Цепи моста переменного тока

Как мы видели в схемах измерения постоянного тока, конфигурация схемы, известная как мост может быть очень полезным способом измерения неизвестных значений сопротивления.

То же самое и с переменным током, и мы можем применить тот же принцип к точному измерению неизвестного импеданса.

Как работает мостовая схема?

Для обзора, мостовая схема работает как пара двухкомпонентных делителей напряжения, подключенных к одному источнику напряжения с нуль-детектором . движение счетчика, подключенного между ними, для индикации состояния «баланса» при нулевом напряжении:

Индикатор сбалансированного моста показывает «нулевое» или минимальное значение.

Любой из четырех резисторов в указанном выше мосте может быть резистором неизвестного номинала, и его значение может быть определено соотношением трех других, которые являются «откалиброванными» или чьи сопротивления известны в точной степени.

Когда мост находится в сбалансированном состоянии (нулевое напряжение, как показывает нулевой детектор), соотношение выглядит следующим образом:

В состоянии остаток :

Одним из преимуществ использования мостовой схемы для измерения сопротивления является то, что напряжение источника питания не имеет значения.

Фактически, чем выше напряжение питания, тем легче обнаружить состояние дисбаланса между четырьмя резисторами с помощью детектора нуля и, следовательно, тем более чувствительным он будет.

Повышенное напряжение питания увеличивает точность измерения. Тем не менее, в отличие от других типов схем измерения сопротивления, не будет фундаментальной ошибки в результате меньшего или большего напряжения источника питания.

Импедансный мост

Импедансные мосты работают так же, только уравнение баланса имеет сложное величины, так как величина и фаза компонентов двух делителей должны быть равны, чтобы детектор нуля показал «ноль».

Нулевой детектор, конечно, должен быть устройством, способным обнаруживать очень малые напряжения переменного тока. Для этого часто используется осциллограф, хотя можно использовать очень чувствительные электромеханические измерительные приборы и даже наушники (небольшие динамики), если частота источника находится в пределах звукового диапазона.

Детектор нуля для переменного тока

Один из способов максимизировать эффективность аудионаушников в качестве детектора нуля - подключить их к источнику сигнала через трансформатор согласования импеданса.

Динамики для наушников обычно представляют собой устройства с низким импедансом (8 Ом), требующие значительного тока для управления, поэтому понижающий трансформатор помогает «согласовать» слаботочные сигналы с импедансом динамиков наушников.

Для этой цели хорошо подходит выходной трансформатор аудиосигнала:(рисунок ниже)

«Современные» низкоомные наушники требуют трансформатора согласования импеданса для использования в качестве чувствительного детектора нуля.

Используя наушники, полностью окружающие уши (типа «закрытые чашки»), я смог обнаружить токи менее 0,1 мкА с помощью этой простой схемы детектора.

Примерно одинаковая производительность была получена при использовании двух разных понижающих трансформаторов:небольшого силового трансформатора (отношение 120/6 вольт) и трансформатора аудиовыхода (отношение импеданса 1000:8 Ом).

С кнопочным переключателем на месте для прерывания тока эта схема используется для обнаружения сигналов от постоянного тока до более 2 МГц:даже если частота намного выше или ниже звукового диапазона, в наушниках будет слышен щелчок каждый раз, когда переключатель нажат и отпущен.

Вся схема подключена к резистивному мосту, как показано на рисунке ниже.

Мост с чувствительным детектором нуля переменного тока

При прослушивании наушников во время настройки одного или нескольких резистивных «плеч» моста состояние баланса будет реализовано, когда наушники не будут издавать «щелчки» (или тоны, если частота источника питания моста находится в пределах звукового диапазона). ) при срабатывании переключателя.

При описании общих мостов переменного тока, где импеданс и не только сопротивления должны быть в правильном соотношении для баланса, иногда полезно изобразить соответствующие опоры моста в виде коробчатых компонентов, каждый из которых имеет определенное сопротивление:(рисунок ниже)

Обобщенный мост импеданса переменного тока:Z =неспецифический комплексный импеданс.

Чтобы сбалансировать эту общую форму моста переменного тока, отношения импеданса каждой ветви должны быть одинаковыми:

Опять же, необходимо подчеркнуть, что величины импеданса в приведенном выше уравнении должны быть сложным, учитывая как величину, так и фазовый угол.

Недостаточно балансировать только величины импеданса; без фазовых углов в балансе все равно будет напряжение на выводах нуль-детектора, и мост не будет сбалансирован.

Мостовые схемы могут быть сконструированы для измерения практически любого желаемого значения устройства, будь то емкость, индуктивность, сопротивление или даже «добротность».

Как всегда в схемах мостовых измерений, неизвестная величина всегда «уравновешивается» с известным стандартом, полученным от высококачественного откалиброванного компонента, значение которого можно регулировать до тех пор, пока нуль-детектор не покажет состояние баланса.

В зависимости от того, как установлен мост, значение неизвестного компонента может быть определено непосредственно из настройки откалиброванного стандарта или получено из этого стандарта с помощью математической формулы.

Пример мостовых схем

Ниже показана пара простых мостовых схем, одна для индуктивности (рисунок ниже), а другая для емкости:

Симметричный мост измеряет неизвестную катушку индуктивности по сравнению со стандартной катушкой индуктивности.

Симметричный мост измеряет неизвестный конденсатор по сравнению со стандартным конденсатором.

Такие простые «симметричные» мосты названы так потому, что они демонстрируют симметрию (зеркальное сходство) слева направо.

Две показанные выше мостовые схемы сбалансированы путем регулировки калиброванной реактивной составляющей (Ls или Cs).

Они немного упрощены по сравнению с их реальными аналогами, поскольку в практических симметричных мостовых схемах часто используется откалиброванный переменный резистор, включенный последовательно или параллельно реактивному компоненту, чтобы уравновесить паразитное сопротивление в неизвестном компоненте.

Но в гипотетическом мире совершенных компонентов эти простые мостовые схемы прекрасно подходят для иллюстрации основной концепции.

Венский мост

Пример небольшой дополнительной сложности, добавленной для компенсации реальных эффектов, можно найти в так называемом мосте Вина , в котором используется стандартный импеданс параллельного конденсатора и резистора, чтобы уравновесить неизвестную последовательную комбинацию конденсатор-резистор. (Рисунок ниже)

Все конденсаторы имеют определенное внутреннее сопротивление, буквальное или эквивалентное (в виде потерь на нагрев диэлектрика), которое имеет тенденцию портить их в остальном идеально реактивную природу.

Это внутреннее сопротивление может быть интересно измерить, поэтому мост Вина пытается сделать это, обеспечивая балансирующий импеданс, который тоже не является «чистым»:

Мост Wein Bridge измеряет как емкостную Cx, так и резистивную Rx компоненты «реального» конденсатора.

Поскольку необходимо настроить два стандартных компонента (резистор и конденсатор), для балансировки этого моста потребуется немного больше времени, чем для других, которые мы видели до сих пор.

Комбинированный эффект Rs и Cs заключается в изменении амплитуды и фазового угла до тех пор, пока мост не достигнет состояния баланса.

Как только этот баланс будет достигнут, настройки Rs и Cs могут быть считаны с их калиброванных ручек, параллельное сопротивление этих двух определено математически, а неизвестная емкость и сопротивление определены математически из уравнения баланса (Z1 / Z2 =Z3 / Z4) .

При работе моста Вина предполагается, что стандартный конденсатор имеет незначительное внутреннее сопротивление или, по крайней мере, это сопротивление уже известно, чтобы его можно было учесть в уравнении баланса.

Мосты Вина полезны для определения значений конденсаторов с потерями, таких как электролитические, где внутреннее сопротивление относительно высокое.

Они также используются в качестве частотомеров, поскольку баланс моста зависит от частоты.

При таком использовании конденсаторы делаются фиксированными (и обычно равной величины), а два верхних резистора - переменными и регулируются с помощью той же ручки.

Интересная вариация на эту тему содержится в следующей схеме моста, используемой для точного измерения индуктивности.

Мост Максвелла-Вейна

Мост Максвелла-Вейна измеряет индуктивность по стандарту конденсатора.

Эта оригинальная мостовая схема известна как мост Максвелла-Вина . (иногда называемый просто мостом Максвелла ) и используется для измерения неизвестных индуктивностей с точки зрения калиброванного сопротивления и емкости. (Рисунок выше)

Катушки индуктивности калибровочного класса сложнее изготовить, чем конденсаторы аналогичной точности, поэтому использование простого «симметричного» индуктивного моста не всегда практично.

Поскольку фазовые сдвиги катушек индуктивности и конденсаторов точно противоположны друг другу, емкостное сопротивление может уравновесить индуктивное сопротивление, если они расположены на противоположных сторонах моста, как здесь.

Еще одним преимуществом использования моста Максвелла для измерения индуктивности вместо моста симметричной индуктивности является устранение ошибки измерения из-за взаимной индуктивности между двумя индукторами.

Магнитные поля может быть трудно экранировать, и даже небольшая связь между катушками в мосте может привести к существенным ошибкам в определенных условиях. Эта проблема устранена, поскольку в мосте Максвелла нет второй индуктивности, которая могла бы реагировать.

Для простоты работы стандартный конденсатор (Cs) и резистор, включенный параллельно ему (Rs), сделаны переменными, и оба должны быть отрегулированы для достижения баланса.

Однако мост можно заставить работать, если конденсатор является фиксированным (неизменяемым) и несколько резисторов сделаны переменными (по крайней мере, резистор, подключенный параллельно конденсатору, и один из двух других).

Однако в последней конфигурации для достижения баланса требуется больше корректировок методом проб и ошибок, поскольку различные переменные резисторы взаимодействуют между собой, уравновешивая величину и фазу.

В отличие от простого моста Вина, балансировка моста Максвелла-Вина не зависит от частоты источника, и в некоторых случаях этот мост может быть настроен на балансировку при наличии смешанных частот от источника переменного напряжения, ограничивающим фактором является индуктивность индуктивности. стабильность в широком диапазоне частот.

Есть и другие варианты помимо этих конструкций, но полное обсуждение здесь не требуется. Производятся универсальные мостовые схемы с импедансом, которые можно включать более чем в одну конфигурацию для максимальной гибкости использования.

Потенциальная проблема в чувствительных мостовых схемах переменного тока заключается в паразитной емкости между любым концом блока детектора нуля и потенциалом земли (земли).

Поскольку емкости могут «проводить» переменный ток при зарядке и разряде, они образуют пути паразитного тока к источнику переменного напряжения, что может повлиять на баланс моста:

Паразитное сопротивление заземлению может вызвать ошибки в мосте.

Герконовые счетчики неточны, но принцип их действия - нет. Вместо механического резонанса мы можем заменить электрический резонанс и спроектировать частотомер с использованием индуктора и конденсатора в виде резервуарной цепи (параллельные индуктор и конденсатор).

Один или оба компонента сделаны регулируемыми, и в цепь помещается измеритель, который показывает максимальную амплитуду напряжения на двух компонентах.

Ручка (ручки) регулировки откалиброваны так, чтобы показывать резонансную частоту для любой заданной настройки, и частота считывается с них после того, как устройство было настроено на максимальное показание на измерителе.

По сути, это настраиваемая схема фильтра, которая настраивается и затем считывается аналогично мостовой схеме (которая должна быть сбалансирована для «нулевого» состояния, а затем считана).

Проблема усугубляется, если источник переменного напряжения надежно заземлен на одном конце, полное паразитное сопротивление для токов утечки становится намного меньше, а любые токи утечки через эти паразитные емкости в результате становятся больше:

Ошибки паразитной емкости более серьезны, если одна сторона источника переменного тока заземлена.

Граунд Вагнера

Один из способов значительно уменьшить этот эффект - поддерживать нулевой детектор под потенциалом земли, чтобы не было переменного напряжения между ним и землей, и, следовательно, не было тока через паразитные емкости.

Однако прямое подключение нулевого детектора к земле невозможно, так как это создаст прямой путь тока для паразитных токов, который будет хуже, чем любой емкостной путь.

Вместо этого используется специальная схема делителя напряжения, называемая заземлением Вагнера . или земля Вагнера может использоваться для поддержания нулевого детектора при потенциале земли без необходимости прямого подключения к нулевому детектору. (Рисунок ниже)

Заземление Вагнера для источника переменного тока сводит к минимуму влияние паразитной емкости на землю на мосту.

Цепь заземления Вагнера представляет собой не что иное, как делитель напряжения, рассчитанный на соотношение напряжений и фазовый сдвиг на каждой стороне моста.

Поскольку средняя точка делителя Вагнера напрямую заземлена, любая другая схема делителя (включая обе стороны моста), имеющая те же пропорции напряжения и фазы, что и делитель Вагнера, и питаемая от того же источника напряжения переменного тока, будет иметь потенциал земли, как хорошо.

Таким образом, делитель земли Вагнера заставляет нулевой детектор находиться под потенциалом земли без прямого соединения между детектором и землей.

Часто в соединении нуль-детектора предусмотрено положение, подтверждающее правильную настройку схемы делителя заземления Вагнера:двухпозиционный переключатель (рисунок ниже), так что один конец нуль-детектора может быть подключен либо к мосту, либо к мосту. Земля Вагнера.

Когда нулевой детектор регистрирует нулевой сигнал в обоих положениях переключателя, не только гарантируется балансировка моста, но также гарантируется нулевой потенциал нулевого детектора относительно земли, что исключает любые ошибки из-за токов утечки через паразитный детектор. Емкости-земля:

Положение переключателя позволяет регулировать основу Вагнера.

ОБЗОР:

• Мостовые схемы переменного тока работают по тому же основному принципу, что и мостовые схемы постоянного тока:сбалансированное соотношение импедансов (а не сопротивлений) приведет к «сбалансированному» состоянию, как показывает нуль-детектор.
• Детекторами нуля для мостов переменного тока могут быть чувствительные электромеханические измерительные приборы, осциллографы (ЭЛТ), наушники (с усилением или без усиления) или любое другое устройство, способное регистрировать очень небольшие уровни переменного напряжения. Как и у детекторов нуля постоянного тока, его единственная требуемая точка точности калибровки - ноль.
• Мостовые схемы переменного тока могут быть «симметричными», в которых неизвестный импеданс уравновешивается стандартным импедансом аналогичного типа на той же стороне (вверху или внизу) моста. Или они могут быть «несимметричными», с использованием параллельных импедансов для уравновешивания последовательных импедансов или даже емкостей, уравновешивающих индуктивности.
• В мостовых схемах переменного тока часто требуется более одной регулировки, поскольку и величина импеданса и фазовый угол должен быть правильно подобран для баланса.
• Некоторые мостовые схемы импеданса чувствительны к частоте, а другие - нет. Чувствительные к частоте типы могут использоваться в качестве устройств измерения частоты, если все значения компонентов точно известны.
• Земля Вагнера или земля Вагнера представляет собой схему делителя напряжения, добавленную к мостам переменного тока, чтобы помочь уменьшить ошибки из-за паразитной емкости, связывающей нулевой детектор с землей.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист сетевого анализа переменного тока