Kondensatorer i robotik: 4 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

Motiveringen för denna instruerbara är den längre som utvecklas, som följer utvecklingen genom Texas Instruments Robotics System Learning Kit Lab Course. Och motivationen för den kursen är att bygga (bygga om) en bättre och mer robust robot. Också till hjälp är "Avsnitt 9: Spänning, effekt och energilagring i en kondensator, DC Engineering Circuit Analysis", tillgänglig på MathTutorDvd.com.

Det finns många frågor som man måste vara orolig för när man bygger en stor robot, som man mest kan ignorera när man bygger en liten eller leksaksrobot.

Att vara mer bekant eller kunnig om kondensatorer kan hjälpa dig i ditt nästa projekt.

Steg 1: Delar och utrustning

Om du vill leka med, undersöka och dra dina egna slutsatser, här är några delar och utrustning som skulle vara till hjälp.

• olika värdemotstånd
• olika värdekondensatorer
• bygelkablar
• en tryckknappsbrytare
• en brödbräda
• ett oscilloskop
• en voltmätare
• en funktion/signalgenerator

I mitt fall har jag ingen signalgenerator, så jag var tvungen att använda en mikrokontroller (en MSP432 från Texas Instruments). Du kan få några tips om hur du gör en själv från denna andra instruerbara.

(Om du bara vill att mikrokontrollerkortet ska göra dina egna saker (jag skriver en serie instruktioner som kan vara till hjälp) är utvecklingsbordet MSP432 i sig relativt billigt till cirka $ 27 USD. Du kan kolla med Amazon, Digikey, Newark, Element14 eller Mouser.)

Steg 2: Låt oss ta en titt på kondensatorer

Låt oss föreställa oss ett batteri, en tryckknappsbrytare (Pb), ett motstånd (R) och en kondensator alla i serie. I en sluten slinga.

Vid tiden noll t (0), med Pb öppen, skulle vi inte mäta någon spänning över vare sig motståndet eller kondensatorn.

Varför? Att svara på detta för motståndet är enkelt - det kan bara finnas en uppmätt spänning när det rinner ström genom motståndet. Över ett motstånd, om det finns en skillnad i potential, som orsakar en ström.

Men eftersom omkopplaren är öppen kan det inte finnas någon ström. Ingen spänning (Vr) över R.

Vad sägs om kondensatorn. Tja.. igen, det finns ingen ström i kretsen för tillfället.

Om kondensatorn är helt urladd betyder det att det inte kan finnas någon potentialskillnad mätbar över dess terminaler.

Om vi trycker (stänger) Pb vid t (a) blir det intressant. Som vi indikerade i en av videorna börjar kondensatorn som urladdat. Samma spänningsnivå vid varje terminal. Se det som en kortsluten tråd.

Även om inga riktiga elektroner strömmar genom kondensatorn internt finns det positiv laddning som börjar bildas vid ena terminalen och negativ laddning vid den andra terminalen. Det verkar då (externt) som om det verkligen finns ström.

Eftersom kondensatorn är i sitt mest urladdade tillstånd är det just då den har mest kapacitet att ta emot en laddning. Varför? För när det laddas betyder det att det finns en mätbar potential över dess terminal, och det betyder att det är närmare i värde till den applicerade batterispänningen. Med mindre skillnad mellan applicerat (batteri) och ökad laddning (spänning), blir det mindre drivkraft för att fortsätta ackumulera laddning i samma takt.

Den ackumulerade laddningshastigheten minskar när tiden går. Vi såg det i både videoklippen och i L. T. Spice -simuleringen.

Eftersom det är i början som kondensatorn vill acceptera mest laddning, fungerar den som en tillfällig kortslutning för resten av kretsen.

Det betyder att vi får mest ström genom kretsen vid starten.

Vi såg detta på bilden som visar L. T. Spice -simuleringen.

När en kondensator laddar, och den utvecklar spänning över sina terminaler närmar sig den applicerade spänningen, minskar drivkraften eller laddningsförmågan. Tänk på det - ju mer av en spänningsskillnad över något, desto större möjlighet till strömflöde. Stor spänning = möjlig stor ström. Liten spänning = möjlig liten ström. (Vanligtvis).

Därför när en kondensator når spänningsnivån för det applicerade batteriet, ser det då ut som en öppen eller brytning i kretsen.

Så, en kondensator börjar som en kort och slutar som en öppen. (Att vara väldigt förenklad).

Så igen, maxström i början, minsta ström i slutet.

Återigen, om du försöker mäta en spänning över en kort, kommer du inte att se någon.

Så, i en kondensator är strömmen som störst när spänningen (över kondensatorn) är på noll, och strömmen är minst när spänningen (över kondensatorn) är som störst.

Tillfällig lagring och energiförsörjning

Men det finns mer, och det är den här delen som kan vara till hjälp i våra robotkretsar.

Låt oss säga att kondensatorn är laddad. Det är vid den applicerade batterispänningen. Om den applicerade spänningen av någon anledning skulle sjunka ("hänga"), kanske på grund av vissa överdrivna strömbehov i kretsarna, i så fall kommer ström att synas strömma ut ur kondensatorn.

Låt oss alltså säga att ingångsspänningen inte är en bergartad nivå som vi behöver. En kondensator kan hjälpa till att jämna ut de (korta) dippen.

Steg 3: En applikation av kondensatorer - filterbrus

Hur kan en kondensator hjälpa oss? Hur kan vi tillämpa det vi har observerat om en kondensator?

Låt oss först modellera något som händer i verkligheten: en bullrig kraftskena i vår robots kretsar.

Vi använde L. T. Spice, vi kan konstruera en krets som hjälper oss att analysera digitalt brus som kan dyka upp i vår robots kretsar. Bilderna visar kretsen och Spices modellering av de resulterande power rail -spänningsnivåerna.

Anledningen till att Spice kan modellera det är att kretsens strömförsörjning ("V.5V. Batt") har lite internt motstånd. Bara för sparkar fick jag den att ha 1ohm internt motstånd. Om du modellerar detta men inte får röstkällan att ha ett internt motstånd, kommer du inte att se järnvägsspänningsfallet på grund av det digitala bruset, för då är spänningskällan en "perfekt källa".