Penguji Kapasitor Autorange Mudah / Meter Kapasitansi Dengan Arduino dan dengan Tangan: 4 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:09

Helo!

Untuk unit fizik ini, anda memerlukan:

* bekalan kuasa dengan 0-12V

* satu atau lebih kapasitor

* satu atau lebih perintang pengecasan

* jam randik

* multimeter untuk pengukuran voltan

* nano arduino

* paparan 16x2 I²C

* Perintang 1 / 4W dengan perintang 220, 10k, 4.7M dan 1Gohms 1 gohms

* wayar dupont

Langkah 1: Maklumat Umum Mengenai Kapasitor

Kapasitor memainkan peranan yang sangat penting dalam elektronik. Mereka digunakan untuk menyimpan cas, sebagai penapis, integrator, dll. Tetapi secara matematik, terdapat banyak kapasitor. Oleh itu, anda boleh mempraktikkan fungsi eksponensial dengan kapasitor dan mereka. bersenam. Sekiranya kapasitor yang tidak dicas pada mulanya disambungkan melalui perintang ke sumber voltan, maka cas mengalir terus ke kapasitor. Dengan kenaikan muatan Q, menurut formula Q = C * U (C = kapasitansi kapasitor), voltan U melintasi kapasitor juga meningkat. Walau bagaimanapun, arus pengecasan semakin berkurang kerana kapasitor yang cepat dicas menjadi semakin sukar untuk diisi dengan cas. Voltan U (t) pada kapasitor mematuhi formula berikut:

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

U0 adalah voltan bekalan kuasa, t adalah masa dan k adalah ukuran kelajuan proses pengecasan. Ukuran yang bergantung kepada k? Semakin besar kapasiti penyimpanan (iaitu, kapasitansi C kapasitor), semakin lambat mengisi dengan cas dan semakin perlahan voltan meningkat. Semakin besar C, semakin kecil k. Rintangan antara kapasitor dan bekalan kuasa juga menghadkan pengangkutan cas. Rintangan R yang lebih besar menyebabkan arus I yang lebih kecil dan oleh itu cas yang lebih sedikit sesaat mengalir ke kapasitor. Semakin besar R, semakin kecil k. Hubungan yang betul antara k dan R atau C adalah:

k = 1 / (R * C).

Voltan U (t) pada kapasitor meningkat mengikut formula U (t) = U0 * (1-exp (-t / (R * C)))

Langkah 2: Pengukuran

Pelajar harus memasukkan voltan U pada masa t dalam jadual dan kemudian melukis fungsi eksponen. Sekiranya voltan meningkat terlalu cepat, anda harus meningkatkan rintangan R. Di sisi lain jika voltan berubah terlalu perlahan, turunkan R.

Sekiranya seseorang mengetahui U0, rintangan R dan voltan U (t) setelah masa tertentu t, maka kapasitansi C kapasitor dapat dikira dari ini. Untuk ini, kita mesti logaritma persamaannya dan setelah beberapa transformasi kita dapat: C = -t / (R * ln (1 - U (t) / U0))

Contoh: U0 = 10V, R = 100 kohms, t = 7 saat, U (7 saat) = 3.54V. Kemudian C menghasilkan nilai C = 160 μF.

Tetapi ada kaedah kedua yang mudah untuk menentukan kapasiti C. Yaitu voltan U (t) selepas t = R * C adalah tepat 63.2% dari U0.

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

Apakah maksud ini? Pelajar mesti menentukan masa t di mana voltan U (t) betul-betul 63.2% dari U0. Khususnya, untuk contoh di atas, masa dicari di mana voltan merentas kapasitor adalah 10V * 0.632 = 6.3V. Ini berlaku selepas 16 saat. Nilai ini kini dimasukkan ke dalam persamaan t = R * C: 16 = 100000 * C. Ini menghasilkan hasilnya: C = 160 μF.

Langkah 3: The Arduino

Pada akhir latihan, kapasitasnya juga dapat ditentukan dengan Arduino. Ini mengira kapasiti C tepat mengikut kaedah sebelumnya. Ia mengecas kapasitor melalui perintang R yang diketahui dengan 5V dan menentukan masa selepas itu voltan pada kapasitor = 5V * 0.632 = 3.16V. Untuk penukar digital-ke-analog Arduino, 5V sama dengan 1023. Oleh itu, anda hanya perlu menunggu sehingga nilai input analog adalah 1023 * 3.16 / 5 = 647. Dengan masa ini, kapasiti C dapat dikira. Sehingga kapasitor dengan kapasitansi yang sangat berbeza dapat diukur, 3 perintang pengecasan yang berbeza digunakan. Pertama, rintangan rendah digunakan untuk menentukan masa pengecasan hingga 647. Sekiranya ini terlalu pendek, iaitu jika kapasitansi kapasitor terlalu kecil, rintangan pengecasan seterusnya yang lebih tinggi dipilih. Sekiranya ini terlalu kecil, rintangan 1 Gohms akan mengikuti pada akhir pengukuran. Nilai untuk C kemudian ditunjukkan pada paparan dengan unit yang betul (µF, nF atau pF).

Langkah 4: Kesimpulan

Apa yang pelajar pelajari di unit ini? Anda akan belajar mengenai kapasitor, kapasitansi C, fungsi eksponensial, logaritma, pengiraan peratusan dan Arduino. Saya banyak berfikir.

Unit ini sesuai untuk pelajar berumur 16-17 tahun. Anda pasti sudah melalui fungsi eksponen dan logaritma dalam matematik. Selamat mencuba di kelas anda dan Eureka!

Saya akan sangat gembira sekiranya anda memilih saya dalam pertandingan sains kelas. Terima kasih banyak untuk ini!

Sekiranya anda berminat dengan projek fizik saya yang lain, inilah saluran youtube saya:

lebih banyak projek fizik: