Condensatoren in robotica: 4 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

De motivatie voor deze Instructable is de langere die wordt ontwikkeld, die de voortgang volgt via Texas Instruments Robotics System Learning Kit Lab Course. En de motivatie voor die cursus is om een betere, robuustere robot te bouwen (verbouwen). Ook nuttig is "Sectie 9: Spanning, vermogen en energieopslag in een condensator, DC Engineering Circuit Analysis", beschikbaar op MathTutorDvd.com.

Er zijn veel zaken waar je je zorgen over moet maken bij het bouwen van een grote robot, die je meestal kunt negeren bij het bouwen van een kleine of speelgoedrobot.

Als u meer bekend bent met of goed geïnformeerd bent over condensatoren, kunt u bij uw volgende project terecht.

Stap 1: Onderdelen en uitrusting

Als je wilt spelen met, onderzoeken en je eigen conclusies trekken, zijn hier enkele onderdelen en apparatuur die nuttig kunnen zijn.

• verschillende waarde weerstanden:
• verschillende waarde condensatoren
• jumperdraden
• een drukknopschakelaar
• een breadboard
• een oscilloscoop
• een voltmeter
• een functie/signaalgenerator

In mijn geval heb ik geen signaalgenerator, dus moest ik een microcontroller gebruiken (een MSP432 van Texas Instruments). U kunt enkele tips krijgen om er zelf een te doen van deze andere Instructable.

(Als je alleen wilt dat het microcontrollerbord je eigen ding doet (ik ben een reeks Instructables aan het samenstellen die nuttig kunnen zijn), is het MSP432-ontwikkelbord zelf relatief goedkoop rond de $ 27 USD. Je kunt dit navragen bij Amazon, Digikey, Newark, Element14 of Mouser.)

Stap 2: Laten we eens kijken naar condensatoren

Laten we ons een batterij voorstellen, een drukknopschakelaar (Pb), een weerstand (R) en een condensator allemaal in serie. In een gesloten lus.

Op tijdstip nul t(0), met Pb open, zouden we geen spanning over de weerstand of de condensator meten.

Waarom? Dit beantwoorden voor de weerstand is eenvoudig - er kan alleen een gemeten spanning zijn als er stroom door de weerstand vloeit. Over een weerstand, als er een potentiaalverschil is, veroorzaakt dat een stroom.

Maar aangezien de schakelaar open is, kan er geen stroom zijn. Dus geen spanning (Vr) over R.

Hoe zit het met de condensator. Nou.. nogmaals, er staat momenteel geen stroom in het circuit.

Als de condensator volledig ontladen is, betekent dit dat er geen potentiaalverschil meetbaar is over de klemmen.

Als we de Pb op t(a) duwen (sluiten), wordt het interessant. Zoals we in een van de video's hebben aangegeven, begint de condensator als ontladen. Hetzelfde spanningsniveau op elke terminal. Zie het als een kortgesloten draad.

Hoewel er intern geen echte elektronen door de condensator stromen, is er een positieve lading die zich begint te vormen aan de ene terminal en een negatieve lading aan de andere terminal. Het lijkt dan (uitwendig) alsof er inderdaad stroom is.

Omdat de condensator zich in de meest ontladen toestand bevindt, heeft hij op dat moment de meeste capaciteit om een lading te accepteren. Waarom? Omdat het tijdens het opladen betekent dat er een meetbaar potentieel is over de terminal, en dat betekent dat het dichter bij de toegepaste batterijspanning ligt. Met minder verschil tussen toegepaste (batterij) en toenemende lading (spanning stijgt), is er minder drang om de accumulatie van lading in hetzelfde tempo te houden.

De accumulerende laadsnelheid neemt af naarmate de tijd verstrijkt. We zagen dat in zowel de video's als de L. T. Spice-simulatie.

Omdat de condensator helemaal aan het begin de meeste lading wil accepteren, werkt hij als een tijdelijke kortsluiting naar de rest van het circuit.

Dat betekent dat we in het begin de meeste stroom door het circuit krijgen.

We zagen dit in de afbeelding met de L. T. Spice-simulatie.

Naarmate een condensator oplaadt en een spanning ontwikkelt over de klemmen die de aangelegde spanning benadert, wordt de impuls of het vermogen om op te laden verminderd. Denk er eens over na - hoe meer een spanningsverschil over iets, hoe meer kans op stroom. Grote spanning = mogelijke grote stroom. Kleine spanning = mogelijke kleine stroom. (Typisch).

Daarom, als een condensator het spanningsniveau van de aangelegde batterij bereikt, ziet het er dan uit als een open of onderbreking in het circuit.

Dus een condensator begint als een kortsluiting en eindigt als een open. (Zeer simplistisch zijn).

Dus nogmaals, maximale stroom aan het begin, minimale stroom aan het einde.

Nogmaals, als u probeert een spanning over een kortsluiting te meten, ziet u er geen.

Dus in een condensator is de stroom het grootst wanneer de spanning (over de condensator) nul is, en de stroom op zijn minst wanneer de spanning (over de condensator) het grootst is.

Tijdelijke opslag en energievoorziening

Maar er is meer, en het is dit onderdeel dat nuttig kan zijn in onze robotcircuits.

Laten we zeggen dat de condensator is opgeladen. Het is bij de aangelegde batterijspanning. Als om de een of andere reden de aangelegde spanning zou dalen ("sag"), misschien als gevolg van een overmatige stroombehoefte in de circuits, in dat geval zal er stroom uit de condensator lijken te vloeien.

Laten we dus zeggen dat de aangelegde ingangsspanning niet een stabiel niveau is dat we nodig hebben. Een condensator kan helpen om die (korte) dips glad te strijken.

Stap 3: Eén toepassing van condensatoren - filterruis

Hoe kan een condensator ons helpen? Hoe kunnen we toepassen wat we hebben waargenomen over een condensator?

Laten we eerst iets modelleren dat in het echte leven gebeurt: een luidruchtige stroomrail in de circuits van onze robot.

We gebruikten L. T. Spice, we kunnen een circuit bouwen dat ons helpt bij het analyseren van digitale ruis die zou kunnen voorkomen in de stroomrails van onze robotcircuits. De afbeeldingen tonen het circuit en Spice's modellering van de resulterende stroomrailspanningsniveaus.

De reden dat Spice het kan modelleren is omdat de voeding van het circuit ("V.5V. Batt") een beetje interne weerstand heeft. Gewoon voor de kick heb ik ervoor gezorgd dat het 1 ohm interne weerstand heeft. Als je dit modelleert maar de spanningsbron geen interne weerstand laat hebben, zie je de railspanningsdip niet door de digitale ruis, want dan is de spanningsbron een "perfecte bron".