მარტივი Autorange Capacitor Tester / Capacitance Meter Arduino– ით და ხელით: 4 ნაბიჯი

2024 ავტორი: John Day | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-01-30 10:18

გამარჯობა!

ამ ფიზიკის ერთეულისთვის გჭირდებათ:

* კვების წყარო 0-12 ვ

* ერთი ან მეტი კონდენსატორი

* ერთი ან მეტი დამტენი რეზისტორი

* წამზომი

* მულტიმეტრი ძაბვის გაზომვისთვის

* არდუინო ნანო

* 16x2 I²C ეკრანი

* 1 / 4W რეზისტორები 220, 10k, 4.7M და 1Gohms 1 გჰმ რეზისტორით

* დუპონტის მავთული

ნაბიჯი 1: ზოგადი ინფორმაცია კონდენსატორების შესახებ

კონდენსატორები ძალიან მნიშვნელოვან როლს ასრულებენ ელექტრონიკაში. ისინი გამოიყენება ბრალდების შესანახად, როგორც ფილტრი, ინტეგრატორი და ა.შ. მაგრამ მათემატიკურად, კონდენსატორებში ბევრია. ასე რომ თქვენ შეგიძლიათ ივარჯიშოთ ექსპონენციალური ფუნქციებით კონდენსატორებით და ისინი. ვარჯიში. თუ თავდაპირველად დაუტენავი კონდენსატორი რეზისტორის საშუალებით არის დაკავშირებული ძაბვის წყაროსთან, მაშინ მუხტები განუწყვეტლივ მიედინება კონდენსატორში. მზარდი მუხტი Q, ფორმულის მიხედვით Q = C * U (C = კონდენსატორის ტევადობა), ასევე იზრდება კონდენსატორის ძაბვა U. თუმცა, დატენვის დენი უფრო და უფრო მცირდება, რადგან სწრაფად დამუხტული კონდენსატორი სულ უფრო და უფრო რთულდება მუხტებით. კონდენსატორზე ძაბვა U (t) ემორჩილება შემდეგ ფორმულას:

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

U0 არის კვების ბლოკის ძაბვა, t არის დრო და k არის დატენვის პროცესის სიჩქარის საზომი. რომელ ზომებზეა დამოკიდებული k? რაც უფრო დიდია შენახვის მოცულობა (ანუ კონდენსატორის C ტევადობა), მით უფრო ნელა ივსება მუხტებით და ნელა იზრდება ძაბვა. უფრო დიდი C, პატარა k. კონდენსატორსა და დენის წყაროს შორის წინააღმდეგობა ასევე ზღუდავს მუხტის ტრანსპორტს. უფრო დიდი წინააღმდეგობა R იწვევს უფრო მცირე დენს I და შესაბამისად ნაკლებ მუხტს წამში მიედინება კონდენსატორისკენ. უფრო დიდი R, პატარა k. K და R ან C შორის სწორი ურთიერთობაა:

k = 1 / (R * C).

კონდენსატორზე ძაბვა U (t) იზრდება ფორმულის მიხედვით U (t) = U0 * (1-exp (-t / (R * C)))

ნაბიჯი 2: გაზომვები

მოსწავლეებმა უნდა შეიყვანონ ძაბვა U დროს t ცხრილში და შემდეგ დახაზონ ექსპონენციალური ფუნქცია. თუ ძაბვა ძალიან სწრაფად იზრდება, თქვენ უნდა გაზარდოთ წინააღმდეგობა R. მეორე მხრივ, თუ ძაბვა ძალიან ნელა იცვლება, შეამცირეთ რ.

თუ ვინმემ იცის U0, წინააღმდეგობა R და ძაბვა U (t) გარკვეული დროის შემდეგ t, მაშინ კონდენსატორის C ტევადობა შეიძლება გამოითვალოს აქედან. ამისათვის საჭიროა განტოლების ლოგარითმი და გარკვეული გარდაქმნების შემდეგ ვიღებთ: C = -t / (R * ln (1 - U (t) / U0))

მაგალითი: U0 = 10V, R = 100 kohms, t = 7 წამი, U (7 წმ) = 3.54V. შემდეგ C იწვევს C = 160 μF მნიშვნელობას.

მაგრამ არსებობს მეორე, მარტივი მეთოდი C. სიმძლავრის დასადგენად. კერძოდ, ძაბვა U (t) t = R * C– ის შემდეგ ზუსტად არის U0– ს 63,2%.

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

Რას ნიშნავს ეს? სტუდენტებმა უნდა განსაზღვრონ დრო t, რის შემდეგაც ძაბვა U (t) არის U0– ს ზუსტად 63.2%. კერძოდ, ზემოთ მოყვანილი მაგალითისთვის, დროა საჭირო, რომლის დროსაც კონდენსატორზე ძაბვა არის 10V * 0.632 = 6.3V. ეს ასეა 16 წამის შემდეგ. ეს მნიშვნელობა არის ჩასმული განტოლებაში t = R * C: 16 = 100000 * C. ეს იძლევა შედეგს: C = 160 μF.

ნაბიჯი 3: არდუინო

ვარჯიშის დასასრულს, ტევადობა ასევე შეიძლება განისაზღვროს არდუინოთი. ეს ითვლის C ტევადობას ზუსტად წინა მეთოდის მიხედვით. ის ამუხტავს კონდენსატორს ცნობილი რეზისტორის R საშუალებით 5V და განსაზღვრავს დროს, რომლის შემდეგაც ძაბვა კონდენსატორზე = 5V * 0.632 = 3.16V. Arduino ციფრული-ანალოგური გადამყვანისთვის, 5V უდრის 1023. ამიტომ, თქვენ უბრალოდ უნდა დაელოდოთ სანამ ანალოგური შეყვანის მნიშვნელობა იქნება 1023 * 3.16 / 5 = 647. ამ დროს, C სიმძლავრის გამოთვლა შესაძლებელია. ძალიან განსხვავებული ტევადობის კონდენსატორების გაზომვა შესაძლებელია 3 განსხვავებული დამტენი რეზისტორის გამოყენებით. პირველი, დაბალი წინააღმდეგობა გამოიყენება დატენვის დროის დასადგენად 647. მდე. თუ ეს ძალიან მოკლეა, ანუ თუ კონდენსატორის ტევადობა ძალიან მცირეა, შერჩეულია შემდეგი უფრო მაღალი დატენვის წინააღმდეგობა. თუ ეს ასევე ძალიან მცირეა, გაზომვის ბოლოს მოყვება 1 გომსის წინააღმდეგობა. C მნიშვნელობის შემდეგ ეკრანზე გამოჩნდება სწორი ერთეული (µF, nF ან pF).

ნაბიჯი 4: დასკვნები

რას სწავლობენ სტუდენტები ამ ერთეულში? თქვენ გაეცნობით კონდენსატორებს, მათ ტევადობას C, ექსპონენციალურ ფუნქციებს, ლოგარითმს, პროცენტულ გამოთვლებს და არდუინოს. ბევრს ვფიქრობ.

ეს განყოფილება განკუთვნილია 16-17 წლის სტუდენტებისთვის. თქვენ უკვე გაიარეთ მათემატიკაში ექსპონენციალური ფუნქცია და ლოგარითმი. გაერთეთ, სცადეთ ეს თქვენს კლასში და ევრეკაში!

ძალიან გამიხარდება, თუ ხმას მომცემთ საკლასო მეცნიერების კონკურსში. დიდი მადლობა ამისათვის!

თუ თქვენ დაინტერესებული ხართ ჩემი ფიზიკის სხვა პროექტებით, აქ არის ჩემი youtube არხი:

მეტი ფიზიკის პროექტი: