Как да измерите кондензатор или индуктор с Mp3 плейър: 9 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:50

Ето една проста техника, която може да се използва за точно измерване на капацитета и индуктивността на кондензатор и индуктор без скъпо оборудване. Измервателната техника е базирана на балансиран мост и може лесно да бъде конструирана от евтини резистори. Тази техника на измерване измерва не само стойността на капацитета, но и ефективното последователно съпротивление на кондензатора едновременно.

Необходими компоненти:

1. Малко променливи резистори

2. MP3 плейър

3. Мултицет

4. Калкулатор за определяне на стойността

Стъпка 1: Малко теория на фона

Като въведение в проекта, нека вземем какво е LCR мост и какво е необходимо да се направи

един. Ако просто искате да направите LCR мост, пропуснете тези стъпки.

За да се разбере работата на LCR мост, е необходимо да се говори за това как се държат кондензатор, резистор и индуктор в AC верига. Време е за прах от вашия учебник ECE101. Резисторът е най -лесният за разбиране елементи извън групата. Перфектният резистор се държи по същия начин, когато постоянен ток преминава през резистора, както когато преминава променлив ток през него. Той осигурява устойчивост на протичащия ток, въпреки че по този начин разсейва енергията при това. Простата връзка между тока, напрежението и съпротивлението е:

R = I / V

Перфектният кондензатор, от друга страна, е устройство за съхранение на чиста енергия. Той не разсейва никаква енергия, която преминава през него. По -скоро, тъй като към терминал на кондензатор се прилага променливо напрежение, токът през кондензатора е необходим, за да се добави и премахне заряда от кондензатора. В резултат на това токът, протичащ през кондензатора, е извън фаза в сравнение с напрежението на терминала. Всъщност винаги е с 90 градуса пред напрежението на терминала. Най -простият начин да се представи това е използването на въображаемо число (j):

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

Подобно на кондензатора, индукторът е устройство за съхранение на чиста енергия. Като точен комплимент към кондензатора, индукторът използва магнитно поле, за да поддържа тока, преминаващ през индуктора, като регулира при това неговото клемно напрежение. По този начин токът, протичащ през индуктора, е с 90 градуса пред напрежението на терминала. Уравнението, което представлява връзката напрежение и ток в неговия терминал, е:

V (j) (L) = I

Стъпка 2: Повече теория

Като обобщение можем да начертаем тока на резистора (Ir), тока на индуктора (Ii) и тока на кондензатора (Ic) на една и съща векторна диаграма, показана тук.

Стъпка 3: Повече теория

В перфектен свят с перфектен кондензатор и индуктори получавате чисто устройство за съхранение на енергия.

В реалния свят обаче нищо не е перфектно. Едно от ключовите качества на устройството за съхранение на енергия, било то кондензатор, батерия или устройство за съхранение на помпа, е ефективността на устройството за съхранение. По време на процеса винаги се губи известно количество енергия. В кондензатор или индуктор това е парацидна устойчивост на устройството. В кондензатор той се нарича дисипационен фактор, а в индуктор - фактор на качеството. Бърз начин да се моделира тази загуба е да се добави последователно съпротивление в серия от перфектен кондензатор или индуктор. По този начин реалният кондензатор прилича повече на перфектен резистор и перфектен последователно кондензатор.

Стъпка 4: Мостът Уитстоун

В моста има общо четири резистивни елемента. Има и източник на сигнал и a

метър в центъра на моста. Елементът, който контролираме, са резистивните елементи. Основната функция на резистивния мост е да съответства на съпротивленията в моста. Когато един мост е балансиран, което показва, че резисторът R11 съвпада с R12 и R21 съвпада с R22, изходът на измервателния уред в центъра отива до нула. Това е така, защото токът, който изтича, въпреки че R11 изтича от R12, и токът, въпреки че R21 изтича от R22. След това напрежението между лявата страна на глюкомера и дясната страна на измервателния уред ще бъде идентично.

Красотата на моста е импедансът на източника на източника на сигнал и линейността на измервателния уред не влияе на измерването. Дори ако имате евтин измервателен уред, който отнема много ток, за да извърши измерването (да речем, стар аналогов измервателен уред от тип игла), той все още върши добра работа тук, стига да е достатъчно чувствителен, за да ви каже, когато няма ток тече през глюкомера. Ако източникът на сигнал има значителен изходен импеданс, спадът на изходното напрежение, причинен от тока, който преминава през моста, има същия ефект от лявата страна на моста като дясната страна на моста. Нетният резултат се отменя и мостът все още може да съответства на съпротивлението със забележителна степен на точност.

Наблюдателният читател може да забележи, че мостът също ще балансира, ако R11 е равен на R21 и R12 е равен на R22. Това е случаят, който няма да разглеждаме тук, така че няма да обсъждаме този случай допълнително.

Стъпка 5: Какво ще кажете за реактивен елемент вместо резистори?

В този пример мостът ще бъде балансиран, след като Z11 съответства на Z12. Поддържайки дизайна прост, дясната страна на моста е изградена с помощта на резистори. Едно ново изискване е източникът на сигнал да бъде източник на променлив ток. Използваният измервателен уред трябва също така да може да открива променлив ток. Z11 и Z12 могат да бъдат всеки източник на импеданс, кондензатор, индуктор, резистор или комбинация от трите.

Дотук добре. Ако имате торба с перфектно калибрирани кондензатори и индуктори, би било възможно да използвате моста, за да разберете стойността на неизвестното устройство. Това обаче би отнело много време и би било скъпо. По -добро решение от това е да се намери начин да се симулира перфектното референтно устройство с някакъв трик. Това е мястото, където MP3 плейърът влиза в картината.

Помните ли тока, който тече, въпреки че кондензаторът винаги е на 90 градуса пред напрежението на терминала? Сега, ако можем да фиксираме напрежението на терминала на изпитваното устройство, би било възможно да приложим ток, който е 90 градуса предварително и да симулираме ефекта на кондензатор. За да направим това, първо трябва да създадем аудио файл, който съдържа две синусоиди с фазова разлика от 90 градуса между двете вълни.

Стъпка 6: Преместване на това, което знаем в мост

Качвайки този вълнов файл в MP3 плейъра или го възпроизвеждайки директно от компютъра, левият и десният канал произвежда двете синусоидни вълни със същата амплитуда. От този момент нататък ще използвам кондензатор като пример с оглед на простотата. Същият принцип обаче е приложим и за индуктори, с изключение на това, че възбуденият сигнал трябва да изостава на 90 градуса.

Нека първо прекроим моста с тествано устройство, представено от перфектен последователно кондензатор с перфектен резистор. Източникът на сигнал също се разделя на два сигнала с една фаза на сигнала, изместена с 90 градуса, когато се позовава на другия сигнал.

Сега ето страшната част. Трябва да се потопим в математиката, която описва работата на тази схема. Първо, нека разгледаме напрежението от дясната страна на глюкомера. За да бъде дизайнът прост, най -добре е да изберете резистора от дясната страна да бъде равен, така че Rm = Rm и напрежението при Vmr е половината от Vref.

Vmr = Vref / 2

След това, когато мостът е балансиран, напрежението вляво от измервателния уред и вдясно от измервателния уред ще бъде точно равно и фазата също ще съвпадне точно. По този начин Vml също е половината от Vref. С това можем да запишем:

Vml = Vref / 2 = Vcc + Vrc

Нека сега се опитаме да запишем тока, протичащ през R90 и R0:

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

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

Също така, течащият ток през изпитваното устройство е:

Ic = Ir0 + Ir90

Да предположим, че изпитваното устройство е кондензатор и искаме Vz да води Vref на 90 градуса и до

направете изчислението просто, можем да нормализираме напрежението на Vz и Vref до 1V. Тогава можем да кажем:

Vz = j, Vref = 1

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

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

Всички заедно:

Ic = Vml / (-j Xc + Rc)

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

Където Xc е импедансът на перфектния капацитет Cc.

По този начин чрез балансиране на моста и откриване на стойността на R0 и R90 е лесно да се изчисли общият ток чрез тестваното устройство Ic. Използвайки крайното уравнение, до което стигнахме, можем да изчислим импеданса на перфектния капацитет и серийното съпротивление. Познавайки импеданса на кондензатора и честотата на приложения сигнал, е лесно да разберете капацитета на изпитваното устройство чрез:

Xc = 1 / (2 x π F C)

Стъпка 7: Стъпка в измерването на стойността на кондензатора или индуктора

1. Пуснете вълновия файл с компютър или MP3 плейър.

2. Свържете изхода на MP3 плейъра, както е показано по -горе на електрическата схема, разменете връзката към левия и десния канал, ако измервате индуктор.

3. Свържете мултицета и настройте измерването на променливотоково напрежение.

4. Пуснете аудио клипа и регулирайте гарнитурата, докато показанието на напрежението спадне до минимум. Колкото по -близо до нулата, толкова по -точно ще бъде измерването.

5. Изключете тестваното устройство (DUT) и MP3 плейъра.

6. Преместете кабела на мултицета в R90 и задайте измерването на съпротивлението. Измерете стойността. 7. Направете същото за R0.

8. Или изчислете ръчно стойността на кондензатора/индуктора или използвайте предоставения скрипт Octave/Matlab, за да разрешите стойността.

Стъпка 8: Таблица с приблизително съпротивление, необходимо за променливия резистор за балансиране на моста

Стъпка 9: Благодаря ви

Благодарим ви, че прочетохте тази инструкция. Това беше транскрипция на уеб страница, която написах през 2009 г.