Kondensatoren in der Robotik - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:18

Die Motivation für dieses Instructable ist das längere, das entwickelt wird, das den Fortschritt durch den Texas Instruments Robotics System Learning Kit Lab Course verfolgt. Und die Motivation für diesen Kurs besteht darin, einen besseren, robusteren Roboter zu bauen (umzubauen). Hilfreich ist auch "Section 9: Voltage, Power, and Energy Storage in a Capacitor, DC Engineering Circuit Analysis", verfügbar unter MathTutorDvd.com.

Es gibt viele Probleme, die man beim Bau eines großen Roboters beachten muss, die man beim Bau eines kleinen Roboters oder Spielzeugroboters meist ignorieren kann.

Wenn Sie mit Kondensatoren vertrauter sind oder sich besser auskennen, könnte Ihnen das bei Ihrem nächsten Projekt helfen.

Schritt 1: Teile und Ausrüstung

Wenn Sie damit herumspielen, Nachforschungen anstellen und Ihre eigenen Schlussfolgerungen ziehen möchten, finden Sie hier einige Teile und Ausrüstung, die hilfreich sein könnten.

• Widerstände mit unterschiedlichen Werten
• Kondensatoren mit unterschiedlichem Wert
• Überbrückungsdrähte
• ein Druckknopfschalter
• ein Steckbrett
• ein Oszilloskop
• ein Voltmeter
• ein Funktions-/Signalgenerator

In meinem Fall habe ich keinen Signalgenerator, also musste ich einen Mikrocontroller (ein MSP432 von Texas Instruments) verwenden. Sie können einige Hinweise dazu erhalten, einen selbst von diesem anderen Instructable zu tun.

(Wenn Sie nur möchten, dass das Mikrocontroller-Board Ihr eigenes Ding macht (ich komponiere eine Reihe von Instructables, die hilfreich sein könnten), ist das MSP432-Entwicklungsboard selbst mit etwa 27 USD relativ günstig. Sie können bei Amazon, Digikey, nachfragen, Newark, Element14 oder Mouser.)

Schritt 2: Werfen wir einen Blick auf Kondensatoren

Stellen wir uns eine Batterie, einen Druckknopfschalter (Pb), einen Widerstand (R) und einen Kondensator in Reihe vor. In einer geschlossenen Schleife.

Zum Zeitpunkt Null t(0) würden wir bei offenem Pb weder am Widerstand noch am Kondensator eine Spannung messen.

Wieso den? Die Antwort für den Widerstand ist einfach - es kann nur eine gemessene Spannung vorliegen, wenn Strom durch den Widerstand fließt. Über einen Widerstand führt ein Potentialunterschied zu einem Strom.

Aber da der Schalter offen ist, kann kein Strom fließen. Somit liegt keine Spannung (Vr) über R an.

Wie wäre es mit dem Kondensator. Nun ja, im Moment fließt kein Strom im Stromkreis.

Wenn der Kondensator vollständig entladen ist, bedeutet dies, dass an seinen Anschlüssen keine Potenzialdifferenz messbar ist.

Wenn wir das Pb bei t(a) schieben(schließen), dann wird es interessant. Wie wir in einem der Videos angegeben haben, beginnt der Kondensator als entladen. Gleicher Spannungspegel an jeder Klemme. Betrachten Sie es als einen kurzgeschlossenen Draht.

Obwohl intern keine echten Elektronen durch den Kondensator fließen, beginnt sich an einem Anschluss eine positive Ladung und am anderen Anschluss eine negative Ladung zu bilden. Es sieht dann (von außen) so aus, als ob tatsächlich Strom vorhanden wäre.

Da sich der Kondensator in seinem am stärksten entladenen Zustand befindet, hat er gerade dann die größte Kapazität, eine Ladung aufzunehmen. Wieso den? Denn während des Ladens bedeutet dies, dass an seinem Anschluss ein messbares Potenzial vorhanden ist, und das bedeutet, dass der Wert näher an der angelegten Batteriespannung liegt. Mit einem geringeren Unterschied zwischen angelegter (Batterie) und zunehmender Ladung (Spannungsanstieg) gibt es weniger Antrieb, die Ladung mit der gleichen Rate zu akkumulieren.

Die sich ansammelnde Laderate verringert sich mit der Zeit. Das haben wir sowohl in den Videos als auch in der L. T. Spice-Simulation gesehen.

Da der Kondensator ganz am Anfang die meiste Ladung aufnehmen möchte, wirkt er wie ein vorübergehender Kurzschluss zum Rest der Schaltung.

Das bedeutet, dass wir am Anfang den meisten Strom durch die Schaltung bekommen.

Wir haben dies in dem Bild gesehen, das die L. T. Spice-Simulation zeigt.

Wenn sich ein Kondensator auflädt und seine Spannung an seinen Anschlüssen sich der angelegten Spannung annähert, wird der Impuls oder die Fähigkeit zum Laden reduziert. Denken Sie darüber nach - je größer eine Spannungsdifferenz über etwas ist, desto größer ist die Möglichkeit eines Stromflusses. Große Spannung = möglicher großer Strom. Kleine Spannung = möglicher kleiner Strom. (Normalerweise).

Wenn also ein Kondensator das Spannungsniveau der angelegten Batterie erreicht, sieht es dann wie eine Unterbrechung oder Unterbrechung im Stromkreis aus.

Ein Kondensator beginnt also als Kurzschluss und endet als offen. (Sehr vereinfacht).

Also wieder maximaler Strom am Anfang, minimaler Strom am Ende.

Auch wenn Sie versuchen, eine Spannung über einen Kurzschluss zu messen, werden Sie keine sehen.

In einem Kondensator ist der Strom also am größten, wenn die Spannung (über dem Kondensator) Null ist, und der Strom ist am geringsten, wenn die Spannung (über dem Kondensator) am größten ist.

Zwischenspeicherung und Energieversorgung

Aber es gibt noch mehr, und dieser Teil könnte in unseren Roboterschaltkreisen hilfreich sein.

Nehmen wir an, der Kondensator ist geladen. Es liegt an der angelegten Batteriespannung. Wenn aus irgendeinem Grund die angelegte Spannung abfällt ("sag"), möglicherweise aufgrund eines übermäßigen Strombedarfs in den Schaltkreisen, scheint in diesem Fall Strom aus dem Kondensator zu fließen.

Nehmen wir also an, dass die angelegte Eingangsspannung kein stabiler Pegel ist, den wir brauchen. Ein Kondensator kann helfen, diese (kurzen) Einbrüche zu glätten.

Schritt 3: Eine Anwendung von Kondensatoren - Filterrauschen

Wie könnte uns ein Kondensator helfen? Wie können wir das, was wir über einen Kondensator beobachtet haben, anwenden?

Lassen Sie uns zunächst etwas modellieren, das im wirklichen Leben passiert: eine laute Stromschiene in den Schaltkreisen unseres Roboters.

Wir haben L. T. Spice können wir eine Schaltung konstruieren, die uns hilft, digitales Rauschen zu analysieren, das in den Stromschienen unserer Roboterschaltungen auftreten könnte. Die Bilder zeigen die Schaltung und die Spice-Modellierung der resultierenden Stromschienenspannungspegel.

Der Grund, warum Spice es modellieren kann, ist, dass die Stromversorgung der Schaltung ("V.5V. Batt") einen kleinen Innenwiderstand hat. Nur für Kicks habe ich es mit 1 Ohm Innenwiderstand gemacht. Wenn Sie dies modellieren, die Spannungsquelle jedoch nicht mit einem Innenwiderstand versehen, sehen Sie aufgrund des digitalen Rauschens keinen Einbruch der Schienenspannung, da die Spannungsquelle dann eine "perfekte Quelle" ist.