Мостові схеми змінного струму ВИМІРЮВАЛЬНІ СХЕМИ ЗМІННОГО СТРУМУ
Як ми бачили зі схем постійного струму, схеми, відомі як мостовіможуть бути дуже корисні при зміні опорів. Це так само вірно і для схем змінного струму, і ті самі принципи можуть бути застосовані для точних вимірів невідомих імпедансів.
Нагадаємо, що мостові схеми працюють як пара двокомпонентних дільників напруги, приєднаних паралельно до джерела напруги, індикаторнульового сигналувключений в діагональ моста для визначення "балансу" при нульовому сигналі (Малюнок внизу)
Збалансований міст показує "нуль", або мінімальне значення, на індикаторі.
Будь-який із чотирьох резисторів на верхньому малюнку може бути резистором з невідомим опором, і його значення може бути визначене з пропорції з іншими трьома резисторами, які калібровані або їх опору відомі з високою точністю. Коли міст знаходиться в умовах балансу (індикатор показує нульовий сигнал), відношення визначається як:
Однією з переваг використання бруківки для вимірювання опорів є те, що напруга джерела живлення не впливає на вимірювання. Практично чим вище напруга живлення, тим легше виявити дисбаланс між чотирма резисторами за допомогою індикатора нульового сигналу, і таким чином підвищується чутливість схеми. Більше напруга живлення веде до збільшення точності вимірів. Однак через зменшення або збільшення напруги живлення не вноситься фундаментальних помилок, на відміну від інших схем вимірювання опорів.
Імпедансні мости працюють так само, тільки рівняння балансу визначаєтьсякомплекснимичислами, і амплітуда, і фаза сигналів на діагоналі моста повинні бути рівні, щоб детектор показав "нуль". Детектор нуля, звичайно,повинен бути пристроєм, здатним виявляти дуже слабкий сигнал змінного струму. Для цього часто використовують осцилограф, хоча тут міг би використовуватися дуже чутливий електромеханічний прилад та навіть навушники, якщо частота сигналу лежить у звуковому діапазоні.
Один із способів збільшити ефективність навушників як детектора нуля – приєднати їх до джерела сигналу через узгоджуючий трансформатор. Зазвичай навушники мають низький опір (8 Ω), що потребує суттєвого струму для роботи, і такий понижувальний трансформатор допомагає "узгодити" слаботочний сигнал з опором навушників. Для цього добре підходить вихідний трансформатор від аудіо апаратури. (Малюнок унизу)
З'єднана у резистивний міст, повна схема зображена на нижньому малюнку.
Міст змінного струму з чутливим детектором нуля.
Слухаючи сигнал у навушниках у той час як один або більше резисторів у "плечах" моста відрегульовані, очікують настання балансу тоді, коли в навушниках перестануть бути чутні клацання (або звуковий сигнал, якщо частота джерела сигналу лежить у звуковому діапазоні).
Коли описують загальні мости змінного струму, деімпеданс, а не тільки опори повинні мати правильні співвідношення для виконання умов балансу, іноді корисно малювати відповідні вузли моста у вигляді квадратів, кожен з яких має певний імпеданс: (Малюнок внизу )
Узагальнений міст змінного струму: Z = загальний комплексний імпеданс.
Для цього узагальненого моста змінного струму виконання умов балансу має відбуватися у тому випадку, коли відношення імпедансів кожної гілки рівне:
Знову має бути наголошено, що імпеданс у цьому рівнянніповиненбути комплексний, розрахований як для амплітуди, так фази. Недостатньо, щоб міст був збалансований тільки за амплітудою сигналу; без балансування фази на висновках детектора нуля буде напруга, і міст не буде збалансований.
Мостові схеми можуть бути сконструйовані для вимірювання майже будь-яких параметрів - ємності, індуктивності, опору і навіть добротності. Як і завжди в мостових вимірювальних схемах, невідоме значення завжди "балансується" за відомим стандартом, отриманим з високоякісного, каліброваного компонента, значення якого зчитується при індикації на детекторі нуля балансу. Залежно від того, як влаштований міст, значення невідомого компонента може бути отримано з елемента, що калібрується, як безпосередньо, так і розраховане за формулою.
Декілька простих мостових схем показано нижче, одна для вимірювання індуктивності (Малюнок внизу), інша - для вимірювання ємності (Малюнок внизу):
Симетричний міст вимірює невідому індуктивність шляхом порівняння її зі стандартною.
Симетричний міст вимірює невідому ємність шляхом порівняння її зі стандартною.
Прості "симетричні" мости, такі як ці названі, так як вони виглядають симетрично (дзеркальна симетрія) зліва направо. Дві мостові схеми, показані вгорі, балансуються шляхом регулювання каліброваних реактивних елементів (Ls або Cs). Вони трохи спрощені в порівнянні з їхніми реальними схемами, наприклад, на практиці міст має калібрований змінний резистор, з'єднаний послідовно або паралельно з реактивним компонентом для балансування побічного опору вимірюваному елементі. Але в гіпотетичному світі досконалих компонентів ці прості мостові схеми чудовопідходить для ілюстрації основної концепції.
Приклад схеми з невеликим ускладненням, доданим для компенсації реальних неідеальностей, може бути знайдений у так званомуМості Вина (Wien bridge), який використовує паралельно з'єднані стандартні конденсатор і резистор для балансування невідомого послідовного внутрішнього опору вимірюваного конденсатора. (Малюнок унизу). Всі конденсатори мають деякий внутрішній опір, активний або еквівалентний (через втрат у діелектриці), який псує їхню досконалу реактивну природу. Визначення внутрішнього опору може бути цікавим для вимірів, тому міст Вина дає це зробити шляхом балансування складового імпедансу:
Міст Вина вимірює ємність Cx і опір Rx "реального" конденсатора.
Через те, що необхідно регулювати два компоненти (резистор та конденсатор), цей міст вимагає трохи більше часу для балансування, ніж раніше розглянуті. Комбінований ефект від Rs і Cs виявляється у тому, що необхідно регулювати амплітуду і фазу доти, доки міст не збалансується. Збалансувавши міст, значення Rs і Cs можуть бути зчитані з їх каліброваних шкал, паралельний імпеданс обчислюється математично, і невідомі ємність та опір обчислюються з рівняння балансу (Z1/Z2 = Z3/Z4).
Працюючи з мостом Вина передбачається, що стандартний конденсатор має зневажливо мінімальний внутрішній опір, чи хоча це опір відомо, отже його значення можна використовувати у рівнянні балансу моста. Мости Вина корисні визначення струму витоку електролітичних конденсаторів, у яких внутрішній опір відносно великий. Вони також можуть бути використані як частотоміри, так якбалансування моста залежить від частоти. У цьому випадку конденсатор використовується постійний, верхні за схемою два резистори - змінні та їх налаштування проводиться однією ручкою (тобто резистори - здвоєні).
Цікава варіація цієї теми знаходиться в наступній схемі мостової, яка використовується для точного вимірювання індуктивностей.
Міст Максвелла - Вина вимірює індуктивність за ємнісним стандартом.
Ця дотепна мостова схема відома якміст Максвелла - Вина(іноді її називаютьміст Максвелла), вона використовується для вимірювання невідомих індуктивностей за допомогою каліброваних резистора та конденсатора (Малюнок вгорі). Калібровані котушки набагато важче робити, ніж конденсатори такої ж точності, і таким чином застосування "симетричного" індуктивного мосту не завжди виправдане. Через те, що зрушення фаз на індуктивності і ємності в точності протилежні один одному, ємнісний імпеданс може компенсувати індуктивний імпеданс, якщо вони знаходяться в протилежних плечах моста, як у даному випадку.
Іншою перевагою мосту Максвелла для вимірювання індуктивностей у порівнянні з симетричним мостом є те, що усуваються помилки вимірювання через взаємодію між двома індуктивностями. Магнітні поля важко екранувати, і навіть невеликий зв'язок між котушками в мосту може викликати за деяких умов суттєві помилки. Без другої індуктивності у мосту Максвелла ця проблема усувається.
Для полегшення регулювань стандартний конденсатор (Cs) і резистор, з'єднаний з ним в паралель (Rs) зроблені змінними, і вони обидва повинні бути відрегульовані для отримання балансу. Однак міст може бути збалансований і в тому випадку, якщо використовується конденсатор постійної ємності та більшеніж один резистор зроблений змінним. Але в цьому випадку міст збалансувати набагато важче, оскільки різні змінні резистори взаємодіють при балансуванні амплітуди та фази.
На відміну від чистого моста Вина, баланс мосту Максвелла-Віна незалежний від частоти джерела живильного сигналу, і в деяких випадках цей міст може бути збалансований за наявності суміші частот у джерелі живлення змінного струму, при цьому обмежуючим фактором стабільність індуктивності в широкому діапазоні частот.
Існує велика кількість подібних схем, але їхнє обговорення тут недоречне. Імпедансні мости загального призначення, що випускаються, можуть мати більше однієї конфігурації для максимальної гнучкості у використанні.
Потенційною проблемою у чутливих мостах змінного струму є паразитна ємність між виводами детектора нуля та землею. Так як ємність може проводити змінний струм, заряджаючи і розряджаючись, то утворюються паразитні струми, що проходять до джерела живлення, що може впливати на баланс мосту: (Малюнок внизу)
Паразитна ємність із землею може бути причиною помилки в мосту.
Існуючі вимірювачі частоти язичкового типу не точні, але точні їх принципи роботи. Замість механічного резонансу ми можемо використовувати електричний резонанс та сконструювати частотомір, використовуючи індуктивність та ємність, з'єднані в коливальний контур (індуктивність та ємність з'єднані паралельно). Один або більше компонентів зроблені регульованими, і вимірювач встановлений у схему для індикації максимальної напруги, що проходить через ці два компоненти. Ручки налаштування калібровані, щоб показувати резонансну частоту при будь-яких заданих налаштуваннях, і частота зчитується з них після регулювання максимальноговідхилення індикатора. По суті це фільтрова схема, що налаштовується, яка регулюється і потім показання зчитуються схожим чином як і у мостової схеми (яку ми балансуємо за "нульовим" сигналом і потім зчитуємо показання). Проблема погіршується, якщо джерело змінного струму добре заземлено на одному кінці, то загальний опір струмів витоку стає набагато меншим, і будь-які струми витоку через ці паразитні ємності в результаті зростають: (Малюнок внизу)
Помилки через паразитну ємність сильніші, якщо один висновок джерела змінного струму заземлений.
Один із способів істотного зниження цього ефекту - тримати детектор нуля під потенціалом землі, щоб між ним і землею не утворювалося струмів через ємності витоку. Однак безпосередньо з'єднати детектор нуля з землею неможливо, оскільки це створитьпрямийшлях струмам витоку, що стане ще гіршим за ємнісні струми витоків. Натомість може бути використана схема дільника напруги, званаземлею Вагнераабозаземленням Вагнера, яка підтримує детектор нуля на рівні потенціалу землі і якій не потрібно пряме з'єднання з ним. (Малюнок унизу)
Земля Вагнера для джерела живлення змінного струму мінімізує вплив паразитних ємностей на землю.
Схема землі Вагнера не більше ніж дільник напруги, створений для отримання відносин напруги та зсуву фази такими ж, як і на кожній стороні мосту. Через те, що середня точка дільника Вагнера безпосередньо заземлена, будь-які інші схеми дільників (включаючи кожну сторону мосту) мають ті самі відносини напруг і фаз, що і дільник Вагнера і живляться від загального джерела змінного струму, і всі вони знаходяться під потенціалом землі. Таким чином, дільникВагнера змушує детектор нуля знаходитися поблизу потенціалу землі без прямого з'єднання між детектором і землею.
Часто виникає необхідність перевірки режиму правильності налаштування схеми землі Вагнера. Для цього використовується двопозиційний перемикач (Малюнок внизу), з'єднаний так, що один висновок детектора нуля може бути підключений як до мосту, так і до землі Вагнера. Коли детектор нуля фіксує нульовий сигнал в обох положеннях перемикача, то міст не тільки гарантовано збалансований, а й детектор нуля гарантовано знаходиться під нульовим потенціалом, що усуває помилки, що виникають через струм витоку через ємності детектор нуля - земля:
Переключення у верхнє за схемою положення дає можливість налаштувати землю Вагнера.