Как подключить конденсатор ардуино

Электроника

учебно-справочное пособие

Измерение емкости конденсаторов с помощью Arduino

В данном материале мы научимся использовать Arduino для измерения емкости конденсаторов. Это может пригодиться, если конденсатор не имеет маркировки.

Шаг 1: Что такое емкость?

Емкость – это способность объекта накапливать электрический заряд. Разумно предположить, что таким объектом выступает конденсатор.

Конденсатор, который запасает данный заряд в электрическом поле между двумя проводящими обкладками, называется конденсатор с пластинчатыми обкладками. Не токопроводящий материал, который располагается между этими двумя обкладками, называется диэлектриком. Диэлектрики изменяют величину заряда, которую может хранить конденсатор, и фактически, определяют, для каких целей конденсатор будет использоваться впоследствии (напр., в высокочастотной схеме, схеме с повышенным напряжением и т.д.).

Равенство для определения емкости конденсатора с пластинчатыми обкладками выражается следующим образом:

ε – это магнитная проницаемость свободного места или диэлектрика,

S – это площадь поверхности перекрытия между обкладками, и

d – расстояние между обкладками.

Шаг 2: Как измерить емкость?

А — Напряжение конденсатора во время заряда

В — Напряжение конденсатора во время разряда, напряжение резистора или ток конденсатора во время заряда или разряда.

RC-цепочка (Резистор-Конденсатор) имеет свойство, известное как «RC временная постоянная» или τ («тау»):

τ может быть упрощена из более сложного выражения (показано на рисунке выше) для представления времени, которое требуется для заряда конденсатора через резистор, для достижения 63,2% от его полного напряжения. Данная величина может быть измерена по времени, которое потребуется, чтобы конденсатор достиг значения 36,8% от его полного напряжения при разряде.

Микроконтроллер Arduino будет запрограммирован на величину времени, которое потребуется для достижения конденсатором величины 63,2% от его полного заряда. Далее будет использоваться выражение для τ для вычисления величины емкости, поскольку значение номинала резистора нам известно.

Шаг 3: Используемые компоненты

Для проекта нам потребуется

  • Микроконтроллер Ardunio
  • Монтажная плата
  • Проволочные перемычки
  • Резисторы 220 Ом и 10 кОм
  • Конденсатор неизвестной емкости

Шаг 4: Подключение

Подключение компонентов в данном проекте не представляет особых трудностей. Просто выполняйте подключение компонентов, согласно схемы.

ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь в том, что серебряная полоска на конденсаторе (в случае использования биполярного конденсатора) подключается к земле.

ПРИМЕЧАНИЕ 2: Резистор номиналом 220 Ом и проводник, подключенные к выводу 11, не являются необходимыми, но рекомендуемыми, поскольку эта цепочка ускоряет время разряда.

Шаг 5: Загрузка кода и тестирование

После надлежащей сборки схемы, загрузите код в ваш микроконтроллер Arduino. Код имеет комментарии, что позволяет облегчить понимание всего процесса измерения.

После загрузки кода, откройте Serial Monitor (Tools > Serial Monitor – Инструменты > Монитор последовательного интерфейса) для просмотра измерения конденсатора неизвестной емкости.

Первая величина показывает, какое время требуется конденсатору для достижения величины 63.2% от его полного заряда. Вторая величина – это измеренная емкость в «нано» или «пико» фарадах.

Программа циклически тестирует конденсатор, поэтому измеренные значения могут незначительно отличаться. Лучше всего использовать усредненное измеренное значение.

ПРИМЕЧАНИЕ: Данная схема измерения наиболее пригодна для конденсатора емкостью от 1 до 3500 мкФ.

Arduino Sketch

Принцип измерения емкости

Измерение емкости в данном случае основано на свойстве резисторно-конденсаторных (RC) цепей, которое носит название «постоянная времени». Постоянная времени RC-цепи определяется как время, необходимое для того, чтобы напряжение на конденсаторе достигло 63,2% от его напряжения при полной зарядке. Большие конденсаторы требуют больше времени для зарядки и, следовательно, имеют большие постоянные времени. Емкость в RC-цепочке связана с постоянной времени по уравнению:

Соответственно, емкость определится как:

Ниже представлены три измерителя емкости, которые способны измерять более точно в микрофарадном, нанофарадном и пикофарадном диапазонах. Каждый измеритель емкости (кроме третьего) имеет RC-цепь с известными значениями резисторов и неизвестным значением конденсатора. Arduino будет измерять напряжение на конденсаторе и записывать время, необходимое для достижения 63,2% от его напряжения при полной зарядке (постоянная времени). Поскольку значение сопротивления уже известно, мы можем использовать приведенную выше формулу в программе, которая рассчитает неизвестную емкость.

Измеритель емкости от 0,1 мкФ до 3900 мкФ

Схема измерителя емкости от 0,1 мкФ до 3900 мкФ на Arduino (R1 = 10 кОм, R2 = 220 Ом).

Скетч

Пример результатов измерения емкости электролитического конденсатора 470 мкФ

В первом столбце показана постоянная времени конденсатора, а второй столбец – величина емкости. Единицы будут автоматически изменяться с микрофарад на нанофарады. Вы заметите, что с большими конденсаторами для Arduino требуется больше времени для вывода показаний. Это связано с тем, что более крупные конденсаторы имеют большие постоянные времени и поэтому требуют больше времени, чтобы достичь 63,2% от их напряжения при полной зарядке. Например, конденсатор емкостью 3900 мкФ может потребовать несколько минут для отображения следующего показания.

Измеритель емкости от 0,0047 мкФ до 180 мкФ

Схема измерителя емкости от 4,7 нФ до 3900 мкФ на Arduino (R1 = 10 кОм, R2 = 3,1 Ом, R3 = 1,8 кОм).

Скетч

Пример результатов измерения емкости пленочного конденсатора 10 нФ

Измеритель емкости от 18 пФ до 470 мкФ

Схема измерителя емкости от 18 пФ до 470 мкФ на Arduino

Скетч

Пример результатов измерения емкости керамического конденсатора 22 пФ

Источники

Электроника © ЦДЮТТ • Марсель Арасланов • 2019

Источник

Измерение емкости конденсаторов с помощью Arduino

В данном материале мы научимся использовать Arduino для измерения емкости конденсаторов. Это может пригодиться, если конденсатор не имеет маркировки, ну и просто для общего развития.

Шаг 1: Что такое емкость?

Емкость – это способность объекта накапливать электрический заряд. Разумно предположить, что таким объектом выступает конденсатор.

Конденсатор, который запасает данный заряд в электрическом поле между двумя проводящими обкладками, называется конденсатор с пластинчатыми обкладками. Не токопроводящий материал, который располагается между этими двумя обкладками, называется диэлектриком. Диэлектрики изменяют величину заряда, которую может хранить конденсатор, и фактически, определяют, для каких целей конденсатор будет использоваться впоследствии (напр., в высокочастотной схеме, схеме с повышенным напряжением и т.д.).

Равенство для определения емкости конденсатора с пластинчатыми обкладками выражается следующим образом:

где ε – это магнитная проницаемость свободного места или диэлектрика, A – это площадь поверхности перекрытия между обкладками, и d – расстояние между обкладками.

Шаг 2: Как измерить емкость?

А — Напряжение конденсатора во время заряда

В — Напряжение конденсатора во время разряда, напряжение резистора или ток конденсатора во время заряда или разряда.

RC-цепочка (Резистор-Конденсатор) имеет свойство, известное как «RC временная постоянная» или T (Tau). Равенство указано ниже:
T = RC

Tau может быть упрощена из более сложного выражения (показано на рисунке выше) для представления времени, которое требуется для заряда конденсатора через резистор, для достижения 63.2% от его полного напряжения. Данная величина может быть измерена по времени, которое потребуется, чтобы конденсатор достиг значения 36.8% от его полного напряжения при разряде.

Микроконтроллер Arduino будет запрограммирован на величину времени, которое потребуется для достижения конденсатором величины 63.2% от его полного заряда. Далее будет использоваться выражение для Tau для вычисления величины емкости, поскольку значение номинала резистора нам известно.

Шаг 3: Используемые компоненты

Для проекта нам потребуется

  • Микроконтроллер Ardunio
  • Монтажная плата
  • Проволочные перемычки
  • Резистор 220 Ω
  • Резистор 10 kΩ
  • Конденсатор (Неизвестной емкости)

Шаг 4: Подключение

Подключение компонентов в данном проекте не представляет особых трудностей. Просто выполняйте подключение компонентов, согласно схемы.

ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь в том, что серебряная полоска на конденсаторе (в случае использования биполярного конденсатора) подключается к земле.

ПРИМЕЧАНИЕ 2: Резистор номиналом 220 Ω и проводник, подключенные к выводу 11, не являются необходимыми, но рекомендуемыми, поскольку эта цепочка ускоряет время разряда.

Шаг 5: Загрузка кода и тестирование

После надлежащей сборки схемы, загрузите код в ваш микроконтроллер Arduino. Код имеет комментарии, что позволяет облегчить понимание всего процесса измерения.

Первая величина показывает, какое время требуется конденсатору для достижения величины 63.2% от его полного заряда. Вторая величина – это измеренная емкость в «нано» или «пико» фарадах.

Программа циклически тестирует конденсатор, поэтому измеренные значения могут незначительно отличаться. Лучше всего использовать усредненное измеренное значение.

ПРИМЕЧАНИЕ: Данная схема измерения наиболее пригодна для конденсатора емкостью от 1 до 3500 мкФ.

Источник

Измеритель емкости на Arduino

При ремонте какой-либо электроники, чтобы устранить неисправность, иногда нам нужно знать емкость конкретного конденсатора на плате. Тогда мы сталкиваемся с проблемой получения точного значения номинала конденсатора, особенно если это SMD элемент. Мы можем купить устройство для измерения емкости, но почему бы нам самим не разработать измеритель емкости на Arduino для возможности измерения емкости неизвестных конденсаторов?

Данная статья является третьей в серии статей про измерение с помощью Arduino параметров различных компонентов и физических величин, используемых в радиоэлектронике. Рассмотрим измерение емкости конденсатора с помощью Arduino.

Этот измеритель может быть легко реализован и быть экономически выгодным. Мы собираемся собрать измеритель емкости, используя Arduino Uno, триггер Шмитта и микросхему таймера 555.

Необходимые компоненты

  • микросхема таймера 555;
  • микросхема триггеров Шмитта 74LS14 или элементов НЕ;
  • плата Arduino Uno;
  • LCD дисплей 16×2;
  • конденсаторы 100 нФ и 1000 мкФ;
  • резисторы 1 кОм (2 шт.) и 10 кОм (1 шт.);
  • макетная плата;
  • перемычки.

Объяснение схемы

Принципиальная схема измерителя емкости на Arduino показана на рисунке ниже. Схема проста, для отображения измеренной емкости конденсатора к Arduino подключен LCD дисплей. К Arduino подключена схема генератора прямоугольных импульсов (555 в астабильном режиме), к которой мы должны подключить конденсатор, емкость которого необходимо измерить. Триггер Шмитта (микросхема 74LS14) используется для подачи на Arduino только прямоугольного сигнала. Для фильтрации шума мы добавили пару конденсаторов на линию питания.

Данная схема может точно измерять емкости в диапазоне от 10 нФ до 10 мкФ.

Измеритель емкости на Arduino. Схема электрическая принципиальная

Генератор прямоугольных импульсов на микросхеме таймера 555

Прежде всего, мы поговорим о генераторе прямоугольного сигнала на микросхеме таймера 555, или, я бы сказал, об астабильном мультивибраторе на 555. Мы знаем, что емкость конденсатора не может быть измерена цифровой схемой напрямую, другими словами, Arduino Uno имеет дело с цифровыми сигналами и не может измерять емкость напрямую. Поэтому для связи конденсатора с «цифровым миром» мы используем схему генератора прямоугольного сигнала на 555.

Проще говоря, таймер обеспечивает прямоугольный выходной сигнал, частота которого напрямую зависит от подключенной к нему емкости. Итак, сначала мы получаем сигнал прямоугольной формы, частота которого является показателем емкости неизвестного конденсатора, и передаем этот сигнал на Arduino Uno для получения соответствующего значения.

Типовая схема на таймере 555 в астабильном режиме показана ниже.

Типовая схема на таймере 555 в автоколебальном режиме

Частота выходного сигнала зависит от резисторов RA и RB и конденсатора C . Формула будет следующей:

Здесь RA и RB – значения сопротивлений, а C – значение емкости. Подставляя значения сопротивлений и емкости в приведенную выше формулу, мы получаем частоту выходного прямоугольного сигнала.

Мы собираемся установить резисторы 1 кОм в качестве RA и 10 кОм в качестве RB . Поэтому формула становится следующей

В коде нашей программы (смотрите ниже) для точного получения значения емкости мы рассчитали результат в нФ, умножив полученные результаты (в фарадах) на «1000000000». Также мы использовали «20800» вместо 21000, потому что точные значения сопротивлений RA и RB равны 0,98 кОм и 9,88 кОм.

Следовательно, если мы знаем частоту прямоугольного сигнала, то можем получить значение емкости.

Триггер Шмитта

Сигналы, генерируемые схемой на таймере, не совсем безопасны для непосредственной передачи на Arduino Uno. Учитывая чувствительность Arduino Uno, мы используем элемент триггера Шмитта. Триггер Шмитта представляет собой цифровой логический элемент, предназначенный для арифметических и логических операций.

Этот элемент обеспечивает выходной сигнал (OUTPUT) на основе уровня напряжения входного сигнала (INPUT). Триггер Шмитта имеет пороговый уровень напряжения (THERSHOLD): когда уровень входного сигнала выше порогового уровня элемента, уровень сигнала на выходе будет равен высокому логическому уровню. Если уровень входного сигнала ниже порога, на выходе будет низкий логический уровень. Обычно у нас нет отдельного триггера Шмитта, за ним всегда следует элемент НЕ.

Мы собираемся использовать микросхему 74LS14, которая содержит 6 триггеров Шмитта. Эти шесть элементов внутри подключены, как показано на рисунке ниже.

Микросхема 74LS14, содержащая шесть триггеров Шмитта. Распиновка

Таблица истинности инвертированного триггера Шмитта показана ниже, в соответствии с ней мы должны запрограммировать Arduino Uno для инвертирования положительных и отрицательных периодов времени на ее выводах.

Таблица истинности

Вход Выход
A Y
L H
H L
  • H – высокий логический уровень;
  • L – низкий логический уровень.

Теперь, когда мы подадим сигнал любого типа на элемент триггера Шмитта, у нас на выходе будет прямоугольный сигнал с инвертированными временными периодами, и этот сигнал мы подадим на Arduino Uno.

Как Arduino измеряет емкость

У Arduino есть специальная функция pulseIn , которая позволяет нам определять длительность положительного или отрицательного состояния конкретного прямоугольного сигнала:

Функция pulseIn измеряет время, в течение которого высокий или низкий логический уровень присутствует на выводе 8 Arduino. Функция pulseIn измеряет время высокого логического уровня ( Htime ) и время низкого логического уровня ( Ltime ) в микросекундах. Когда мы сложим Htime и Ltime вместе, то получим длительность периода, а инвертировав её, мы получим частоту.

Получив частоту, мы можем получить емкость, используя формулу, которую обсуждали ранее.

Заключение и тестирование

Итак, в итоге мы подключаем неизвестный конденсатор к схеме на таймере 555, которая генерирует прямоугольный выходной сигнал, частота которого напрямую связана с емкостью конденсатора. Этот сигнал подается на Arduino Uno через триггер Шмитта. Arduino Uno измеряет частоту. Мы программируем Arduino Uno для расчета емкости по известной частоте, используя формулу, которую обсуждали ранее.

Давайте посмотрим некоторые результаты, которые я получил.

Когда я подключил электролитический конденсатор на 1 мкФ, результат составил 1091,84 нФ

1 мкФ. Для полиэстерового конденсатора 0,1 мкФ результат составил 107,70 нФ

Затем я подключил керамический конденсатор 0,1 мкФ, и результат составил 100,25 нФ

0,1 мкФ. Для электролитического конденсатора 4,7 мкФ результат измерений составил 4842,83 нФ

Видео

Источник

Adblock
detector