Rahisi Autorange Capacitor Tester / Capacitance Meter Na Arduino na kwa Mkono: Hatua 4

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:52

Halo!

Kwa kitengo hiki cha fizikia unahitaji:

* usambazaji wa umeme na 0-12V

* capacitors moja au zaidi

* kontena moja au zaidi ya kuchaji

* saa ya kusimama

* multimeter ya kipimo cha voltage

* nano arduino

* onyesho la 16x2 I²C

* 1 / 4W vipinga na 220, 10k, 4.7M na 1Gohms 1 gohms resistor

* waya wa dupont

Hatua ya 1: Maelezo ya Jumla Kuhusu Capacitors

Capacitors huchukua jukumu muhimu sana katika elektroniki. Zinatumiwa kuhifadhi mashtaka, kama kichujio, kiunganishi, n.k. lakini kwa hesabu, kuna mengi katika capacitors. Kwa hivyo unaweza kufanya mazoezi ya kielelezo na capacitors na wao. Fanya mazoezi. Ikiwa kipimaji cha kwanza ambacho hakijalipishwa kimeunganishwa kupitia kontena kwa chanzo cha voltage, basi mashtaka hutiririka kuendelea kwa capacitor. Kwa malipo yanayoongezeka Q, kulingana na fomula Q = C * U (C = uwezo wa capacitor), voltage U kwenye capacitor pia huongezeka. Walakini, sasa ya kuchaji inapungua zaidi na zaidi kwani capacitor iliyochajiwa kwa kasi inazidi kuwa ngumu kujaza mashtaka. Voltage U (t) kwenye capacitor inatii fomula ifuatayo:

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

U0 ni voltage ya usambazaji wa umeme, t ni wakati na k ni kipimo cha kasi ya mchakato wa kuchaji. Je! K inategemea saizi gani? Uwezo mkubwa wa kuhifadhi (ambayo ni capacitance C ya capacitor), polepole hujaza mashtaka na polepole voltage huongezeka. C kubwa, ndogo k. Upinzani kati ya capacitor na usambazaji wa umeme pia hupunguza malipo ya malipo. Upinzani mkubwa R husababisha ndogo ya sasa I na kwa hivyo mashtaka machache kwa kila sekunde inapita kwa capacitor. R kubwa, ndogo k. Uhusiano sahihi kati ya k na R au C ni:

k = 1 / (R * C).

Voltage U (t) kwenye capacitor kwa hivyo huongezeka kulingana na fomula U (t) = U0 * (1-exp (-t / (R * C)))

Hatua ya 2: Vipimo

Wanafunzi wanapaswa kuingiza voltage U kwa wakati t kwenye meza na kisha kuchora kazi ya ufafanuzi. Ikiwa voltage inaongezeka haraka sana, itabidi uongeze upinzani R. Kwa upande mwingine ikiwa voltage inabadilika polepole sana, punguza R.

Ikiwa mtu anajua U0, upinzani R na voltage U (t) baada ya muda fulani t, basi uwezo wa C wa capacitor unaweza kuhesabiwa kutoka kwa hii. Kwa hii ingebidi kuwa na logarithm equation na baada ya mabadiliko kadhaa tunapata: C = -t / (R * ln (1 - U (t) / U0))

Mfano: U0 = 10V, R = 100 kohms, t = sekunde 7, U (sekunde 7) = 3.54V. Kisha C husababisha thamani ya C = 160 μF.

Lakini kuna njia ya pili, rahisi kuamua uwezo C. Yaani, voltage U (t) baada ya t = R * C ni haswa 63.2% ya U0.

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

Hii inamaanisha nini? Wanafunzi lazima waamue saa t baada ya ambayo voltage U (t) ni haswa 63.2% ya U0. Hasa, kwa mfano hapo juu, wakati unatafutwa baada ya hapo voltage kwenye capacitor ni 10V * 0.632 = 6.3V. Hii ndio kesi baada ya sekunde 16. Thamani hii sasa imeingizwa kwenye equation t = R * C: 16 = 100000 * C. Hii inatoa matokeo: C = 160 μF.

Hatua ya 3: Arduino

Mwisho wa zoezi, uwezo pia unaweza kuamua na Arduino. Hii inahesabu uwezo C haswa kulingana na njia ya hapo awali. Inatoza capacitor kupitia kipingaji kinachojulikana R na 5V na huamua wakati ambapo voltage kwenye capacitor = 5V * 0.632 = 3.16V. Kwa kibadilishaji cha dijiti-kwa-Analog ya Arduino, 5V ni sawa na 1023. Kwa hivyo, lazima subiri hadi thamani ya pembejeo ya analogi iwe 1023 * 3.16 / 5 = 647. Kwa wakati huu, uwezo C unaweza kuhesabiwa. Ili capacitors iliyo na uwezo tofauti sana iweze kupimwa, vipingaji 3 vya kuchaji tofauti hutumiwa. Kwanza, upinzani mdogo hutumiwa kuamua wakati wa kuchaji hadi 647. Ikiwa hii ni fupi sana, yaani ikiwa uwezo wa capacitor ni mdogo sana, upinzani wa juu zaidi wa kuchaji huchaguliwa. Ikiwa hii pia ni ndogo sana upinzani 1 wa Gohms unafuata mwishoni mwa kipimo. Thamani ya C inaonyeshwa kwenye onyesho na kitengo sahihi (µF, nF au pF).

Hatua ya 4: Hitimisho

Je! Wanafunzi hujifunza nini katika kitengo hiki? Utajifunza juu ya capacitors, uwezo wao C, kazi za kielelezo, logarithm, hesabu ya asilimia na Arduino. Nadhani mengi.

Kitengo hiki kinafaa kwa wanafunzi wa miaka 16-17. Lazima uwe umepitia kazi ya ufafanuzi na logarithm katika hesabu. Furahiya kujaribu katika darasa lako na Eureka!

Ningefurahi sana ikiwa utanipigia kura kwenye mashindano ya sayansi darasani. Asante sana kwa hili!

Ikiwa una nia ya miradi yangu mingine ya fizikia, hii ndio kituo changu cha youtube:

miradi zaidi ya fizikia: