Измерительный мост переменного тока: Мостовые схемы переменного тока: ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Мостовые схемы переменного тока: ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Как мы видели из схем постоянного тока, схемы, известные как мостовые могут быть очень полезны при изменении сопротивлений. Это так же верно и для схем переменного тока, и те же самые принципы могут быть применены для точных измерений неизвестных импедансов.

Напомним, что мостовые схемы работают как пара двухкомпонентных делителей напряжения подсоединённых параллельно к источнику напряжения, индикатор нулевого сигнала включён в диагональ моста для определения «баланса» при нулевом сигнале (Рисунок внизу)

Сбалансированный мост показывает «ноль», или минимальное значение, на индикаторе.

Любой из четырёх резисторов на верхнем рисунке может быть резистором с неизвестным сопротивлением, и его значение может быть определено из пропорции с другими тремя резисторами, которые «калиброваны» или их сопротивления известны с высокой точностью. Когда мост находится в условиях баланса (индикатор показывает нулевой сигнал), отношение определяется как:

Условия баланса.

Одним из преимуществ использования мостовой схемы для измерения сопротивлений является то, что напряжение источника питания не влияет на измерения. Практически, чем выше напряжение питания, тем легче обнаружить дисбаланс между четыремя резисторами с помощью индикатора нулевого сигнала, и таким образом повышается чувствительность схемы. Большее напряжение питания ведёт к увеличению точности измерений. Однако из-за уменьшения или увеличения напряжения питания не вносится фундаментальных ошибок в отличии от других схем измерения сопротивлений.

Импедансные мосты работают так же, только уравнение баланса определяется комплексными числами, и амплитуда, и фаза сигналов на диагонали моста должны быть равные, что бы детектор показал «нуль». Детектор нуля, конечно, должен быть устройством, способным обнаруживать очень слабый сигнал переменного тока. Для этого часто используют осциллограф, хотя здесь мог бы использоваться очень чувствительный электромеханический прибор и даже наушники, если частота сигнала лежит в звуковом диапазоне.

Один из способов увеличить эффективность наушников как детектора нуля — подсоединить их к источнику сигнала через согласующий трансформатор. Обычно наушники имеют низкое сопротивление (8 Ω), требующее существенного тока для работы, и такой понижающий трансформатор помогает «согласовать» слаботочный сигнал с сопротивлением наушников. Для этих целей хорошо подходит выходной трансформатор от аудио аппаратуры. (Рисунок внизу)

Детектор нуля для мостов переменного тока на основе наушников.
«Современные» низкоомные головные телефоны требуют согласующий трансформатор при использовании их в качестве чувствительного детектора нулевого сигнала.

Используя пару головных телефонов, полностью закрывающих уши, я мог обнаруживать сигналы с током менее 0.1 µA с этим простым детектором. Похожие результаты были получены с использованием двух понижающих трансформаторов: небольшого силового трансформатора (120В/6В), и аудио выходного трансформатора (с отношением сопротивлений обмоток 1000:8 Ом). С кнопочным выключателем для прерывания тока эта схема пригодна для обнаружения сигналов в диапазоне от постоянного тока до частот более 2 мГц: даже если частота гораздо больше или меньше звукового диапазона, в наушниках будут слышны щелчки каждый раз при нажатии или отпускании кнопки.

Соединённая в резистивный мост, полная схема изображена на нижнем рисунок.

Мост переменного тока с чувствительным детектором нуля.

Слушая сигнал в наушниках в то время как один или более резисторов в «плечах» моста отрегулированы, ожидают наступления баланса тогда, когда в наушниках перестанут быть слышны щелчки (или звуковой сигнал, если частота источника сигнала лежит в звуковом диапазоне).

Когда описывают общие мосты переменного тока, где импеданс, а не только сопротивления должны иметь правильные соотношения для выполнения условий баланса, иногда бывает полезно рисовать соответствующие узлы моста в виде квадратов, каждый из которых имеет определённый импеданс: (Рисунок внизу)

Обобщённый мост переменного тока: Z = общий комплексный импеданс.

Для этого обобщённого моста переменного тока выполнение условий баланса должно происходить в том случае, когда отношение импедансов каждой ветви равно:

Снова должно быть подчёркнуто, что импеданс в этом уравнении должен быть комплексный, рассчитанный для как для амплитуды, так и для фазы. Недостаточно, что бы мост был сбалансирован только по амплитуде сигнала; без балансировки фазы на выводах детектора нуля будет присутствовать напряжение, и мост не будет сбалансирован.

Мостовые схемы могут быть сконструированы для измерений почти любых параметров — ёмкости, индуктивности, сопротивления и даже добротности. Как и всегда в мостовых измерительных схемах, неизвестное значение всегда «балансируется» по известному стандарту, полученному из высококачественного, калиброванного компонента, значение с которого считывается при индикации на детекторе нуля баланса. В зависимости от того, как устроен мост, значение неизвестного компонента может быть получено с калиброванного элемента как напрямую, так и рассчитано по формуле.

Несколько простых мостовых схем показано ниже, одна для измерения индуктивности (Рисунок внизу), другая — для измерения ёмкости (Рисунок внизу):

Симметричный мост измеряет неизвестную индуктивность путём сравнения её со стандартной.

Симметричный мост измеряет неизвестную ёмкость путём сравнения её со стандартной.

Простые «симметричные» мосты, такие как эти названы так потому что они выглядят симметрично (зеркальная симметрия) слева направо. Две мостовые схемы, показанные вверху балансируются путём регулирования калиброванных реактивных элементов (L_s или C_s). Они немного упрощены по сравнению с их реальными схемами, например, на практике мост имеет калиброванный переменный резистор, соединённый последовательно или параллельно с реактивным компонентом для балансирования побочного сопротивления в измеряемом элементе. Но в гипотетическом мире совершенных компонент эти простые мостовые схемы прекрасно подходят для иллюстрации основной концепции.

Пример схемы с небольшим усложнением, добавленным для компенсации реальных неидеальностей может быть найден в так называемом Мосте Вина (Wien bridge), который использует параллельно соединённые стандартные конденсатор и резистор для балансировки неизвестного последовательного внутреннего сопротивления измеряемого конденсатора. (Рисунок внизу). Все конденсаторы имеют некоторое внутреннее сопротивление, активное или эквивалентное (из-за потерь в диэлектрике), которое портит их совершенную реактивную природу. Определение внутреннего сопротивления может являться интересным для измерений, так что мост Вина даёт это сделать путём балансирования составного импеданса:

Мост Вина измеряет ёмкость C_x и сопротивление R_x «реального» конденсатора.

Из-за того, что необходимо регулировать два компонента (резистор и конденсатор), этот мост требует чуть больше времени для балансировки, чем ранее рассмотренные. Комбинированный эффект от R

s и C_s выражается в том, что необходимо регулировать амплитуду и фазу до тех пор, пока мост не сбалансируется. Сбалансировав мост, значения R_s и C_s могут быть считаны с их калиброванных шкал, параллельный импеданс вычисляется математически, и неизвестные ёмкость и сопротивление вычисляются из уравнения баланса (Z₁/Z₂ = Z₃/Z₄).

При работе с мостом Вина предполагается, что стандартный конденсатор имеет пренебрежительно малое внутреннее сопротивление, или хотя бы это сопротивление известно, так что его значение можно использовать в уравнении баланса моста. Мосты Вина полезны для определения тока утечки электролитических конденсаторов, в которых внутреннее сопротивление относительно велико. Они так же могут быть использованы как частотомеры, так как балансировка моста зависит от частоты. В этом случае конденсатор используется постоянный, верхние по схеме два резистора — переменные и их настройка производится одной ручкой (т.е. резисторы — сдвоенные).

Интересная вариация этой темы находится в следующей мостовой схеме, используемой для точного измерения индуктивностей.

Мост Максвелла — Вина измеряет индуктивность по ёмкостному стандарту.

Эта остроумная мостовая схема известна как мост Максвелла — Вина (иногда её называют мост Максвелла ), она используется для измерения неизвестных индуктивностей с помощью калиброванных резистора и конденсатора (Рисунок вверху). Калиброванные катушки гораздо труднее производить, чем конденсаторы такой же точности, и таким образом применение «симметричного» индуктивного моста не всегда оправдано. Из-за того, что сдвиги фаз на индуктивностях и ёмкостях в точности противоположны друг другу, ёмкостный импеданс может скомпенсировать индуктивный импеданс, если они находятся в противоположных плечах моста, как в данном случае.

Другим преимуществом моста Максвелла для измерения индуктивностей по сравнению с симметричным мостом является то, что устраняются ошибки измерения из-за взаимодействия между двумя индуктивностями. Магнитные поля бывает трудно экранировать, и даже небольшая связь между катушками в мосте может вызвать при некоторых условиях существенные ошибки. Без второй индуктивности в мосте Максвелла эта проблема устраняется.

Для облегчения регулировок, стандартный конденсатор (C_s) и резистор, соединённый с ним в параллель (R_s) сделаны переменными, и они оба должны быть отрегулированы для получения баланса. Однако мост может быть сбалансирован и в том случае, если используется конденсатор постоянной ёмкости и более чем один резистор сделан переменным. Но в этом случае мост сбалансировать гораздо труднее, так как разные переменные резисторы взаимодействуют при балансировки амплитуды и фазы.

В отличии от чистого моста Вина, баланс моста Максвелла-Вина независим от частоты источника питающего сигнала, и в некоторых случаях этот мост может быть сбалансирован при наличии смеси частот в источнике питания переменного тока, при этом ограничивающим фактором является стабильность индуктивности в широком диапазоне частот.

Существует большое количество подобных схем, но их обсуждение здесь неуместно. Выпускаемые импедансные мосты общего назначения могут иметь более одной конфигурации для максимальной гибкости в использовании.

Потенциальной проблемой в чувствительных мостах переменного тока является паразитная ёмкость между выводами детектора нуля и землёй. Так как ёмкость может проводить переменный ток, заряжаясь и разряжаясь, то образовываются паразитные токи, которые проходят к источнику питания, что может влиять на баланс моста: (Рисунок внизу)

Паразитная ёмкость с землёй может быть причиной ошибки в мосте.

Существующие измерители частоты язычкового типа не точны, но точны их принципы работы. Вместо механического резонанса мы можем использовать электрический резонанс и сконструировать частотомер, используя индуктивность и ёмкость, соединённые в колебательный контур (индуктивность и ёмкость соединены параллельно). Один или более компонентов сделаны регулируемыми, и измеритель установлен в схему для индикации максимального напряжения, проходящего через эти два компонента. Ручки настройки калиброваны, что бы показывать резонансную частоту при любых заданных настройках, и частота считывается с них после регулировки по максимальному отклонению индикатора. По существу это настраиваемая фильтровая схема, которая регулируется и затем показания считываются похожим образом как и у мостовой схемы (которую мы балансируем по «нулевому» сигналу и затем считываем показания). Проблема усугубляется, если источник переменного тока хорошо заземлён на одном конце, то общее сопротивление токов утечки становится гораздо меньше, и любые токи утечки через эти паразитные ёмкости в результате возрастают: (Рисунок внизу)

Ошибки из-за паразитной ёмкости более сильны, если один вывод источника переменного тока заземлён.

Один из способов существенного понижения этого эффекта — держать детектор нуля под потенциалом земли, что бы между ним и землёй не образовывалось токов через ёмкости утечки. Однако напрямую соединить детектор нуля с землёй невозможно, так как это создаст прямой путь токам утечки, что станет ещё хуже ёмкостных токов утечек. Вместо этого может быть использован схема делителя напряжения, называемая землёй Вагнера или заземлением Вагнера, которая поддерживает детектор нуля на уровне потенциала земли и которой не нужно прямое соединения с ним. (Рисунок внизу)

Земля Вагнера для источника питания переменного тока минимизирует влияние паразитных ёмкостей на землю.

Схема земли Вагнера не более чем делитель напряжения, созданный для получения отношений напряжения и сдвига фазы такими же, как и на каждой стороне моста. Из-за того, что средняя точка делителя Вагнера напрямую заземлена, любые другие схемы делителей (включая каждую сторону моста) имеют те же самые отношения напряжений и фаз, что и делитель Вагнера и питаются от общего источника переменного тока, и все они находятся под потенциалом земли. Таким образом, делитель Вагнера вынуждает детектор нуля находиться вблизи потенциала земли, без прямого соединения между детектором и землёй.

Часто возникает необходимость в проверке режима правильности настройки схемы земли Вагнера. Для этого используется двухпозиционный переключатель (Рисунок внизу), соединённый так что один вывод детектора нуля может быть подключён как к мосту, так и к земле Вагнера. Когда детектор нуля фиксирует нулевой сигнал в обоих положениях переключателя, то мост не только гарантированно сбалансирован, но и детектор нуля гарантированно находится под нулевым потенциалом, что устраняет ошибки, возникающие из-за токов утечки через ёмкости детектор нуля — земля:

Переключение в верхнее по схеме положении даёт возможность настроить землю Вагнера.

• ИТОГ:
• Мосты переменного тока работают на тех же самых принципах, что и мосты постоянного тока: пропорциональное отношение импедансов (в отличии от сопротивлений в мостах постоянного тока) создаст условие баланса, индицируемое детектором нуля.
• Детекторами нуля для мостов переменного тока могут служить чувствительные электромагнитные индикаторы, осциллографы, наушники (с усилителями или без), или любое другое устройство, способное зарегистрировать очень слабый сигнал. Как и детекторы нуля для мостов постоянного тока, эти детекторы требуют только точной калибровки в нуле шкалы.
• Мосты переменного тока могут быть «симметричного» типа, где неизвестный импеданс уравновешивается соответствующим (индуктивным или ёмкостным) стандартным импедансом на той же стороне моста (внизу или вверху). Или же они могут быть «несимметричного типа», используя параллельные импедансы для уравновешивания последовательно соединённых импедансов, и кроме того ёмкости могут уравновешивать индуктивности.
• Мостовые схемы переменного токи имеют более чем один орган настройки, так как для условий баланса должны совпасть и амплитуда, и фаза сигнала.
• Одни импедансные мосты частотно-зависимые, другие — нет. Частотно-зависимые мосты могут быть использованы в качестве частотомеров, если значения всех их компонентов точно известно.
• Земля Вагнера или заземление Вагнера — это делитель напряжения, добавляемый к мостам переменного тока для снижения ошибок, возникающих из-за паразитных ёмкостей между детектором нуля и землёй.

BACK

Измерительные мосты постоянного и переменного тока.

Принципы измерений: мост Уитстона

if ($_SERVER[‘PHP_SELF’] !== «/configurator/») { // сворачиваем на странице конфигуратора ?>

} ?>

При обслуживании металлических кабельных линий наиболее часто пользуются измерительными мостами, хотя для поиска мест повреждения кабеля существуют и другие приборы. Во-первых, они обеспечивают высокую точность в широком диапазоне измеряемых величин. Во-вторых, их применение позволяет организовать измерения таким образом, чтобы компенсировать посторонние влияния, что незаменимо для локализации неисправности. В-третьих, они недороги.

Учитывая сказанное, полезно ознакомиться не только с устройством измерительных мостов, но и с принципами их применения для локализации неисправностей. Впрочем, говоря языком математики, для построения оптимальных схем измерения такие знания необходимы, но недостаточны. Диагностика — это всегда и опыт, и искусство.

Принцип работы мостовой схемы измерения продемонстрировано на Рисунке 1 (RM1a), а способ ее применения на практике — на Рисунке 2 (RM2a). Сопротивление R1 вычисляется исходя из полученного при балансировке моста соотношения R4/R3, в качестве R2 используется резистор с известным значением. Конечно, сказанное дает только самое общее представление об измерительной схеме моста. На самом деле он устроен гораздо сложнее — современные мосты создаются на основе цифровых процессоров. Микропроцессорное ядро позволяет автоматизировать процедуру измерения (в первых моделях оператор должен был пользоваться калькулятором, сегодня же все расчеты выполняются аппаратурой), обеспечить многофункциональность устройства (многие мосты интегрированы с другими измерительными приборами — мультиметрами, рефлектометрами и т. п.), устранить помехи (посторонние постоянные и переменные напряжения почти всегда присутствуют на жилах кабелей), организовать дальнейшую обработку накопленных результатов измерений (хранение, обмен с компьютером, печать протоколов) и др.

Рассмотренный выше мост, используемый для измерения сопротивления, носит имя Уитстона (Wheatstone). Для подключения измеряемых цепей в нем применяются всего две клеммы (B и C). Более сложные схемы реализованы в двух других мостах — Муррея (Murray) и Купфмюллера (Kupfmuller) (RM2в). Здесь измеряемые цепи подключаются с помощью трех клемм (A, B и C). В более сложных схемах Хиборна/Графа (Hilborn/Graf) задействуются четыре клеммы (A, B, B’ и C) (RM3). Смысл увеличения числа точек подключения станет понятен при рассмотрении схем измерения с применением мостов.

Еще один момент. Все упомянутые мостовые схемы используются для измерений при постоянном токе (определяются величины активных сопротивлений, подключенных к клеммам). Кроме того, мостовые схемы Уитстона и Муррея используются для измерений при переменном токе (определяются величины емкостей, подключенных к клеммам). В таких мостах источником напряжения служит генератор синусоидального напряжения.

Теперь остановимся на схемах измерений. С помощью моста Уитстона при постоянном токе измеряют сопротивление витой пары (шлейфа), сопротивление изоляции жил пары, сопротивление изоляции между жилами и экраном (RM3, RM4, RM5).

Значения упомянутых параметров используются для диагностики кабельных линий. Локализация же неисправностей требует определения места повреждения на кабельной линии. При помощи моста постоянного тока несложно вычислить расстояние до места повреждения. Зная сопротивление шлейфа Rшл и погонное сопротивление жил кабеля Rпог, можно воспользоваться формулой: Lпары = Rшл / 2Rпог, и рассчитать длину витой пары.

Погонное сопротивление медных жил определяется табличным способом по их сечению. Оно зависит не только от сечения жил, но и от их температуры. Чтобы избежать ошибки, нужно использовать значение погонного сопротивления для соответствующей температуры (особенно важно это для воздушных кабельных линий, где температура меняется в широких пределах). В простых мостах значения вводятся оператором вручную из таблиц. В более сложных приборах при помощи автоматической или полуавтоматической калибровочной процедуры определяется поправочный коэффициент по измеренному значению температуры (для чего в комплекте прибора присутствует щуп-датчик).

Длина витой пары может быть установлена также мостовым методом при переменном токе. В таком случае измеряемым параметром является емкость витой пары. Разделив емкость витой пары на ее погонную емкость, получим длину витой пары.

Аналогично рассмотренным выше измерениям при постоянном токе, с помощью моста Уитстона при переменном токе определяются емкость витой пары (шлейфа) и емкость каждой из жил пары относительно экрана. Длина жил может быть вычислена по их погонной емкости. Погонная емкость (нФ/км) витой пары зависит от сечения жил, типа скрутки, вида и материала изоляции и определяется табличным способом по типу кабеля.

Резкое увеличение емкости витой пары по сравнению с ее паспортным значением, как правило, свидетельствует о наличии воды в сердечнике кабеля. Для локализации повреждений этого типа применяются другие методы, прежде всего зондирование поврежденной пары с помощью рефлектометра.

Отметим, что, в отличие от сопротивления, погонная емкость слабо зависит от температуры, что существенно упрощает измерения.

 

Подпишитесь на рассылку новых материалов!

Имя

E-mail *

Согласие на отправку персональных данных *

* — Обязательное для заполнения

 

Что такое мосты переменного тока? Определение, основная схема и вывод уравнения баланса мостов переменного тока

Определение : мосты переменного тока — это схемы, которые используются для измерения электрических величин , таких как индуктивность, емкость, сопротивление. Наряду с этим мост переменного тока позволяет нам измерять коэффициент накопления, коэффициент потерь, коэффициент рассеяния и т. д. Мосты переменного тока работают только с сигналом переменного тока.

Мост переменного тока используется для фазового сдвига и обратной связи с генератором.

Строительство сети моста переменного тока

Мост переменного тока состоит из 4 узлов с 4 плечами , источником возбуждения и сбалансированным детектором . Каждое из 4 плеч моста состоит из импеданса.

Источник и детектор в мостовой сети переменного тока подключены к противоположным узлам. Это связано с тем, что если источник и детектор подключены к одному и тому же узлу, все напряжение или ток источника будут отображаться на детекторе. Итак, в этом состоянии мост никогда не придет в состояние равновесия.

В принципе, есть 2 условия для балансировки моста-

1. Ток детектора I _d должен быть равен нулю.
2. Разность потенциалов между узлом детектора должна быть равна нулю.

Теперь возникает вопрос, что такое баланс или нулевое состояние в мосте переменного тока?

Это состояние, при котором определенная конкретная ситуация в цепи приводит к тому, что ток детектора становится равным 0.

Мост переменного тока представляет собой производную от Мост Уитстона . Это так, потому что если батарея и гальванометр моста Уитстона заменены источником переменного тока и детектором соответственно. Он будет вести себя как мост переменного тока.

В случае низкочастотных измерений в мосту переменного тока в качестве источника питания может выступать линия электропередач. Но, в случае высокочастотных измерений, в качестве источника питания используются генераторы электроники.

Наушники, вибрационный гальванометр и настраиваемый усилитель обычно используются в качестве детекторов в мостах переменного тока.

Общее уравнение баланса мостов переменного тока

Теперь давайте перейдем к выводу условия балансировки моста переменного тока.

Для балансировки моста, учитывая рисунок выше b станет равным падению напряжения от a до d как по величине, так и по фазе.

Итак, вышеприведенное условие можно записать в виде,

E ₁ = E ₂

Applying ohms’ law

I ₁ Z ₁ = I ₂ Z ₂

At balance,

And

Замена значения I ₁ и I ₂

Z ₁ (Z ₂ + Z ₄ ) = Z ₂ (Z ₁ + Z + 10029 + 10029 + 10029 + 10029 + 10029 + 10029 + 10029 + 10029 + + + + + + + + + + + ) = Z _{2 1 4 ) = Z 2 + Z 4 ) = Z 2 + Z 4 ) = 3 )}

Z ₁ Z ₂ + Z ₁ Z ₄ = Z ₁ Z ₂ + Z ₂ Z ₃

Hence,

Z ₁ Z ₄ = Z ₂ Z ₃

Приведенное выше уравнение является основным уравнением для сбалансированного моста переменного тока. Это уравнение подходит для использования при работе с мостом, состоящим из последовательных элементов.

Наоборот, при работе с мостом, состоящим из параллельных элементов, используются допуски. Уравнение имеет вид

Y ₁ Y ₄ = Y ₂ Y ₃

Таким образом, теоретически можно сказать, что произведение импедансов одной пары противоположных плеч должно быть равно произведению импедансов другой пары. пара противоположных плеч в комплексной записи.

Это означает, что необходимо учитывать как модуль, так и фазовый угол.

Теперь рассмотрим импеданс в его полярной форме

Z = Z∠θ

: Z представляет величину и

θ представляет фазовый угол комплексного импеданса.

Приведенное выше уравнение можно записать как

(z ₁ ♂ ₁ ) χ (z ₄ ♂ ₄ ) = (z ₂ ♂ ₂ ) χ (z ₂ ♂ ₂ ) ₃ ∠θ ₃ )

: Z ₁ = (Z ₁ ∠θ ₁ )

Z ₂ = (Z ₂ ∠θ ₂ )

Z ₃ = (Z ₃ ∠θ ₃ )

Z ₄ = (Z ₄ ∠θ ₄ )

Таким образом, здесь будут умножены параметры импеданса и добавлены углы.

Z ₁ Z ₄ ∠ θ ₁ +θ ₄ = Z ₂ Z ₃ ∠ θ ₂ +θ ₃

Separately we can write magnitude and phase уравнение как-

Z ₁ Z ₄ = Z ₂ Z ₃

Условие в вышеупомянутом уравнении называется критериями величины и

▲ ₁ + ♂ ₄ = ♂ дет. фазовые критерии .

Таким образом, в условиях баланса моста критерии величины и фазы должны удовлетворяться одновременно.

Применение мостов переменного тока

• Мосты переменного тока используются для определения неизвестных импедансов вместе с соответствующими параметрами.
• В системе связи и сложных электронных схемах в основном используются мосты переменного тока.
Мостовые схемы переменного тока
• используются для сдвига фаз и для фильтрации нежелательных сигналов.
• Также используется для измерения частоты звуковых сигналов.

Для мостовых цепей переменного тока всегда получаются два уравнения баланса. Один из них — величина, а другой — фазовое уравнение.

 

6 Объяснение простых мостовых цепей переменного тока

Мост переменного тока — это схема, которую можно использовать для измерения таких параметров, как емкость, сопротивление, индуктивность, используя дифференциальный метод, путем сравнения их с известными значениями аналогичных компонентов, расположенных по диагонали на мосту. цепи и через аналоговый счетчик, расположенный в центре моста.

Прежде чем мы начнем говорить о мостовых схемах переменного тока, использующих емкость и/или индуктивность, может быть важно понять несколько связанных терминов. Конденсаторы и катушки индуктивности, которые идеально подходят для применения, имеют реактивное сопротивление в цепи переменного тока, а не сопротивление.

Важные параметры

Реактивное сопротивление представляет вариант «сопротивления» переменного тока, который указывается в омах. Импеданс — еще один относительный термин, который используется для выражения общего результата реактивного сопротивления и сопротивления на определенном участке цепи и указывается в омах.

В практическом мире конденсаторы и катушки индуктивности могут состоять из сопротивления и реактивного сопротивления, поэтому, говоря о них, мы представляем, что они также имеют импеданс, а не только реактивное сопротивление.

Поскольку ветви мостовой схемы переменного тока могут состоять из реактивных сопротивлений и/или сопротивлений, мы обсудим эти ветви моста с учетом импеданса, а не сопротивления.

Если быть точным, сопротивление и импеданс могут быть невероятно одинаковыми. Факторы для поддержания сбалансированности моста переменного тока точно такие же, как и для моста постоянного тока, мы только добавляем импеданс ( обозначен как Z ) вместо сопротивления.

Это дает нам чрезвычайно стандартные уравнения, которые можно использовать с любой соответствующей схемой.

Мосты переменного тока хорошо подходят для расчета значений компонентов, например емкости. Если бы у нас был тестируемый конденсатор в мостовой схеме переменного тока, его значение можно было бы определить, используя значения компонентов моста, чьи значения известны, наряду со значением R3, которое может быть необходимо для реализации нулевого показания.

1) Измерение небольших различий в емкости

В случае, если мы хотим определить небольшие различия в емкости конденсатора, мы можем начать использовать мостовую схему переменного тока, подобную той, что показана на рис. 1 ниже. Учитывая, что импеданс резистора строго резистивный, а импеданс конденсатора практически полностью реактивный, импеданс верхних ветвей моста просто не может отличаться от нижних ветвей.

В этой схеме R1/C1 = R2/C2 , когда R3 правильно отрегулирован для получения нулевого или нулевого показания вольтметра V.

Это указывает на то, что второй набор условий, необходимых для балансировки (ZA = Z3 и Z4 = ZB), не может быть выполнен. Третье условие, необходимое для уравновешивания цепи переменного тока, также не может быть выполнено.

Сказав это, мы можем видеть, что начальные условия (ZA = ZB и Z3 = Z4) могут быть выполнены. Полное сопротивление ZA состоит из R1 и части R3, а полное сопротивление ZB состоит из R2 и части R3. Полное сопротивление Z3 относится к конденсатору C1, а Z4 — это полное сопротивление, которое используется для представления конденсатора C2.

При условии, что C1 остается равным C2, а любая разница R1 и R2 корректируется и корректируется R3, тогда мы можем получить хорошо сбалансированный мост.

Здесь импеданс активных компонентов, таких как резисторы и конденсаторы, определяется частотой. Однако мы обнаруживаем, что рис. 1 не зависит от частоты, потому что реактивные сопротивления C1, C2 могут изменяться вместе всякий раз, когда изменяется частота.

Дополнительный вариант рассмотренной выше мостовой схемы переменного тока можно увидеть на рис. 2. Хотя эта схема хорошо работает, она не является одной из любимых версий моста переменного тока из-за наличия изоляции постоянного тока только одна сторона счетчика (в точке B).

В этой схеме R1/R2 = C1/C2 , когда переменный резистор R3 соответствующим образом отрегулирован для получения нулевых или нулевых показаний на счетчике V.

много неблагоприятных последствий. Кроме того, может быть сложно задать смещение усилителя с измерительным входом, подключенного к точке A, без изменения уровня входного сигнала в точке A.

2) Использование только конденсаторов

Рис. 3 ниже.

В этой схеме C1/C2 = C2/C4 , когда переменный резистор R1 тщательно подстраивается до получения нулевого или нулевого показания на счетчике V

Проанализируем начальное условие (ZA = ZB и Z3 = З4). Учитывая, что реактивное сопротивление пар конденсаторов C1/C2 и C3/C4 может изменяться одинаковым образом в ответ на изменение частоты, сбалансированное состояние моста переменного тока не зависит от частоты.

Это также верно для 3-го условия (ZA = ZB = Z3 = Z4). Другой альтернативой может быть то, что C1 и C3 сделаны идентичными, а C2 и C4 сделаны идентичными. При выполнении этих условий и точной настройке входной частоты для получения одинакового фазового сдвига в точках A и B можно добиться идеального баланса в мостовой схеме.

Однако указанные выше условия не позволяют мосту быть независимым от входной частоты. Независимо от того, какие условия мы используем для правильной балансировки мостовой схемы переменного тока, изменение значения любого из конденсаторов приведет к генерации выходного напряжения переменного тока между точками A и B.

Поскольку точки A и B оба они хорошо изолированы от входного источника питания переменного тока, довольно легко подключить эти точки с высоким импедансом к любому предпочитаемому дифференциальному усилителю для дальнейшей обработки результатов.

3) Совместное использование индуктивности и емкости

Катушки индуктивности и конденсаторы можно использовать в мостовой цепи переменного тока, как показано на рис. 4.

В этой сети L1/R2 = R1/C1 идеально приспособлен для получения нуля или нуля на счетчике V.

До сих пор символы фазового сдвига активных компонентов не требовали рассмотрения. Однако и катушки индуктивности, и конденсаторы могут вызывать фазовый сдвиг. Конденсаторы обладают положительным фазовым сдвигом, а катушки индуктивности могут генерировать отрицательный фазовый сдвиг. Поэтому, если индуктор подключен к одному плечу моста переменного тока, конденсатор должен быть подключен к другому противоположному плечу (если вы не хотите работать с дополнительным индуктором, подключенным к соседнему плечу моста переменного тока). . Эти элементы будут иметь одинаковый и противоположный фазовый сдвиг только тогда, когда они расположены по диагонали друг к другу на схеме моста переменного тока.

Однако фазовый сдвиг должен быть одинаковым для левой и правой частей схемы вместе. Это может быть достижимо только на частотных уровнях, где реактивные сопротивления активных компонентов идентичны. Поэтому реактивные сопротивления L1 и C1 на рис. 6 должны быть идентичны друг другу на рабочей частоте.

Показанный мост можно сбалансировать, если выполнить дополнительное условие. Правило таково: если реактивное сопротивление L1 становится равным сопротивлению R1, а реактивное сопротивление C1 становится таким же, как сопротивление R2 на рабочей частоте. Это означает, что R1 должен быть таким же, как R2.

Мы можем оценить реактивные сопротивления емкостных и индуктивных компонентов в мостовой цепи переменного тока, заменив R1 и R2 переменным сопротивлением или потенциометрами. После этого мы можем измерить сопротивление, как только будет выполнена правильная балансировка потенциометров.

4) Использование одинаковых индуктивностей и одинаковых емкостей

Гораздо проще было бы вставить одинаковые индуктивности и одинаковые емкости в ветви моста переменного тока, как показано на следующем рис. 5, а затем сбалансировать схему моста, установив индуктивность и емкость на другая нога в пределах того же моста.

В этой схеме L1/C1 = L2/C2 , когда R1 тщательно настраивается, чтобы получить нулевое или нулевое значение на счетчике V

В этой мостовой схеме переменного тока фазовый сдвиг между двумя левой и правой секциями равен то же самое для конкретной частоты. Небольшое изменение емкости или индуктивности в одном из плеч моста вызовет генерацию переменного тока на выходе в точках A и B. Эта мостовая схема может быть уравновешена точной настройкой C2 вместо регулировки резистора для балансировки.

5) Использование только катушек индуктивности

Мостовая схема переменного тока с использованием только катушек индуктивности показана на рис. 6 ниже.

В этой конфигурации L1/L3 = L2/L4 , когда R2 тщательно отрегулирован, чтобы получить нулевое или нулевое показание на счетчике. R1 используется для точной настройки и гарантирует, что показания счетчика идеально подходят к нулевой отметке.

Добавив чувствительный вольтметр последовательно с переменным резистором, становится возможным откалибровать любой желаемый выходной диапазон в пределах допустимого диапазона напряжения моста. Этот мост может очень хорошо работать для определения значения индуктивности любого типа катушки индуктивности, которая может быть введена в мост.

6) Один мост внутри другого

Существуют также мостовые схемы переменного тока, в которых один мост находится внутри другого моста. Такие типы схем можно использовать для определения комбинированных результатов более чем пары версий схемы, как показано на рис. 7 ниже.

Мостовая сеть, расположенная рядом со счетчиком, работает как двухполупериодный выпрямитель, который сообщает нам о чувствительности измерителя постоянного тока для отображения изменений напряжения переменного тока.

При необходимости можно включить более одного элемента в отдельные опоры моста.

Хотя это может сделать систему довольно сложной с математической точки зрения, факторы, необходимые для баланса, могут не измениться, что означает сохранение одинаковой разности напряжений в узлах при внимательном наблюдении и регулировке фазового сдвига. Понимание фазового сдвига и того, какие именно компоненты должны дополнять друг друга в мостовой схеме переменного тока, действительно важно, если вы собираетесь использовать схемы с максимальной выгодой.