Πυκνωτές στη ρομποτική: 4 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:35

Το κίνητρο για αυτό το Instructable είναι το μεγαλύτερο που αναπτύσσεται, το οποίο παρακολουθεί την πρόοδο μέσω του Texas Instruments Robotics System Learning Kit Lab Course. Και το κίνητρο για αυτό το μάθημα είναι να χτίσουμε (να ξαναφτιάξουμε) ένα καλύτερο, πιο στιβαρό ρομπότ. Επίσης χρήσιμη είναι η "Ενότητα 9: Τάση, ισχύς και αποθήκευση ενέργειας σε έναν πυκνωτή, DC Engineering Circuit Analysis", διαθέσιμη στο MathTutorDvd.com.

Υπάρχουν πολλά ζητήματα που πρέπει να ανησυχούν κατά την κατασκευή ενός μεγάλου ρομπότ, τα οποία μπορεί κυρίως να αγνοήσει κατά την κατασκευή ενός μικρού ή παιχνιδιού ρομπότ.

Η εξοικείωση ή η γνώση των πυκνωτών θα μπορούσε να σας βοηθήσει στο επόμενο έργο σας.

Βήμα 1: Ανταλλακτικά και εξοπλισμός

Αν θέλετε να παίξετε, να διερευνήσετε και να βγάλετε τα δικά σας συμπεράσματα, εδώ είναι μερικά μέρη και εξοπλισμός που θα ήταν χρήσιμα.

• διαφορετικές τιμές αντίστασης
• πυκνωτές διαφορετικής αξίας
• καλώδια βραχυκυκλωτήρων
• διακόπτης με κουμπί
• μια σανίδα ψωμιού
• ένα παλμογράφο
• ένα βολτόμετρο
• μια λειτουργία/γεννήτρια σήματος

Στην περίπτωσή μου, δεν έχω γεννήτρια σήματος, οπότε έπρεπε να χρησιμοποιήσω ένα μικροελεγκτή (ένα MSP432 από την Texas Instruments). Μπορείτε να λάβετε κάποιες υποδείξεις για να το κάνετε μόνοι σας από αυτό το άλλο Instructable.

(Εάν θέλετε μόνο η πλακέτα μικροελεγκτή να κάνει το δικό σας (συνθέτω μια σειρά οδηγιών που μπορεί να είναι χρήσιμα), ο ίδιος ο πίνακας ανάπτυξης MSP432 είναι σχετικά φθηνός με περίπου $ 27 USD. Μπορείτε να ελέγξετε με Amazon, Digikey, Newark, Element14 ή Mouser.)

Βήμα 2: Ας ρίξουμε μια ματιά στους πυκνωτές

Ας φανταστούμε μια μπαταρία, έναν διακόπτη (Pb), μια αντίσταση (R) και έναν πυκνωτή όλα σε σειρά. Σε κλειστό βρόχο.

Τη στιγμή μηδέν t (0), με ανοιχτό το Pb, δεν θα μετρήσουμε καμία τάση ούτε στην αντίσταση ούτε στον πυκνωτή.

Γιατί; Η απάντηση σε αυτό για την αντίσταση είναι εύκολη - μπορεί να υπάρχει μετρημένη τάση μόνο όταν ρέει ρεύμα μέσω της αντίστασης. Σε αντίσταση, αν υπάρχει διαφορά δυναμικού, αυτό προκαλεί ρεύμα.

Αλλά επειδή ο διακόπτης είναι ανοιχτός, δεν μπορεί να υπάρχει ρεύμα. Έτσι, καμία τάση (Vr) στο R.

Τι θα λέγατε για τον πυκνωτή. Λοιπόν.. πάλι, δεν υπάρχει ρεύμα στο κύκλωμα αυτή τη στιγμή.

Εάν ο πυκνωτής αποφορτιστεί εντελώς, αυτό σημαίνει ότι δεν μπορεί να υπάρχει μετρήσιμη διαφορά μεταξύ των ακροδεκτών του.

Αν πιέσουμε (κλείσουμε) το Pb στο t (a), τότε τα πράγματα γίνονται ενδιαφέροντα. Όπως υποδείξαμε σε ένα από τα βίντεο, ο πυκνωτής ξεκινά όταν έχει αποφορτιστεί. Ameδιο επίπεδο τάσης σε κάθε ακροδέκτη. Σκεφτείτε το σαν ένα καλώδιο με βραχυκύκλωμα.

Παρόλο που κανένα πραγματικό ηλεκτρόνιο δεν ρέει εσωτερικά στον πυκνωτή, υπάρχει θετικό φορτίο που αρχίζει να σχηματίζεται στον έναν ακροδέκτη και αρνητικό φορτίο στον άλλο ακροδέκτη. Στη συνέχεια εμφανίζεται (εξωτερικά) σαν να υπάρχει πράγματι ρεύμα.

Δεδομένου ότι ο πυκνωτής βρίσκεται στην πιο αποφορτισμένη κατάσταση, τότε ακριβώς είναι όταν έχει τη μεγαλύτερη ικανότητα να δεχθεί μια φόρτιση. Γιατί; Επειδή καθώς φορτίζεται, αυτό σημαίνει ότι υπάρχει ένα μετρήσιμο δυναμικό στον ακροδέκτη του και αυτό σημαίνει ότι είναι πιο κοντά σε αξία με την εφαρμοζόμενη τάση μπαταρίας. Με λιγότερη διαφορά μεταξύ της εφαρμοζόμενης (μπαταρίας) και της αυξανόμενης φόρτισης (άνοδος της τάσης), υπάρχει μικρότερη ώθηση για να διατηρηθεί η συσσώρευση φορτίου στον ίδιο ρυθμό.

Το ποσοστό συσσώρευσης φόρτισης μειώνεται όσο περνάει ο καιρός. Το είδαμε τόσο στα βίντεο όσο και στην προσομοίωση L. T. Spice.

Δεδομένου ότι ο πυκνωτής στην αρχή θέλει να δεχτεί τη μεγαλύτερη φόρτιση, λειτουργεί σαν προσωρινό βραχυκύκλωμα στο υπόλοιπο κύκλωμα.

Αυτό σημαίνει ότι θα πάρουμε το πιο ρεύμα μέσω του κυκλώματος στην αρχή.

Το είδαμε στην εικόνα που δείχνει την προσομοίωση L. T. Spice.

Καθώς ο πυκνωτής φορτίζεται και η τάση που αναπτύσσεται στους ακροδέκτες του πλησιάζει την εφαρμοζόμενη τάση, η ώθηση ή η ικανότητα φόρτισης μειώνεται. Σκεφτείτε το - όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά τάσης σε κάτι, τόσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα ροής ρεύματος. Μεγάλη τάση = πιθανό μεγάλο ρεύμα. Μικρή τάση = πιθανό μικρό ρεύμα. (Τυπικά).

Επομένως, καθώς ένας πυκνωτής φτάνει στο επίπεδο τάσης της εφαρμοζόμενης μπαταρίας, τότε μοιάζει με άνοιγμα ή διακοπή στο κύκλωμα.

Έτσι, ένας πυκνωτής ξεκινά ως βραχύς και καταλήγει ως ανοιχτός. (Όντας πολύ απλοϊκός).

Έτσι, πάλι, μέγιστο ρεύμα στην αρχή, ελάχιστο ρεύμα στο τέλος.

Για άλλη μια φορά, αν προσπαθήσετε να μετρήσετε μια τάση σε ένα βραχυκύκλωμα, δεν θα δείτε καμία.

Έτσι, σε έναν πυκνωτή, το ρεύμα είναι στο μέγιστο όταν η τάση (κατά μήκος του πυκνωτή) είναι στο μηδέν και το ρεύμα είναι τουλάχιστον όταν η τάση (στον πυκνωτή) είναι στο μέγιστο.

Προσωρινή Αποθήκευση και Προμήθεια Ενέργειας

Υπάρχουν όμως και άλλα, και αυτό το κομμάτι θα μπορούσε να είναι χρήσιμο στα κυκλώματα ρομπότ μας.

Ας πούμε ότι ο πυκνωτής είναι φορτισμένος. Είναι στην εφαρμοζόμενη τάση μπαταρίας. Εάν για κάποιο λόγο η εφαρμοζόμενη τάση έπεφτε ("χαλάρωσε"), ίσως λόγω υπερβολικών αναγκών ρεύματος στα κυκλώματα, στην περίπτωση αυτή, το ρεύμα θα φαίνεται να ρέει έξω από τον πυκνωτή.

Επομένως, ας πούμε ότι η εφαρμοζόμενη τάση εισόδου δεν είναι ένα σταθερό επίπεδο που θέλουμε να είναι. Ένας πυκνωτής μπορεί να βοηθήσει στην εξομάλυνση αυτών των (σύντομων) βυθίσεων.

Βήμα 3: Μία εφαρμογή πυκνωτών - Θόρυβος φίλτρου

Πώς μπορεί να μας βοηθήσει ένας πυκνωτής; Πώς μπορούμε να εφαρμόσουμε αυτό που έχουμε παρατηρήσει για έναν πυκνωτή;

Αρχικά, ας μοντελοποιήσουμε κάτι που συμβαίνει στην πραγματική ζωή: μια θορυβώδη ράγα ισχύος στα κυκλώματα του ρομπότ μας.

Χρησιμοποιήσαμε το L. T. Spice, μπορούμε να κατασκευάσουμε ένα κύκλωμα που θα μας βοηθήσει να αναλύσουμε τον ψηφιακό θόρυβο που θα μπορούσε να εμφανιστεί στις ράγες ισχύος των κυκλωμάτων του ρομπότ μας. Οι εικόνες δείχνουν το κύκλωμα και το μοντέλο του Spice για τα επίπεδα τάσης της ράγας ισχύος που προκύπτουν.

Ο λόγος που το Spice μπορεί να το μοντελοποιήσει είναι επειδή η τροφοδοσία του κυκλώματος ("V.5V. Batt") έχει λίγο εσωτερική αντίσταση. Μόνο για κλωτσιές, το έκανα να έχει εσωτερική αντίσταση 1ohm. Εάν το μοντελοποιήσετε αλλά δεν κάνετε την πηγή ψηφοφορίας να έχει εσωτερική αντίσταση, δεν θα δείτε την πτώση της τάσης της ράγας λόγω του ψηφιακού θορύβου, γιατί τότε η πηγή τάσης είναι μια "τέλεια πηγή".