Конденсаторы в робототехнике: 4 шага

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Мотивация для этого учебного пособия - это более длительная разработка, в которой отслеживается прогресс в рамках лабораторного курса комплектов для обучения робототехническим системам Texas Instruments. И мотивация для этого курса - построить (перестроить) лучшего и более надежного робота. Также полезен «Раздел 9: Напряжение, мощность и накопление энергии в конденсаторе, анализ инженерных цепей постоянного тока», доступный на MathTutorDvd.com.

Есть много проблем, которые нужно учитывать при создании большого робота, но которые можно игнорировать при создании маленького или игрушечного робота.

Более подробные знания о конденсаторах могут помочь вам в следующем проекте.

Шаг 1: Детали и оборудование

Если вы хотите поэкспериментировать, исследовать и сделать собственные выводы, вот некоторые детали и оборудование, которые будут вам полезны.

• резисторы разного номинала
• конденсаторы разного номинала
• перемычки
• кнопочный переключатель
• макет
• осциллограф
• вольтметр
• генератор функций / сигналов

В моем случае у меня нет генератора сигналов, поэтому мне пришлось использовать микроконтроллер (MSP432 от Texas Instruments). Вы можете получить несколько советов о том, как сделать это самостоятельно, из этого другого Instructable.

(Если вы хотите, чтобы плата микроконтроллера выполняла только ваши собственные задачи (я составляю серию инструкций, которые могут быть полезны), сама плата для разработки MSP432 стоит относительно недорого - около 27 долларов США. Вы можете уточнить у Amazon, Digikey, Newark, Element14 или Mouser.)

Шаг 2: давайте взглянем на конденсаторы

Представим себе батарею, кнопочный переключатель (Pb), резистор (R) и конденсатор, соединенные последовательно. В замкнутом цикле.

В нулевой момент времени t (0), когда Pb открыт, мы не будем измерять напряжение ни на резисторе, ни на конденсаторе.

Почему? Ответить на этот вопрос для резистора легко - измеренное напряжение может быть только тогда, когда через резистор протекает ток. Если на резисторе есть разность потенциалов, это вызывает ток.

Но поскольку выключатель разомкнут, тока быть не может. Таким образом, напряжение (Vr) на R.

Как насчет конденсатора. Ну.. опять же, тока в цепи на данный момент нет.

Если конденсатор полностью разряжен, это означает, что на его выводах не может быть измеряемой разности потенциалов.

Если мы нажмем (закроем) Pb в момент t (a), все станет интересно. Как мы указывали в одном из видеороликов, конденсатор начинает работать как разряженный. Одинаковый уровень напряжения на каждой клемме. Думайте об этом как о закороченном проводе.

Хотя настоящие электроны не проходят через конденсатор внутри, есть положительный заряд, который начинает формироваться на одном выводе, и отрицательный заряд на другом выводе. Затем это выглядит (внешне), как будто действительно есть ток.

Поскольку конденсатор находится в наиболее разряженном состоянии, именно тогда он имеет наибольшую емкость для принятия заряда. Почему? Потому что, когда он заряжается, это означает, что на его клемме есть измеримый потенциал, а это означает, что он ближе по значению к приложенному напряжению батареи. Чем меньше разница между включенным (аккумулятором) и его увеличивающимся зарядом (повышением напряжения), тем меньше стимула для сохранения заряда с той же скоростью.

Скорость накопления заряда снижается с течением времени. Мы видели это как в видео, так и в симуляции L. T. Spice.

Поскольку именно в самом начале конденсатор хочет принять наибольший заряд, он действует как временное короткое замыкание для остальной цепи.

Это означает, что мы получим наибольший ток через цепь в самом начале.

Мы видели это на изображении, показывающем симуляцию L. T. Spice.

По мере того как конденсатор заряжается и на его выводах напряжение приближается к приложенному напряжению, импульс или способность заряжаться уменьшается. Подумайте об этом - чем больше разница напряжений на каком-либо участке, тем больше вероятность протекания тока. Большое напряжение = возможный большой ток. Малое напряжение = возможный небольшой ток. (Обычно).

Поэтому, когда конденсатор достигает уровня напряжения используемой батареи, это выглядит как разрыв или разрыв в цепи.

Итак, конденсатор начинается с короткого замыкания и заканчивается обрывом. (Очень упрощенно).

Итак, снова максимальный ток в начале, минимальный ток в конце.

Еще раз, если вы попытаетесь измерить напряжение на коротком замыкании, вы его не увидите.

Таким образом, в конденсаторе ток максимален, когда напряжение (на конденсаторе) равно нулю, а ток минимален, когда напряжение (на конденсаторе) максимально.

Временное хранилище и энергоснабжение

Но это еще не все, и именно эта часть может быть полезна в наших схемах роботов.

Допустим, конденсатор заряжен. Это при поданном напряжении аккумулятора. Если по какой-то причине приложенное напряжение должно упасть («проседать»), возможно, из-за чрезмерной потребности в токе в цепях, в этом случае ток будет вытекать из конденсатора.

Таким образом, предположим, что подаваемое входное напряжение не является стабильным уровнем, который нам нужен. Конденсатор может помочь сгладить эти (короткие) провалы.

Шаг 3. Одно применение конденсаторов - шум фильтра

Чем нам может помочь конденсатор? Как мы можем применить то, что мы наблюдали о конденсаторе?

Во-первых, давайте смоделируем то, что происходит в реальной жизни: шумную шину питания в цепях нашего робота.

Мы использовали L. T. Спайс, мы можем построить схему, которая поможет нам анализировать цифровой шум, который может появляться в шинах питания схем нашего робота. На изображениях показана схема и моделирование Spice результирующих уровней напряжения на шине питания.

Причина, по которой Spice может моделировать это, заключается в том, что источник питания схемы («V.5V. Batt») имеет небольшое внутреннее сопротивление. Просто ради удовольствия я сделал его внутренним сопротивлением 1 Ом. Если вы смоделируете это, но не создадите у источника тока сигнала внутреннее сопротивление, вы не увидите провала напряжения шины из-за цифрового шума, потому что тогда источник напряжения является «идеальным источником».