Hur man mäter en kondensator eller en induktor med mp3 -spelare: 9 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:38

Här är en enkel teknik som kan användas för att mäta exakt kapacitans och induktans hos en kondensator och induktor utan dyr utrustning. Mättekniken är baserad på balanserad brygga och kan enkelt konstrueras av billiga motstånd. Denna mätteknik mäter mer än bara kapacitansvärdet, men också kondensatorns effektiva seriemotstånd samtidigt.

Komponenter som krävs:

1. Få variabla motstånd

2. En MP3 -spelare

3. En multimeter

4. En miniräknare för att räkna ut värdet

Steg 1: Lite bakgrundsteori

Som en introduktion till projektet, låt oss ta vad som är en LCR -bro och vad som krävs för att göra

ett. Om du bara vill skapa en LCR -bro, hoppa över dessa steg.

För att förstå hur en LCR -bro fungerar, är det nödvändigt att prata om hur en kondensator, ett motstånd och en induktor beter sig i en växelströmskrets. Dags att damma av din ECE101 -lärobok. Motstånd är det lättaste att förstå element ur gruppen. Ett perfekt motstånd beter sig likadant när en likström passerar genom motståndet som när en växelström passerar genom det. Det ger motstånd mot strömmen som flödar, men det tappar därför energi genom att göra det. Det enkla förhållandet mellan ström, spänning och motstånd är:

R = I / V

En perfekt kondensator är å andra sidan en ren energilagringsenhet. Det försvinner inte någon energi som går igenom. När en AC -spänning appliceras på en kondensatorterminal, krävs snarare strömflödet genom kondensatorn för att lägga till och ta bort chage från kondensatorn. Som ett resultat strömmar strömmen genom kondensatorn ur fas när den jämförs med dess terminalspänning. Faktum är att det alltid är 90 grader före spänningen över dess terminal. Det enkla sättet att representera detta är användningen av tänkt tal (j):

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

Liksom kondensatorn är induktorn en ren energilagringsenhet. Som en exakt komplimang till kondensatorn använder induktorn magnetfält för att bibehålla strömmen som passerar genom induktorn, och justerar dess terminalspänning. Således är strömmen som strömmar genom induktorn 90 grader före terminalspänningen. Ekvationen representerar spänningen och strömförhållandet över dess terminal är:

V (j) (L) = I

Steg 2: Mer teori

Som en sammanfattning kan vi rita motståndsströmmen (Ir), induktorströmmen (Ii) och kondensatorströmmen (Ic) alla på samma vektordiagram, som visas här.

Steg 3: Mer teori

I en perfekt värld med perfekta kondensatorer och induktorer får du en ren energilagringsenhet.

Men i en verklig värld är ingenting perfekt. En av nyckelkvaliteten för energilagringsenhet, kan det vara en kondensator, ett batteri eller en pumplagringsenhet, är lagringsenhetens effektivitet. En viss mängd energi går alltid förlorad under processen. I en kondensator eller induktor är detta enhetens paracidmotstånd. I en kondensator kallas det dissipationsfaktorn, och i en induktor kallas det kvalitetsfaktorn. Ett snabbt sätt att modellera denna förlust är att lägga till ett seriemotstånd i serier av en pefekt kondensator eller induktor. Således ser en verklig kondensator mer ut som en perfekt resistor och en perfekt kondensator i serie.

Steg 4: Wheatstone Bridge

Det finns totalt fyra resistiva element i en bro. Det finns också en signalkälla och en

meter i mitten av bron. Elementet vi har kontroll är de resistiva elementen. Den resistiva bryggans huvudfunktion är att matcha motstånden i bron. När en bro är balanserad, vilket indikerar att motståndet R11 matchar R12 och R21 matchar R22, går utgången på mätaren i mitten till noll. Detta beror på att strömmen som flödet även om R11 rinner ut från R12 och strömflödet även om R21 flödar ut från R22. Spänningen mellan mätarens vänstra sida och mätarens högra sida blir då identisk.

Bryggans skönhet är signalkällans källimpedans och mätarens linearitet påverkar inte mätningen. Även om du har en billig mätare som tar mycket ström för att göra mätningen (säg en gammal nåltyp analog mätare), gör den fortfarande ett bra jobb här så länge den är tillräckligt känslig för att berätta när det inte finns någon ström rinner genom mätaren. Om signalkällan har en väsentlig utgångsimpedans har nedgången i utspänningen orsakad av strömmen som går även om bron har samma effekt på bryggans vänstra sida som höger sida av bron. Nettoresultatet avbryter sig själv och bron kan fortfarande matcha motståndet till en anmärkningsvärd noggrannhet.

Observant läsare kanske märker att bron också balanserar om R11 är lika med R21 och R12 är lika med R22. Detta är fallet som vi inte kommer att överväga här, så vi kommer inte att diskutera detta fall ytterligare.

Steg 5: Vad sägs om ett reaktivt element istället för motstånd?

I detta exempel kommer bron att balanseras när Z11 matchar Z12. Att hålla designen enkel, höger sida av bron består av motstånd. Ett nytt krav är att signalkällan måste vara en växelströmskälla. Mätaren som används måste också kunna detektera växelström. Z11 och Z12 kan vara vilken impedanskälla som helst, kondensator, induktor, motstånd eller kombination av alla tre.

Än så länge är allt bra. Om du får en påse med perfekt kalibrerade kondensatorer och induktorer skulle det vara möjligt att använda bron för att ta reda på värdet på den okända enheten. Det skulle dock vara riktigt tidskrävande och dyrt. En bättre lösning än, är att hitta ett sätt att simulera den perfekta referensenheten med några knep. Det är här MP3 -spelaren kommer in i bilden.

Kommer du ihåg att strömmen flödar även om en kondensator alltid är 90 grader före dess spänning? Om vi nu kan fixa terminalens spänning på enheten som testas, skulle det vara möjligt för oss att applicera en ström som är 90 grader i förväg och simulera effekten av en kondensator. För att göra detta måste vi först skapa en ljudfil som innehåller två sinusvågor med en fasskillnad på 90 grader mellan de två vågorna.

Steg 6: Sätta det vi vet i en bro

Om du laddar upp denna vågfil till MP3 -spelaren eller spelar upp den direkt från datorn, producerar vänster och höger kanal två sinusvågor med samma amplitud. Från och med nu kommer jag att använda kondensator som exempel för enkelhetens skull. Samma princip är emellertid tillämplig även på induktorer, förutom att den exciterade signalen måste vara 90 graders eftersläpning istället.

Låt oss först rita om bron med enheten under test representerad av en perfekt kondensator i serie med ett perfekt motstånd. Signalkällan delas också upp i två signaler med en signalfas förskjuten med 90 grader när den refererar till den andra signalen.

Nu är här den läskiga delen. Vi måste dyka in i matematiken som beskriver hur denna krets fungerar. Låt oss först titta på spänningen till höger om mätaren. För att göra designen enkel är det bäst att välja motståndet på höger sida för att vara lika, så Rm = Rm och spänning vid Vmr är hälften av Vref.

Vmr = Vref / 2

När bron sedan är balanserad kommer spänningen till vänster om mätaren och höger om mätaren att vara exakt lika, och fasen kommer också att matcha exakt. Således är Vml också hälften av Vref. Med detta kan vi skriva ner:

Vml = Vref / 2 = Vcc + Vrc

Låt oss nu försöka skriva ner strömmen som flyter genom R90 och R0:

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

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

Den ström som flyter genom enheten som testas är också:

Ic = Ir0 + Ir90

Antag nu att enheten som testas är en kondensator och vi vill att Vz ska leda Vref med 90 grader och till

gör beräkningen enkel, vi kan normalisera spänningen för Vz och Vref till 1V. Vi kan då säga:

Vz = j, Vref = 1

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

Ir90 = (j - 0.5) / (R90)

Alla tillsammans:

Ic = Vml / (-j Xc + Rc)

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

Där Xc är impedansen för den perfekta kapacitansen Cc.

Således, genom att balansera bron och ta reda på värdet på R0 och R90, är det enkelt att beräkna den totala strömmen genom enheten under test Ic. Använd den slutliga ekvationen vi kom till, vi kan beräkna impedansen för den perfekta kapacitansen och seriemotståndet. Genom att känna till kondensatorimpedansen och frekvensen för den applicerade signalen är det lätt att ta reda på kapacitansen för den enhet som testas genom att:

Xc = 1 / (2 x π F C)

Steg 7: Steg för att mäta kondensatorn eller induktorns värde

1. Spela vågfilen med en PC eller en MP3 -spelare.

2. Anslut MP3 -spelarens utgång enligt kopplingsschemat som visas ovan, byt anslutning till vänster och höger kanal om du mäter induktor.

3. Anslut multimetern och ställ in mätningen på växelspänning.

4. Spela upp ljudklippet och justera trimpotten tills spänningsavläsningen sjunker till minimum. Ju närmare noll desto mer exakt blir mätningen.

5. Koppla bort enheten som testas (DUT) och MP3 -spelaren.

6. Flytta multimeterledaren till R90 och ställ in mätningen på resistans. Mät värdet. 7. Gör samma sak för R0.

8. Beräkna antingen kondensator/induktorvärdet manuellt, eller använd det medföljande Octave/Matlab -skriptet för att lösa värdet.

Steg 8: En tabell över ungefärligt motstånd som krävs för att det variabla motståndet ska balansera bron

Steg 9: Tack

Tack för att du läser detta instruerbara. Detta var en transkription av en webbsida som jag skrev 2009