Käytä kondensaattoreita lämpötilan mittaamiseen: 9 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:02

Tämä projekti syntyi, koska ostin kondensaattorisarjan, jossa oli pääasiassa X7R (hyvälaatuisia) kondensaattoreita, mutta jotkut suuremmista arvoista 100nF ja enemmän olivat halvempia ja vähemmän vakaita Y5V -dielektrisiä, joissa on valtava lämpötila- ja käyttöjännitteen muutos. En yleensä käyttäisi Y5V: tä suunnittelemassani tuotteessa, joten yritin löytää niille vaihtoehtoisia käyttötarkoituksia sen sijaan, että antaisin niiden istua hyllyllä ikuisesti.

Halusin nähdä, voitaisiinko lämpötilan muutosta hyödyntää hyödyllisen ja erittäin edullisen anturin valmistamiseksi, ja kuten näet seuraavien sivujen aikana, se oli melko yksinkertaista, ja tarvittiin vain yksi muu komponentti.

Vaihe 1: Teoria

Ensinnäkin se auttaa tuntemaan hieman kondensaattoreiden rakenteesta ja saatavilla olevista tyypeistä. Keraamiset kondensaattorit koostuvat useista metallilevyistä tai "levyistä", jotka on erotettu eristimellä, joka tunnetaan nimellä dielektrinen. Tämän materiaalin ominaisuudet (paksuus, keraamityyppi, kerrosten määrä) antavat kondensaattorille sen ominaisuudet, kuten käyttöjännitteen, kapasitanssin, lämpötilakerroimen (kapasitanssin muutos lämpötilan mukaan) ja käyttölämpötila -alueen. Saatavilla on melko vähän dielektrisiä, mutta suosituimmat on esitetty kaaviossa.

NP0 (kutsutaan myös C0G: ksi) - nämä ovat parhaita, eivät käytännössä muuta lämpötilaa, mutta ne ovat yleensä saatavilla vain pienille kapasitanssiarvoille picoFarad- ja matalalla nanoFarad -alueella.

X7R - nämä ovat kohtuullisia, ja vain pieni prosenttiosuus muuttuu toiminta -alueella.

Y5V - kuten näet, nämä ovat kaavion jyrkin käyrä, jonka huippu on noin 10 C. Tämä rajoittaa jonkin verran vaikutuksen hyödyllisyyttä, koska jos anturilla on mahdollisuus koskaan laskea alle 10 astetta, on mahdotonta määrittää, kumpi puoli huippua se on.

Muut kaaviossa esitetyt dielektrikot ovat välivaiheita edellä kuvatun kolmen suosituimman välillä.

Joten miten voimme mitata tämän? Mikro -ohjaimella on logiikkataso, jolla sen tuloja pidetään korkeina. Jos lataamme kondensaattorin vastuksen kautta (latausajan säätämiseksi), korkean tason saavuttamiseen kuluva aika on verrannollinen kapasitanssiarvoon.

Vaihe 2: Kerää materiaalit

Tarvitset:

• Y5V kondensaattorit, käytin 100nF 0805 kokoa.
• Pieniä prototyyppikortteja kondensaattoreiden asentamiseen.
• Lämpökutistus eristää anturit. Vaihtoehtoisesti voit upottaa ne epoksiin tai käyttää eristysteippiä.
• Verkkokaapeli, joka voidaan irrottaa, jolloin saadaan 4 kierrettyä paria. Ei ole pakollista käyttää kierrettyä paria, mutta kiertäminen auttaa vähentämään sähköistä kohinaa.
• Mikrokontrolleri - Käytin Arduinoa, mutta mikä tahansa
• Vastukset - Käytin 68k, mutta tämä riippuu kondensaattorisi koosta ja mittauksen tarkkuudesta.

Työkalut:

• Juotin.
• Prototyyppikortti mikrokontrollerin/Arduinon asentamiseen.
• Lämpöpistooli jäähdytyselementille. Tupakansytytintä voidaan käyttää myös hieman huonommin.
• Infrapunalämpömittari tai termopari anturien kalibroimiseksi.
• Pinsetit.

Vaihe 3: Juotta kondensaattorit

Tässä ei tarvita selityksiä - asenna ne levyllesi haluamallasi juotosmenetelmällä ja kiinnitä kaksi johtoa.

Vaihe 4: Eristä anturit

Asenna sopivan kokoinen jäähdytysputki anturien päälle varmistaen, että sen päät eivät paljastu, ja kutista se kuumalla ilmalla.

Vaihe 5: Asenna vastus ja kytke anturi

Valitsin seuraavan pinoutin.

PIN3: Lähtö

PIN2: Syöttö

Vaihe 6: Kirjoita ohjelmisto

Perusmittaustekniikka on esitetty yllä. Selittääkseen, miten se toimii, millis () -komennon käyttäminen palauttaa millisekuntien määrän Arduinon käynnistyksen jälkeen. Jos otat lukeman mittauksen alussa ja lopussa ja vähennät lähtöarvon lopusta, saat kondensaattorin lataamiseen kuluvan ajan millisekunteina.

Mittauksen jälkeen on erittäin tärkeää asettaa lähtötappi matalalle kondensaattorin purkamiseksi ja odottaa asianmukaista aikaa ennen mittauksen toistamista, jotta kondensaattori on täysin tyhjä. Minun tapauksessani sekunti riitti.

Sitten heitin tulokset sarjaportista, jotta voisin tarkkailla niitä. Aluksi huomasin, että millisekunnit eivät olleet riittävän tarkkoja (antavat vain yhden lukuarvon), joten muutin sen käyttämään komentoa micros () saadaksesi tuloksen mikrosekunneissa, jotka odotetusti olivat noin 1000 -kertaiset edelliseen arvoon verrattuna. Ympäristön arvo noin 5000: ssä vaihteli merkittävästi, joten lukemisen helpottamiseksi jaoin 10: llä.

Vaihe 7: Suorita kalibrointi

Otin lukemat 27,5 ° C: ssa (huoneenlämpötila - kuuma täällä Yhdistyneessä kuningaskunnassa!), Asensin sitten anturipaketin jääkaappiin ja annoin niiden jäähtyä noin 10 ° C: seen tarkistamalla infrapunalämpömittarin. Otin toisen lukumäärän ja laitoin ne sitten uuniin sulatusasetukseen ja seurasin jatkuvasti lämpömittarilla, kunnes ne olivat valmiita tallentamaan 50 ° C: ssa.

Kuten yllä olevista käyristä näet, tulokset olivat melko lineaarisia ja johdonmukaisia kaikissa 4 anturissa.

Vaihe 8: Ohjelmistokierros 2

Muutin nyt ohjelmistoa Arduino -karttatoiminnolla, jotta alku- ja yläkeskiarvot laskettaisiin uudelleen arvoista 10C ja 50C.

Kaikki toimii suunnitellusti, tein muutaman tarkistuksen koko lämpötila -alueella.

Vaihe 9: Projektin yhteenveto - hyvät ja huonot puolet

Joten sinulla on se, lämpötila -anturi alle 0,01 puntaa komponenteissa.

Joten miksi et halua tehdä tätä projektissasi?

• Kapasitanssi vaihtelee syöttöjännitteen mukaan, joten on käytettävä säädeltyä virtalähdettä (ei saa virtaa suoraan akusta) ja jos päätät vaihtaa virtalähdettä, sinun on kalibroitava anturit uudelleen.
• Kapasitanssi ei ole ainoa asia, joka muuttuu lämpötilan myötä - ota huomioon, että mikrokontrolleriisi syöttämäsi korkea kynnys voi muuttua lämpötilan mukaan, eikä sitä yleensä määritellä taulukossa tarkasti.
• Vaikka 4 kondensaattoria olivat kaikki melko johdonmukaisia, ne olivat samasta erästä ja samasta komponenttikelasta, enkä rehellisesti sanoen tiedä, kuinka huono erän vaihtelu olisi.
• Jos haluat mitata vain matalia (alle 10 ° C) tai korkeita lämpötiloja (yli 10 ° C), tämä on OK, mutta suhteellisen hyödytön, jos sinun on mitattava molemmat.
• Mittaus on hidasta! Kondensaattori on purettava kokonaan ennen kuin voit mitata uudelleen.

Toivon, että tämä projekti on antanut sinulle ideoita ja ehkä inspiroi sinua käyttämään muita komponentteja muihin tarkoituksiin kuin ne oli tarkoitettu.