Қарапайым автономды конденсатор сынағы / сыйымдылық өлшеуіші Arduino көмегімен және қолмен: 4 қадам

2024 Автор: John Day | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2024-01-30 10:25

Сәлеметсіз бе!

Бұл физикалық блок үшін сізге қажет:

* 0-12 В кернеуі бар қуат көзі

* бір немесе бірнеше конденсатор

* бір немесе бірнеше зарядтау резисторы

* секундомер

* кернеуді өлшеуге арналған мультиметр

* нано нано

* 16x2 I²C дисплей

* 1, 4 Вт резисторлары 220, 10к, 4.7М және 1Гомс 1 Гом резисторы бар

* дупонды сым

1 -қадам: Конденсаторлар туралы жалпы ақпарат

Конденсаторлар электроникада өте маңызды рөл атқарады, олар зарядтарды сүзгі, интегратор және т.б. ретінде сақтауға қолданылады, бірақ математикалық түрде конденсаторлар көп. Осылайша сіз конденсаторлардың көмегімен экспоненциалды функцияларды қолдана аласыз. машықтану. Егер бастапқыда зарядталмаған конденсатор резистор арқылы кернеу көзіне қосылған болса, онда зарядтар конденсаторға үздіксіз ағып отырады. Q зарядының жоғарылауымен Q = C * U (C = конденсатордың сыйымдылығы) формуласы бойынша конденсатордағы U кернеуі де артады. Алайда, зарядтау тогы барған сайын азаяды, себебі тез зарядталатын конденсаторды зарядтарға толтыру қиындай түседі. Конденсатордағы U (t) кернеуі келесі формулаға сәйкес келеді:

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

U0 - қуат көзінің кернеуі, t - уақыт және k - зарядтау процесінің жылдамдығының өлшемі. K қандай өлшемдерге байланысты? Сақтау сыйымдылығы неғұрлым үлкен болса (яғни конденсатордың сыйымдылығы С), ол баяу зарядтарға толады және кернеу баяулайды. C неғұрлым үлкен болса, кіші k. Конденсатор мен қуат көзі арасындағы қарсылық заряд тасымалдауды да шектейді. Үлкен қарсылық R кіші токты тудырады, сондықтан конденсаторға секундына аз заряд түседі. R үлкен болса, кіші k болады. K мен R немесе C арасындағы дұрыс байланыс:

k = 1 / (R * C).

Конденсатордағы кернеу U (t) осылайша U (t) = U0 * (1-exp (-t / (R * C))) формуласы бойынша артады.

2 -қадам: Өлшемдер

Студенттер U кернеуін t уақытында кестеге енгізуі керек, содан кейін экспоненциалдық функцияны салу керек. Егер кернеу тым тез жоғарыласа, кернеуді жоғарылатуға тура келеді. Екінші жағынан, кернеу тым баяу өзгерсе, R -ны төмендетіңіз.

Егер белгілі бір уақыт өткеннен кейін U0, R кедергісі мен U (t) кернеуін білетін болсақ, онда конденсатордың С сыйымдылығын есептеуге болады. Ол үшін теңдеуді логарифммен жазу керек еді, ал кейбір түрлендірулерден кейін мынаны аламыз: C = -t / (R * ln (1 - U (t) / U0)))

Мысал: U0 = 10В, R = 100 кОМ, t = 7 секунд, U (7 сек) = 3,54В. Содан кейін C нәтижесінде C = 160 мкФ мәні шығады.

Бірақ сыйымдылықты анықтаудың екінші, қарапайым әдісі бар. Атап айтқанда, t = R * C кейін U (t) кернеуі U0 -ның 63,2% құрайды.

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

Бұл нені білдіреді? Студенттер t уақытын анықтауы керек, содан кейін U (t) кернеуі U0 -тың 63,2% құрайды. Нақтырақ айтқанда, жоғарыдағы мысал үшін конденсатордағы кернеу 10В * 0,632 = 6,3В болатын уақыт ізделеді. Бұл жағдай 16 секундтан кейін болады. Бұл мән енді t = R * C теңдеуіне енгізіледі: 16 = 100000 * C. Бұл нәтиже береді: C = 160 мкФ.

3 -қадам: Arduino

Жаттығудың соңында сыйымдылықты Arduino көмегімен де анықтауға болады. Бұл C сыйымдылығын дәл бұрынғы әдіс бойынша есептейді. Ол конденсаторды 5 В белгілі резистор арқылы зарядтайды және конденсатордағы кернеу = 5В * 0,632 = 3,16В болатын уақытты анықтайды. Arduino цифрлық-аналогты түрлендіргіші үшін 5В 1023 тең. Сондықтан аналогтық кірістің мәні 1023 * 3.16 / 5 = 647 болғанша күту керек. Осы уақыт ішінде С сыйымдылығын есептеуге болады. Сыйымдылығы әр түрлі конденсаторларды өлшеуге болатындықтан, 3 түрлі зарядтау резисторы қолданылады. Біріншіден, 647 дейін зарядтау уақытын анықтау үшін төмен қарсылық қолданылады. Егер бұл өте қысқа болса, яғни конденсатордың сыйымдылығы тым аз болса, келесі жоғары зарядтау кедергісі таңдалады. Егер бұл тым аз болса, өлшеудің соңында 1 Гольм кедергісі болады. Содан кейін C мәні дисплейде дұрыс бірлікпен (µF, nF немесе pF) көрсетіледі.

4 -қадам: Қорытынды

Бұл бөлімде оқушылар не үйренеді? Сіз конденсаторлар, олардың сыйымдылығы С, экспоненциалды функциялар, логарифм, пайыздық есептеулер мен Arduino туралы білетін боласыз. Мен көп ойлаймын.

Бұл қондырғы 16-17 жас аралығындағы студенттерге арналған. Сіз математикадағы экспоненциалды функция мен логарифмнен өткен болуыңыз керек. Сыныпта және Эврикада сынап көріңіз!

Егер сіз маған сыныптағы ғылыми сайыста дауыс берсеңіз, мен өте қуанышты болар едім. Бұл үшін көп рахмет!

Егер сіз менің басқа физика жобаларыма қызығушылық танытсаңыз, міне менің youtube арнам:

басқа физика жобалары: