So messen Sie einen Kondensator oder eine Induktivität mit einem MP3-Player - Gunook

2025 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2025-01-13 06:56

Hier ist eine einfache Technik, die verwendet werden kann, um die Kapazität und Induktivität eines Kondensators und einer Induktivität ohne teure Ausrüstung genau zu messen. Die Messtechnik basiert auf einer symmetrischen Brücke und kann leicht aus kostengünstigen Widerständen aufgebaut werden. Diese Messtechnik misst nicht nur den Kapazitätswert, sondern gleichzeitig auch den effektiven Serienwiderstand des Kondensators.

Benötigte Komponenten:

1. Einige variable Widerstände

2. Ein MP3-Player

3. Ein Multimeter

4. Ein Taschenrechner, um den Wert zu berechnen

Schritt 1: Ein bisschen Hintergrundtheorie

Nehmen wir als Einführung in das Projekt, was eine LCR-Brücke ist und was sie braucht

einer. Wenn Sie nur eine LCR-Brücke erstellen möchten, überspringen Sie diese Schritte.

Um die Funktionsweise einer LCR-Brücke zu verstehen, ist es notwendig, darüber zu sprechen, wie sich ein Kondensator, ein Widerstand und eine Induktivität in einem Wechselstromkreis verhalten. Zeit, Ihr ECE101-Lehrbuch abzustauben. Widerstand ist das am einfachsten zu verstehende Element aus der Gruppe. Ein perfekter Widerstand verhält sich genauso, wenn ein Gleichstrom durch den Widerstand fließt, wie wenn ein Wechselstrom durch ihn fließt. Sie stellt dem fließenden Strom einen Widerstand entgegen, obwohl sie dabei Energie verbraucht. Der einfache Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und Widerstand ist:

R = I / V

Ein perfekter Kondensator hingegen ist ein reiner Energiespeicher. Es zerstreut keine Energie, die es passiert. Wenn vielmehr eine Wechselspannung an einen Kondensatoranschluss angelegt wird, ist der Stromfluss durch den Kondensator Strom, der erforderlich ist, um Änderungen am Kondensator hinzuzufügen und von diesem zu entfernen. Als Ergebnis ist der durch den Kondensator fließende Strom im Vergleich zu seiner Klemmenspannung phasenverschoben. Tatsächlich ist es immer 90 Grad vor der Spannung an seinem Anschluss. Der einfache Weg, dies darzustellen, ist die Verwendung der imaginären Zahl (j):

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

Ähnlich wie der Kondensator ist die Induktivität ein reiner Energiespeicher. Als genaue Ergänzung zum Kondensator verwendet der Induktor ein Magnetfeld, um den durch den Induktor fließenden Strom aufrechtzuerhalten, und passt dabei seine Klemmenspannung an. Somit liegt der durch die Induktivität fließende Strom 90 Grad vor der Klemmenspannung. Die Gleichung, die das Spannungs- und Stromverhältnis an seinem Anschluss darstellt, lautet:

V (j) (L) = I

Schritt 2: Mehr Theorie

Zusammenfassend können wir den Widerstandsstrom (Ir), den Induktorstrom (Ii) und den Kondensatorstrom (Ic) alle in das gleiche Vektordiagramm einzeichnen, das hier gezeigt wird.

Schritt 3: Mehr Theorie

In einer perfekten Welt mit perfekten Kondensatoren und Induktivitäten erhalten Sie einen reinen Energiespeicher.

In einer realen Welt ist jedoch nichts perfekt. Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Energiespeichers, sei es ein Kondensator, eine Batterie oder ein Pumpspeicher, ist die Effizienz des Speichers. Dabei geht immer etwas Energie verloren. Bei einem Kondensator oder Induktor ist dies der parazide Widerstand des Geräts. Bei einem Kondensator wird er als Verlustfaktor bezeichnet, bei einer Induktivität als Qualitätsfaktor. Eine schnelle Möglichkeit, diesen Verlust zu modellieren, besteht darin, einen Serienwiderstand in Reihe zu einem perfekten Kondensator oder Induktor hinzuzufügen. Somit sieht ein echter Kondensator eher wie ein perfekter Widerstand und ein perfekter Kondensator in Reihe aus.

Schritt 4: Die Wheatstone-Brücke

Es gibt insgesamt vier Widerstandselemente in einer Brücke. Es gibt auch eine Signalquelle und a

Meter in der Mitte der Brücke. Das Element, das wir kontrollieren, sind die Widerstandselemente. Die Hauptfunktion der Widerstandsbrücke besteht darin, die Widerstände in der Brücke anzupassen. Wenn eine Brücke symmetrisch ist, was anzeigt, dass der Widerstand R11 mit R12 und R21 mit R22 übereinstimmt, geht der Ausgang des Messgeräts in der Mitte auf Null. Dies liegt daran, dass Strom, der durch R11 fließt, aus R12 fließt und Strom, der durch R21 fließt, aus R22 fließt. Die Spannung zwischen linker und rechter Zählerseite ist dann identisch.

Das Schöne an der Brücke ist die Quellimpedanz der Signalquelle und die Linearität des Messgeräts beeinflusst die Messung nicht. Selbst wenn Sie ein billiges Messgerät haben, das viel Strom benötigt, um die Messung durchzuführen (z. B. ein altes analoges Messgerät mit Nadel), funktioniert es hier immer noch gut, solange es empfindlich genug ist, um Ihnen mitzuteilen, wenn kein Strom vorhanden ist fließt durch das Messgerät. Wenn die Signalquelle eine beträchtliche Ausgangsimpedanz hat, hat der Abfall der Ausgangsspannung, der durch den durch die Brücke fließenden Strom verursacht wird, auf der linken Seite der Brücke die gleiche Wirkung wie auf der rechten Seite der Brücke. Das Nettoergebnis hebt sich selbst auf und die Brücke kann den Widerstand immer noch mit bemerkenswerter Genauigkeit anpassen.

Der aufmerksame Leser wird vielleicht bemerken, dass die Brücke auch ausgleicht, wenn R11 gleich R21 und R12 gleich R22 ist. Dies ist der Fall, den wir hier nicht betrachten werden, daher werden wir diesen Fall nicht weiter diskutieren.

Schritt 5: Wie wäre es mit einem reaktiven Element anstelle von Widerständen?

In diesem Beispiel wird die Brücke ausgeglichen, sobald Z11 mit Z12 übereinstimmt. Halten Sie das Design einfach, die

Die rechte Seite der Brücke wurde mit Widerständen hergestellt. Eine neue Anforderung ist, dass die Signalquelle eine Wechselstromquelle sein muss. Das verwendete Messgerät muss auch in der Lage sein, Wechselstrom zu erfassen. Z11 und Z12 können eine beliebige Impedanzquelle, ein Kondensator, eine Induktivität, ein Widerstand oder eine Kombination aller drei sein.

So weit, ist es gut. Wenn Sie eine Tüte mit perfekt kalibrierten Kondensatoren und Induktivitäten haben, können Sie die Brücke verwenden, um den Wert des unbekannten Geräts herauszufinden. Das wäre jedoch wirklich zeitaufwändig und teuer. Eine bessere Lösung ist es, mit einem Trick das perfekte Referenzgerät zu simulieren. Hier kommt der MP3-Player ins Spiel.

Erinnern Sie sich, dass der Strom, der durch einen Kondensator fließt, immer 90 Grad vor seiner Klemmenspannung liegt? Wenn wir nun die Klemmenspannung des zu prüfenden Geräts festlegen können, wäre es möglich, einen Strom um 90 Grad im Voraus anzulegen und die Wirkung eines Kondensators zu simulieren. Dazu müssen wir zunächst eine Audiodatei erstellen, die zwei Sinuswellen mit einer Phasendifferenz von 90 Grad zwischen den beiden Wellen enthält.

Schritt 6: Setzen Sie das, was wir wissen, in eine Brücke ein

Wird diese Wave-Datei in den MP3-Player hochgeladen oder direkt vom PC abgespielt, erzeugt der linke und rechte Kanal die beiden Sinuswellen mit gleicher Amplitude. Von diesem Punkt an werde ich der Einfachheit halber den Kondensator als Beispiel verwenden. Das gleiche Prinzip ist jedoch auch auf Induktoren anwendbar, außer dass das angeregte Signal stattdessen um 90 Grad nacheilen muss.

Lassen Sie uns zuerst die Brücke mit dem zu testenden Gerät neu zeichnen, das durch einen perfekten Kondensator in Reihe mit einem perfekten Widerstand dargestellt wird. Die Signalquelle wird auch in zwei Signale aufgeteilt, wobei ein Signal in Bezug auf das andere Signal um 90 Grad phasenverschoben ist.

Nun, hier ist der beängstigende Teil. Wir müssen in die Mathematik eintauchen, die die Funktionsweise dieser Schaltung beschreibt. Schauen wir uns zuerst die Spannung auf der rechten Seite des Messgeräts an. Um das Design zu vereinfachen, ist es am besten, den Widerstand auf der rechten Seite gleich zu wählen, also Rm = Rm und die Spannung an Vmr ist die Hälfte von Vref.

Vmr = Vref / 2

Als nächstes, wenn die Brücke symmetrisch ist, sind die Spannungen links vom Messgerät und rechts vom Messgerät genau gleich, und die Phase stimmt auch genau überein. Somit ist Vml auch die Hälfte von Vref. Damit können wir aufschreiben:

Vml = Vref / 2 = Vcc + Vrc

Versuchen wir nun, den durch R90 und R0 fließenden Strom aufzuschreiben:

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

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

Außerdem ist der Strom, der durch das zu testende Gerät fließt:

Ic = Ir0 + Ir90

Nehmen wir nun an, das zu testende Gerät ist ein Kondensator und wir möchten, dass Vz Vref um 90 Grad vorauseilt und zu

Um die Berechnung einfach zu machen, können wir die Spannung von Vz und Vref auf 1V normieren. Wir können dann sagen:

Vz = j, Vref = 1

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

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

Alle zusammen:

Ic = Vml / (-j Xc + Rc)

-jXc + Rc = (0,5 / Ic)

Wobei Xc die Impedanz der perfekten Kapazität Cc ist.

Durch Abgleichen der Brücke und Ermitteln der Werte von R0 und R90 ist es daher einfach, den Gesamtstrom durch das zu prüfende Gerät Ic zu berechnen. Verwenden Sie die letzte Gleichung, zu der wir gekommen sind, können wir die Impedanz der perfekten Kapazität und den Serienwiderstand berechnen. Wenn Sie die Kondensatorimpedanz und die Frequenz des angelegten Signals kennen, können Sie die Kapazität des zu prüfenden Geräts leicht ermitteln, indem Sie:

Xc = 1 / (2 x π F C)

Schritt 7: Schritt beim Messen des Kondensator- oder Induktorwerts

1. Spielen Sie die Wave-Datei mit einem PC oder einem MP3-Player ab.

2. Schließen Sie den Ausgang des MP3-Players wie oben gezeigt an, vertauschen Sie den Anschluss auf den linken und rechten Kanal, wenn Sie Induktoren messen.

3. Schließen Sie das Multimeter an und stellen Sie die Messung auf Wechselspannung ein.

4. Spielen Sie den Audioclip ab und stellen Sie das Trimmpotentiometer ein, bis die Spannungsanzeige auf das Minimum sinkt. Je näher an Null, desto genauer ist die Messung.

5. Trennen Sie das zu testende Gerät (DUT) und den MP3-Player.

6. Verschieben Sie das Multimeterkabel auf R90 und stellen Sie die Widerstandsmessung ein. Messen Sie den Wert. 7. Machen Sie dasselbe für R0.

8. Berechnen Sie entweder den Kondensator-/Induktorwert manuell oder verwenden Sie das mitgelieferte Octave/Matlab-Skript, um den Wert zu lösen.

Schritt 8: Eine Tabelle des ungefähren Widerstands, der für den variablen Widerstand zum Ausgleichen der Brücke erforderlich ist

Schritt 9: Danke

Vielen Dank für das Lesen dieses instructable. Dies war eine Transkription einer Webseite, die ich 2009 geschrieben habe