Penguji Kapasitor Autorange Sederhana / Pengukur Kapasitansi Dengan Arduino dan dengan Tangan: 4 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:56

Halo!

Untuk unit fisika ini Anda perlu:

* catu daya dengan 0-12V

* satu atau lebih kapasitor

* satu atau lebih resistor pengisian daya

* stopwatch

* multimeter untuk pengukuran tegangan

* sebuah arduino nano

* layar I²C 16x2

* Resistor 1/4W dengan resistor 220, 10k, 4,7M dan 1Gohms 1 gohms

* kawat dupont

Langkah 1: Informasi Umum Tentang Kapasitor

Kapasitor memainkan peran yang sangat penting dalam elektronik. Mereka digunakan untuk menyimpan muatan, sebagai filter, integrator, dll. Tapi secara matematis, ada banyak kapasitor. Jadi Anda dapat berlatih fungsi eksponensial dengan kapasitor dan mereka. olahraga. Jika kapasitor yang awalnya tidak bermuatan dihubungkan melalui resistor ke sumber tegangan, maka muatan mengalir terus menerus ke kapasitor. Dengan meningkatnya muatan Q, menurut rumus Q = C * U (C = kapasitansi kapasitor), tegangan U melintasi kapasitor juga meningkat. Namun, arus pengisian semakin berkurang karena kapasitor yang diisi dengan cepat menjadi semakin sulit untuk diisi dengan muatan. Tegangan U (t) pada kapasitor mengikuti rumus berikut:

U (t) = U0 * (1-exp (-k * t))

U0 adalah tegangan catu daya, t adalah waktu dan k adalah ukuran kecepatan proses pengisian. Ukuran apa yang bergantung pada k? Semakin besar kapasitas penyimpanan (yaitu, kapasitansi C kapasitor), semakin lambat mengisi dengan biaya dan semakin lambat tegangan meningkat. Semakin besar C, semakin kecil k. Hambatan antara kapasitor dan catu daya juga membatasi pengangkutan muatan. Resistansi yang lebih besar R menyebabkan arus I yang lebih kecil dan oleh karena itu lebih sedikit muatan per detik yang mengalir ke kapasitor. Semakin besar R, semakin kecil k. Hubungan yang benar antara k dan R atau C adalah:

k = 1 / (R * C).

Tegangan U (t) pada kapasitor dengan demikian meningkat sesuai dengan rumus U (t) = U0 * (1-exp (-t / (R * C))))

Langkah 2: Pengukuran

Siswa harus memasukkan tegangan U pada waktu t dalam sebuah tabel dan kemudian menggambar fungsi eksponensial. Jika tegangan meningkat terlalu cepat, Anda harus meningkatkan resistansi R. Di sisi lain jika tegangan berubah terlalu lambat, turunkan R.

Jika seseorang mengetahui U0, resistansi R dan tegangan U (t) setelah waktu tertentu t, maka kapasitansi C kapasitor dapat dihitung dari ini. Untuk yang satu ini harus logaritma persamaan dan setelah beberapa transformasi kita mendapatkan: C = -t / (R * ln (1 - U (t) / U0))

Contoh: U0 = 10V, R = 100 kohm, t = 7 detik, U(7 detik) = 3.54V. Kemudian C menghasilkan nilai C = 160 F.

Tetapi ada cara kedua yang sederhana untuk menentukan kapasitas C. Yaitu, tegangan U (t) setelah t = R * C persis 63,2% dari U0.

U (t) = U0 * (1-exp (-R * C / (R * C)) = U0 * (1-exp (-1)) = U0 * 0,632

Apa artinya ini? Siswa harus menentukan waktu t setelah tegangan U (t) tepat 63,2% dari U0. Secara khusus, untuk contoh di atas, waktu dicari setelah tegangan melintasi kapasitor adalah 10V * 0,632 = 6,3V. Ini adalah kasus setelah 16 detik. Nilai ini sekarang dimasukkan ke dalam persamaan t = R * C: 16 = 100000 * C. Ini menghasilkan hasil: C = 160 F.

Langkah 3: Arduino

Di akhir latihan, kapasitas juga dapat ditentukan dengan Arduino. Ini menghitung kapasitas C persis sesuai dengan metode sebelumnya. Ini mengisi kapasitor melalui resistor R yang diketahui dengan 5V dan menentukan waktu setelah itu tegangan pada kapasitor = 5V * 0,632 = 3,16V. Untuk konverter digital-ke-analog Arduino, 5V sama dengan 1023. Oleh karena itu, Anda hanya perlu menunggu sampai nilai input analog adalah 1023 * 3,16 / 5 = 647. Dengan waktu ini, kapasitas C dapat dihitung. Agar kapasitor dengan kapasitansi yang sangat berbeda dapat diukur, digunakan 3 resistor pengisian yang berbeda. Pertama, resistansi rendah digunakan untuk menentukan waktu pengisian hingga 647. Jika ini terlalu pendek, yaitu jika kapasitansi kapasitor terlalu kecil, resistansi pengisian berikutnya yang lebih tinggi dipilih. Jika ini juga terlalu kecil, resistansi 1 Gohms mengikuti di akhir pengukuran. Nilai untuk C kemudian ditampilkan pada tampilan dengan unit yang benar (µF, nF atau pF).

Langkah 4: Kesimpulan

Apa yang dipelajari siswa di unit ini? Anda akan belajar tentang kapasitor, kapasitansi C, fungsi eksponensial, logaritma, perhitungan persentase dan Arduino. Saya pikir banyak.

Unit ini cocok untuk siswa berusia 16-17 tahun. Anda pasti sudah melalui fungsi eksponensial dan logaritma dalam matematika. Bersenang-senang mencobanya di kelas Anda dan Eureka!

Saya akan sangat senang jika Anda akan memilih saya di kontes sains kelas. Terima kasih banyak untuk ini!

Jika Anda tertarik dengan proyek fisika saya yang lain, inilah saluran youtube saya:

lebih banyak proyek fisika: