Condensadores en robótica: 4 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

La motivación para este Instructable es la más larga que se está desarrollando, que rastrea el progreso a través del curso de laboratorio del kit de aprendizaje del sistema de robótica de Texas Instruments. Y la motivación para ese curso es construir (reconstruir) un robot mejor y más robusto. También es útil la "Sección 9: Voltaje, potencia y almacenamiento de energía en un condensador, análisis de circuito de ingeniería de CC", disponible en MathTutorDvd.com.

Hay muchos problemas por los que uno debe preocuparse al construir un robot grande, que en su mayoría se pueden ignorar cuando se construye un robot pequeño o de juguete.

Estar más familiarizado o tener más conocimientos sobre los condensadores podría ayudarlo en su próximo proyecto.

Paso 1: Piezas y equipo

Si desea jugar, investigar y sacar sus propias conclusiones, aquí hay algunas piezas y equipos que serían útiles.

• resistencias de diferente valor
• condensadores de diferente valor
• cables de puente
• un interruptor de botón
• una placa de pruebas
• un osciloscopio
• un voltímetro
• una función / generador de señales

En mi caso, no tengo un generador de señal, así que tuve que usar un microcontrolador (un MSP432 de Texas Instruments). Puede obtener algunos consejos sobre cómo hacer uno usted mismo de este otro Instructable.

(Si solo desea que la placa del microcontrolador haga lo suyo (estoy componiendo una serie de Instructables que podrían ser útiles), la placa de desarrollo MSP432 en sí es relativamente barata en alrededor de $ 27 USD. Puede consultar con Amazon, Digikey, Newark, Element14 o Mouser.)

Paso 2: echemos un vistazo a los condensadores

Imaginemos una batería, un interruptor de botón (Pb), una resistencia (R) y un condensador, todo en serie. En un circuito cerrado.

En el tiempo cero t (0), con Pb abierto, no mediríamos voltaje en la resistencia ni en el capacitor.

¿Por qué? Responder esto para la resistencia es fácil: solo puede haber un voltaje medido cuando hay corriente fluyendo a través de la resistencia. A través de una resistencia, si hay una diferencia de potencial, eso provoca una corriente.

Pero como el interruptor está abierto, no puede haber corriente. Por lo tanto, no hay voltaje (Vr) en R.

¿Qué tal a través del condensador? Bueno … de nuevo, no hay corriente en el circuito en este momento.

Si el condensador está completamente descargado, eso significa que no puede haber diferencia de potencial medible entre sus terminales.

Si presionamos (cerramos) el Pb en t (a), entonces las cosas se ponen interesantes. Como indicamos en uno de los videos, el condensador comienza descargado. Mismo nivel de voltaje en cada terminal. Piense en ello como un cable en cortocircuito.

Aunque no fluyen electrones reales a través del capacitor internamente, hay una carga positiva que comienza a formarse en un terminal y una carga negativa en el otro terminal. Entonces parece (externamente) como si realmente hubiera corriente.

Siendo que el condensador se encuentra en su estado más descargado, justo entonces es cuando tiene mayor capacidad para aceptar una carga. ¿Por qué? Porque a medida que se carga, eso significa que hay un potencial medible en su terminal, y eso significa que tiene un valor más cercano al voltaje aplicado de la batería. Con una diferencia menor entre la carga aplicada (batería) y la carga en aumento (aumento de voltaje), hay menos ímpetu para seguir acumulando carga al mismo ritmo.

La tasa de carga acumulada disminuye a medida que pasa el tiempo. Lo vimos tanto en los videos como en la simulación de L. T. Spice.

Dado que es desde el principio donde el condensador quiere aceptar la mayor cantidad de carga, actúa como un cortocircuito temporal con el resto del circuito.

Eso significa que obtendremos la mayor cantidad de corriente a través del circuito al principio.

Vimos esto en la imagen que muestra la simulación de L. T. Spice.

A medida que un condensador se carga y el voltaje en desarrollo en sus terminales se acerca al voltaje aplicado, el ímpetu o la capacidad de carga se reduce. Piénselo: cuanto mayor sea la diferencia de voltaje en algo, mayor será la posibilidad de que fluya la corriente. Gran voltaje = posible gran corriente. Voltaje pequeño = posible pequeña corriente. (Típicamente).

Por lo tanto, cuando un capacitor alcanza el nivel de voltaje de la batería aplicada, parece un circuito abierto o roto.

Entonces, un capacitor comienza como un corto y termina como un abierto. (Siendo muy simplista).

Entonces, nuevamente, corriente máxima al inicio, corriente mínima al final.

Una vez más, si intenta medir un voltaje en un cortocircuito, no verá ninguno.

Entonces, en un capacitor, la corriente es máxima cuando el voltaje (a través del capacitor) es cero, y la corriente es al mínimo cuando el voltaje (a través del capacitor) es máximo.

Almacenamiento temporal y suministro de energía

Pero hay más, y es esta parte la que podría ser útil en nuestros circuitos de robots.

Digamos que el condensador está cargado. Está en el voltaje de batería aplicado. Si por alguna razón el voltaje aplicado cayera ("hundirse"), tal vez debido a necesidades excesivas de corriente en los circuitos, en ese caso, la corriente parecerá fluir fuera del condensador.

Por lo tanto, digamos que el voltaje de entrada aplicado no es un nivel estable como una roca que necesitamos. Un condensador puede ayudar a suavizar esas caídas (cortas).

Paso 3: una aplicación de condensadores: filtro de ruido

¿Cómo podría ayudarnos un condensador? ¿Cómo podemos aplicar lo que hemos observado sobre un condensador?

Primero, modelemos algo que sucede en la vida real: un riel de energía ruidoso en los circuitos de nuestro robot.

Usamos L. T. Spice, podemos construir un circuito que nos ayude a analizar el ruido digital que podría aparecer en los rieles de alimentación de los circuitos de nuestro robot. Las imágenes muestran el circuito y el modelado de Spice de los niveles de voltaje de la línea de alimentación resultantes.

La razón por la que Spice puede modelarlo es porque la fuente de alimentación del circuito ("V.5V. Batt") tiene un poco de resistencia interna. Solo por diversión, hice que tuviera 1 ohmio de resistencia interna. Si modela esto pero no hace que la fuente de voltaje tenga una resistencia interna, no verá la caída de voltaje del riel debido al ruido digital, porque entonces la fuente de voltaje es una "fuente perfecta".