이 실습 튜토리얼에서는 일반적인 학부 전자 실습 실습과 Moku:Go 및 Windows 및 macOS 앱을 사용하여 회로 내 커패시터 충전 및 방전의 기본 사항을 가르치면서 이를 효과적으로 수행할 수 있는 방법에 대해 설명합니다. 이 연구소는 University of Detroit-Mercy와 협력하여 만들어졌습니다.
Moku:Go
Moku:Go는 14개 이상의 실험실 기기를 하나의 고성능 장치에 결합하고 아날로그 입력 2개, 아날로그 출력 2개, 디지털 I/O 핀 16개 및 통합 전원 공급 장치 옵션을 제공합니다.
개요
오실로스코프는 학부 교육 및 전문 경력 전반에 걸쳐 전기 엔지니어가 가장 많이 사용하는 도구 중 하나입니다. 이 랩은 입문 수준의 회로 분석 과정에서 학부생에게 오실로스코프 및 프로그래밍 가능 전원 공급 장치를 소개하기 위해 설계되었습니다. Moku:Go를 사용하여 커패시터의 과도 충전 및 방전을 다루는 이 실습을 완료하게 됩니다. 아래 그림 1은 Moku:Go 오실로스코프의 측정 결과를 보여줍니다.
본 실습의 목적은 오실로스코프 소개뿐만 아니라 커패시터의 충전 및 방전에 대한 소개입니다. 커패시터는 회로의 기본 구성 요소 중 하나이며 성공적인 엔지니어가 되려면 커패시터의 다양한 특성을 이해하는 것이 중요합니다. 커패시터의 가장 잘 알려진 특성 중 하나는 플레이트 전체에 걸쳐 전압 차이의 형태로 에너지를 저장할 수 있다는 것입니다. 그러나 이 에너지가 커패시터에 저장되는 데는 0이 아닌 시간이 걸리며 이는 실제로 타이밍 회로나 전력 제어 회로를 설계할 때 매우 유용한 기능입니다. 커패시터가 지정된 전압으로 충전되는 데 걸리는 시간은 이 실습 튜토리얼에서 자세히 연구합니다.
그림 1: 오실로스코프 이미지
사전 실습
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첫 번째 연습은 충전 커패시터의 과도 전압에 대한 표현에 익숙해지는 것입니다. 아래 그림 2는 충전 커패시터와 t = 0s에서 닫히는 스위치가 있는 회로를 보여줍니다. KVL을 사용하여 커패시터 VC(t) 양단의 전압을 구합니다.
힌트: 커패시터 i=C(dv/dt)를 통과하는 전류 방정식을 떠올려 보세요.
그림 2: 충전 커패시터 설계
이 연습은 KVTL에서 회로 방정식을 도출하여 테스트 중에 회로가 어떻게 작동하는지 이해하는 것과 같은 기본적인 엔지니어링 기술을 개발하는 데 중요합니다.
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방전 커패시터를 제외하고 이전 연습을 반복합니다. 아래 그림 3은 방전 커패시터와 t = 0s에서 열리는 스위치가 있는 회로를 보여줍니다.
그림 3: 방전 커패시터 다이어그램
이 연습은 KVL에서 회로 방정식을 도출하여 테스트 시 회로가 어떻게 작동하는지 이해하는 등 기본적인 엔지니어링 기술을 개발하는 데 중요합니다. 학생들에게 R과 C의 다양한 조합을 직렬 또는 병렬로 사용하여 이 공식을 유도하는 것이 유용할 수 있습니다.
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그림 2의 충전 회로에 대해 다음 값을 사용합니다. t = 1ms일 때 VC를 찾습니다.
- VS = 15.5 V
- R = 330Ω
- C = 10μF
이 연습은 도출된 방정식을 적용하고 실험 중에 예상되는 결과와 실험값을 확인하는 데 좋습니다.
연습 1의 동일한 값과 계산을 사용하여 다음을 계산합니다.
- 커패시터 양단의 초기 전압 VC(0)
- 커패시터 양단의 최종 전압 VC(무한대)
- 시상수, τ
이 연습은 시간 상수에 대한 강의실 이론을 적용하고 공학적 직관을 개발하는 데 유용합니다.
실험 설정
구성 요소들
- 모쿠:고 [1x]
- 저항기 330Ω [x2]
- 저항기 1kΩ [x2]
- 커패시터 10μF [x1]
- 브레드보드 [x1]
실험실 절차
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R4 = R1 = 2Ω 및 C = 330μF를 사용하여 그림 10의 회로를 구성합니다.
그림 4: 충전 커패시터 실험실 회로
R2는 시간 상수 τ와 최종 전압에 어떤 영향을 미칩니까? VC 사전 실습과 비교했을 때?
이는 회로의 시간 상수와 최종 전압에 어떤 영향을 미치는지 보여주기 위해 전압 분배기와 같은 몇 가지 기본 회로 이론을 도입하므로 이 실습의 학생들에게 훌륭한 연습입니다. 학생들은 시간 상수가 감소하여 커패시터가 최종 전압에 도달하는 데 걸리는 시간이 감소한다는 것을 알아야 합니다. 그 후, 두 개의 2Ω 저항을 병렬로 사용하는 전압 분배기로 인해 최종 전압이 330배 감소합니다.
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컴퓨터에 최신 버전의 Moku: 데스크톱 앱이 다운로드되어 있는지 확인하세요. 다음에서 소프트웨어를 다운로드할 수 있습니다. 여기에서 지금 확인해 보세요..
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Moku:Go에 자기 전원 어댑터를 연결하고 전면 LED가 녹색으로 바뀔 때까지 기다립니다.
Moku:Go는 이더넷, USB-C 또는 Wi-Fi의 세 가지 방법으로 노트북에 연결할 수 있습니다. 다음을 참조하세요. Moku:Go 빠른 시작 가이드 Moku:Go를 컴퓨터에 연결하는 방법에 대해 알아보세요. 연결되면 Moku:Go가 Windows 또는 MacOS 애플리케이션의 장치 선택 화면에 표시됩니다.
그림 5: Moku 앱 장치 선택 화면
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이제 Moku:Go가 연결되었으므로 오실로스코프 장비를 두 번 클릭하세요. 오른쪽 컨트롤 서랍에는 5개의 탭이 있습니다. 이는 채널, 타임베이스, 트리거, 측정 및 전압계 설정에 액세스합니다.
- 트리거 모드를 단일로 설정합니다. 이를 통해 단일 과도 파형을 캡처할 수 있습니다.
- 채널 1과 소스를 입력 1로 활성화합니다.
- 트리거 유형에 대한 에지를 선택하고 충전 및 방전 연습에 대한 상승 또는 하강을 선택합니다.
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회로에 전압 소스를 적용하려면 기본 메뉴 버튼으로 이동하십시오. 
화면 왼쪽 상단에서 '전원 공급 장치'를 클릭하세요.
그림 6: 전원 공급 장치 설정
PPSU 2가 켜져 있고 15.5V로 설정되어 있는지 확인하세요.
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Moku:Go의 오실로스코프에서 충전 커패시터의 과도 전압 파형을 캡처합니다.
다시 트리거 탭으로 이동하여 트리거 레벨 설정을 찾으세요. 트리거 레벨은 스코프 디스플레이에서 파형을 중앙에 배치하는 데 사용됩니다. 트리거 레벨이 초기 전압과 최종 전압 사이에 있으면 충전 전압이 트리거 레벨을 교차하는 순간 t = 0s에서 충전 파형이 디스플레이 중앙에 표시됩니다. 이 실습에서는 트리거 레벨을 회로의 RC 시간 상수로 설정하는 것이 도움이 됩니다. 방정식 1을 사용하여 값을 계산할 수 있으며 이는 최종 전압의 약 63.2%가 되어야 합니다.
아래 그림 7은 충전 커패시터에 대한 오실로스코프 디스플레이의 모습을 보여주는 예입니다.
그림 7: 충전 커패시터의 오실로스코프 디스플레이
플롯이 그림 7과 비슷해지면 커서를 사용하여 다음을 측정합니다.
- 커패시터 양단의 초기 전압 VC(0). 이것을 기준 전압 커서로 만듭니다.
- 커패시터 양단의 정상 상태 전압 VC(무한대).
- 시상수, τ1. (즉, 스위치가 닫힐 때부터 V가 닫힐 때까지의 시간)C(t) = 0.632*VC(무한대)).
- 한 시간 상수 V 이후 커패시터 양단의 순간 전압C(티1)
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방전 커패시터의 과도 전압에 대해 6단계를 반복합니다.
방전 회로의 경우 스위치를 열면 바로 전압이 떨어지기 시작하므로 에지 유형을 하강으로 설정하십시오. 트리거 레벨을 결정하기 위해 동일한 과정을 반복하되, 이번에는 초기 전압에 36.8%를 곱하여 최적의 값을 얻습니다.
아래 그림 8은 플롯의 모습입니다.
그림 8: 방전 커패시터의 오실로스코프 디스플레이
플롯이 그림 8과 비슷해지면 커서를 사용하여 다음을 측정합니다.
- 커패시터 양단의 초기 전압 VC(0). 이것을 기준 전압으로 만드십시오.
- 커패시터 양단의 정상 상태 전압 VC(무한대).
- 시상수, τ2. (즉, 스위치가 닫힐 때부터 V가 닫힐 때까지의 시간)C(t) = 368*VC(0) ).
- 한 시간 상수 V 이후 커패시터 양단의 순간 전압C(티2)
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다음 값을 사용하여 6단계와 7단계를 반복합니다. 방정식 1과 2가 여전히 유효합니까?
- Vs = 5V
- R1 = R2 = 1kΩ
- C = 10μF
요약
1차 과도 회로에 관한 이 실습은 전기 공학 계측 및 실제 실습 기술에 대한 훌륭한 소개입니다. Moku: 플랫폼에는 다양한 계측기가 포함되어 있으며 이 연구실에서는 오실로스코프와 4개의 통합 프로그래밍 가능 전원 공급 장치 중 하나를 고유하게 조합하여 사용했습니다. 결과 게시 및 보고는 Moku: 앱 내에서 화면 캡처 또는 파일 공유를 통해 쉽게 수행됩니다. 화면 상단의 구름 아이콘을 클릭하면 됩니다. 아래 스크린샷은 결과를 저장하는 방법을 보여줍니다.
그림 9: 오실로스코프 데이터 내보내기
Moku:Go의 장점
교육자 및 실험실 조교용
- 연구실 공간과 시간의 효율적인 활용
- 일관된 장비 구성의 용이성
- 기기 설정이 아닌 전자 장치에 중점을 둡니다.
- 연구실 조교 시간 극대화
- 개별 연구실, 개별 학습
- 스크린샷을 통한 단순화된 평가 및 등급 지정
학생을 위한
- 각자의 속도에 맞춰 진행되는 개별 실험실을 통해 이해도와 기억력이 향상됩니다.
- 휴대 가능하며 집, 캠퍼스 연구실 또는 원격 공동 작업 등 연구실 작업을 위한 속도, 장소 및 시간 선택 가능
- 친숙한 Windows 또는 macOS 노트북 환경이면서도 전문가급 장비를 갖추고 있습니다.
Moku:Go 데모 모드
Liquid Instruments에서 macOS 및 Windows용 Moku:Go 앱을 다운로드할 수 있습니다. 웹 사이트. 데모 모드는 하드웨어 없이도 작동하며 Moku:Go 사용에 대한 훌륭한 개요를 제공합니다.
질문이 있으시거나 인쇄가능 버전을 필요로 하십니까?
support@liquidinstruments.com으로 문의해 주세요.
