Kondenzátory v robotice: 4 kroky

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Motivací tohoto Instructable je delší vývoj, který sleduje pokrok prostřednictvím laboratorního kurzu Texas Instruments Robotics System Learning Kit. A motivací tohoto kurzu je postavit (přestavět) lepšího a robustnějšího robota. Užitečné je také „Oddíl 9: Ukládání napětí, výkonu a energie v kondenzátoru, DC Engineering Circuit Analysis“, dostupný na MathTutorDvd.com.

Při stavbě velkého robota je třeba si dělat starosti s mnoha problémy, které lze při stavbě malého nebo hračkového robota většinou ignorovat.

Bližší znalosti nebo znalosti o kondenzátorech vám mohou pomoci při dalším projektu.

Krok 1: Díly a vybavení

Pokud si chcete hrát, zkoumat a vyvodit vlastní závěry, zde jsou některé části a vybavení, které by mohly pomoci.

• odpory různých hodnot
• kondenzátory různých hodnot
• propojovací vodiče
• tlačítkový spínač
• prkénko
• osciloskop
• voltmetr
• generátor funkcí/signálu

V mém případě nemám generátor signálu, takže jsem musel použít mikrořadič (MSP432 od Texas Instruments). Z tohoto dalšího Instructable můžete získat nějaké rady, jak to udělat sami.

(Pokud chcete, aby deska mikrokontroléru udělala svou vlastní věc (skládám řadu instrukcí, které by mohly být užitečné), samotná vývojová deska MSP432 je relativně levná kolem 27 USD. Můžete to zkontrolovat na Amazonu, Digikey, Newark, Element14 nebo Mouser.)

Krok 2: Pojďme se podívat na kondenzátory

Představme si baterii, tlačítkový spínač (Pb), odpor (R) a kondenzátor v sérii. V uzavřené smyčce.

V čase nula t (0), s otevřeným Pb, bychom neměřili žádné napětí ani na rezistoru, ani na kondenzátoru.

Proč? Odpověď na tento odpor je snadná - měřené napětí může být pouze tehdy, když odporem protéká proud. Přes odpor, pokud je rozdíl v potenciálu, to způsobí proud.

Ale protože je spínač otevřený, nemůže existovat žádný proud. Takže žádné napětí (Vr) přes R.

Co takhle přes kondenzátor. No.. opět momentálně v obvodu není žádný proud.

Pokud je kondenzátor zcela vybitý, znamená to, že na jeho svorkách nelze měřit žádný potenciální rozdíl.

Pokud zatlačíme (zavřeme) Pb na t (a), věci začnou být zajímavé. Jak jsme naznačili v jednom z videí, kondenzátor se spustí jako vybitý. Stejná úroveň napětí na každém terminálu. Představte si to jako zkratovaný vodič.

Ačkoli kondenzátorem interně neproudí žádné skutečné elektrony, na jednom terminálu se začíná tvořit kladný náboj a na druhém konci záporný náboj. Potom to vypadá (externě), jako by skutečně existoval.

Jelikož je kondenzátor ve svém nejvíce vybitém stavu, právě tehdy je, když má největší kapacitu přijmout náboj. Proč? Protože při nabíjení to znamená, že je na jeho terminálu měřitelný potenciál, a to znamená, že je svou hodnotou blíže napětí použitého akumulátoru. S menším rozdílem mezi použitým (baterie) a rostoucím nabíjením (stoupající napětí) je menší impuls udržovat akumulaci náboje stejnou rychlostí.

Hromadná rychlost nabíjení se postupem času snižuje. Viděli jsme to jak na videích, tak na simulaci L. T. Spice.

Protože je na samém začátku, že kondenzátor chce přijmout největší náboj, funguje to jako dočasné zkratování zbytku obvodu.

To znamená, že obvodem na začátku získáme největší proud.

Viděli jsme to na obrázku, který ukazuje simulaci L. T. Spice.

Jak se kondenzátor nabíjí a vyvíjí se napětí na svých svorkách k aplikovanému napětí, impuls nebo schopnost nabíjení se snižuje. Přemýšlejte o tom - čím větší je napěťový rozdíl v něčem, tím větší je možnost toku proudu. Velké napětí = možný velký proud. Malé napětí = možný malý proud. (Typicky).

Proto když kondenzátor dosáhne úrovně napětí použité baterie, vypadá to jako přerušení nebo přerušení obvodu.

Kondenzátor tedy začíná jako zkrat a končí jako otevřený. (Být velmi zjednodušený).

Takže opět maximální proud na začátku, minimální proud na konci.

Ještě jednou, pokud se pokusíte změřit napětí přes zkrat, žádné neuvidíte.

V kondenzátoru je tedy proud největší, když je napětí (přes kondenzátor) na nule, a proud je nejmenší, když je napětí (přes kondenzátor) největší.

Dočasné skladování a dodávky energie

Ale je toho víc a právě tato část by mohla být nápomocná v našich obvodech robotů.

Řekněme, že je kondenzátor nabitý. Je na aplikovaném napětí baterie. Pokud by z nějakého důvodu došlo k poklesu („průhybu“) použitého napětí, možná kvůli nějakým nadměrným proudovým potřebám v obvodech, v takovém případě se zdá, že proud protéká z kondenzátoru.

Řekněme tedy, že vstupní aplikované napětí není tak stabilní, jak bychom potřebovali. Kondenzátor může pomoci vyhladit tyto (krátké) poklesy.

Krok 3: Jedna aplikace kondenzátorů - hluk filtru

Jak by nám mohl kondenzátor pomoci? Jak můžeme použít to, co jsme pozorovali na kondenzátoru?

Nejprve pojďme modelovat něco, co se děje v reálném životě: hlučnou napájecí kolejnici v obvodech našeho robota.

Použili jsme L. T. Spice, můžeme zkonstruovat obvod, který nám pomůže analyzovat digitální šum, který by se mohl objevit v napájecích lištách obvodů našich robotů. Obrázky ukazují obvod a Spiceho modelování výsledných úrovní napětí napájecí kolejnice.

Spice může modelovat, protože napájecí zdroj obvodu („V.5V. Batt“) má trochu vnitřní odpor. Jen pro kopy jsem udělal, že má vnitřní odpor 1 ohm. Pokud to vymodelujete, ale nedovolíte, aby měl zdroj hlasování vnitřní odpor, neuvidíte pokles napětí kolejnice kvůli digitálnímu šumu, protože pak je zdroj napětí „dokonalým zdrojem“.