Mostki pomiarowe AC i ich zastosowanie

W obwodach prądu przemiennego obwody mostkowe są wykorzystywane do celów pomiarowych. Schematy te umożliwiają określenie wartości kondensatorów i indukcyjności, tangensów kąta strat dielektrycznych kondensatorów, a także indukcyjności wzajemnych cewek.

Pomiar mostków AC to zupełnie inne schematy, zostaną one omówione poniżej. Najbardziej popularne są mostki zbalansowane czteroramienne, w których procesom pomiaru indukcyjności, pojemności i tangensów strat dielektrycznych może towarzyszyć kompensacja parametrów pasożytniczych.

Szczególnie wyraziste są dwie grupy układów mostków pomiarowych prądu przemiennego: mostki transformatorowe (z ramionami sprzężonymi indukcyjnie) oraz mostki pojemnościowe. Mostki pojemnościowe to obwody z czterema ramionami, w których w ramionach zamontowane są elementy pojemnościowe i aktywne. Mostki transformatorowe charakteryzują się obecnością uzwojeń wtórnych transformatora w dwóch ramionach służących do zasilania mostka.

Jeśli chodzi o obwody pojemnościowe, mogą one zawierać zarówno rezystory o stałej pojemności i zmienne (aktywne), jak i rezystory stałe (aktywne) i o zmiennym pojemności. Mostek o stałej pojemności jest łatwiejszy do zbudowania, ponieważ nie wymaga specjalnych kondensatorów o zmiennej wartości, zamiast tego jest wystarczająca ilość rezystorów (rezystancji czynnych).

Dzięki regulowanym rezystorom obwód mostka może być zrównoważony pod względem biernej i czynnej składowej napięcia. Jeden rezystor zmienny jest kalibrowany według wartości pojemności, drugi według wartości tangensa strat dielektrycznych. W rezultacie uzyskuje się równoważny obwód szeregowy badanego kondensatora. Poniższa równość odzwierciedli ten stan równowagi mostu, a zrównanie części urojonej i rzeczywistej da tylko wartości poszukiwanych wielkości:

Ale w rzeczywistości parametry pasożytnicze zawsze pojawiają się i powodują błędy już przy częstotliwościach audio. Źródłem tych błędów są pasożytnicze indukcyjności, pojemności, przewodnictwo, co zagraża dokładności pomiaru kąta strat dielektrycznych. Środki zmniejszające wpływ tych czynników to nieindukcyjne i pojemnościowe uzwojenie pierwszego rezystora. Ale w rzeczywistości jest to po prostu konieczne, aby odpowiednio zrekompensować te wpływy.

Tak więc, aby skompensować indukcyjność pasożytniczą, kondensator trymerowy jest połączony równolegle z drugim rezystorem. Ponadto pojemności i rezystancje pasożytnicze wynikają z obecności części izolacyjnych i transformatora, dlatego konieczne jest podwójne ekranowanie samego transformatora.Aby zmniejszyć wpływ pojemności i przewodności części, są one wykonane z wysokiej jakości dielektryków, takich jak fluoroplast. Generator częstotliwości audio jest odpowiedni jako źródło zasilania.

Stałe rezystancje stosowane w mostkach mają tę zaletę: nie ma potrzeby kalibracji rezystora zmiennego. W ramionach jest tylko stała rezystancja, kondensator stały i kondensatory zmienne. Pomiary ich możliwości są możliwe bezpośrednio. Badana pojemność jest po prostu podłączana do zacisków, po czym mostek jest równoważony poprzez regulację kondensatorów zmiennych.Obliczenia są przeprowadzane zgodnie ze wzorami, z których widać, że skala stycznej jest uzyskiwana bezpośrednio ze wzoru ze zmienną pojemnością, ponieważ rezystancja i częstotliwość pozostają niezmienione:

Mostki pomiarowe z ramionami połączonymi indukcyjnie (mostki transformatorowe) przewyższają mostki pojemnościowe pod wieloma względami: wyższą czułością styczną i pojemnościową, małym wpływem przewodnictwa pasożytniczego, połączonego zresztą równolegle do ramion.

Transformatory wielosekcyjne mogą znacznie rozszerzyć zakres pracy (skalę pomiarową) mostu. Istnieje kilka typowych projektów mostków transformatorowych, ale najbardziej popularny jest mostek z podwójnym transformatorem:

Łańcuch jest w pełni regulowany poprzez wyliczenie liczby zwojów; nie wymaga zmiennych kondensatorów ani zmiennych rezystorów. W ten sposób możliwe jest tworzenie liczników z dużą gamą przekładników wielosekcyjnych, przy czym wymagana jest minimalna liczba elementów wzorcowych.

Tutaj obwody są izolowane galwanicznie, to znaczy oczywiste jest, że zakłócenia spowodowane połączeniami pasożytniczymi są minimalne, dlatego przewody łączące mogą być stosunkowo długie. Następujące równania są ważne, gdy most jest w równowadze:

Jak wiadomo, jeśli chodzi o pomiar pojemności kondensatorów, na pierwszy plan wysuwają się straty czynne w postaci tangensa strat dielektrycznych. Tak więc, zgodnie z tym parametrem, kondensatory są podzielone na trzy grupy (i odpowiednio obwody równoważne przy tej częstotliwości różnią się):

Poniższe stosunki odzwierciedlają impedancję kondensatora w obwodzie prądu przemiennego i jego styczną w równoległych i szeregowych obwodach równoważnych:

Pomiar pojemności kondensatora bezstratnego przeprowadza się według następującego schematu, gdzie dwa aktywne ramiona wyznaczają granice pomiaru stosunkiem swoich wartości, a pojemność próbki jest zmienna. Tutaj w procesie pomiaru dobierane są stosunki rezystorów, zmieniana jest wartość pojemności próbki. Wyrażenie równowagi mostkowej to:

Niskostratny pomiar pojemności odbywa się zgodnie ze schematem sekwencji wymiany kondensatorów, przy równoczesnym równoważeniu mostka poprzez zmianę pojemności i rezystancji czynnej, dochodząc do minimalnego odczytu podziałki wskaźnika zerowego. Warunek równości daje następujące wyrażenia:

Kondensatory o znacznych stratach dielektrycznych wymagają w obwodzie zastępczym rezystancji połączonej równolegle z próbką, zgodnie z powyższym schematem. Wzór na tangens będzie wyglądał następująco:

Tak więc za pomocą mostków można mierzyć pojemności rzeczywistych kondensatorów o wartościach nominalnych od jednostek pF do dziesiątek mikrofaradów iz dużą dokładnością (od 1 do 3 rzędów wielkości).

Mierząc indukcyjność przy użyciu podejścia opisanego powyżej, możliwe jest porównanie z pojemnościami, a niekoniecznie z indukcyjnościami, ponieważ stworzenie dokładnej zmiennej indukcyjności nie jest łatwym zadaniem. Używają więc obwodów równoważnych pojemności próbki zamiast cewek indukcyjnych. Warunek równowagi pozwala znaleźć rezystancję i indukcyjność, wynik jest zapisywany w następującej formie:

Możesz także znaleźć współczynnik Q:

Oczywiście pojemność międzyzwojowa spowoduje niewielkie zniekształcenia, ale często okazują się one nieistotne.