Sådan måles en kondensator eller en induktor med mp3 -afspiller: 9 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:26

Her er en simpel teknik, der kan bruges til at måle præcist kapacitans og induktans af en kondensator og induktor uden dyrt udstyr. Målteknikken er baseret på en afbalanceret bro og kan let konstrueres af billige modstande. Denne måleteknik måler mere end bare kapacitansværdien, men også kondensatorens effektive seriemodstand på samme tid.

Nødvendige komponenter:

1. Få variable modstande

2. En MP3 -afspiller

3. Et multimeter

4. En lommeregner til beregning af værdien

Trin 1: Lidt baggrundsteori

Som en introduktion til projektet, lad os tage, hvad der er en LCR -bro, og hvad det kræver at lave

en. Hvis du bare vil lave en LCR -bro, skal du springe disse trin over.

For at forstå, hvordan en LCR -bro fungerer, er det nødvendigt at tale om, hvordan en kondensator, en modstand og en induktor opfører sig i et vekselstrømskredsløb. Tid til at støve din ECE101 -lærebog af. Modstand er de letteste at forstå elementer ud af gruppen. En perfekt modstand opfører sig det samme, når en jævnstrøm passerer gennem modstanden, som når en vekselstrøm passerer selvom den. Det giver modstand mod den strøm, der strømmer, selvom det dermed spilder energi ved at gøre det. Det enkle forhold mellem strøm, spænding og modstand er:

R = I / V

En perfekt kondensator er på den anden side en ren energilagringsenhed. Det spreder ikke den energi, der går forbi selvom det. Når en AC -spænding påføres en kondensatorterminal, er strømmen, selvom kondensatoren er strøm, påkrævet for at tilføje og fjerne chage fra kondensatoren. Som et resultat strømmer strømmen, selvom kondensatoren er ude af fase, når den sammenlignes med dens terminalspænding. Faktisk er den altid 90 grader foran spændingen over dens terminal. Den enkle måde at repræsentere dette på er brug af imaginært tal (j):

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

Ligesom kondensatoren er induktoren en ren energilagringsenhed. Som et nøjagtigt kompliment til kondensatoren bruger induktoren magnetfelt til at opretholde strømmen, der passerer gennem induktoren, og justerer sin terminale spænding ved at gøre det. Således er strømmen, der strømmer gennem induktoren, 90 grader foran terminalspændingen. Ligningen repræsenterer spændingen og strømforholdet på tværs af dens terminal er:

V (j) (L) = I

Trin 2: Mere teori

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

Trin 3: Mere teori

I en perfekt verden med perfekt kondensator og induktorer får du en ren energilagringsenhed.

Men i en rigtig verden er intet perfekt. En af nøglekvaliteten til energilagringsenheden, kan det være en kondensator, et batteri eller en pumpelagringsenhed, er lagringsenhedens effektivitet. En vis mængde energi går altid tabt under processen. I en kondensator eller induktor er dette paracidresistens for enheden. I en kondensator kaldes det dissipationsfaktoren, og i en induktor kaldes det kvalitetsfaktoren. En hurtig måde at modellere dette tab på er at tilføje en seriemodstand i serier af en pefekt kondensator eller induktor. Således ligner en virkelig kondensator mere en perfekt resistor og en perfekt kondensator i serie.

Trin 4: Wheatstone Bridge

Der er i alt fire resistive elementer i en bro. Der er også en signalkilde og et

meter i midten af broen. Det element, vi har kontrol, er de resistive elementer. Den resistive bros hovedfunktion er at matche modstandene i broen. Når en bro er afbalanceret, hvilket angiver, at modstanden R11 matcher R12 og R21 matcher R22, går output på måleren i midten til nul. Dette skyldes, at den strøm, der strømmer, selvom R11 strømmer ud af R12, og strømmen strømmer, selvom R21 strømmer ud af R22. Spændingen mellem venstre side af måleren og højre side af måleren vil derefter være identisk.

Broens skønhed er signalkildens kildeimpedans, og målerens linearitet påvirker ikke målingen. Selvom du har en billig måler, der tager meget strøm for at foretage målingen (f.eks. En gammel nålet analog måler), gør den stadig et godt stykke arbejde her, så længe den er følsom nok til at fortælle dig, når der ikke er nogen strøm flyder gennem måleren. Hvis signalkilden har en betydelig udgangsimpedans, har faldet i udgangsspændingen forårsaget af strømmen, selvom broen har den samme effekt på broens venstre side som broens højre side. Nettoresultatet annullerer sig selv, og broen kan stadig matche modstanden til en bemærkelsesværdig grad af nøjagtighed.

Observant læser vil måske bemærke, at broen også vil balancere, hvis R11 er lig med R21 og R12 er lig med R22. Dette er den sag, vi ikke vil overveje her, så vi vil ikke diskutere denne sag yderligere.

Trin 5: Hvad med et reaktivt element i stedet for modstande?

I dette eksempel vil broen blive afbalanceret, når Z11 matcher Z12. At holde designet enkelt, det

højre side af broen blev sammensat ved hjælp af modstande. Et nyt krav er, at signalkilden skal være en vekselstrømskilde. Måleren i brug skal også kunne registrere vekselstrøm. Z11 og Z12 kan være enhver impedanskilde, kondensator, induktor, modstand eller kombination af alle tre.

Så langt så godt. Hvis du fik en pose perfekt kalibrerede kondensatorer og induktorer, ville det være muligt at bruge broen til at finde værdien af den ukendte enhed. Det ville dog virkelig være tidskrævende og dyrt. En bedre løsning end, er at finde en måde at simulere den perfekte referenceenhed med et eller andet trick. Det er her MP3 -afspilleren kommer ind i billedet.

Kan du huske strømmen, selvom en kondensator altid er 90 grader foran dens terminale spænding? Hvis vi nu kan reparere terminalens spænding på den enhed, der testes, ville det være muligt for os at anvende en strøm, der er 90 grader i forvejen og simulere effekten af en kondensator. For at gøre dette skal vi først oprette en lydfil, der indeholder to sinusbølger med en faseforskel på 90 grader mellem de to bølger.

Trin 6: Læg det vi ved i en bro

Ved at uploade denne bølgefil til MP3 -afspilleren eller afspille den direkte fra pc'en, producerer venstre og højre kanal de to sinusbølger med samme amplitude. Fra dette tidspunkt vil jeg bruge en kondensator som eksempel for enkelthedens skyld. Imidlertid gælder det samme princip også for induktorer, bortset fra at det spændte signal i stedet skal ligge 90 grader.

Lad os først tegne broen med en enhed under test repræsenteret af en perfekt kondensator i serie med en perfekt modstand. Signalkilden er også opdelt i to signaler med en signalfase forskudt med 90 grader, når der henvises til det andet signal.

Nu er her den skræmmende del. Vi er nødt til at dykke ned i den matematik, der beskriver, hvordan dette kredsløb fungerer. Lad os først se på spændingen i højre side af måleren. For at gøre designet enkelt, er det bedst at vælge modstanderen i højre side for at være lige, så Rm = Rm og spænding ved Vmr er halvdelen af Vref.

Vmr = Vref / 2

Når broen derefter er afbalanceret, vil spændingen til venstre for måleren og højre for måleren være nøjagtig lig, og fasen vil også matche nøjagtigt. Således er Vml også halvdelen af Vref. Med dette kan vi skrive ned:

Vml = Vref / 2 = Vcc + Vrc

Lad os nu prøve at nedskrive den nuværende strømning, selvom R90 og R0:

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

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

Den nuværende strømning, selvom enheden testes, er også:

Ic = Ir0 + Ir90

Antag nu, at den testede enhed er en kondensator, og vi vil have Vz til at føre Vref 90 grader og til

gør beregningen enkel, vi kan normalisere spændingen på Vz og Vref til 1V. Vi kan så sige:

Vz = j, Vref = 1

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

Ir90 = (j - 0,5) / (R90)

Allesammen:

Ic = Vml / (-j Xc + Rc)

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

Hvor Xc er impedansen for den perfekte kapacitans Cc.

Ved at balancere broen og finde ud af værdien af R0 og R90 er det således let at beregne den samlede strøm gennem enhed under test Ic. Brug den sidste ligning, vi nåede frem til, vi kan beregne impedansen for den perfekte kapacitans og seriemodstanden. Ved at kende kondensatorimpedansen og frekvensen af det påførte signal er det let at finde ud af kapacitansen for den testede enhed ved at:

Xc = 1 / (2 x π F C)

Trin 7: Trin i måling af kondensatoren eller induktorens værdi

1. Afspil bølgefilen ved hjælp af en pc eller en MP3 -afspiller.

2. Tilslut MP3 -afspillerens udgang som ledningsdiagrammet vist ovenfor. Skift forbindelsen til venstre og højre kanal, hvis du måler induktor.

3. Tilslut multimeteret, og indstil målingen på AC -spænding.

4. Afspil lydklippet, og juster trimpotten, indtil spændingsaflæsningen falder til minimum. Jo tættere på nul, desto mere nøjagtig bliver målingen.

5. Afbryd den testede enhed (DUT) og MP3 -afspilleren.

6. Flyt multimeterledningen til R90, og indstil målingen på modstand. Mål værdien. 7. Gør det samme for R0.

8. Beregn enten manuelt kondensator/induktorværdien, eller brug det medfølgende Octave/Matlab -script til at løse værdien.

Trin 8: En tabel over omtrentlig modstand påkrævet for den variable modstand til at balancere broen

Trin 9: Tak

Tak fordi du læste dette instruerbare. Dette var en transskription af en webside, jeg skrev i 2009