Cách đo tụ điện hoặc cuộn cảm bằng máy nghe nhạc Mp3: 9 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

Đây là một kỹ thuật đơn giản có thể được sử dụng để đo chính xác điện dung và độ tự cảm của tụ điện và cuộn cảm mà không cần thiết bị đắt tiền. Kỹ thuật đo dựa trên cầu cân bằng và có thể được xây dựng dễ dàng từ các điện trở rẻ tiền. Kỹ thuật đo này không chỉ đo giá trị điện dung mà còn đo cả điện trở nối tiếp hiệu dụng của tụ điện tại cùng một thời điểm.

Các thành phần bắt buộc:

1. Vài biến trở

2. Máy nghe nhạc MP3

3. Một đồng hồ vạn năng

4. Một máy tính để tính ra giá trị

Bước 1: Một chút lý thuyết nền tảng

Như một phần giới thiệu về dự án, chúng ta hãy xem cầu nối LCR là gì và nó cần những gì để tạo ra

một. Nếu bạn chỉ muốn tạo cầu nối LCR, hãy bỏ qua các bước này.

Để hiểu hoạt động của cầu LCR, cần phải nói về cách hoạt động của tụ điện, điện trở và cuộn cảm trong mạch xoay chiều. Đã đến lúc phủi sạch sách giáo khoa ECE101 của bạn. Điện trở là phần tử dễ hiểu nhất trong nhóm. Một điện trở hoàn hảo hoạt động giống như vậy khi dòng điện một chiều chạy qua điện trở như khi dòng điện xoay chiều chạy qua nó. Nó cung cấp khả năng chống lại dòng điện chạy qua mặc dù nó làm tiêu hao năng lượng khi làm như vậy. Mối quan hệ đơn giản giữa cường độ dòng điện, hiệu điện thế và điện trở là:

R = I / V

Mặt khác, một tụ điện hoàn hảo là một thiết bị lưu trữ năng lượng thuần túy. Nó không làm tiêu tan bất kỳ năng lượng nào đi qua nó. Thay vào đó, khi điện áp xoay chiều được đặt vào đầu cực của tụ điện, dòng điện chạy qua tụ điện là dòng điện cần thiết để thêm và loại bỏ chage khỏi tụ điện. Kết quả là, dòng điện chạy qua tụ điện bị lệch pha khi so sánh với điện áp đầu cuối của nó. Trên thực tế, nó luôn luôn đi trước 90 độ so với điện áp trên thiết bị đầu cuối của nó. Cách đơn giản để biểu diễn điều này là sử dụng số ảo (j):

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

Tương tự như tụ điện, cuộn cảm là một thiết bị lưu trữ năng lượng thuần túy. Như một lời khen chính xác cho tụ điện, cuộn cảm sử dụng từ trường để duy trì dòng điện đi qua cuộn cảm, điều chỉnh điện áp đầu cuối của nó để làm như vậy. Do đó, dòng điện chạy qua cuộn cảm đi trước 90 độ so với điện áp đầu cuối. Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện qua thiết bị đầu cuối của nó là:

V (j) (L) = I

Bước 2: Thêm lý thuyết

Tóm lại, chúng ta có thể vẽ dòng điện trở (Ir), dòng điện dẫn (Ii) và dòng điện tụ điện (Ic) trên cùng một giản đồ vectơ, được hiển thị ở đây.

Bước 3: Thêm lý thuyết

Trong một thế giới hoàn hảo với tụ điện và cuộn cảm hoàn hảo, bạn sẽ có được một thiết bị lưu trữ năng lượng thuần túy.

Tuy nhiên, trong một thế giới thực, không có gì là hoàn hảo. Một trong những chất lượng quan trọng đối với thiết bị lưu trữ năng lượng, có thể là tụ điện, pin hoặc thiết bị lưu trữ máy bơm, là hiệu suất của thiết bị lưu trữ. Một số lượng năng lượng luôn bị mất trong quá trình này. Trong tụ điện hoặc cuộn cảm, đây là điện trở của thiết bị. Trong tụ điện, nó được gọi là hệ số tiêu tán, và trong cuộn cảm, nó được gọi là hệ số chất lượng. Một cách nhanh chóng để mô hình hóa sự mất mát này là thêm một điện trở nối tiếp vào một tụ điện hoặc cuộn cảm hoàn hảo. Do đó, một tụ điện ngoài đời thực trông giống một điện trở hoàn hảo hơn và một tụ điện hoàn hảo mắc nối tiếp.

Bước 4: Cầu Wheatstone

Có tổng cộng bốn phần tử điện trở trong một cây cầu. Ngoài ra còn có một nguồn tín hiệu và một

mét ở tâm cầu. Phần tử chúng ta có quyền kiểm soát là các phần tử điện trở. Chức năng chính của cầu điện trở là để phù hợp với các điện trở trong cầu. Khi một cây cầu được cân bằng, cho biết điện trở R11 phù hợp với R12 và R21 phù hợp với R22, đầu ra trên đồng hồ ở trung tâm sẽ về không. Điều này là do dòng điện chạy qua R11 chảy ra khỏi R12 và dòng điện chạy qua R21 chảy ra khỏi R22. Khi đó điện áp giữa bên trái của đồng hồ và bên phải của đồng hồ sẽ giống hệt nhau.

Cái hay của cầu là trở kháng nguồn của nguồn tín hiệu và độ tuyến tính của đồng hồ đo không ảnh hưởng đến phép đo. Ngay cả khi bạn có một đồng hồ rẻ tiền sử dụng nhiều dòng điện để thực hiện phép đo (ví dụ, đồng hồ kim loại cũ), nó vẫn hoạt động tốt ở đây miễn là nó đủ nhạy để cho bạn biết khi nào không có dòng điện. chảy dù mét. Nếu nguồn tín hiệu có trở kháng đầu ra đáng kể, thì sự sụt giảm điện áp đầu ra do dòng điện đi qua cầu gây ra sẽ có tác động tương tự ở bên trái của cầu và ở bên phải của cầu. Kết quả ròng tự hủy bỏ và cây cầu vẫn có thể khớp với kháng cự với mức độ chính xác đáng kể.

Bạn đọc tinh ý có thể nhận thấy rằng cây cầu cũng sẽ cân bằng nếu R11 bằng R21 và R12 bằng R22. Đây là trường hợp chúng tôi sẽ không xem xét ở đây, vì vậy chúng tôi sẽ không thảo luận thêm về trường hợp này.

Bước 5: Làm thế nào về một phần tử phản ứng thay vì điện trở?

Trong ví dụ này, cây cầu sẽ được cân bằng khi Z11 khớp với Z12. Giữ thiết kế đơn giản, bên phải của cây cầu được tạo ra bằng cách sử dụng điện trở. Một yêu cầu mới là nguồn tín hiệu phải là nguồn AC. Đồng hồ đang sử dụng cũng phải có khả năng phát hiện dòng điện xoay chiều. Z11 và Z12 có thể là bất kỳ nguồn trở kháng nào, tụ điện, cuộn cảm, điện trở hoặc sự kết hợp của cả ba.

Càng xa càng tốt. Nếu bạn có một túi tụ điện và cuộn cảm đã được hiệu chuẩn hoàn hảo, bạn có thể sử dụng cầu nối để tìm ra giá trị của thiết bị không xác định. Tuy nhiên, điều đó sẽ thực sự tốn thời gian và tốn kém. Một giải pháp tốt hơn là tìm cách mô phỏng thiết bị tham chiếu hoàn hảo bằng một số thủ thuật. Đây là nơi máy nghe nhạc MP3 xuất hiện trong hình ảnh.

Hãy nhớ dòng điện chạy qua tụ điện luôn luôn đi trước 90 độ so với điện áp đầu cuối của nó? Bây giờ, nếu chúng ta có thể cố định điện áp đầu cuối của thiết bị đang thử nghiệm, chúng ta có thể tạo ra dòng điện có góc 90 độ trước và mô phỏng tác dụng của tụ điện. Để làm điều này, trước tiên chúng ta phải tạo một tệp âm thanh chứa hai sóng hình sin với độ lệch pha giữa hai sóng là 90 độ.

Bước 6: Đưa những gì chúng ta biết vào một cây cầu

Tải tệp sóng này lên máy nghe nhạc MP3 hoặc phát lại trực tiếp từ PC, kênh bên trái và bên phải tạo ra hai sóng hình sin với cùng biên độ. Từ thời điểm này, tôi sẽ sử dụng tụ điện làm ví dụ cho đơn giản. Tuy nhiên, nguyên tắc tương tự cũng có thể áp dụng cho cuộn cảm, ngoại trừ tín hiệu kích thích cần phải có độ trễ 90 độ.

Đầu tiên chúng ta hãy vẽ lại cây cầu với thiết bị được thử nghiệm được biểu diễn bằng một tụ điện hoàn hảo mắc nối tiếp với một điện trở hoàn hảo. Nguồn tín hiệu cũng được tách thành hai tín hiệu với một pha tín hiệu dịch chuyển 90 độ khi tham chiếu đến tín hiệu kia.

Bây giờ, đây là phần đáng sợ. Chúng ta phải đi sâu vào toán học mô tả hoạt động của mạch này. Đầu tiên, chúng ta hãy nhìn vào điện áp ở phía bên tay phải của đồng hồ. Để thiết kế đơn giản, tốt nhất nên chọn điện trở ở phía bên phải bằng nhau, như vậy Rm = Rm và điện áp tại Vmr bằng một nửa Vref.

Vmr = Vref / 2

Tiếp theo, khi cầu được cân bằng, điện áp ở bên trái của đồng hồ và bên phải của công tơ sẽ chính xác bằng nhau và pha cũng sẽ khớp chính xác. Như vậy, Vml cũng là một nửa của Vref. Với điều này, chúng ta có thể viết ra:

Vml = Vref / 2 = Vcc + Vrc

Bây giờ chúng ta hãy thử viết ra dòng điện chạy qua R90 và R0:

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

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

Ngoài ra, dòng điện chạy qua thiết bị được thử nghiệm là:

Ic = Ir0 + Ir90

Bây giờ, giả sử thiết bị được kiểm tra là một tụ điện và chúng tôi muốn Vz dẫn Vref 90 độ và

làm cho việc tính toán đơn giản, chúng ta có thể chuẩn hóa điện áp của Vz và Vref thành 1V. Sau đó chúng ta có thể nói:

Vz = j, Vref = 1

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

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

Tất cả cùng nhau:

Ic = Vml / (-j Xc + Rc)

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

Trong đó Xc là trở kháng của điện dung hoàn hảo Cc.

Do đó, bằng cách cân bằng cầu và tìm ra giá trị của R0 và R90, việc tính toán tổng dòng điện qua thiết bị được thử nghiệm Ic rất đơn giản. Sử dụng phương trình cuối cùng mà chúng ta đã đạt được, chúng ta có thể tính toán trở kháng của điện dung hoàn hảo và điện trở nối tiếp. Bằng cách biết trở kháng của tụ điện và tần số của tín hiệu được đặt vào, có thể dễ dàng tìm ra điện dung của thiết bị cần thử nghiệm bằng cách:

Xc = 1 / (2 x π F C)

Bước 7: Bước đo giá trị của tụ điện hoặc cuộn cảm

1. Phát tệp sóng bằng PC hoặc máy nghe nhạc MP3.

2. Kết nối đầu ra của máy nghe nhạc MP3 như sơ đồ đấu dây ở trên, hoán đổi kết nối sang kênh trái và phải nếu bạn đang đo cuộn cảm.

3. Kết nối đồng hồ vạn năng và đặt phép đo trên điện áp xoay chiều.

4. Phát đoạn âm thanh và điều chỉnh nồi cắt cho đến khi số đọc điện áp giảm xuống mức tối thiểu. Càng gần 0, phép đo càng chính xác.

5. Ngắt kết nối thiết bị đang kiểm tra (DUT) và máy nghe nhạc MP3.

6. Di chuyển dây đồng hồ vạn năng đến R90 và đặt phép đo trên điện trở. Đo lường giá trị. 7. Làm tương tự đối với R0.

8. Tính toán thủ công giá trị tụ điện / cuộn cảm hoặc sử dụng tập lệnh Octave / Matlab được cung cấp để giải giá trị.

Bước 8: Một bảng điện trở gần đúng cần thiết cho điện trở thay đổi để cân bằng cầu

Bước 9: Cảm ơn bạn

Cảm ơn bạn đã đọc hướng dẫn này. Đây là bản sao của một trang web tôi đã viết vào năm 2009