Γέφυρες μέτρησης AC και χρήση τους

Στα κυκλώματα AC, τα κυκλώματα γέφυρας χρησιμοποιούνται για σκοπούς μέτρησης. Αυτά τα σχήματα καθιστούν δυνατό τον προσδιορισμό των τιμών των πυκνωτών και των επαγωγών, των εφαπτομένων της γωνίας των διηλεκτρικών απωλειών των πυκνωτών, καθώς και των αμοιβαίων επαγωγών των πηνίων.

Η μέτρηση των γεφυρών AC είναι εντελώς διαφορετικά σχήματα, θα συζητηθούν παρακάτω. Οι πιο δημοφιλείς είναι οι ισορροπημένες γέφυρες με τέσσερις βραχίονες, όπου οι διαδικασίες μέτρησης επαγωγικών, χωρητικοτήτων και εφαπτομένων διηλεκτρικών απωλειών μπορούν να συνοδεύονται από αντιστάθμιση παρασιτικών παραμέτρων.

Δύο ομάδες κυκλωμάτων γέφυρας μέτρησης εναλλασσόμενου ρεύματος είναι ιδιαίτερα εκφραστικές: γέφυρες μετασχηματιστή (με επαγωγικά συζευγμένους βραχίονες) και χωρητικές γέφυρες. Οι χωρητικές γέφυρες είναι κυκλώματα με τέσσερις βραχίονες στα οποία τοποθετούνται χωρητικά και ενεργά στοιχεία στους βραχίονες. Οι γέφυρες μετασχηματιστή χαρακτηρίζονται από την παρουσία δευτερευόντων περιελίξεων του μετασχηματιστή σε δύο βραχίονες που χρησιμεύουν για την τροφοδοσία της γέφυρας.

Όσον αφορά τα χωρητικά κυκλώματα, μπορούν να περιλαμβάνουν τόσο σταθερή χωρητικότητα και μεταβλητές (ενεργές) αντιστάσεις, όσο και σταθερές (ενεργές) αντιστάσεις και μεταβλητές χωρητικότητες. Μια γέφυρα σταθερής χωρητικότητας είναι πιο εύκολο να κατασκευαστεί καθώς δεν χρειάζεται μεταβλητούς πυκνωτές με ειδική βαθμολόγηση, αντίθετα υπάρχει επαρκής παροχή αντιστάσεων (ενεργές αντιστάσεις).

Χάρη στις μεταβλητές αντιστάσεις, το κύκλωμα γέφυρας μπορεί να εξισορροπηθεί σε σχέση με τα εξαρτήματα άεργου και ενεργού τάσης. Η μία μεταβλητή αντίσταση βαθμονομείται σύμφωνα με τις τιμές χωρητικότητας, η άλλη σύμφωνα με τις τιμές εφαπτομένης διηλεκτρικής απώλειας. Ως αποτέλεσμα, λαμβάνεται ένα ισοδύναμο κύκλωμα σειράς του μελετημένου πυκνωτή. Η ακόλουθη ισότητα θα αντικατοπτρίζει αυτήν την κατάσταση ισορροπίας της γέφυρας και η εξίσωση των φανταστικών και πραγματικών μερών θα δώσει μόνο τις τιμές των αναζητούμενων ποσοτήτων:

Αλλά στην πραγματικότητα, οι παρασιτικές παράμετροι εμφανίζονται πάντα και δίνουν σφάλματα ήδη στις συχνότητες ήχου. Οι παρασιτικές επαγωγές, οι χωρητικότητες, οι αγωγιμότητες είναι πηγές αυτών των σφαλμάτων, η ακρίβεια της μέτρησης της γωνίας απώλειας διηλεκτρικής απειλείται. Μέτρα για τη μείωση της επίδρασης αυτών των παραγόντων είναι η μη επαγωγική και χωρητική περιέλιξη της πρώτης αντίστασης. Αλλά στην πραγματικότητα είναι απλώς απαραίτητο να αντισταθμίσουμε σωστά αυτές τις επιρροές.

Έτσι, για να αντισταθμιστεί η παρασιτική επαγωγή, ο πυκνωτής τριμερούς συνδέεται παράλληλα με τη δεύτερη αντίσταση. Επιπλέον, οι παρασιτικές χωρητικότητες και οι παρασιτικές αντιστάσεις προκύπτουν από την παρουσία μονωτικών μερών και του μετασχηματιστή, επομένως είναι απαραίτητο να διπλασιαστεί η θωράκιση του ίδιου του μετασχηματιστή.Για να μειωθεί η επίδραση της χωρητικότητας και της αγωγιμότητας των εξαρτημάτων, είναι κατασκευασμένα από διηλεκτρικά υψηλής ποιότητας, όπως φθοροπλαστικό. Μια γεννήτρια συχνοτήτων ήχου είναι κατάλληλη ως πηγή ενέργειας.

Οι σταθερές αντιστάσεις που χρησιμοποιούνται στις γέφυρες παρέχουν ένα πλεονέκτημα: δεν χρειάζεται να βαθμονομήσετε μια μεταβλητή αντίσταση. Στους βραχίονες υπάρχει μόνο σταθερή αντίσταση, σταθερός πυκνωτής και μεταβλητοί πυκνωτές. Οι μετρήσεις των δυνατοτήτων τους είναι δυνατές άμεσα. Η χωρητικότητα υπό μελέτη συνδέεται απλώς με τους ακροδέκτες, μετά την οποία η γέφυρα εξισορροπείται ρυθμίζοντας τους μεταβλητούς πυκνωτές.Οι υπολογισμοί γίνονται σύμφωνα με τους τύπους από τους οποίους φαίνεται ότι η κλίμακα για την εφαπτομένη προκύπτει απευθείας από τον τύπο με μεταβλητή χωρητικότητα, αφού η αντίσταση και η συχνότητα παραμένουν αμετάβλητες:

Οι γέφυρες μέτρησης με επαγωγικά συνδεδεμένους βραχίονες (γέφυρες μετασχηματιστή) είναι ανώτερες από τις χωρητικές γέφυρες από πολλές απόψεις: υψηλότερη ευαισθησία ως προς την εφαπτομένη και την χωρητικότητα, χαμηλή επίδραση παρασιτικών αγωγιμότητας που συνδέονται, ούτως ή άλλως, παράλληλα με τους βραχίονες.

Οι μετασχηματιστές πολλαπλών τμημάτων μπορούν να επεκτείνουν σημαντικά το εύρος λειτουργίας (κλίμακα μέτρησης) της γέφυρας. Υπάρχουν πολλά τυπικά σχέδια γέφυρας μετασχηματιστή, αλλά το πιο δημοφιλές είναι η διπλή γέφυρα μετασχηματιστή:

Η αλυσίδα ρυθμίζεται πλήρως απαριθμώντας τον αριθμό των στροφών. δεν χρειάζεται μεταβλητούς πυκνωτές ή μεταβλητές αντιστάσεις. Με αυτόν τον τρόπο, είναι δυνατή η δημιουργία μετρητών με μεγάλη γκάμα μετασχηματιστών πολλαπλών τμημάτων και απαιτείται ελάχιστος αριθμός δειγματοληπτικών στοιχείων.

Εδώ τα κυκλώματα είναι γαλβανικά απομονωμένα, δηλαδή είναι προφανές ότι οι παρεμβολές λόγω παρασιτικών συνδέσεων είναι ελάχιστες, επομένως τα καλώδια σύνδεσης μπορεί να είναι σχετικά μακριά. Οι παρακάτω εξισώσεις ισχύουν όταν η γέφυρα βρίσκεται σε ισορροπία:

Όπως γνωρίζετε, όταν πρόκειται για τη μέτρηση των χωρητικοτήτων των πυκνωτών, οι ενεργές απώλειες με τη μορφή της εφαπτομένης της διηλεκτρικής απώλειας έρχονται στο προσκήνιο. Έτσι, σύμφωνα με αυτήν την παράμετρο, οι πυκνωτές χωρίζονται σε τρεις ομάδες (και τα ισοδύναμα κυκλώματα, αντίστοιχα, σε αυτή τη συχνότητα διαφέρουν):

Οι παρακάτω λόγοι αντικατοπτρίζουν την σύνθετη αντίσταση ενός πυκνωτή σε ένα κύκλωμα AC και την εφαπτομένη του σε σειρά και παράλληλα ισοδύναμα κυκλώματα:

Η μέτρηση της χωρητικότητας ενός πυκνωτή χωρίς απώλειες πραγματοποιείται σύμφωνα με το ακόλουθο σχήμα, όπου δύο ενεργοί βραχίονες καθορίζουν τα όρια μέτρησης από την αναλογία των τιμών τους και η χωρητικότητα του δείγματος είναι μεταβλητή. Εδώ, στη διαδικασία μέτρησης, επιλέγονται οι λόγοι των αντιστάσεων, αλλάζει η τιμή της χωρητικότητας του δείγματος. Η έκφραση ισορροπίας γέφυρας είναι:

Η μέτρηση χωρητικότητας χαμηλών απωλειών πραγματοποιείται σύμφωνα με το σχήμα ακολουθίας αντικατάστασης πυκνωτή, ενώ εξισορροπείται η γέφυρα αλλάζοντας την χωρητικότητα και την ενεργή αντίσταση, φτάνοντας στην ελάχιστη ένδειξη της κλίμακας μηδενικού δείκτη. Η συνθήκη ισότητας δίνει τις ακόλουθες εκφράσεις:

Οι πυκνωτές με σημαντικές διηλεκτρικές απώλειες απαιτούν στο ισοδύναμο κύκλωμα η αντίσταση να συνδεθεί παράλληλα με το δείγμα, σύμφωνα με το παραπάνω σχήμα. Ο τύπος για την εφαπτομένη θα μοιάζει με αυτό:

Έτσι, χρησιμοποιώντας γέφυρες, είναι δυνατό να μετρηθούν οι χωρητικότητες των πραγματικών πυκνωτών με ονομαστικές τιμές από μονάδες pF έως δεκάδες microfarads και με υψηλό βαθμό ακρίβειας (από 1 έως 3 τάξεις μεγέθους).

Με τη μέτρηση της επαγωγής χρησιμοποιώντας την προσέγγιση που περιγράφηκε παραπάνω, είναι δυνατή η σύγκριση με χωρητικότητες και όχι απαραίτητα με επαγωγικές, καθώς η δημιουργία μιας ακριβούς μεταβλητής αυτεπαγωγής δεν είναι εύκολη υπόθεση. Χρησιμοποιούν λοιπόν κυκλώματα ισοδύναμης χωρητικότητας δείγματος αντί για επαγωγείς. Η συνθήκη ισορροπίας σας επιτρέπει να βρείτε αντίσταση και αυτεπαγωγή, το αποτέλεσμα γράφεται με την ακόλουθη μορφή:

Μπορείτε επίσης να βρείτε τον παράγοντα Q:

Φυσικά, η χωρητικότητα στροφής σε στροφή θα δώσει μικρές παραμορφώσεις, αλλά αυτές συχνά αποδεικνύονται αμελητέες.