AC Bridge shēmas

washing machine AC/DC engine (Maijs 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

AC Bridge shēmas

12. nodaļa - AC mērīšanas shēmas


Kā mēs redzējām ar DC mērīšanas ķēdēm, ķēdes konfigurācija, kas pazīstama kā tilts, var būt ļoti noderīgs veids, kā izmērīt nezināmas pretestības vērtības. Tas ir arī ar AC, un mēs varam piemērot to pašu principu, lai precīzi noteiktu nezināmās pretestības mērījumus.

Lai pārskatītu, tilta shēma darbojas kā divu komponentu sprieguma dalītāju pāris, kas savienoti vienā un tajā pašā avota spriegumā, un starp tiem ir savienots nulles detektora skaitītāja kustība, kas norāda stāvokli "līdzsvars" pie nulles voltiem: (attēls tālāk)

Līdzsvarots tilts rāda indikatoram "nulles" vai minimālo nolasījumu.

Jebkurš viens no četriem iepriekšminētajā tilta rezistoriem var būt nezināmas vērtības rezistors, un tā vērtību var noteikt ar pārējo trīs, kas ir "kalibrēti" vai kuru pretestība ir precīzi zināma. Ja tilts atrodas sabalansētā stāvoklī (nulles spriegums, kā norādīts nulles detektorā), attiecība darbojas šādi:

Viena no priekšrocībām, kā izmantot tilta shēmu, lai izmērītu pretestību, ir tāda, ka strāvas avota spriegumam nav nozīmes. Praktiski runājot, jo augstāks ir barošanas spriegums, jo vieglāk ir konstatēt nelīdzsvarotības stāvokli starp četriem rezistoriem ar nulles detektoru un tādējādi jutīgāks būs tas. Lielāks barošanas spriegums rada iespēju palielināt mērījumu precizitāti. Tomēr, ņemot vērā mazāku vai lielāku strāvas padeves spriegumu, atšķirībā no cita veida pretestības mērīšanas shēmām nebūs būtiskas kļūdas.

Impedances tilti darbojas vienādi, tikai līdzsvara vienādojums ir ar sarežģītiem daudzumiem, jo ​​abiem sadalītājiem jābūt gan vienādiem, gan lielumiem un fāzēm, lai nulles detektors būtu "nulle". Protams, nulles detektors ir ierīce, kas spēj noteikt ļoti mazus maiņstrāvas spriegumus. Šajā nolūkā bieži izmanto osciloskopu, lai gan ļoti jutīgas elektromehāniskās metru kustības un pat austiņas (mazi skaļruņi) var tikt izmantoti, ja avota frekvence atrodas audio diapazonā.

Viens no veidiem, kā palielināt audio austiņu efektivitāti kā nulles detektoru, ir savienot tos ar signāla avotu, izmantojot impedance atbilstošu transformatoru. Austiņu skaļruņi parasti ir zemas pretestības vienības (8 Ω), kuriem nepieciešama ievērojama strāva, lai vadītu, un tādēļ pakāpeniski pārveidots transformators palīdz "saskaņot" zemas strāvas signālus ar austiņu skaļruņu pretestību. Audio izejas transformators darbojas pareizi: (attēls zemāk)

"Mūsdienu" zema-Ohm austiņām nepieciešama impedances atbilstības transformators izmantošanai kā jutīgs null detektors.

Izmantojot pāri austiņām, kas pilnībā ieskauj ausīm ("slēgtā kausa" tipa), ar šo vienkāršo detektoru ķēdi esmu spējusi noteikt strāvu, kas mazāka par 0, 1 μA. Aptuveni vienādi rezultāti tika iegūti, izmantojot divus dažādus pakāpju transformatorus: mazu jaudas transformatoru (120/6 voltu attiecība) un audio izejas transformatoru (1000: 8 omi pretestības koeficients). Ar spiedpogas slēdzi, lai pārtrauktu strāvu, šī shēma ir izmantojama, lai noteiktu signālus no DC līdz vairāk nekā 2 MHz: pat ja frekvence ir daudz virs vai zem skaņas diapazona, katru reizi, kad austiņas Slēdzis ir nospiests un atbrīvots.

Savienots ar pretestības tiltu, viss ķēde izskatās kā Figlebow.

Tīkls ar jutīgu AC null detektoru.

Klausoties austiņas, kad tiek pielāgots viens vai vairāki tilta rezistoru "ieroči", līdzsvara stāvoklis tiks sasniegts, ja austiņas neizdos "klikšķus" (vai toņi, ja tilta barošanas avota biežums atrodas audio diapazonā ), kad slēdzis ir aktivizēts.

Aprakstot vispārējos AC tiltus, kur impedances, nevis tikai pretestības jābūt pareizai proporcijai līdzsvara stāvoklī, reizēm ir lietderīgi izdarīt attiecīgās tilta kājas kastveida sastāvdaļu formā, katrai no tām ar noteiktu pretestību: (attēls tālāk)

Ģeneralizēts AC impedances tilts: Z = nespecifisks komplekss pretestība.

Lai iegūtu šo vispārējo AC tilta formu līdzsvaram, katras filiāles pretestības koeficienti ir vienādi:

Vēlreiz jāuzsver, ka impedances daudzumam iepriekšminētajā vienādojumā jābūt sarežģītai, ņemot vērā gan lieluma, gan fāzes leņķi. Tas ir nepietiekami, ka pretestības lielumi vien ir līdzsvaroti; Bez līdzsvara fāzes leņķiem arī nulles detektora spailēm joprojām būs spriegums, un tilts nebūs līdzsvarots.

Bridge kontūrus var izveidot, lai noteiktu gandrīz jebkura vajadzīgā ierīces vērtība, vai tā ir kapacitāte, induktivitāte, pretestība vai pat "Q." Kā vienmēr tilta mērīšanas ķēdēs, nezināms daudzums vienmēr ir "līdzsvarots" pret zināmu standartu, kas iegūts no augstas kvalitātes kalibrēts komponents, ko var noregulēt, līdz nulles detektora ierīce norāda līdzsvara stāvokli. Atkarībā no tā, kā tiek uzstādīts tilts, nezināmā komponenta vērtību var noteikt tieši no kalibrētā standarta iestatījuma vai no matemātiskās formulas izriet no šī standarta.

Tālāk ir parādīti pārīši vienkāršie tiltu shēmas, viens induktivitātei (attēls belowow) un viens kapacitātes gadījumā: (attēls belowow)

Simetrisks tilts nosaka nezināmu induktors, salīdzinot ar standarta induktors.

Simetrisks tilts mēra nezināmu kondensatoru salīdzinājumā ar standarta kondensatoru.

Vienkārši "simetriski" tilti, piemēram, tie ir nosaukti tādēļ, ka tiem ir simetrija (līdzība ar spoguļattēlu) no kreisās uz labo pusi. Iepriekš redzamās divas tilta shēmas ir līdzsvarotas, pielāgojot kalibrētu reaktīvo komponentu (L s vai C s ). Tie ir mazliet vienkāršāki no viņu reālās dzīves kolēģiem, jo ​​praktiskām simetriskām tilta shēmām bieži ir kalibrēts, mainīgs rezistors virknē vai paralēli reaktīvai komponentai, lai līdzsvarotu nejaušās pretestības nezināmā komponenta darbību. Bet, hipotētiskā ideālu komponentu pasaulē, šīs vienkāršās tilta shēmas dara tik labi, lai ilustrētu pamatkoncepciju.

Papildu sarežģītības piemērs, kas kompensē reālos efektus, ir atrodams tā saucamajā Vīnes tilta, kas izmanto paralēlo kondensatora-rezistora standarta pretestību, lai līdzsvarotu nezināmas sērijas kondensatora-rezistoru kombināciju. (Attēls zemāk) Visiem kondensatoriem ir kāda iekšējā pretestība, vai tā ir burtiska vai ekvivalenta (dielektrisko siltuma zudumu formā), kas parasti sabojā to citādi pilnīgi reaktīvo dabu. Šī iekšējā pretestība var būt interesanti mērīt, un tādēļ Vīnes tilts mēģina to izdarīt, nodrošinot balansējošu pretestību, kas nav "tīra":

Wein Bridge mēra gan "reālā" kondensatora kapacitatīvās C x, gan rezistīvās R x sastāvdaļas.

Tā kā ir divi standarta komponenti, kas jākoriģē (rezistors un kondensators), šis tilts prasīs nedaudz vairāk laika, lai līdzsvarotu tos, ko mēs līdz šim esam redzējuši. R s un C s kombinācija ir mainīt lielumu un fāzes leņķi, līdz tilts sasniedz līdzsvara stāvokli. Kad šis līdzsvars ir sasniegts, R s un C s iestatījumus var nolasīt no to kalibrētajām pogām, abām matemātiski noteiktām divām paralēlajām pretestībām un nezināmo kapacitāti un pretestību, kas matemātiski noteikta no līdzsvara vienādojuma (Z 1 / Z 2 = Z 3 / Z 4 ).

Wien tilta darbībā tiek pieņemts, ka standarta kondensatoram ir niecīga iekšējā pretestība vai vismaz šāda pretestība jau ir zināma, lai to varētu ņemt vērā līdzsvara vienādojumā. Wien tilti ir noderīgi, lai noteiktu "zaudēto" kondensatora konstrukciju vērtības, piemēram, elektrolīti, kur iekšējā pretestība ir relatīvi augsta. Tos izmanto arī kā frekvences mērītājus, jo tilta līdzsvars ir atkarīgs no frekvences. Šādā veidā kondensatori tiek fiksēti (un parasti ir vienādi), un divi top rezistori ir mainīgi un tiek pielāgoti ar to pašu pogu.

Interesanti varianti šajā tēmā ir atrodami nākamajā tilta shēmā, ko izmanto, lai precīzi izmērītu induktivitāti.

Maxwell-Wein tilts mēra induktoru attiecībā uz kondensatora standartu.

Šī gudrīgā tilta shēma ir pazīstama kā Maxwell-Wien tilts (dažreiz tas ir zināms kā Maxwell tilts ), un to izmanto, lai izmērītu nezināmos induktorus kalibrētas pretestības un kapacitātes ziņā. (Tabula). Kalibrēšanas pakāpes induktorus ir grūtāk izgatavot nekā kondensatori ar līdzīgu precizitāti, tādēļ vienkārša "simetriskā" induktivitātes tilta izmantošana ne vienmēr ir praktiska. Tā kā induktoru un kondensatoru fāžu maiņas ir tieši pretēji, kapacitatīvā pretestība var izlīdzināt induktīvo pretestību, ja tie atrodas tilta pretējā virzienā, kā tie atrodas šeit.

Vēl viena priekšrocība, izmantojot Maxwell tiltu, lai izmērītu induktivitāti, nevis simetrisku induktivitātes tiltu, ir mērīšanas kļūdas novēršana, ko rada divu induktoru savstarpējā induktivitāte. Magnētiskie lauki var būt sarežģīti pasargāt, un pat neliels savienojuma līmenis starp tiltiem var radīt būtiskas kļūdas noteiktos apstākļos. Ja otrais induktors ar Maxwell tilta reakciju nav, šī problēma tiek novērsta.

Vienkāršākai darbībai standarta kondensators (C s ) un paralēla ar to (R s ) rezistors tiek mainīti, un abi ir jākoriģē, lai panāktu līdzsvaru. Tomēr tiltu var darbināt, ja kondensators ir fiksēts (nemainīgs) un vairāk nekā viens rezistors ir mainīgs (vismaz rezistors paralēli kondensatoram un viens no pārējiem diviem). Tomēr pēdējā konfigurācijā, lai sasniegtu līdzsvaru, ir nepieciešams vairāk pielāgošanās izmēģinājumiem un kļūdām, jo ​​dažādie mainīgie rezistori mijiedarbojas līdzsvarošanas apjomā un fāzē.

Atšķirībā no vienkāršā Vīnes tilta, Maxwell-Wien tilta līdzsvars nav atkarīgs no avota frekvences, un dažos gadījumos šo tiltu var panākt, lai līdzsvarotu jauktu frekvenču klātbūtni no maiņstrāvas sprieguma avota, ierobežojošais faktors ir induktora stabilitāte plašā frekvenču diapazonā.

Šajos dizainparaugos ir vairāk variāciju, taču šeit nav pilnīgas diskusijas. Izgatavotas vispārējas pretestības tilta shēmas, kuras var pārslēgt vairāk nekā vienā konfigurācijā, lai nodrošinātu maksimālu elastību.

Iespējama jutīga AC tilta shēmu problēma ir izkliedēta kapacitāte starp nulles detektora galu un zemes (zemes) potenciālu. Tā kā kapacitātes var veikt "maiņstrāvu", uzlādējot un izlādējot, tās veido strāvas strāvas ceļus uz maiņstrāvas avotu, kas var ietekmēt tilta līdzsvaru: (attēls tālāk)

Sliekoša kapacitāte uz zemes var radīt kļūdas tiltu.

Lai gan niedru tipa skaitītāji ir neprecīzi, to darbības princips nav. Mehāniskās rezonanses vietā mēs varam nomainīt elektrisko rezonansi un izveidot frekvences mērītāju, izmantojot induktoru un kondensatoru tvertnes ķēdes formā (paralēli induktors un kondensators). Viens vai abi komponenti tiek pielāgoti, un skaitītājs tiek ievietots ķēdē, lai norādītu maksimālo sprieguma amplitūdu abās sastāvdaļās. Regulēšanas poga (-s) ir kalibrēta, lai parādītu rezonanses frekvenci jebkuram iestatītajam stāvoklim, un frekvence tiek nolasīta no tām pēc tam, kad ierīce ir noregulēta, lai maksimāli rādītu skaitītāju. Būtībā šī ir regulējama filtra kontūra, kas tiek noregulēta un pēc tam tiek nolasīta tāpat kā tilta shēmai (kas ir jāsabalansē ar "nulles" stāvokli un pēc tam jālasa). Problēma pasliktinās, ja maiņstrāvas avots vienā galā ir stingri iezemēts, kopējā pretestība pret noplūdes strāvām ir daudz mazāka, un tādējādi noplūdes strāvas nobīde ir lielāka: (attēls zemāk)

Straujās kapacitātes kļūdas ir smagākas, ja viena puse no maiņstrāvas avota ir iezemēta.

Viens no veidiem, kā ievērojami samazināt šo efektu, ir saglabāt nulles detektoru pie zemes potenciāla, tādēļ starp to un zemi nebūs maiņstrāvas sprieguma, un tādēļ nav strāvas caur izkropļotas kapacitātes. Tomēr tiešs savienojums nulles detektoram ar zemi nav risinājums, jo tas radītu tiešās strāvas ceļu straujajām strāvām, kas būtu sliktāks nekā jebkura kapacitatīvais ceļš. Tā vietā, lai uzturētu nulles detektoru pie zemes potenciāla, bez tieša savienojuma ar nulles detektoru, var izmantot īpašu sprieguma dalītāju sistēmu, ko sauc par Wagner zemes vai Wagner zemes . (Attēls zemāk)

Vagnera zeme maiņstrāvas padevei samazina netīrās kapacitātes ietekmi uz zemi uz tilta.

Vagnera zemes ķēde ir nekas cits kā sprieguma dalītājs, kas projektēts tā, lai sprieguma koeficients un fāzes nobīde būtu katras tilta pusē. Tā kā Vagnera dalītāja viduspunkts ir tieši pamatots, jebkura cita dalītāja ķēde (ieskaitot abas tilta pusi) ar tādām pašām sprieguma proporcijām un fāzēm kā Wagner sadalītājam un ar to pašu maiņstrāvas avotu, būs zems potenciāls, jo labi. Tādējādi Wagner zemes dalītājs iedarbojas uz nulles detektoru zemē, bez tieša savienojuma starp detektoru un zemi.

Nulles detektora savienojumā bieži tiek nodrošināts nosacījums, lai apstiprinātu Wagner zemes dalītāju ķēdes pareizu iestatīšanu: divu pozīciju slēdzis (attēls zemāk), lai viens nulles detektora galu varētu savienot ar tiltu vai Wagner zemi . Ja nulles detektors abos slēdžu pozīcijos reģistrē nulles signālu, ne tikai tiek garantēts, ka tilts ir līdzsvarots, bet nulles detektors arī ir nulles potenciāls attiecībā pret zemi, tādējādi novēršot kļūdas, kas rodas noplūdes strāvu dēļ, izmantojot klaiņojošo detektoru -zemas kapacitātes:

Pārslēgšanās pozīcija ļauj regulēt Wagner zemes.

  • PĀRSKATS:
  • AC tilta shēmas strādā ar tādu pašu pamatprincipu kā DC tilta shēmas: lai impedances līdzsvarota proporcija (nevis pretestība) radītu "līdzsvarotu" stāvokli, kā norādīts nulles detektora ierīcē.
  • Nulles detektori maiņstrāvas tiltiem var būt sensitīvas elektromehāniskās skaitītāju kustības, osciloskopi (CRT), austiņas (pastiprinātas vai nepagarinātas) vai jebkura cita ierīce, kas spēj reģistrēt ļoti mazus maiņstrāvas sprieguma līmeņus. Tāpat kā DC null detektori tā vienīgais nepieciešamais kalibrēšanas precizitātes punkts ir nulle.
  • AC tilta shēmas var būt "simetriskas" tipa, ja nezināmo pretestību līdzsvaro standarta impedance ar līdzīgu tipu vienā tilpuma augšējā vai apakšējā daļā. Vai arī tie var būt "nesimetriski", izmantojot paralēlas pretestības, lai līdzsvarotu sērijas pretestības, vai pat jaudas, kas izlīdzina induktivitāti.
  • AC tilta shēmām bieži ir vairāk nekā viena regulēšana, jo abiem impedances lielumam un fāzes leņķim jābūt līdzsvarotiem.
  • Dažas impedances tiltu shēmas ir frekvences jutīgas, bet citas nav. Biežumu jutīgos veidus var izmantot kā frekvences mērīšanas ierīces, ja visas komponentu vērtības ir precīzi zināmas.
  • Vagnera zeme vai Wagnera zeme ir sprieguma dalīšanas ķēde, kas pievienota AC tiltiem, lai palīdzētu samazināt kļūdas, kas saistītas ar kropļotu kapacitāti, savienojot nulles detektoru ar zemi.