ตัวเก็บประจุในวิทยาการหุ่นยนต์: 4 ขั้นตอน

2025 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2025-01-23 15:12

แรงจูงใจสำหรับ Instructable นี้คือการพัฒนาที่ยาวขึ้น ซึ่งจะติดตามความคืบหน้าผ่าน Texas Instruments Robotics System Learning Kit Lab Course และแรงจูงใจสำหรับหลักสูตรนั้นคือการสร้าง (สร้างใหม่) หุ่นยนต์ที่ดีขึ้นและแข็งแกร่งยิ่งขึ้น มีประโยชน์อีกอย่างคือ "ส่วนที่ 9: แรงดันไฟฟ้า พลังงาน และการจัดเก็บพลังงานในตัวเก็บประจุ การวิเคราะห์วงจรทางวิศวกรรม DC" มีให้ที่ MathTutorDvd.com

มีปัญหามากมายที่ต้องกังวลเมื่อสร้างหุ่นยนต์ขนาดใหญ่ ซึ่งส่วนใหญ่สามารถมองข้ามได้เมื่อสร้างหุ่นยนต์ขนาดเล็กหรือของเล่น

การมีความคุ้นเคยหรือมีความรู้เกี่ยวกับตัวเก็บประจุมากขึ้นสามารถช่วยคุณได้ในโครงการต่อไป

ขั้นตอนที่ 1: ชิ้นส่วนและอุปกรณ์

หากคุณต้องการเล่น สำรวจ และหาข้อสรุปของคุณเอง ต่อไปนี้คือส่วนประกอบและอุปกรณ์บางส่วนที่อาจเป็นประโยชน์

• ตัวต้านทานค่าต่างๆ
• ตัวเก็บประจุค่าต่างๆ
• สายจัมเปอร์
• สวิตช์ปุ่มกด
• เขียงหั่นขนม
• ออสซิลโลสโคป
• โวลต์มิเตอร์
• ฟังก์ชัน/เครื่องกำเนิดสัญญาณ

ในกรณีของฉัน ฉันไม่มีเครื่องกำเนิดสัญญาณ ดังนั้นฉันจึงต้องใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ (MSP432 จาก Texas Instruments) คุณสามารถรับคำแนะนำในการทำด้วยตัวเองจากคำแนะนำอื่น ๆ นี้

(ถ้าคุณต้องการให้บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ทำสิ่งของคุณเองเท่านั้น (ฉันกำลังเขียนชุดคำสั่งที่อาจเป็นประโยชน์) บอร์ดพัฒนา MSP432 นั้นมีราคาไม่แพงนักที่ประมาณ 27 เหรียญสหรัฐ คุณสามารถตรวจสอบกับ Amazon, Digikey, Newark, Element14 หรือ Mouser.)

ขั้นตอนที่ 2: มาดูตัวเก็บประจุกัน

ลองนึกภาพแบตเตอรี่ สวิตช์ปุ่มกด (Pb) ตัวต้านทาน (R) และตัวเก็บประจุทั้งหมดเป็นอนุกรม ในวงปิด

ณ เวลาที่ศูนย์ t(0) เมื่อ Pb เปิดอยู่ เราจะไม่มีการวัดแรงดันตกคร่อมตัวต้านทานหรือตัวเก็บประจุ

ทำไม? การตอบคำถามนี้สำหรับตัวต้านทานนั้นง่ายมาก - มีเพียงแรงดันที่วัดได้เมื่อมีกระแสไหลผ่านตัวต้านทานเท่านั้น ข้ามตัวต้านทาน ถ้าศักย์ศักย์ต่างกัน ก็จะทำให้เกิดกระแส

แต่เนื่องจากสวิตช์เปิดอยู่จึงไม่มีกระแสไฟ ดังนั้นจึงไม่มีแรงดันไฟฟ้า (Vr) ข้าม R

ข้ามคาปาซิเตอร์แล้วไง ก็.. อีกอย่างตอนนี้ไม่มีกระแสในวงจรเลย

หากตัวเก็บประจุถูกคายประจุจนหมด แสดงว่าไม่มีความต่างศักย์ที่วัดได้บนเทอร์มินัล

ถ้าเราผลัก (ปิด) Pb ที่ t(a) สิ่งต่าง ๆ จะน่าสนใจ ตามที่เราระบุไว้ในวิดีโอเรื่องหนึ่ง ตัวเก็บประจุเริ่มทำงานเมื่อคายประจุ ระดับแรงดันไฟเท่ากันในแต่ละขั้ว คิดว่ามันเป็นสายย่อ

แม้ว่าจะไม่มีอิเล็กตรอนจริงไหลผ่านตัวเก็บประจุภายใน แต่ก็มีประจุบวกที่เริ่มก่อตัวที่ขั้วหนึ่ง และประจุลบที่ขั้วอีกขั้วหนึ่ง จากนั้นจึงปรากฏขึ้น (ภายนอก) ราวกับว่ามีกระแสไฟฟ้าอยู่จริง

เนื่องจากคาปาซิเตอร์อยู่ในสถานะที่มีการคายประจุมากที่สุด ดังนั้นเมื่อตัวเก็บประจุมีความจุสูงสุดในการรับประจุ ทำไม? เนื่องจากเมื่อชาร์จ นั่นหมายความว่ามีศักยภาพที่วัดได้ทั่วทั้งขั้ว และนั่นหมายความว่ามีค่าใกล้เคียงกับแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ที่ใช้มากขึ้น ด้วยความแตกต่างที่น้อยกว่าระหว่างการใช้ (แบตเตอรี่) กับการชาร์จที่เพิ่มขึ้น (แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น) จึงมีแรงผลักดันน้อยกว่าที่จะเก็บประจุสะสมไว้ในอัตราเดียวกัน

อัตราค่าบริการสะสมจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไป เราเห็นว่าทั้งในวิดีโอและการจำลอง L. T. Spice

เนื่องจากเป็นช่วงเริ่มต้นที่ตัวเก็บประจุต้องการรับประจุสูงสุด มันจึงทำหน้าที่เหมือนลัดวงจรไปยังส่วนที่เหลือของวงจร

นั่นหมายความว่าเราจะได้กระแสมากที่สุดผ่านวงจรเมื่อเริ่มต้น

เราเห็นสิ่งนี้ในภาพที่แสดงการจำลอง L. T. Spice

เมื่อตัวเก็บประจุชาร์จ และกำลังพัฒนาแรงดันไฟฟ้าข้ามขั้วเข้าหาแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ แรงกระตุ้นหรือความสามารถในการชาร์จจะลดลง ลองคิดดู ยิ่งความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าในบางสิ่งมากเท่าใด กระแสก็จะยิ่งมีโอกาสไหลมากขึ้นเท่านั้น แรงดันไฟฟ้าสูง = กระแสไฟขนาดใหญ่ที่เป็นไปได้ แรงดันไฟน้อย = กระแสไฟเล็กที่เป็นไปได้ (โดยทั่วไป).

ดังนั้นเมื่อตัวเก็บประจุถึงระดับแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ที่ใช้ ดูเหมือนว่าวงจรเปิดหรือแตก

ดังนั้นตัวเก็บประจุจึงเริ่มต้นโดยย่อและจบลงด้วยการเปิด (เป็นคนธรรมดามาก).

ดังนั้น กระแสสูงสุดที่จุดเริ่มต้น กระแสต่ำสุดในตอนท้าย

อีกครั้ง หากคุณพยายามวัดแรงดันไฟฟ้าในช่วงสั้นๆ คุณจะไม่เห็นค่าใดๆ

ดังนั้น ในตัวเก็บประจุ กระแสจะสูงสุดเมื่อแรงดัน (ข้ามตัวเก็บประจุ) อยู่ที่ศูนย์ และกระแสอย่างน้อยที่สุดเมื่อแรงดัน (ข้ามตัวเก็บประจุ) มีค่าสูงสุด

การจัดเก็บชั่วคราวและการจ่ายพลังงาน

แต่มีมากกว่านั้น และเป็นส่วนนี้ที่อาจเป็นประโยชน์ในวงจรหุ่นยนต์ของเรา

สมมติว่าตัวเก็บประจุถูกชาร์จ อยู่ที่แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ที่ใช้ ถ้าด้วยเหตุผลบางอย่างแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ลดลง ("ลดลง") อาจเป็นเพราะความต้องการกระแสไฟที่มากเกินไปในวงจร ในกรณีนี้ กระแสจะดูเหมือนไหลออกจากตัวเก็บประจุ

ดังนั้น สมมุติว่าแรงดันไฟที่ใช้เข้าไม่ใช่ระดับคงที่ที่เราต้องการให้เป็น ตัวเก็บประจุสามารถช่วยให้การจุ่ม (สั้น) เหล่านั้นราบรื่นขึ้น

ขั้นตอนที่ 3: แอปพลิเคชั่นหนึ่งของตัวเก็บประจุ - กรองสัญญาณรบกวน

ตัวเก็บประจุสามารถช่วยเราได้อย่างไร? เราจะนำสิ่งที่เราสังเกตเห็นเกี่ยวกับตัวเก็บประจุไปใช้ได้อย่างไร

ขั้นแรก เรามาจำลองสิ่งที่เกิดขึ้นในชีวิตจริงกันก่อน นั่นคือ รางไฟฟ้าที่มีเสียงดังในวงจรหุ่นยนต์ของเรา

เราใช้ L. T. สไปซ์ เราสามารถสร้างวงจรที่จะช่วยเราวิเคราะห์สัญญาณรบกวนดิจิตอล ซึ่งอาจปรากฏในรางพลังงานของวงจรของหุ่นยนต์ ภาพแสดงวงจรและการสร้างแบบจำลองของ Spice ของระดับแรงดันไฟฟ้าของรางไฟที่ได้

เหตุผลที่ Spice สามารถสร้างแบบจำลองได้เนื่องจากแหล่งจ่ายไฟของวงจร ("V.5V. Batt") มีความต้านทานภายในเล็กน้อย สำหรับการเตะ ฉันทำให้มันมีความต้านทานภายใน 1 โอห์ม หากคุณสร้างแบบจำลองนี้แต่ไม่ได้ทำให้แหล่งจ่ายกระแสไฟมีความต้านทานภายใน คุณจะไม่เห็นแรงดันไฟรางที่ลดลงเนื่องจากสัญญาณรบกวนแบบดิจิตอล เนื่องจากแหล่งจ่ายแรงดันไฟจะเป็น "แหล่งที่สมบูรณ์แบบ"