Condensatori in robotica: 4 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

La motivazione per questo Instructable è quella più lunga in fase di sviluppo, che tiene traccia dei progressi attraverso il corso di laboratorio del kit di apprendimento del sistema robotico di Texas Instruments. E la motivazione per quel corso è costruire (ricostruire) un robot migliore e più robusto. Utile anche la "Sezione 9: tensione, potenza ed accumulo di energia in un condensatore, analisi del circuito di ingegneria CC", disponibile su MathTutorDvd.com.

Ci sono molti problemi di cui bisogna preoccuparsi quando si costruisce un robot di grandi dimensioni, che si possono per lo più ignorare quando si costruisce un robot piccolo o giocattolo.

Essere più familiari o informati sui condensatori potrebbe aiutarti nel tuo prossimo progetto.

Passaggio 1: parti e attrezzature

Se vuoi giocare, indagare e trarre le tue conclusioni, ecco alcune parti e attrezzature che sarebbero utili.

• resistori di valore diverso
• condensatori di valore diverso
• cavi per ponticelli
• un interruttore a pulsante
• una breadboard
• un oscilloscopio
• un voltmetro
• un generatore di funzioni/segnali

Nel mio caso, non ho un generatore di segnale, quindi ho dovuto usare un microcontrollore (un MSP432 di Texas Instruments). Puoi ottenere alcuni suggerimenti su come farne uno tu stesso da questo altro Instructable.

(Se vuoi solo che la scheda del microcontrollore faccia le tue cose (sto componendo una serie di Instructables che potrebbero essere utili), la stessa scheda di sviluppo MSP432 è relativamente economica a circa $ 27 USD. Puoi verificare con Amazon, Digikey, Newark, Element14 o Mouser.)

Passaggio 2: diamo un'occhiata ai condensatori

Immaginiamo una batteria, un interruttore a pulsante (Pb), un resistore (R) e un condensatore tutti in serie. A circuito chiuso.

All'istante zero t(0), con Pb aperto, non misureremmo alcuna tensione ai capi né del resistore né del condensatore.

Come mai? Rispondere a questo per il resistore è facile: può esserci una tensione misurata solo quando c'è corrente che scorre attraverso il resistore. Attraverso un resistore, se c'è una differenza di potenziale, ciò provoca una corrente.

Ma poiché l'interruttore è aperto, non può esserci corrente. Quindi, nessuna tensione (Vr) attraverso R.

Che ne dici di attraversare il condensatore. Bene.. di nuovo, non c'è corrente nel circuito al momento.

Se il condensatore è completamente scarico, ciò significa che non può essere misurata alcuna differenza di potenziale tra i suoi terminali.

Se spingiamo(chiudiamo) il Pb in t(a), allora le cose si fanno interessanti. Come abbiamo indicato in uno dei video, il condensatore inizia come scarico. Stesso livello di tensione su ogni terminale. Pensalo come un filo in cortocircuito.

Sebbene nessun vero elettrone fluisca internamente attraverso il condensatore, c'è una carica positiva che inizia a formarsi su un terminale e una carica negativa sull'altro terminale. Appare quindi (esternamente) come se effettivamente ci fosse corrente.

Essendo che il condensatore è nel suo stato più scarico, proprio allora è quando ha la massima capacità di accettare una carica. Come mai? Perché mentre si carica, significa che c'è un potenziale misurabile attraverso il suo terminale, e questo significa che è più vicino in valore alla tensione della batteria applicata. Con una differenza minore tra la carica applicata (batteria) e la sua carica in aumento (aumento di tensione), c'è meno slancio per mantenere la carica accumulata alla stessa velocità.

La velocità di carica accumulata si riduce con il passare del tempo. Lo abbiamo visto in entrambi i video e nella simulazione L. T. Spice.

Poiché è proprio all'inizio che il condensatore vuole accettare la maggior parte della carica, si comporta come un cortocircuito temporaneo con il resto del circuito.

Ciò significa che all'inizio otterremo la massima corrente attraverso il circuito.

Lo abbiamo visto nell'immagine che mostra la simulazione L. T. Spice.

Quando un condensatore si carica e sviluppa una tensione ai suoi terminali che si avvicina alla tensione applicata, l'impulso o la capacità di caricarsi si riduce. Pensaci: maggiore è la differenza di tensione attraverso qualcosa, maggiore è la possibilità di flusso di corrente. Grande tensione = possibile grande corrente. Piccola tensione = possibile piccola corrente. (Tipicamente).

Pertanto, quando un condensatore raggiunge il livello di tensione della batteria applicata, si presenta come un circuito aperto o interrotto.

Quindi, un condensatore inizia come un cortocircuito e finisce come aperto. (Essendo molto semplicistico).

Quindi, di nuovo, corrente massima all'inizio, corrente minima alla fine.

Ancora una volta, se provi a misurare una tensione su un cortocircuito, non ne vedrai nessuno.

Quindi, in un condensatore, la corrente è al massimo quando la tensione (ai capi del condensatore) è a zero e la corrente è al minimo quando la tensione (ai capi del condensatore) è al massimo.

Stoccaggio temporaneo e fornitura di energia

Ma c'è di più, ed è questa parte che potrebbe essere utile nei nostri circuiti robotici.

Diciamo che il condensatore è carico. È alla tensione della batteria applicata. Se per qualche motivo la tensione applicata dovesse diminuire ("sag"), forse a causa di alcune eccessive esigenze di corrente nei circuiti, in quel caso sembrerebbe che la corrente fuoriesca dal condensatore.

Quindi, diciamo che la tensione applicata in ingresso non è un livello stabile come abbiamo bisogno che sia. Un condensatore può aiutare ad appianare quei (brevi) cali.

Passaggio 3: un'applicazione di condensatori: filtro rumore

Come potrebbe aiutarci un condensatore? Come possiamo applicare ciò che abbiamo osservato su un condensatore?

Per prima cosa, modelliamo qualcosa che accade nella vita reale: un binario di alimentazione rumoroso nei circuiti del nostro robot.

Abbiamo usato L. T. Spice, possiamo costruire un circuito che ci aiuterà ad analizzare il rumore digitale che potrebbe apparire nei binari di alimentazione dei circuiti del nostro robot. Le immagini mostrano il circuito e la modellazione di Spice dei livelli di tensione della linea di alimentazione risultanti.

Il motivo per cui Spice può modellarlo è perché l'alimentatore del circuito ("V.5V. Batt") ha una piccola resistenza interna. Solo per i calci, l'ho fatto avere 1 ohm di resistenza interna. Se modelli questo ma non fai in modo che la sorgente di tensione abbia una resistenza interna, non vedrai la caduta di tensione del binario a causa del rumore digitale, perché allora la sorgente di tensione è una "sorgente perfetta".