Come misurare un condensatore o un induttore con un lettore Mp3: 9 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:00

Ecco una tecnica semplice che può essere utilizzata per misurare con precisione la capacità e l'induttanza di un condensatore e un induttore senza apparecchiature costose. La tecnica di misura si basa su un ponte bilanciato e può essere costruita facilmente da resistori economici. Questa tecnica di misurazione non misura solo il valore della capacità, ma anche l'effettiva resistenza in serie del condensatore allo stesso tempo.

Componenti richiesti:

1. Pochi resistori variabili

2. Un lettore MP3

3. Un multimetro

4. Una calcolatrice per calcolare il valore

Passaggio 1: un po' di teoria del background

Come introduzione al progetto, prendiamo cos'è un bridge LCR e cosa serve per realizzarlo

uno. Se vuoi solo creare un bridge LCR, salta questi passaggi.

Per comprendere il funzionamento di un ponte LCR, è necessario parlare di come si comportano un condensatore, un resistore e un induttore in un circuito CA. È ora di rispolverare il tuo libro di testo ECE101. Il resistore è l'elemento più facile da capire del gruppo. Un resistore perfetto si comporta allo stesso modo quando una corrente continua passa attraverso il resistore come quando passa una corrente alternata. Fornisce resistenza alla corrente che scorre anche se in tal modo dissipa energia nel farlo. La semplice relazione tra corrente, tensione e resistenza è:

R = I / V

Un condensatore perfetto, d'altra parte, è un puro dispositivo di accumulo di energia. Non dissipa alcuna energia che lo attraversa. Piuttosto, quando viene applicata una tensione CA a un terminale del condensatore, il flusso di corrente attraverso il condensatore è corrente necessaria per aggiungere e rimuovere il chage dal condensatore. Di conseguenza, la corrente che scorre attraverso il condensatore è sfasata rispetto alla sua tensione terminale. In effetti, è sempre 90 gradi avanti rispetto alla tensione ai capi del suo terminale. Il modo più semplice per rappresentarlo è l'uso del numero immaginario (j):

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

Simile al condensatore, l'induttore è un dispositivo di accumulo di energia pura. Come complemento esatto al condensatore, l'induttore utilizza il campo magnetico per mantenere la corrente che passa attraverso l'induttore, regolando la sua tensione terminale nel farlo. Pertanto, la corrente che scorre attraverso l'induttore è di 90 gradi davanti alla tensione del terminale. L'equazione che rappresenta la relazione di tensione e corrente attraverso il suo terminale è:

V (j) (L) = I

Passaggio 2: più teoria

In sintesi, possiamo disegnare la corrente del resistore (Ir), la corrente dell'induttore (Ii) e la corrente del condensatore (Ic) tutte sullo stesso diagramma vettoriale, mostrato qui.

Passaggio 3: più teoria

In un mondo perfetto con condensatore e induttori perfetti, ottieni un dispositivo di accumulo di energia pura.

Tuttavia, in un mondo reale, niente è perfetto. Una delle qualità chiave per il dispositivo di accumulo di energia, sia esso un condensatore, una batteria o un dispositivo di accumulo della pompa, è l'efficienza del dispositivo di accumulo. Una certa quantità di energia viene sempre persa durante il processo. In un condensatore o induttore, questa è la resistenza paracida del dispositivo. In un condensatore, è chiamato fattore di dissipazione e in un induttore, è chiamato fattore di qualità. Un modo rapido per modellare questa perdita è aggiungere una resistenza in serie in serie di un condensatore o induttore perfetto. Pertanto, un condensatore della vita reale sembra più un resistore perfetto e un condensatore perfetto in serie.

Passaggio 4: il ponte di Wheatstone

Ci sono un totale di quattro elementi resistivi in un ponte. C'è anche una sorgente di segnale e un

metro al centro del ponte. L'elemento che abbiamo il controllo sono gli elementi resistivi. La funzione principale del ponte resistivo è quella di abbinare le resistenze nel ponte. Quando un ponte è bilanciato, il che indica che il resistore R11 corrisponde a R12 e R21 corrisponde a R22, l'uscita sul misuratore al centro va a zero. Questo perché la corrente che scorre attraverso R11 esce da R12 e la corrente scorre attraverso R21 esce da R22. La tensione tra il lato sinistro e il lato destro dello strumento sarà quindi identica.

La bellezza del ponte è l'impedenza della sorgente del segnale e la linearità del misuratore non influisce sulla misura. Anche se hai un misuratore economico che richiede molta corrente per effettuare la misurazione (diciamo, un vecchio misuratore analogico ad ago), fa comunque un buon lavoro qui purché sia abbastanza sensibile da dirti quando non c'è corrente che scorre attraverso il contatore. Se la sorgente del segnale ha un'impedenza di uscita sostanziale, la caduta della tensione di uscita causata dalla corrente che attraversa il ponte ha lo stesso effetto sul lato sinistro del ponte come sul lato destro del ponte. Il risultato netto si annulla e il ponte può ancora eguagliare la resistenza con un notevole grado di precisione.

Il lettore attento potrebbe notare che il ponte si bilancerà anche se R11 è uguale a R21 e R12 è uguale a R22. Questo è il caso che non prenderemo in considerazione qui, quindi non discuteremo ulteriormente di questo caso.

Passaggio 5: che ne dici di un elemento reattivo invece dei resistori?

In questo esempio, il ponte sarà bilanciato una volta che Z11 corrisponde a Z12. Mantenendo il design semplice, il

lato destro del ponte è stato realizzato utilizzando resistori. Un nuovo requisito è che la sorgente del segnale deve essere una sorgente CA. Il misuratore in uso deve anche essere in grado di rilevare la corrente alternata. Z11 e Z12 possono essere qualsiasi sorgente di impedenza, condensatore, induttore, resistore o combinazione di tutti e tre.

Fin qui tutto bene. Se hai una borsa di condensatori e induttori perfettamente calibrati, sarebbe possibile utilizzare il ponte per scoprire il valore del dispositivo sconosciuto. Tuttavia, ciò richiederebbe molto tempo e denaro. Una soluzione migliore è trovare un modo per simulare il dispositivo di riferimento perfetto con qualche trucco. È qui che entra in gioco il lettore MP3.

Ricordi che la corrente che scorre attraverso un condensatore è sempre di 90 gradi davanti alla sua tensione terminale? Ora, se potessimo fissare la tensione ai terminali del dispositivo in prova, sarebbe possibile applicare una corrente di 90 gradi in anticipo e simulare l'effetto di un condensatore. Per fare ciò, dobbiamo prima creare un file audio che contenga due onde sinusoidali con una differenza di fase di 90 gradi tra le due onde.

Passaggio 6: mettere ciò che sappiamo in un ponte

Caricando questo file wave nel lettore MP3 o riproducendolo direttamente dal PC, il canale sinistro e destro produce le due onde sinusoidali con la stessa ampiezza. Da questo punto in poi, userò il condensatore come esempio per semplicità. Tuttavia, lo stesso principio è applicabile anche agli induttori, tranne per il fatto che il segnale eccitato deve essere invece in ritardo di 90 gradi.

Ridisegniamo prima il ponte con il dispositivo in prova rappresentato da un condensatore perfetto in serie con un resistore perfetto. La sorgente del segnale è anche suddivisa in due segnali con un segnale sfasato di 90 gradi rispetto all'altro segnale.

Ora, ecco la parte spaventosa. Dobbiamo tuffarci nella matematica che descrive il funzionamento di questo circuito. Per prima cosa, diamo un'occhiata alla tensione sul lato destro del misuratore. Per semplificare il progetto, è meglio selezionare la resistenza sul lato destro in modo che sia uguale, quindi Rm = Rm e la tensione a Vmr è metà del Vref.

Vmr = Vref / 2

Successivamente, quando il ponte è bilanciato, la tensione a sinistra del misuratore e a destra del misuratore sarà esattamente uguale e anche la fase corrisponderà esattamente. Quindi, Vml è anche metà di Vref. Con questo possiamo scrivere:

Vml = Vref / 2 = Vcc + Vrc

Proviamo ora a scrivere la corrente che scorre attraverso R90 e R0:

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

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

Inoltre, la corrente che scorre attraverso il dispositivo in prova è:

Ic = Ir0 + Ir90

Ora, supponiamo che il dispositivo in prova sia un condensatore e vogliamo che Vz porti Vref di 90 gradi e che

rendere semplice il calcolo, possiamo normalizzare la tensione di Vz e Vref a 1V. Possiamo quindi dire:

Vz = j, Vref = 1

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

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

Tutti insieme:

Ic = Vml / (-j Xc + Rc)

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

Dove Xc è l'impedenza della capacità perfetta Cc.

Quindi, bilanciando il ponte e trovando il valore di R0 e R90, è semplice calcolare la corrente totale attraverso il dispositivo in prova Ic. Usando l'equazione finale a cui siamo arrivati, possiamo calcolare l'impedenza della capacità perfetta e la resistenza in serie. Conoscendo l'impedenza del condensatore e la frequenza del segnale applicato, è facile scoprire la capacità del dispositivo in prova:

Xc = 1 / (2 x π F C)

Passaggio 7: passaggio nella misurazione del valore del condensatore o dell'induttore

1. Riproduci il file wave utilizzando un PC o un lettore MP3.

2. Collegare l'uscita del lettore MP3 come nello schema elettrico mostrato sopra, scambiare la connessione al canale sinistro e destro se si sta misurando l'induttore.

3. Collegare il multimetro e impostare la misurazione sulla tensione CA.

4. Riprodurre la clip audio e regolare il trim pot finché la lettura della tensione non scende al minimo. Più vicino allo zero, più accurata sarà la misurazione.

5. Scollegare il dispositivo in prova (DUT) e il lettore MP3.

6. Spostare il cavo del multimetro su R90 e impostare la misurazione sulla resistenza. Misura il valore. 7. Fai lo stesso per R0.

8. Calcolare manualmente il valore del condensatore/induttore oppure utilizzare lo script Octave/Matlab fornito per risolvere il valore.

Passaggio 8: una tabella di resistenza approssimativa richiesta per il resistore variabile per bilanciare il ponte

Passaggio 9: grazie

Grazie per aver letto questo istruibile. Questa era una trascrizione di una pagina web che ho scritto nel 2009