Cómo medir un condensador o un inductor con un reproductor de MP3: 9 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Aquí hay una técnica simple que se puede usar para medir con precisión la capacitancia y la inductancia de un capacitor y un inductor sin equipos costosos. La técnica de medición se basa en un puente balanceado y se puede construir fácilmente a partir de resistencias económicas. Esta técnica de medición mide más que solo el valor de capacitancia, sino también la resistencia en serie efectiva del capacitor al mismo tiempo.

Componentes requeridos:

1. Pocas resistencias variables

2. Un reproductor de MP3

3. Un multímetro

4. Una calculadora para calcular el valor

Paso 1: un poco de teoría de fondo

Como introducción al proyecto, veamos qué es un puente LCR y qué se necesita para hacer

uno. Si solo desea hacer un puente LCR, omita estos pasos.

Para comprender el funcionamiento de un puente LCR, es necesario hablar sobre cómo se comportan un condensador, una resistencia y un inductor en un circuito de CA. Es hora de desempolvar su libro de texto ECE101. La resistencia es el elemento más fácil de entender del grupo. Una resistencia perfecta se comporta de la misma manera cuando una corriente CC pasa a través de la resistencia que cuando una corriente CA pasa a través de ella. Proporciona resistencia a la corriente que fluye aunque, por lo tanto, disipa energía al hacerlo. La relación simple entre la corriente, el voltaje y la resistencia es:

R = I / V

Un condensador perfecto, por otro lado, es un dispositivo de almacenamiento de energía pura. No disipa ninguna energía que lo atraviesa. Más bien, a medida que se aplica un voltaje de CA a un terminal de condensador, el flujo de corriente a través del condensador es la corriente necesaria para agregar y eliminar carga del condensador. Como resultado, la corriente que fluye a través del condensador está desfasada cuando se compara con su voltaje terminal. De hecho, siempre está 90 grados por delante del voltaje en su terminal. La forma sencilla de representar esto es el uso de un número imaginario (j):

V (-j) (1 / C) = I

Similar al condensador, el inductor es un dispositivo de almacenamiento de energía pura. Como complemento exacto del condensador, el inductor usa un campo magnético para mantener la corriente que pasa a través del inductor, ajustando su voltaje terminal al hacerlo. Por lo tanto, la corriente que fluye a través del inductor está 90 grados por delante del voltaje del terminal. La ecuación que representa la relación de voltaje y corriente a través de su terminal es:

V (j) (L) = yo

Paso 2: más teoría

Como resumen, podemos dibujar la corriente de la resistencia (Ir), la corriente del inductor (Ii) y la corriente del condensador (Ic), todas en el mismo diagrama vectorial, que se muestra aquí.

Paso 3: más teoría

En un mundo perfecto con condensadores e inductores perfectos, obtienes un dispositivo de almacenamiento de energía pura.

Sin embargo, en un mundo real, nada es perfecto. Una de las cualidades clave del dispositivo de almacenamiento de energía, ya sea un condensador, una batería o un dispositivo de almacenamiento de bomba, es la eficiencia del dispositivo de almacenamiento. Siempre se pierde cierta cantidad de energía durante el proceso. En un condensador o inductor, esta es la resistencia paracídica del dispositivo. En un capacitor, se llama factor de disipación, y en un inductor, se llama factor de calidad. Una forma rápida de modelar esta pérdida es agregar una resistencia en serie en serie de un condensador o inductor perfecto. Por lo tanto, un condensador de la vida real parece más un resistor perfecto y un condensador perfecto en serie.

Paso 4: el puente de Wheatstone

Hay un total de cuatro elementos resistivos en un puente. También hay una fuente de señal y un

metro en el centro del puente. El elemento que tenemos control son los elementos resistivos. La función principal del puente resistivo es igualar las resistencias en el puente. Cuando un puente está balanceado, lo que indica que la resistencia R11 coincide con R12 y R21 coincide con R22, la salida en el medidor en el centro va a cero. Esto se debe a que la corriente que fluye a través de R11 sale de R12 y la corriente a través de R21 sale de R22. El voltaje entre el lado izquierdo del medidor y el lado derecho del medidor será entonces idéntico.

La belleza del puente es la impedancia de la fuente de la señal y la linealidad del medidor no afecta la medición. Incluso si tiene un medidor barato que necesita mucha corriente para realizar la medición (por ejemplo, un medidor analógico de tipo aguja antiguo), todavía hace un buen trabajo aquí siempre que sea lo suficientemente sensible como para decirle cuando no hay corriente. fluyendo a través del medidor. Si la fuente de señal tiene una impedancia de salida sustancial, la caída en el voltaje de salida causada por la corriente que pasa por el puente tiene el mismo efecto en el lado izquierdo del puente que en el lado derecho del puente. El resultado neto se cancela a sí mismo y el puente aún puede igualar la resistencia con un grado notable de precisión.

El lector atento podría notar que el puente también se equilibrará si R11 es igual a R21 y R12 es igual a R22. Este es el caso que no vamos a considerar aquí, por lo que no discutiremos este caso más.

Paso 5: ¿Qué tal un elemento reactivo en lugar de resistencias?

En este ejemplo, el puente se equilibrará una vez que Z11 coincida con Z12. Manteniendo el diseño simple, el

El lado derecho del puente se compuso mediante resistencias. Un nuevo requisito es que la fuente de señal debe ser una fuente de CA. El medidor en uso también debe ser capaz de detectar corriente CA. Z11 y Z12 pueden ser cualquier fuente de impedancia, condensador, inductor, resistor o combinación de los tres.

Hasta aquí todo bien. Si tuviera una bolsa de condensadores e inductores perfectamente calibrados, sería posible usar el puente para averiguar el valor del dispositivo desconocido. Sin embargo, eso sería realmente costoso y consumiría mucho tiempo. Una solución mejor que, es encontrar una manera de simular el dispositivo de referencia perfecto con algún truco. Aquí es donde entra en escena el reproductor MP3.

¿Recuerda que la corriente que fluye a través de un condensador siempre está 90 grados por delante de su voltaje terminal? Ahora, si podemos fijar el voltaje terminal del dispositivo bajo prueba, sería posible que apliquemos una corriente de 90 grados por adelantado y simulemos el efecto de un condensador. Para hacer esto, primero tenemos que crear un archivo de audio que contenga dos ondas sinusoidales con una diferencia de fase de 90 grados entre las dos ondas.

Paso 6: Poner lo que sabemos en un puente

Al cargar este archivo de onda en el reproductor MP3 o reproducirlo directamente desde la PC, el canal izquierdo y derecho produce las dos ondas sinusoidales con la misma amplitud. A partir de este momento, usaré el condensador como ejemplo en aras de la simplicidad. Sin embargo, el mismo principio se aplica también a los inductores, excepto que la señal excitada debe tener un retraso de 90 grados.

Primero redibujemos el puente con el dispositivo bajo prueba representado por un capacitor perfecto en serie con una resistencia perfecta. La fuente de señal también se divide en dos señales con una fase de señal desplazada en 90 grados cuando se hace referencia a la otra señal.

Ahora, aquí está la parte aterradora. Tenemos que sumergirnos en las matemáticas que describen el funcionamiento de este circuito. Primero, veamos el voltaje en el lado derecho del medidor. Para simplificar el diseño, es mejor seleccionar el resistor del lado derecho para que sea igual, de modo que Rm = Rm y el voltaje en Vmr sea la mitad de Vref.

Vmr = Vref / 2

A continuación, cuando el puente esté equilibrado, el voltaje a la izquierda del medidor y a la derecha del medidor será exactamente igual, y la fase también coincidirá exactamente. Por lo tanto, Vml también es la mitad de Vref. Con esto, podemos anotar:

Vml = Vref / 2 = Vcc + Vrc

Intentemos ahora anotar la corriente que fluye a través de R90 y R0:

Ir0 = (Vref / 2) x (1 / Ro)

Ir90 = (Vz - (Vref / 2)) / (R90)

Además, la corriente que fluye a través del dispositivo bajo prueba es:

Ic = Ir0 + Ir90

Ahora, suponga que el dispositivo bajo prueba es un condensador y queremos que Vz lleve a Vref 90 grados y que

Para simplificar el cálculo, podemos normalizar el voltaje de Vz y Vref a 1V. Entonces podemos decir:

Vz = j, Vref = 1

Ir0 = Vref / (2 x Ro) = Ro / 2

Ir90 = (j - 0,5) / (R90)

Todos juntos:

Ic = Vml / (-j Xc + Rc)

-j Xc + Rc = (0.5 / Ic)

Donde Xc es la impedancia de la capacitancia perfecta Cc.

Por lo tanto, al equilibrar el puente y averiguar el valor de R0 y R90, es sencillo calcular la corriente total a través del dispositivo bajo prueba Ic. Use la ecuación final a la que llegamos, podemos calcular la impedancia de la capacitancia perfecta y la resistencia en serie. Al conocer la impedancia del capacitor y la frecuencia de la señal aplicada, es fácil averiguar la capacitancia del dispositivo bajo prueba mediante:

Xc = 1 / (2 x π F C)

Paso 7: Paso para medir el valor del capacitor o inductor

1. Reproduzca el archivo de onda usando una PC o un reproductor MP3.

2. Conecte la salida del reproductor MP3 como se muestra en el diagrama de cableado que se muestra arriba, cambie la conexión al canal izquierdo y derecho si está midiendo un inductor.

3. Conecte el multímetro y configure la medición en voltaje CA.

4. Reproduzca el clip de audio y ajuste el potenciómetro de ajuste hasta que la lectura de voltaje baje al mínimo. Cuanto más cerca de cero, más precisa será la medición.

5. Desconecte el dispositivo bajo prueba (DUT) y el reproductor MP3.

6. Mueva el cable del multímetro a R90 y establezca la medición en resistencia. Mide el valor. 7. Haga lo mismo con R0.

8. Calcule manualmente el valor del condensador / inductor o utilice el script Octave / Matlab suministrado para resolver el valor.

Paso 8: una tabla de resistencia aproximada requerida para que la resistencia variable equilibre el puente

Paso 9: Gracias

Gracias por leer este instructivo. Esta fue una transcripción de una página web que escribí en 2009