Jak zmierzyć kondensator lub cewkę indukcyjną za pomocą odtwarzacza MP3: 9 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:27

Oto prosta technika, której można użyć do precyzyjnego pomiaru pojemności i indukcyjności kondensatora i cewki indukcyjnej bez drogiego sprzętu. Technika pomiarowa opiera się na zbalansowanym mostku i może być łatwo zbudowana z niedrogich rezystorów. Ta technika pomiarowa mierzy nie tylko wartość pojemności, ale także efektywną rezystancję szeregową kondensatora.

Wymagane komponenty:

1. Kilka rezystorów zmiennych

2. Odtwarzacz MP3

3. Multimetr

4. Kalkulator do obliczania wartości

Krok 1: Trochę teorii tła

Jako wstęp do projektu weźmy czym jest most LCR i co trzeba zrobić

jeden. Jeśli chcesz po prostu zrobić most LCR, pomiń te kroki.

Aby zrozumieć działanie mostka LCR, należy porozmawiać o zachowaniu kondensatora, rezystora i cewki indukcyjnej w obwodzie prądu przemiennego. Czas odkurzyć podręcznik ECE101. Rezystor to najłatwiejszy do zrozumienia element spoza grupy. Idealny rezystor zachowuje się tak samo, gdy przepływa przez niego prąd stały, jak wtedy, gdy przepływa przez niego prąd przemienny. Zapewnia opór płynącemu prądowi, chociaż w ten sposób rozprasza energię. Prosta zależność między prądem, napięciem i rezystancją to:

R = I / V

Z drugiej strony doskonały kondensator to urządzenie do magazynowania czystej energii. Nie rozprasza żadnej energii, która przez nią przechodzi. Zamiast tego, gdy napięcie prądu przemiennego jest przykładane do zacisku kondensatora, prąd przepływa przez kondensator jest prądem wymaganym do dodania i usunięcia ładunku z kondensatora. W rezultacie prąd płynący przez kondensator jest przesunięty w fazie w porównaniu z napięciem na zaciskach. W rzeczywistości jest zawsze o 90 stopni przed napięciem na jego zacisku. Prostym sposobem przedstawienia tego jest użycie liczby urojonej (j):

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

Podobnie jak kondensator, cewka indukcyjna jest urządzeniem magazynującym czystą energię. Jako dokładny komplement dla kondensatora, cewka indukcyjna wykorzystuje pole magnetyczne do utrzymania prądu przepływającego przez cewkę indukcyjną, dostosowując w ten sposób napięcie na zaciskach. Tak więc prąd płynący przez cewkę indukcyjną jest o 90 stopni przed napięciem na zaciskach. Równanie reprezentuje zależność napięcia i prądu na jego zacisku:

V(j)(L) = I

Krok 2: Więcej teorii

Podsumowując, możemy narysować prąd rezystora (Ir), prąd cewki (Ii) i prąd kondensatora (Ic) na tym samym schemacie wektorowym, pokazanym tutaj.

Krok 3: Więcej teorii

W idealnym świecie z doskonałymi kondensatorami i cewkami indukcyjnymi otrzymujesz urządzenie do magazynowania czystej energii.

Jednak w prawdziwym świecie nic nie jest idealne. Jedną z kluczowych cech urządzenia magazynującego energię, czy to kondensatora, baterii czy urządzenia magazynującego pompę, jest sprawność urządzenia magazynującego. Podczas procesu zawsze traci się pewną ilość energii. W kondensatorze lub cewce jest to paracydowa rezystancja urządzenia. W kondensatorze nazywa się to współczynnikiem rozpraszania, a w cewce indukcyjnej - współczynnikiem jakości. Szybkim sposobem modelowania tej straty jest dodanie rezystancji szeregowej w szeregu doskonałego kondensatora lub cewki indukcyjnej. Tak więc prawdziwy kondensator wygląda bardziej jak doskonały opornik i doskonały kondensator połączony szeregowo.

Krok 4: Most Wheatstone

W moście znajdują się w sumie cztery elementy rezystancyjne. Istnieje również źródło sygnału i

metr na środku mostu. Elementem, nad którym mamy kontrolę, są elementy oporowe. Główną funkcją mostka rezystancyjnego jest dopasowanie rezystancji mostka. Kiedy mostek jest zbalansowany, co wskazuje, że rezystor R11 pasuje do R12, a R21 do R22, wyjście na mierniku pośrodku spada do zera. Dzieje się tak, ponieważ prąd płynący przez R11 wypływa z R12, a prąd płynący przez R21 wypływa z R22. Napięcie między lewą i prawą stroną miernika będzie wtedy identyczne.

Piękno mostka polega na impedancji źródła sygnału, a liniowość miernika nie wpływa na pomiar. Nawet jeśli masz tani miernik, który pobiera dużo prądu, aby dokonać pomiaru (powiedzmy, stary analogowy miernik typu igłowego), nadal wykonuje dobrą robotę, o ile jest wystarczająco czuły, aby powiedzieć, kiedy nie ma prądu przepływa przez licznik. Jeśli źródło sygnału ma znaczną impedancję wyjściową, spadek napięcia wyjściowego spowodowany prądem przepływającym przez mostek ma taki sam wpływ na lewą stronę mostka, jak i na prawą stronę mostka. Wynik netto sam się znosi, a most nadal może dorównać odporności z niezwykłą dokładnością.

Uważny czytelnik może zauważyć, że mostek również się zrównoważy, jeśli R11 jest równe R21, a R12 jest równe R22. Jest to przypadek, którego nie będziemy tutaj rozważać, więc nie będziemy go dalej omawiać.

Krok 5: Co powiesz na element reaktywny zamiast rezystorów?

W tym przykładzie most zostanie zbalansowany, gdy Z11 dopasuje się do Z12. Zachowując prosty projekt, prawa strona mostu została zbudowana za pomocą rezystorów. Jednym z nowych wymagań jest to, że źródło sygnału musi być źródłem prądu przemiennego. Używany miernik musi być również zdolny do wykrywania prądu AC. Z11 i Z12 mogą być dowolnym źródłem impedancji, kondensatorem, cewką indukcyjną, rezystorem lub kombinacją wszystkich trzech.

Jak na razie dobrze. Jeśli masz worek doskonale skalibrowanych kondensatorów i cewek indukcyjnych, możliwe byłoby użycie mostka do sprawdzenia wartości nieznanego urządzenia. Byłoby to jednak naprawdę czasochłonne i kosztowne. Lepszym rozwiązaniem niż znalezienie sposobu na symulację idealnego urządzenia referencyjnego za pomocą jakiejś sztuczki. Tutaj pojawia się odtwarzacz MP3.

Pamiętasz prąd płynący przez kondensator zawsze o 90 stopni przed napięciem na zaciskach? Teraz, gdybyśmy mogli ustalić napięcie na zaciskach testowanego urządzenia, moglibyśmy przyłożyć prąd o 90 stopni z góry i zasymulować działanie kondensatora. Aby to zrobić, musimy najpierw utworzyć plik audio, który zawiera dwie fale sinusoidalne z różnicą faz 90 stopni między dwiema falami.

Krok 6: Wkładanie tego, co wiemy do mostu

Przesyłając ten plik wave do odtwarzacza MP3 lub odtwarzając go bezpośrednio z komputera, lewy i prawy kanał wytwarzają dwie fale sinusoidalne o tej samej amplitudzie. Od tego momentu, dla uproszczenia, będę używał kondensatora jako przykładu. Jednak ta sama zasada dotyczy również cewek indukcyjnych, z wyjątkiem tego, że wzbudzony sygnał musi być opóźniony o 90 stopni.

Najpierw przerysujmy mostek z testowanym urządzeniem reprezentowanym przez doskonały kondensator połączony szeregowo z doskonałym rezystorem. Źródło sygnału jest również dzielone na dwa sygnały z fazą jednego sygnału przesuniętą o 90 stopni w odniesieniu do drugiego sygnału.

Teraz jest ta przerażająca część. Musimy zagłębić się w matematykę opisującą działanie tego obwodu. Najpierw spójrzmy na napięcie po prawej stronie miernika. Aby projekt był prosty, najlepiej wybrać równy rezystor po prawej stronie, więc Rm = Rm, a napięcie na Vmr wynosi połowę Vref.

Vmr = Vref / 2

Następnie, gdy mostek jest zrównoważony, napięcie po lewej i prawej stronie miernika będzie dokładnie równe, a faza również będzie dokładnie dopasowana. Zatem Vml jest również połową Vref. Dzięki temu możemy zapisać:

Vml = Vref / 2 = Vcc + Vrc

Spróbujmy teraz zapisać prąd płynący przez R90 i R0:

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

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

Ponadto prąd płynący przez testowane urządzenie to:

Ic = Ir0 + Ir90

Załóżmy teraz, że testowane urządzenie jest kondensatorem i chcemy, aby Vz prowadziło Vref o 90 stopni i aby

uprościć obliczenia, możemy znormalizować napięcie Vz i Vref do 1V. Możemy wtedy powiedzieć:

Vz = j, Vref = 1

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

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

Wszyscy razem:

Ic = Vml / (-j Xc + Rc)

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

Gdzie Xc jest impedancją idealnej pojemności Cc.

Tak więc poprzez zrównoważenie mostka i ustalenie wartości R0 i R90, łatwo jest obliczyć całkowity prąd przepływający przez badane urządzenie Ic. Korzystając z końcowego równania, do którego doszliśmy, możemy obliczyć impedancję idealnej pojemności i rezystancję szeregową. Znając impedancję kondensatora i częstotliwość przyłożonego sygnału, łatwo jest określić pojemność testowanego urządzenia poprzez:

Xc = 1 / (2 x π F C)

Krok 7: Krok w pomiarze wartości kondensatora lub cewki indukcyjnej

1. Odtwórz plik wave za pomocą komputera lub odtwarzacza MP3.

2. Podłącz wyjście odtwarzacza MP3 zgodnie ze schematem połączeń pokazanym powyżej, zamień połączenie na lewy i prawy kanał, jeśli mierzysz cewkę indukcyjną.

3. Podłącz multimetr i ustaw pomiar na napięcie AC.

4. Odtwórz klip audio i wyreguluj potencjometr, aż odczyt napięcia spadnie do minimum. Im bliżej zera, tym dokładniejszy będzie pomiar.

5. Odłącz testowane urządzenie (DUT) i odtwarzacz MP3.

6. Przesuń przewód multimetru do R90 i ustaw pomiar na rezystancję. Zmierz wartość. 7. Zrób to samo dla R0.

8. Albo ręcznie oblicz wartość kondensatora/cewki indukcyjnej, albo użyj dostarczonego skryptu Octave/Matlab, aby rozwiązać tę wartość.

Krok 8: Tabela przybliżonej rezystancji wymaganej dla rezystora zmiennego do zrównoważenia mostka

Krok 9: Dziękuję

Dziękuję za przeczytanie tej instrukcji. To była transkrypcja strony internetowej, którą napisałem w 2009 roku