Kondensaattorin tai induktorin mittaaminen MP3 -soittimella: 9 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

Tässä on yksinkertainen tekniikka, jolla voidaan mitata tarkasti kondensaattorin ja induktorin kapasitanssi ja induktanssi ilman kalliita laitteita. Mittaustekniikka perustuu tasapainoiseen siltaan, ja se voidaan rakentaa helposti edullisista vastuksista. Tämä mittaustekniikka mittaa enemmän kuin vain kapasitanssiarvon, mutta myös kondensaattorin tehollisen sarjaresistanssin samanaikaisesti.

Tarvittavat komponentit:

1. Muutama muuttuva vastus

2. MP3 -soitin

3. Yleismittari

4. Laskin arvon määrittämiseksi

Vaihe 1: Hieman taustateoriaa

Projektin johdanto -osana otetaan LCR -silta ja sen tekeminen

yksi. Jos haluat vain tehdä LCR -sillan, ohita nämä vaiheet.

LCR -sillan toiminnan ymmärtämiseksi on tarpeen puhua kondensaattorin, vastuksen ja induktorin käyttäytymisestä vaihtovirtapiirissä. Aika pölyttää ECE101 -oppikirjasi. Resistor on helpoin ymmärtää elementtejä ryhmästä. Täydellinen vastus käyttäytyy samalla tavalla, kun DC -virta kulkee vastuksen läpi kuin AC -virran kulkiessa sen läpi. Se vastustaa virtaavaa virtaa, vaikka se hajottaa siten energiaa. Yksinkertainen suhde virran, jännitteen ja vastuksen välillä on:

R = I / V

Täydellinen kondensaattori on toisaalta puhdas energian varastointilaite. Se ei hajoa mitään energiaa, joka kulkee sen läpi. Pikemminkin, kun kondensaattorin liittimeen syötetään vaihtojännitettä, nykyinen virtaus, vaikka kondensaattori on nykyinen, tarvitaan kondensaattorin lisäämiseksi ja poistamiseksi. Tämän seurauksena kondensaattorin läpi kulkeva virta on loppunut vaiheesta sen päätejännitteeseen verrattuna. Itse asiassa se on aina 90 astetta edellä terminaalin jännitettä. Yksinkertainen tapa esittää tämä on kuvitteellisen luvun (j) käyttö:

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

Kondensaattorin tapaan induktori on puhdas energian varastointilaite. Täydellisenä kohteliaisuutena kondensaattorille induktori käyttää magneettikenttää ylläpitääkseen virtaa, joka kulkee induktorin läpi ja säätää sen päätejännitettä. Siten induktorin läpi kulkeva virta on 90 astetta liitinjännitettä edellä. Yhtälö, joka edustaa jännitteen ja virran suhdetta sen liittimessä, on:

V (j) (L) = I

Vaihe 2: Lisää teoriaa

Yhteenvetona voimme piirtää vastusvirran (Ir), induktorivirran (Ii) ja kondensaattorivirran (Ic) samaan vektorikaavioon, joka on esitetty tässä.

Vaihe 3: Lisää teoriaa

Täydellisessä maailmassa, jossa on täydellinen kondensaattori ja induktorit, saat puhtaan energian varastointilaitteen.

Todellisessa maailmassa mikään ei kuitenkaan ole täydellistä. Yksi energian varastointilaitteen avainlaadusta, olipa se kondensaattori, akku tai pumpun varastointilaite, on tallennuslaitteen tehokkuus. Prosessin aikana menetetään aina jonkin verran energiaa. Kondensaattorissa tai induktorissa tämä on laitteen parasidinen vastus. Kondensaattorissa sitä kutsutaan häviökerroimeksi ja induktorissa laatutekijäksi. Nopea tapa mallintaa tämä häviö on lisätä sarjavastus täydelliseen kondensaattoriin tai induktoriin. Siten tosielämän kondensaattori näyttää enemmän täydelliseltä vastusjoukolta ja täydelliseltä sarjaan sijoitetulta kondensaattorilta.

Vaihe 4: Wheatstonen silta

Sillassa on yhteensä neljä resistiivistä elementtiä. Siellä on myös signaalilähde ja

metriä sillan keskellä. Elementti, jota hallitsemme, on resistiiviset elementit. Resistiivisen sillan päätehtävä on sovittaa sillan vastukset. Kun silta on tasapainossa, mikä osoittaa, että vastus R11 vastaa R12 ja R21 vastaa R22, keskellä olevan mittarin lähtö menee nollaan. Tämä johtuu siitä, että virta, joka virtaa R11: n kautta, virtaa R12: sta ja virta virtaa, vaikka R21 virtaa ulos R22: sta. Jännite mittarin vasemman ja oikean puolen välillä on tällöin sama.

Sillan kauneus on signaalilähteen impedanssi eikä mittarin lineaarisuus vaikuta mittaukseen. Vaikka sinulla olisi halpa mittari, joka vie paljon virtaa mittauksen tekemiseen (esimerkiksi vanha neulatyyppinen analogimittari), se toimii silti hyvin täällä niin kauan kuin se on riittävän herkkä kertomaan sinulle, kun virtaa ei ole virtaa mittarin kautta. Jos signaalilähteellä on huomattava lähtöimpedanssi, sillan läpi kulkevan virran aiheuttama lähtöjännitteen lasku vaikuttaa samalla tavalla sillan vasemmalla puolella kuin sillan oikealla puolella. Tulos kumoaa itsensä ja silta voi silti vastustaa vastusta huomattavan tarkasti.

Tarkkaavainen lukija saattaa huomata, että silta tasapainottuu myös, jos R11 on yhtä suuri kuin R21 ja R12 on yhtä suuri kuin R22. Tätä tapausta emme aio käsitellä täällä, joten emme keskustele tästä tapauksesta enempää.

Vaihe 5: Entä reaktiivinen elementti vastuksen sijaan?

Tässä esimerkissä silta tasapainotetaan, kun Z11 vastaa Z12: tä. Pidä muotoilu yksinkertaisena, sillan oikea puoli muodostettiin vastuksilla. Yksi uusi vaatimus on, että signaalilähteen on oltava AC -lähde. Käytettävän mittarin on myös kyettävä havaitsemaan vaihtovirta. Z11 ja Z12 voivat olla mikä tahansa impedanssilähde, kondensaattori, induktori, vastus tai näiden kolmen yhdistelmä.

Toistaiseksi niin hyvin. Jos sinulla on pussi täydellisesti kalibroituja kondensaattoreita ja induktoreita, sillan avulla voit selvittää tuntemattoman laitteen arvon. Se olisi kuitenkin todella aikaa vievää ja kallista. Parempi ratkaisu kuin on löytää tapa simuloida täydellinen vertailulaite jollakin temppulla. Tässä kohtaa MP3 -soitin tulee kuvaan.

Muistatko virran, joka kulkee, vaikka kondensaattori on aina 90 astetta liitäntäjännitettä edellä? Jos voimme nyt korjata testattavan laitteen liitäntäjännitteen, voimme käyttää 90 asteen virtaa etukäteen ja simuloida kondensaattorin vaikutusta. Tätä varten meidän on ensin luotava äänitiedosto, joka sisältää kaksi siniaaltoa, joiden vaihe -ero on 90 astetta kahden aallon välillä.

Vaihe 6: Tiedon asettaminen siltaan

Kun lataat tämän aaltotiedoston MP3 -soittimeen tai toistat sen suoraan tietokoneesta, vasen ja oikea kanava tuottavat kaksi siniaaltoa samalla amplitudilla. Tästä lähtien aion käyttää yksinkertaisuuden vuoksi esimerkkinä kondensaattoria. Sama periaate koskee kuitenkin myös induktoreita, paitsi että viritetyn signaalin on sen sijaan oltava 90 astetta jäljessä.

Piirretään ensin silta testattavalla laitteella, jota edustaa täydellinen kondensaattori sarjassa täydellisen vastuksen kanssa. Signaalilähde on myös jaettu kahteen signaaliin, jolloin yksi signaalivaihe on siirtynyt 90 astetta, kun viitataan toiseen signaaliin.

Tässä on nyt pelottava osa. Meidän täytyy sukeltaa matematiikkaan, joka kuvaa tämän piirin toimintaa. Tarkastellaan ensin jännitettä mittarin oikealla puolella. Suunnittelun yksinkertaistamiseksi on parasta valita oikealla puolella oleva vastus yhtä suureksi, joten Rm = Rm ja jännite Vmr: ssä ovat puolet Vref: stä.

Vmr = Vref / 2

Seuraavaksi, kun silta on tasapainossa, jännite mittarin vasemmalla ja oikealla puolella on täsmälleen sama, ja vaihe vastaa myös tarkasti. Siten Vml on myös puolet Vrefistä. Tämän avulla voimme kirjoittaa muistiin:

Vml = Vref / 2 = Vcc + Vrc

Yritetään nyt kirjoittaa ylös R90: n ja R0: n kautta kulkeva virta:

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

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

Lisäksi testattava laite kulkee tällä hetkellä:

Ic = Ir0 + Ir90

Oletetaan nyt, että testattava laite on kondensaattori ja haluamme, että Vz johtaa Vref: ää 90 astetta ja

tehdä laskemisesta yksinkertaista, voimme normalisoida Vz: n ja Vref: n jännitteen 1 V: ksi. Voimme sitten sanoa:

Vz = j, Vref = 1

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

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

Kaikki yhdessä:

Ic = Vml / (-j Xc + Rc)

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

Missä Xc on täydellisen kapasitanssin Cc impedanssi.

Siten tasapainottamalla silta ja selvittämällä R0- ja R90 -arvot on helppo laskea kokonaisvirta testattavan laitteen Ic kautta. Käyttämällä viimeistä yhtälöä, johon saavuimme, voimme laskea täydellisen kapasitanssin ja sarjaresistanssin impedanssin. Kun tiedät kondensaattorin impedanssin ja käytetyn signaalin taajuuden, on helppo selvittää testattavan laitteen kapasitanssi:

Xc = 1 / (2 x π F C)

Vaihe 7: Vaihe kondensaattorin tai induktorin arvon mittaamiseen

1. Toista aaltotiedosto tietokoneella tai MP3 -soittimella.

2. Liitä MP3 -soittimen ulostulo yllä olevan kytkentäkaavion mukaisesti, vaihda liitäntä vasempaan ja oikeaan kanavaan, jos mittaat induktoria.

3. Liitä yleismittari ja aseta mittaus AC -jännitteelle.

4. Toista äänileike ja säädä trimmausastiaa, kunnes jännitteen lukema laskee minimiin. Mitä lähempänä nollaa, sitä tarkempi mittaus on.

5. Irrota testattava laite (DUT) ja MP3 -soitin.

6. Siirrä yleismittarin johto asentoon R90 ja aseta vastuksen mittaus. Mittaa arvo. 7. Tee sama R0: lle.

8. Laske joko manuaalisesti kondensaattorin/induktorin arvo tai ratkaise arvo käyttämällä mukana toimitettua Octave/Matlab -skriptiä.

Vaihe 8: Taulukko likimääräisestä resistanssista, jota muuttuva vastus vaatii sillan tasapainottamiseksi

Vaihe 9: Kiitos

Kiitos, että luit tämän ohjeen. Tämä oli vuonna 2009 kirjoittamani verkkosivun transkriptio