Een condensator of een inductor meten met een mp3-speler: 9 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:15

Hier is een eenvoudige techniek die kan worden gebruikt om de capaciteit en inductantie van een condensator en inductor precies te meten zonder dure apparatuur. De meettechniek is gebaseerd op een gebalanceerde brug en kan eenvoudig worden opgebouwd uit goedkope weerstanden. Deze meettechniek meet niet alleen de capaciteitswaarde, maar tegelijkertijd ook de effectieve serieweerstand van de condensator.

Benodigde onderdelen:

1. Weinig variabele weerstanden

2. Een MP3-speler

3. Een multimeter

4. Een rekenmachine om de waarde te berekenen

Stap 1: Een beetje achtergrondtheorie

Laten we als inleiding op het project nemen wat een LCR-brug is en wat er nodig is om te maken

een. Als u alleen een LCR-brug wilt maken, slaat u deze stappen over.

Om de werking van een LCR-brug te begrijpen, is het noodzakelijk om te praten over hoe een condensator, een weerstand en een inductor zich gedragen in een AC-circuit. Tijd om je ECE101-leerboek af te stoffen. Weerstand is de gemakkelijkst te begrijpen elementen uit de groep. Een perfecte weerstand gedraagt zich hetzelfde wanneer een gelijkstroom door de weerstand gaat als wanneer een wisselstroom er doorheen gaat. Het biedt weerstand tegen de stroom die vloeit, hoewel het daarbij dus energie dissipeert. De eenvoudige relatie tussen de stroom, spanning en weerstand is:

R = ik / V

Een perfecte condensator daarentegen is een puur energieopslagapparaat. Het verdrijft geen enkele energie die er doorheen gaat. In plaats daarvan, als een wisselspanning wordt toegepast op een condensatoraansluiting, is de stroom die door de condensator vloeit, nodig om stroom aan de condensator toe te voegen en te verwijderen. Als gevolg hiervan is de stroom die door de condensator vloeit uit fase in vergelijking met de klemspanning. In feite is het altijd 90 graden voor op de spanning over de terminal. De eenvoudige manier om dit weer te geven is het gebruik van denkbeeldig getal (j):

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

Net als de condensator is de inductor een apparaat voor pure energieopslag. Als een exacte aanvulling op de condensator, gebruikt de inductor een magnetisch veld om de stroom door de inductor te laten gaan, waarbij de klemspanning daarbij wordt aangepast. De stroom die door de inductor vloeit, loopt dus 90 graden voor op de klemspanning. De vergelijking die de spannings- en stroomrelatie over de terminal vertegenwoordigt, is:

V (j) (L) = I

Stap 2: Meer theorie

Als samenvatting kunnen we de weerstandsstroom (Ir), Inductorstroom (Ii) en condensatorstroom (Ic) allemaal op hetzelfde vectordiagram tekenen, hier weergegeven.

Stap 3: Meer theorie

In een perfecte wereld met perfecte condensatoren en spoelen krijg je een apparaat voor pure energieopslag.

In een echte wereld is echter niets perfect. Een van de belangrijkste eigenschappen van een energieopslagapparaat, of het nu een condensator, een batterij of een pompopslagapparaat is, is de efficiëntie van het opslagapparaat. Tijdens het proces gaat er altijd een bepaalde hoeveelheid energie verloren. In een condensator of spoel is dit de parazuurweerstand van het apparaat. In een condensator wordt dit de dissipatiefactor genoemd en in een inductor de kwaliteitsfactor. Een snelle manier om dit verlies te modelleren, is door een serieweerstand in serie toe te voegen van een perfecte condensator of inductor. Een echte condensator lijkt dus meer op een perfecte weerstand en een perfecte condensator in serie.

Stap 4: De Wheatstone-brug

Er zijn in totaal vier resistieve elementen in een brug. Er is ook een signaalbron en een

meter in het midden van de brug. Het element dat we onder controle hebben, zijn de resistieve elementen. De belangrijkste functie van de resistieve brug is om de weerstanden in de brug aan te passen. Wanneer een brug gebalanceerd is, wat aangeeft dat de weerstand R11 overeenkomt met R12 en R21 overeenkomt met R22, gaat de output op de meter in het midden naar nul. Dit komt omdat de stroom die door R11 vloeit uit R12 en de stroom door R21 uit R22 vloeit. De spanning tussen de linkerkant van de meter en de rechterkant van de meter zal dan gelijk zijn.

Het mooie van de brug is de bronimpedantie van de signaalbron en de lineariteit van de meter heeft geen invloed op de meting. Zelfs als je een goedkope meter hebt die veel stroom nodig heeft om de meting uit te voeren (bijvoorbeeld een oude analoge meter van het naaldtype), doet hij het hier nog steeds goed zolang hij gevoelig genoeg is om je te vertellen wanneer er geen stroom is stroomt door de meter. Als de signaalbron een aanzienlijke uitgangsimpedantie heeft, heeft de daling van de uitgangsspanning die wordt veroorzaakt door de stroom die door de brug gaat, hetzelfde effect op de linkerkant van de brug als op de rechterkant van de brug. Het nettoresultaat heft zichzelf op en de brug kan de weerstand nog steeds met een opmerkelijke mate van nauwkeurigheid evenaren.

Oplettende lezer zal misschien opmerken dat de brug ook zal balanceren als R11 gelijk is aan R21 en R12 gelijk is aan R22. Dit is het geval dat we hier niet gaan bespreken, dus we zullen dit geval niet verder bespreken.

Stap 5: Hoe zit het met een reactief element in plaats van weerstanden?

In dit voorbeeld wordt de brug gebalanceerd zodra Z11 overeenkomt met Z12. Door het ontwerp eenvoudig te houden, is de

rechterkant van de brug was gemaakt met behulp van weerstanden. Een nieuwe vereiste is dat de signaalbron een wisselstroombron moet zijn. De gebruikte meter moet ook in staat zijn om wisselstroom te detecteren. Z11 en Z12 kunnen elke impedantiebron, condensator, spoel, weerstand of combinatie van alle drie zijn.

Tot nu toe, zo goed. Als je een zak met perfect gekalibreerde condensatoren en inductoren hebt, zou het mogelijk zijn om de brug te gebruiken om de waarde van het onbekende apparaat te achterhalen. Dat zou echter echt tijdrovend en duur zijn. Een betere oplossing is dan om een manier te vinden om met een trucje het perfecte referentieapparaat te simuleren. Hier komt de mp3-speler in beeld.

Weet je nog dat de stroom die door een condensator vloeit altijd 90 graden voorloopt op de klemspanning? Als we nu de klemspanning van het te testen apparaat kunnen vaststellen, zou het voor ons mogelijk zijn om een stroom van 90 graden van tevoren toe te passen en het effect van een condensator te simuleren. Om dit te doen, moeten we eerst een audiobestand maken dat twee sinusgolven bevat met een faseverschil van 90 graden tussen de twee golven.

Stap 6: wat we weten in een brug zetten

Door dit golfbestand naar de mp3-speler te uploaden of rechtstreeks vanaf de pc af te spelen, produceren het linker- en rechterkanaal de twee sinusgolven met dezelfde amplitude. Vanaf dit punt ga ik voor de eenvoud de condensator als voorbeeld gebruiken. Hetzelfde principe is echter ook van toepassing op inductoren, behalve dat het aangeslagen signaal in plaats daarvan 90 graden moet achterblijven.

Laten we eerst de brug opnieuw tekenen met het te testen apparaat, vertegenwoordigd door een perfecte condensator in serie met een perfecte weerstand. De signaalbron is ook opgesplitst in twee signalen waarbij één signaal met 90 graden in fase verschoven is ten opzichte van het andere signaal.

Nu, hier is het enge deel. We moeten in de wiskunde duiken die de werking van dit circuit beschrijft. Laten we eerst eens kijken naar de spanning aan de rechterkant van de meter. Om het ontwerp eenvoudig te maken, is het het beste om de weerstand aan de rechterkant gelijk te selecteren, dus Rm = Rm en spanning bij Vmr is de helft van de Vref.

Vmr = Vref / 2

Vervolgens, wanneer de brug gebalanceerd is, zal de spanning links van de meter en rechts van de meter exact gelijk zijn, en de fase zal ook exact overeenkomen. Vml is dus ook de helft van Vref. Hiermee kunnen we opschrijven:

Vml = Vref / 2 = Vcc + Vrc

Laten we nu proberen de stroom die door R90 en R0 vloeit op te schrijven:

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

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

Ook is de stroom die door het geteste apparaat stroomt:

Ic = Ir0 + Ir90

Neem nu aan dat het te testen apparaat een condensator is en we willen dat Vz 90 graden voorloopt op Vref, en dat

om de berekening eenvoudig te maken, kunnen we de spanning van Vz en Vref normaliseren naar 1V. We kunnen dan zeggen:

Vz = j, Vref = 1

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

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

Alles bij elkaar:

Ic = Vml / (-j Xc + Rc)

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

Waar Xc de impedantie is van de perfecte capaciteit Cc.

Dus door de brug in evenwicht te brengen en de waarde van R0 en R90 te achterhalen, is het eenvoudig om de totale stroom door het apparaat onder test Ic te berekenen. Gebruik de laatste vergelijking waar we bij zijn gekomen, we kunnen de impedantie van de perfecte capaciteit en de serieweerstand berekenen. Door de condensatorimpedantie en de frequentie van het toegepaste signaal te kennen, is het gemakkelijk om de capaciteit van het te testen apparaat te achterhalen door:

Xc = 1 / (2 x π F C)

Stap 7: Stap in het meten van de waarde van de condensator of inductor

1. Speel het wave-bestand af met een pc of een mp3-speler.

2. Sluit de uitgang van de MP3-speler aan volgens het bedradingsschema hierboven, verwissel de verbinding naar het linker- en rechterkanaal als u de inductor meet.

3. Sluit de multimeter aan en stel de meting in op wisselspanning.

4. Speel de audioclip af en pas de trimpotmeter aan totdat de spanningswaarde tot het minimum daalt. Hoe dichter bij nul, hoe nauwkeuriger de meting zal zijn.

5. Koppel het te testen apparaat (DUT) en de MP3-speler los.

6. Verplaats de multimeterkabel naar R90 en stel de meting in op weerstand. Meet de waarde. 7. Doe hetzelfde voor R0.

8. Bereken handmatig de condensator/spoelwaarde, of gebruik het meegeleverde Octave/Matlab-script om de waarde op te lossen.

Stap 8: Een tabel met geschatte weerstand die nodig is voor de variabele weerstand om de brug in evenwicht te brengen

Stap 9: Bedankt

Bedankt voor het lezen van dit instructable. Dit was een transcriptie van een webpagina die ik in 2009 schreef