Simple Autorange Capacitor Tester / Capacitance Meter With Arduino և ձեռքով. 4 քայլ

2024 Հեղինակ: John Day | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2024-01-30 09:48

Բարեւ Ձեզ!

Այս ֆիզիկայի միավորի համար ձեզ հարկավոր է.

* 0-12 Վ լարման հոսանք

* մեկ կամ ավելի կոնդենսատորներ

* մեկ կամ ավելի լիցքավորման ռեզիստորներ

* վայրկյանաչափ

* լարման չափման բազմաչափ

* արդուինո նանո

* 16x2 I²C էկրան

* 1 / 4W ռեզիստորներ 220, 10k, 4.7M և 1Gohms 1 գոմ դիմադրիչներով

* dupont մետաղալար

Քայլ 1. Ընդհանուր տեղեկություններ կոնդենսատորների մասին

Կոնդենսատորները շատ կարևոր դեր են խաղում էլեկտրոնիկայի մեջ: Դրանք օգտագործվում են լիցքերը պահելու համար ՝ որպես զտիչ, ինտեգրատոր և այլն: Բայց մաթեմատիկական առումով, կոնդենսատորներում շատ բան կա: Այսպիսով, կոնդենսատորներով կարող եք կիրառել էքսպոնենցիալ ֆունկցիաներ և դրանք: մշակել. Եթե սկզբում չլիցքավորված կոնդենսատորը ռեզիստորի միջոցով միացված է լարման աղբյուրին, ապա լիցքերը անընդհատ հոսում են դեպի կոնդենսատոր: Q- ի աճող լիցքի համաձայն, ըստ Q = C * U (կոնդենսատորի հզորություն) բանաձևի, կոնդենսատորի վրա մեծանում է նաև U լարումը: Այնուամենայնիվ, լիցքավորման հոսանքը ավելի ու ավելի է նվազում, քանի որ արագ լիցքավորվող կոնդենսատորը դառնում է ավելի ու ավելի դժվար լիցքերով: Կոնդենսատորի U (t) լարումը ենթարկվում է հետևյալ բանաձևին.

U (t) = U0 * (1-exp (-k * t))

U0- ը էներգիայի մատակարարման լարվածությունն է, t- ն ժամանակն է, իսկ k- ն լիցքավորման գործընթացի արագության չափիչ է: Ո՞ր չափերից է կախված k- ն: Որքան մեծ է պահեստային հզորությունը (այսինքն ՝ կոնդենսատորի C տարողությունը), այնքան ավելի դանդաղ է այն լցվում լիցքերով և ավելի դանդաղ է բարձրանում լարումը: Որքան մեծ է C- ն, այնքան փոքր է k- ն: Կոնդենսատորի և սնուցման աղբյուրի միջև դիմադրությունը նույնպես սահմանափակում է լիցքավորման փոխադրումը: Ավելի մեծ դիմադրություն R- ն առաջացնում է ավելի փոքր I հոսանք և, հետևաբար, մեկ վայրկյանում ավելի քիչ լիցքեր, որոնք հոսում են կոնդենսատոր: Որքան մեծ է R- ն, այնքան փոքր է k- ն: K- ի կամ R- ի կամ C- ի ճիշտ հարաբերությունն է.

k = 1 / (R * C):

Կոնդենսատորում U (t) լարումը մեծանում է ըստ բանաձևի U (t) = U0 * (1-exp (-t / (R * C)))

Քայլ 2: Չափումներ

Ուսանողները պետք է t- ի պահին t լարումը մուտքագրեն աղյուսակում, այնուհետև գծեն ցուցիչ ֆունկցիան: Եթե լարումը շատ արագ է աճում, ստիպված կլինեք մեծացնել դիմադրությունը R. Մյուս կողմից, եթե լարումը շատ դանդաղ է փոխվում, նվազեցրեք R.

Եթե մեկը գիտի U0- ն, դիմադրությունը R- ն և U (t) լարումը որոշակի ժամանակ t- ից հետո, ապա կոնդենսատորի C հզորությունը կարող է հաշվարկվել այստեղից: Դրա համար պետք է լոգարիթմական հավասարումը, և որոշ փոխարկումներից հետո մենք ստանում ենք ՝ C = -t / (R * ln (1 - U (t) / U0))

Օրինակ ՝ U0 = 10V, R = 100 կոհմ, t = 7 վայրկյան, U (7 վրկ) = 3.54 Վ: Այնուհետեւ C- ի արդյունքում ստացվում է C = 160 μF արժեք:

Բայց կա երկրորդ, պարզ մեթոդ C- ի հզորությունը որոշելու համար: Մասնավորապես, t = R * C- ից հետո U (t) լարումը U0- ի ուղիղ 63,2% է:

U (t) = U0 * (1-exp (-R * C / (R * C)) = U0 * (1-exp (-1)) = U0 * 0.632

Ինչ է սա նշանակում? Ուսանողները պետք է որոշեն t ժամանակը, որից հետո U (t) լարումը U0- ի ուղիղ 63,2% է: Մասնավորապես, վերը նշված օրինակի համար ժամանակ է փնտրվում, որից հետո կոնդենսատորի լարումը 10 Վ * 0.632 = 6.3 Վ է: Սա այդպես է 16 վայրկյան հետո: Այս արժեքը այժմ տեղադրված է t = R * C: 16 = 100000 * C. հավասարման մեջ: Սա տալիս է արդյունքը `C = 160 μF:

Քայլ 3: Arduino

Theորավարժությունների ավարտին կարողությունները կարող են որոշվել նաև Arduino- ով: Սա հաշվարկում է C հզորությունը հենց նախկինի մեթոդի համաձայն: Այն լիցքավորում է կոնդենսատորը հայտնի ռեզիստոր R- ի միջոցով 5V- ով և որոշում է այն ժամանակը, որից հետո կոնդենսատորի լարումը = 5V * 0.632 = 3.16V: Arduino թվային-անալոգային փոխարկիչի համար 5V- ը հավասար է 1023-ի: Հետևաբար, պարզապես պետք է սպասել, մինչև անալոգային մուտքի արժեքը լինի 1023 * 3.16 / 5 = 647. Այս ժամանակով կարող է հաշվարկվել C հզորությունը: Որպեսզի շատ տարբեր հզորությամբ կոնդենսատորներ հնարավոր լինի չափել, օգտագործվում են 3 տարբեր լիցքավորման ռեզիստորներ: Նախ, ցածր դիմադրությունն օգտագործվում է մինչև 647. լիցքավորման ժամանակը որոշելու համար: Եթե դա չափազանց կարճ է, այսինքն, եթե կոնդենսատորի հզորությունը չափազանց փոքր է, ընտրվում է լիցքավորման հաջորդ ավելի բարձր դիմադրությունը: Եթե սա նույնպես չափազանց փոքր է, չափման վերջում հետևում է 1 Գոմսի դիմադրություն: C- ի արժեքը ցուցադրվում է էկրանին ճիշտ միավորով (µF, nF կամ pF):

Քայլ 4: Եզրակացություններ

Ի՞նչ են սովորում ուսանողները այս բաժնում: Դուք կսովորեք կոնդենսատորների, դրանց տարողության C- ի, ցուցիչ գործառույթների, լոգարիթմի, տոկոսային հաշվարկների և Arduino- ի մասին: Շատ եմ մտածում:

Այս միավորը հարմար է 16-17 տարեկան ուսանողների համար: Դուք մաթեմատիկայում պետք է արդեն անցած լինեք ցուցիչ ֆունկցիայի և լոգարիթմի միջով: Haveվարճացեք այն փորձելով ձեր դասարանում և Eureka- ում:

Ես շատ ուրախ կլինեի, եթե դուք քվեարկեիք իմ օգտին դասարանների գիտության մրցույթում: Շատ շնորհակալություն սրա համար:

Եթե ձեզ հետաքրքրում են ֆիզիկայի իմ մյուս նախագծերը, ահա իմ youtube ալիքը ՝

ֆիզիկայի ավելի շատ նախագծեր ՝