer får du en ren energilagringsenhet.

Imidlertid er ingenting i en virkelig verden perfekt. En av nøkkelen til energilagringsenheten, kan det være en kondensator, et batteri eller en pumpelagringsenhet, er effektiviteten til lagringsenheten. En viss mengde energi går alltid tapt under prosessen. I en kondensator eller induktor er dette parasid motstand til enheten. I en kondensator kalles det dissipasjonsfaktoren, og i en induktor kalles det kvalitetsfaktoren. En rask måte å modellere dette tapet er å legge til en seriemotstand i serie med en pefekt kondensator eller induktor. Dermed ser en virkelig kondensator mer ut som en perfekt resistor og en perfekt kondensator i serie.

Trinn 4: Wheatstone Bridge

Det er totalt fire resistive elementer i en bro. Det er også en signalkilde og en

meter i midten av broen. Elementet vi har kontroll er de resistive elementene. Hovedfunksjonen til den resistive broen er å matche motstandene i broen. Når en bro er balansert, noe som indikerer at motstanden R11 samsvarer med R12 og R21 samsvarer med R22, går utgangen på måleren i midten til null. Dette er fordi strømmen som strømmer selv om R11 strømmer ut av R12 og strømmen strømmer om R21 strømmer ut av R22. Spenningen mellom venstre side av måleren og høyre side av måleren vil da være identisk.

Broens skjønnhet er signalkildens kildeimpedans og målerens linearitet påvirker ikke målingen. Selv om du har en billig måler som tar mye strøm for å foreta målingen (si en gammel nåltype analog måler), gjør den fortsatt en god jobb her, så lenge den er sensitiv nok til å fortelle deg når det ikke er strøm flyter gjennom måleren. Hvis signalkilden har betydelig utgangsimpedans, har fallet i utgangsspenningen forårsaket av strømmen som går selv om broen har samme effekt på venstre side av broen som høyre side av broen. Nettoresultatet avbryter seg selv, og broen kan fortsatt matche motstanden til en bemerkelsesverdig grad av nøyaktighet.

Observant leser vil kanskje legge merke til at broen også vil balansere hvis R11 er lik R21 og R12 er lik R22. Dette er saken vi ikke kommer til å vurdere her, så vi vil ikke diskutere denne saken ytterligere.

Trinn 5: Hva med et reaktivt element i stedet for motstander?

I dette eksemplet vil broen balanseres når Z11 matcher Z12. Holder designet enkelt, det

høyre side av broen ble bygd opp med motstander. Et nytt krav er at signalkilden må være en vekselstrømskilde. Måleren som er i bruk må også kunne detektere vekselstrøm. Z11 og Z12 kan være hvilken som helst impedanskilde, kondensator, induktor, motstand eller kombinasjon av alle tre.

Så langt så bra. Hvis du har en pose med perfekt kalibrerte kondensatorer og induktorer, ville det være mulig å bruke broen for å finne verdien av den ukjente enheten. Det ville imidlertid være virkelig tidkrevende og dyrt. En bedre løsning enn å finne en måte å simulere den perfekte referanseenheten med et triks. Det er her MP3 -spilleren kommer inn i bildet.

Husk strømmen som strømmer selv om en kondensator alltid er 90 grader foran terminalspenningen? Hvis vi kan fikse terminalens spenning på enheten som testes, ville det være mulig for oss å bruke en strøm som er 90 grader på forhånd og simulere effekten av en kondensator. For å gjøre dette må vi først lage en lydfil som inneholder to sinusbølger med en faseforskjell på 90 grader mellom de to bølgene.

Trinn 6: Sette det vi vet inn i en bro

Når du laster opp denne bølgefilen til MP3 -spilleren eller spiller den av direkte fra PC -en, produserer venstre og høyre kanal de to sinusbølgene med samme amplitude. Fra dette tidspunktet kommer jeg til å bruke kondensator som eksempel for enkelhets skyld. Imidlertid gjelder det samme prinsippet også for induktorer, bortsett fra at det eksiterte signalet i stedet må ligge 90 grader.

La oss først tegne broen med enheten under test representert av en perfekt kondensator i serie med en perfekt motstand. Signalkilden er også delt i to signaler med en signalfase forskjøvet 90 grader når den refererer til det andre signalet.

Her er den skumle delen. Vi må dykke ned i matematikken som beskriver hvordan denne kretsen fungerer. La oss først se på spenningen på høyre side av måleren. For å gjøre designet enkelt, er det best å velge motstanderen på høyre side for å være lik, så Rm = Rm og spenning ved Vmr er halvparten av Vref.

Vmr = Vref / 2

Når broen er balansert, vil spenningen til venstre for måleren og høyre for måleren være nøyaktig lik, og fasen vil også passe nøyaktig. Dermed er Vml også halvparten av Vref. Med dette kan vi skrive ned:

Vml = Vref / 2 = Vcc + Vrc

La oss nå prøve å skrive ned strømmen som flyter om R90 og R0:

Ir0 = (Vref / 2) x (1 / Ro)

Ir90 = (Vz - (Vref / 2)) / (R90)

Den nåværende strømmen om enheten som testes er også:

Ic = Ir0 + Ir90

Anta at enheten som testes er en kondensator, og vi vil at Vz skal lede Vref 90 grader, og til

gjør beregningen enkel, vi kan normalisere spenningen til Vz og Vref til 1V. Vi kan da si:

Vz = j, Vref = 1

Ir0 = Vref / (2 x Ro) = Ro / 2

Ir90 = (j - 0.5) / (R90)

Alle sammen:

Ic = Vml / (-j Xc + Rc)

-j Xc + Rc = (0,5 / Ic)

Hvor Xc er impedansen til den perfekte kapasitansen Cc.

Således, ved å balansere broen og finne ut verdien av R0 og R90, er det enkelt å beregne den totale strømmen gjennom enheten under test Ic. Bruk den siste ligningen vi kom til, vi kan beregne impedansen til den perfekte kapasitansen og seriemotstanden. Ved å kjenne kondensatorimpedansen og frekvensen til det påførte signalet, er det lett å finne ut kapasitansen til enheten som testes ved å:

Xc = 1 / (2 x π F C)

Trinn 7: Trinn i måling av kondensatoren eller induktorens verdi

1. Spill av bølgefilen med en PC eller en MP3 -spiller.

2. Koble utgangen til MP3 -spilleren som koblingsskjemaet vist ovenfor, bytt tilkobling til venstre og høyre kanal hvis du måler induktor.

3. Koble til multimeteret og sett målingen på AC -spenning.

4. Spill av lydklippet og juster trimpotten til spenningsavlesningen går ned til minimum. Jo nærmere null, desto mer nøyaktig blir målingen.

5. Koble fra enheten som testes (DUT) og MP3 -spilleren.

6. Flytt multimeterledningen til R90 og sett målingen på motstand. Mål verdien. 7. Gjør det samme for R0.

8. Beregn enten kondensator/induktorverdien manuelt, eller bruk det medfølgende Octave/Matlab -skriptet for å løse verdien.

Trinn 8: En tabell med omtrentlig motstand som kreves for at variabel motstand skal balansere broen

Trinn 9: Takk

Takk for at du leser dette instruerbare. Dette var en transkripsjon av en webside jeg skrev i 2009