วิธีการวัดตัวเก็บประจุหรือตัวเหนี่ยวนำด้วยเครื่องเล่น MP3: 9 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

นี่เป็นเทคนิคง่ายๆ ที่สามารถใช้วัดค่าความจุและการเหนี่ยวนำของตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำได้อย่างแม่นยำโดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์ราคาแพง เทคนิคการวัดเป็นพื้นฐานบนบริดจ์ที่สมดุล และสามารถสร้างได้ง่ายจากตัวต้านทานราคาไม่แพง เทคนิคการวัดนี้จะวัดค่ามากกว่าแค่ค่าความจุ แต่ยังวัดค่าความต้านทานแบบอนุกรมของตัวเก็บประจุได้ในเวลาเดียวกัน

ส่วนประกอบที่จำเป็น:

1. ตัวต้านทานปรับค่าได้ไม่กี่ตัว

2. เครื่องเล่น MP3

3. มัลติมิเตอร์

4. เครื่องคำนวณหาค่า

ขั้นตอนที่ 1: ทฤษฎีเบื้องหลังเล็กน้อย

เพื่อเป็นการแนะนำโครงการ มาดูว่าสะพาน LCR คืออะไรและต้องสร้างอะไร

หนึ่ง. หากคุณต้องการสร้างบริดจ์ LCR ให้ข้ามขั้นตอนเหล่านี้

เพื่อให้เข้าใจการทำงานของบริดจ์ LCR จำเป็นต้องพูดถึงว่าตัวเก็บประจุ ตัวต้านทาน และตัวเหนี่ยวนำทำงานอย่างไรในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ถึงเวลาปัดฝุ่นตำรา ECE101 ของคุณแล้ว ตัวต้านทานเป็นองค์ประกอบที่เข้าใจได้ง่ายที่สุดในกลุ่ม ตัวต้านทานที่สมบูรณ์แบบจะทำงานเหมือนกันเมื่อกระแสไฟตรงผ่านผ่านตัวต้านทานเหมือนกับเมื่อกระแสไฟ AC ผ่านไป มันให้ความต้านทานต่อกระแสที่ไหลแม้ว่าจะกระจายพลังงานในการทำเช่นนั้น ความสัมพันธ์อย่างง่ายระหว่างกระแส แรงดัน และความต้านทานคือ:

R = ฉัน / V

ในทางกลับกัน ตัวเก็บประจุที่สมบูรณ์แบบเป็นอุปกรณ์เก็บพลังงานบริสุทธิ์ มันไม่กระจายพลังงานใด ๆ ที่ผ่านแม้ว่ามัน แต่เนื่องจากแรงดันไฟ AC ถูกนำไปใช้กับขั้วตัวเก็บประจุ กระแสไหลแม้ว่าตัวเก็บประจุจะต้องใช้กระแสไฟเพื่อเพิ่มและขจัดการคายประจุออกจากตัวเก็บประจุ เป็นผลให้กระแสไหลแม้ว่าตัวเก็บประจุจะไม่อยู่ในเฟสเมื่อเปรียบเทียบกับแรงดันขั้ว ที่จริงแล้ว แรงดันไฟตลอดขั้วของมันอยู่เหนือแรงดันไฟฟ้า 90 องศาเสมอ วิธีง่ายๆ ในการแสดงสิ่งนี้คือการใช้จำนวนจินตภาพ (j):

วี (-j) (1 / C) = ฉัน

เช่นเดียวกับตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำเป็นอุปกรณ์เก็บพลังงานบริสุทธิ์ ในฐานะที่เป็นคำชมเชยที่แน่นอนสำหรับตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำใช้สนามแม่เหล็กเพื่อรักษากระแสที่ไหลผ่านผ่านตัวเหนี่ยวนำ โดยปรับแรงดันขั้วในการทำเช่นนั้น ดังนั้นกระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำจะสูงกว่าแรงดันเทอร์มินัล 90 องศา สมการที่แสดงถึงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแสบนเทอร์มินัลคือ:

วี (ญ) (ล) = ฉัน

ขั้นตอนที่ 2: ทฤษฎีเพิ่มเติม

โดยสรุป เราสามารถวาดกระแสต้านทาน (Ir), กระแสเหนี่ยวนำ (Ii) และกระแสตัวเก็บประจุ (Ic) ทั้งหมดบนไดอะแกรมเวกเตอร์เดียวกันดังแสดงไว้ที่นี่

ขั้นตอนที่ 3: ทฤษฎีเพิ่มเติม

ในโลกที่สมบูรณ์แบบด้วยตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำที่สมบูรณ์แบบ คุณจะได้อุปกรณ์เก็บพลังงานบริสุทธิ์

อย่างไรก็ตาม ในโลกแห่งความเป็นจริง ไม่มีอะไรสมบูรณ์แบบ หนึ่งในคุณสมบัติที่สำคัญของอุปกรณ์เก็บพลังงาน อาจเป็นตัวเก็บประจุ แบตเตอรี่ หรืออุปกรณ์จัดเก็บปั๊ม ก็คือประสิทธิภาพของอุปกรณ์จัดเก็บ พลังงานบางส่วนจะสูญเสียไปในระหว่างกระบวนการเสมอ ในตัวเก็บประจุหรือตัวเหนี่ยวนำ นี่คือความต้านทานแบบพาราซิดิกของอุปกรณ์ ในตัวเก็บประจุเรียกว่าปัจจัยการกระจายและในตัวเหนี่ยวนำเรียกว่าปัจจัยด้านคุณภาพ วิธีที่รวดเร็วในการสร้างแบบจำลองการสูญเสียนี้คือการเพิ่มความต้านทานแบบอนุกรมในอนุกรมของตัวเก็บประจุหรือตัวเหนี่ยวนำแบบพิเศษ ดังนั้นตัวเก็บประจุในชีวิตจริงจึงดูเหมือนตัวต้านทานที่สมบูรณ์แบบและตัวเก็บประจุที่สมบูรณ์แบบในซีรีย์

ขั้นตอนที่ 4: สะพานวีตสโตน

มีองค์ประกอบต้านทานทั้งหมดสี่องค์ประกอบในสะพาน นอกจากนี้ยังมีแหล่งสัญญาณและ a

เมตรตรงกลางสะพาน องค์ประกอบที่เราควบคุมได้คือองค์ประกอบต้านทาน หน้าที่หลักของสะพานความต้านทานคือเพื่อให้ตรงกับความต้านทานในสะพาน เมื่อบริดจ์มีความสมดุล ซึ่งบ่งชี้ว่าตัวต้านทาน R11 ตรงกับ R12 และ R21 ตรงกับ R22 เอาต์พุตบนมิเตอร์ที่อยู่ตรงกลางจะเป็นศูนย์ นี่เป็นเพราะกระแสที่ไหลแม้ว่า R11 จะไหลออกจาก R12 และการไหลของกระแสแม้ว่า R21 จะไหลออกจาก R22 แรงดันไฟฟ้าระหว่างด้านซ้ายของมิเตอร์กับด้านขวาของมิเตอร์จะเท่ากัน

ความสวยงามของสะพานคืออิมพีแดนซ์ต้นทางของแหล่งสัญญาณ และความเป็นเส้นตรงของมิเตอร์ไม่ส่งผลต่อการวัด แม้ว่าคุณจะมีมิเตอร์ราคาถูกที่ใช้กระแสไฟมากในการวัด (เช่น มิเตอร์แอนะล็อกแบบเข็มแบบเก่า) แต่ก็ยังทำงานได้ดีที่นี่ ตราบใดที่มีความละเอียดอ่อนพอที่จะบอกคุณเมื่อไม่มีกระแสไฟฟ้า ไหลผ่านมิเตอร์ หากแหล่งสัญญาณมีอิมพีแดนซ์เอาต์พุตจำนวนมาก แรงดันเอาต์พุตที่ลดลงซึ่งเกิดจากกระแสที่ไหลผ่านแม้ว่าบริดจ์จะมีผลเช่นเดียวกันที่ด้านซ้ายของบริดจ์กับด้านขวาของบริดจ์ ผลลัพธ์สุทธิจะหักล้างตัวเองและบริดจ์ยังคงสามารถจับคู่ความต้านทานกับระดับความแม่นยำที่น่าทึ่งได้

ผู้อ่านสังเกตการณ์อาจสังเกตเห็นว่าสะพานจะสมดุลเช่นกันหาก R11 เท่ากับ R21 และ R12 เท่ากับ R22 นี่เป็นกรณีที่เราจะไม่พิจารณาที่นี่ ดังนั้นเราจะไม่พูดถึงกรณีนี้เพิ่มเติม

ขั้นตอนที่ 5: แล้วองค์ประกอบปฏิกิริยาแทนที่จะเป็นตัวต้านทานล่ะ?

ในตัวอย่างนี้ สะพานจะสมดุลเมื่อ Z11 ตรงกับ Z12 ทำให้การออกแบบเรียบง่าย the

ด้านขวาของสะพานถูกสร้างขึ้นโดยใช้ตัวต้านทาน ข้อกำหนดใหม่ประการหนึ่งคือแหล่งสัญญาณต้องเป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ มิเตอร์ที่ใช้งานต้องสามารถตรวจจับกระแสไฟ AC ได้ Z11 และ Z12 สามารถเป็นแหล่งอิมพีแดนซ์ ตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำ ตัวต้านทาน หรือทั้งสามอย่างรวมกัน

จนถึงตอนนี้ดีมาก หากคุณมีตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำที่สอบเทียบอย่างสมบูรณ์แบบ คุณจะใช้สะพานเพื่อค้นหาค่าของอุปกรณ์ที่ไม่รู้จักได้ อย่างไรก็ตามนั่นจะใช้เวลานานและมีราคาแพงอย่างแท้จริง ทางออกที่ดีกว่าคือการหาวิธีจำลองอุปกรณ์อ้างอิงที่สมบูรณ์แบบด้วยกลอุบายบางอย่าง นี่คือจุดที่เครื่องเล่น MP3 เข้ามาในภาพ

จำกระแสที่ไหลแม้ว่าตัวเก็บประจุจะอยู่ก่อนแรงดันขั้ว 90 องศาเสมอหรือไม่? ตอนนี้ หากเราสามารถแก้ไขแรงดันขั้วของอุปกรณ์ที่อยู่ระหว่างการทดสอบได้ ก็เป็นไปได้ที่เราจะใช้กระแสที่ 90 องศาล่วงหน้าและจำลองผลกระทบของตัวเก็บประจุ ในการทำเช่นนี้ ก่อนอื่นเราต้องสร้างไฟล์เสียงที่มีคลื่นไซน์สองคลื่นโดยมีความแตกต่างของเฟส 90 องศาระหว่างคลื่นทั้งสอง

ขั้นตอนที่ 6: ใส่สิ่งที่เรารู้ลงในสะพาน

การอัปโหลดไฟล์ wave นี้ไปยังเครื่องเล่น MP3 หรือเล่นโดยตรงจากพีซี ช่องสัญญาณซ้ายและขวาจะสร้างคลื่นไซน์สองคลื่นที่มีแอมพลิจูดเท่ากัน จากนี้ไป ฉันจะใช้ตัวเก็บประจุเป็นตัวอย่างเพื่อความเรียบง่าย อย่างไรก็ตาม หลักการเดียวกันนี้ใช้ได้กับตัวเหนี่ยวนำเช่นกัน ยกเว้นสัญญาณที่กระตุ้นจะต้องล้าหลัง 90 องศาแทน

ขั้นแรกให้วาดสะพานใหม่ด้วยอุปกรณ์ภายใต้การทดสอบซึ่งแสดงโดยตัวเก็บประจุที่สมบูรณ์แบบในอนุกรมที่มีตัวต้านทานที่สมบูรณ์แบบ แหล่งสัญญาณยังถูกแยกออกเป็นสองสัญญาณด้วยเฟสสัญญาณหนึ่งเปลี่ยน 90 องศาเมื่ออ้างอิงถึงสัญญาณอื่น

ตอนนี้นี่คือส่วนที่น่ากลัว เราต้องดำดิ่งสู่คณิตศาสตร์ที่อธิบายการทำงานของวงจรนี้ ขั้นแรกให้ดูที่แรงดันไฟฟ้าที่ด้านขวามือของมิเตอร์ เพื่อให้การออกแบบเรียบง่าย วิธีที่ดีที่สุดคือเลือกตัวต้านทานทางด้านขวาให้เท่ากัน ดังนั้น Rm = Rm และแรงดันไฟฟ้าที่ Vmr จึงเป็นครึ่งหนึ่งของ Vref

Vmr = Vref / 2

ถัดไป เมื่อสะพานสมดุลกัน แรงดันไฟฟ้าทางด้านซ้ายของมิเตอร์และด้านขวาของมิเตอร์จะเท่ากันทุกประการ และเฟสก็จะตรงกันทุกประการ ดังนั้น Vml จึงเป็นครึ่งหนึ่งของ Vref ด้วยสิ่งนี้เราสามารถเขียน:

Vml = Vref / 2 = Vcc + Vrc

ทีนี้ลองเขียนกระแสไหลผ่าน R90 และ R0:

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

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

นอกจากนี้ กระแสไหลแม้ว่าอุปกรณ์ที่ทดสอบคือ:

Ic = Ir0 + Ir90

ตอนนี้ สมมติว่าอุปกรณ์ที่ทดสอบคือตัวเก็บประจุและเราต้องการให้ Vz นำ Vref 90 องศาและไปที่

ทำให้การคำนวณง่ายขึ้น เราสามารถปรับแรงดันไฟฟ้าของ Vz และ Vref ให้เป็น 1V ได้ จากนั้นเราสามารถพูดได้ว่า:

Vz = j, Vref = 1

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

Ir90 = (j - 0.5) / (R90)

ทั้งหมดเข้าด้วยกัน:

Ic = Vml / (-j Xc + Rc)

-j Xc + Rc = (0.5 / ไอซี)

โดยที่ Xc คืออิมพีแดนซ์ของความจุที่สมบูรณ์แบบ Cc

ดังนั้น โดยการปรับสมดุลบริดจ์และหาค่าของ R0 และ R90 จึงเป็นเรื่องง่ายที่จะคำนวณกระแสรวมผ่านอุปกรณ์ภายใต้การทดสอบ Ic ใช้สมการสุดท้ายที่เรามาถึง เราสามารถคำนวณอิมพีแดนซ์ของความจุที่สมบูรณ์แบบและความต้านทานแบบอนุกรมได้ เมื่อทราบค่าอิมพีแดนซ์ของตัวเก็บประจุและความถี่ของสัญญาณที่ใช้แล้ว จะง่ายต่อการค้นหาความจุของอุปกรณ์ที่ทดสอบโดย:

Xc = 1 / (2 x π FC)

ขั้นตอนที่ 7: ขั้นตอนในการวัดค่าตัวเก็บประจุหรือตัวเหนี่ยวนำ

1. เล่นไฟล์ wave โดยใช้พีซีหรือเครื่องเล่น MP3

2. เชื่อมต่อเอาต์พุตของเครื่องเล่น MP3 ตามแผนภาพการเดินสายไฟที่แสดงด้านบน สลับการเชื่อมต่อเป็นช่องสัญญาณซ้ายและขวาหากคุณกำลังวัดตัวเหนี่ยวนำ

3. เชื่อมต่อมัลติมิเตอร์และตั้งค่าการวัดแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ

4. เล่นคลิปเสียงและปรับพ็อตทริมจนกว่าการอ่านค่าแรงดันไฟจะลดลงเหลือน้อยที่สุด ยิ่งใกล้ศูนย์มากเท่าใด การวัดก็จะยิ่งแม่นยำมากขึ้นเท่านั้น

5. ถอดอุปกรณ์ภายใต้การทดสอบ (DUT) และเครื่องเล่น MP3

6. ย้ายสายมัลติมิเตอร์ไปที่ R90 และตั้งค่าการวัดความต้านทาน วัดค่า. 7. ทำเช่นเดียวกันสำหรับ R0

8. คำนวณค่าตัวเก็บประจุ/ตัวเหนี่ยวนำด้วยตนเอง หรือใช้สคริปต์ Octave/Matlab ที่ให้มาเพื่อแก้ไขค่า

ขั้นตอนที่ 8: ตารางค่าความต้านทานโดยประมาณที่จำเป็นสำหรับตัวต้านทานแบบปรับได้เพื่อให้สมดุลของบริดจ์

ขั้นตอนที่ 9: ขอบคุณ

ขอบคุณที่อ่านคำแนะนำนี้ นี่คือการถอดความของหน้าเว็บที่ฉันเขียนในปี 2009