AC mjerni mostovi i njihova primjena

U strujnim krugovima izmjenične struje za potrebe mjerenja koriste se premosni krugovi. Ove sheme omogućuju određivanje vrijednosti kondenzatora i induktiviteta, tangensa kuta dielektričnih gubitaka kondenzatora, kao i međusobnih induktiviteta zavojnica.

Mjerni AC mostovi potpuno su različite sheme, o njima će se raspravljati u nastavku. Najpopularniji su uravnoteženi mostovi s četiri kraka, kod kojih procesi mjerenja induktiviteta, kapaciteta i tangensa dielektričnih gubitaka mogu biti popraćeni kompenzacijom parazitnih parametara.

Posebno su izražene dvije skupine izmjeničnih mjernih mostnih sklopova: transformatorski mostovi (s induktivno spregnutim krakovima) i kapacitivni mostovi. Kapacitivni mostovi su sklopovi s četiri kraka kod kojih su kapacitivni i aktivni elementi ugrađeni u krakove. Transformatorske mostove karakterizira prisutnost sekundarnih namota transformatora u dva kraka koji služe za napajanje mosta.

Što se tiče kapacitivnih krugova, oni mogu uključivati ​​i konstantni kapacitet i promjenjive (aktivne) otpornike, kao i konstantne (aktivne) otpornike i promjenjive kapacitete. Most konstantnog kapaciteta lakše je izgraditi jer ne treba posebne kondenzatore promjenjivog kapaciteta, umjesto toga postoji dovoljna količina otpornika (aktivni otpori).

Zahvaljujući promjenjivim otpornicima, mosni krug se može uravnotežiti s obzirom na jalove i aktivne komponente napona. Jedan promjenjivi otpornik kalibriran je prema vrijednostima kapaciteta, a drugi prema vrijednostima tangensa dielektričnih gubitaka. Kao rezultat, dobiva se ekvivalentni serijski krug proučavanog kondenzatora. Sljedeća jednakost će odražavati ovo ravnotežno stanje mosta, a izjednačavanje imaginarnog i stvarnog dijela dat će samo vrijednosti traženih veličina:

Ali u stvarnosti se parazitski parametri uvijek pojavljuju i daju pogreške već na audio frekvencijama. Parazitni induktivitet, kapacitet, vodljivost su izvori ovih pogrešaka, točnost mjerenja kuta dielektričnog gubitka je ugrožena. Mjere za smanjenje utjecaja ovih čimbenika su neinduktivni i kapacitivni namot prvog otpornika. Ali zapravo je jednostavno potrebno pravilno kompenzirati te utjecaje.

Dakle, da bi se kompenzirao parazitski induktivitet, trimer kondenzator je spojen paralelno s drugim otpornikom. Osim toga, parazitni kapaciteti i parazitni otpori proizlaze iz prisutnosti izolacijskih dijelova i transformatora, tako da je potrebno dvostruko oklopiti sam transformator.Kako bi se smanjio učinak kapacitivnosti i vodljivosti dijelova, oni su izrađeni od visokokvalitetnih dielektrika, poput fluoroplastike. Generator audio frekvencije prikladan je kao izvor energije.

Konstantni otpori koji se koriste u mostovima daju prednost: nema potrebe za kalibracijom promjenjivog otpornika. U krakovima postoji samo konstantni otpor, konstantni kondenzator i promjenjivi kondenzatori. Mjerenja njihovih sposobnosti moguća su izravno. Kapacitivnost koja se proučava jednostavno se spaja na stezaljke, nakon čega se most balansira podešavanjem promjenjivih kondenzatora. Izračuni se provode prema formulama iz kojih se vidi da se ljestvica za tangentu dobiva izravno iz formule s promjenjivim kapacitetom, budući da su otpor i frekvencija nepromijenjeni:

Mjerni mostovi s induktivno spojenim krakovima (transformatorski mostovi) superiorni su kapacitivnim mostovima u nizu aspekata: većoj osjetljivosti u pogledu tangente i kapacitivnosti, malom utjecaju parazitnih vodljivosti spojenih, ionako, paralelno s krakovima.

Transformatori s više presjeka mogu uvelike proširiti radni raspon (mjerna skala) mosta. Postoji nekoliko tipičnih dizajna transformatorskih mostova, ali najpopularniji je dvostruki transformatorski most:

Lanac se u potpunosti regulira nabrajanjem broja zavoja; ne treba promjenjive kondenzatore ili promjenjive otpornike. Na ovaj način moguće je izraditi brojila s velikim rasponom višesjekcijskih transformatora, a potreban je minimum oglednih elemenata.

Ovdje su strujni krugovi galvanski izolirani, odnosno očito je da su smetnje zbog parazitskih spojeva minimalne, stoga spojne žice mogu biti relativno dugačke. Sljedeće jednadžbe vrijede kada je most u ravnoteži:

Kao što znate, kada se radi o mjerenju kapaciteta kondenzatora, aktivni gubici u obliku tangensa dielektričnih gubitaka dolaze do izražaja. Dakle, prema ovom parametru, kondenzatori su podijeljeni u tri skupine (i ekvivalentni krugovi, odnosno, na ovoj frekvenciji se razlikuju):

Sljedeći omjeri odražavaju impedanciju kondenzatora u AC krugu i njegovu tangentu u serijskim i paralelnim ekvivalentnim krugovima:

Mjerenje kapaciteta kondenzatora bez gubitaka provodi se prema sljedećoj shemi, gdje dva aktivna kraka omjerom svojih vrijednosti određuju granice mjerenja, a kapacitivnost uzorka je promjenjiva. Ovdje se u procesu mjerenja odabiru omjeri otpornika, mijenja se vrijednost kapacitivnosti uzorka. Izraz ravnoteže mosta je:

Mjerenje kapacitivnosti s malim gubicima provodi se prema shemi redoslijeda zamjene kondenzatora, dok se most balansira promjenom kapaciteta i aktivnog otpora, dostižući minimalno očitanje nulte indikatorske ljestvice. Uvjet jednakosti daje sljedeće izraze:

Kondenzatori sa značajnim dielektričnim gubicima zahtijevaju da u nadomjesnom krugu otpor bude spojen paralelno s uzorkom, prema gornjoj shemi. Formula za tangentu će izgledati ovako:

Dakle, pomoću mostova moguće je mjeriti kapacitete stvarnih kondenzatora s nominalnim vrijednostima od jedinica pF do desetaka mikrofarada i s visokim stupnjem točnosti (od 1 do 3 reda veličine).

Mjerenjem induktiviteta korištenjem gore opisanog pristupa moguće je uspoređivati ​​s kapacitetima, a ne nužno s induktivitetima, budući da stvaranje točne varijable induktiviteta nije lak zadatak. Stoga koriste uzorke ekvivalentnih krugova kapacitivnosti umjesto induktora. Uvjet ravnoteže omogućuje vam pronalaženje otpora i induktiviteta, rezultat je napisan u sljedećem obliku:

Također možete pronaći Q faktor:

Naravno, kapacitet od zavoja do zavoja će uzrokovati mala izobličenja, ali ona su često zanemariva.