Střídavé měřicí můstky a jejich použití

Ve střídavých obvodech se pro účely měření používají můstkové obvody. Tato schémata umožňují určit hodnoty kondenzátorů a indukčností, tečny úhlu dielektrických ztrát kondenzátorů a také vzájemné indukčnosti cívek.

Měření střídavých můstků jsou zcela odlišná schémata, budou diskutována níže. Nejoblíbenější jsou vyvážené můstky se čtyřmi rameny, kde procesy měření indukčností, kapacit a tečen dielektrických ztrát mohou být doprovázeny kompenzací parazitních parametrů.

Dvě skupiny střídavých měřicích můstkových obvodů jsou zvláště výrazné: transformátorové můstky (s indukčně vázanými rameny) a kapacitní můstky. Kapacitní můstky jsou obvody se čtyřmi rameny, ve kterých jsou v ramenech instalovány kapacitní a aktivní prvky. Transformátorové můstky se vyznačují přítomností sekundárních vinutí transformátoru ve dvou ramenech, které slouží k napájení můstku.

Pokud jde o kapacitní obvody, mohou zahrnovat jak konstantní kapacitní a proměnné (aktivní) odpory, tak konstantní (aktivní) odpory a proměnné kapacity. Konstantní kapacitní můstek se staví snadněji, protože nepotřebuje speciálně dimenzované proměnné kondenzátory, místo toho je k dispozici dostatečná zásoba rezistorů (aktivních odporů).

Díky proměnným odporům může být můstkový obvod vyvážený s ohledem na jalovou a aktivní složku napětí. Jeden proměnný rezistor je kalibrován podle hodnot kapacity, druhý podle hodnot tangens dielektrických ztrát. V důsledku toho se získá ekvivalentní sériový obvod studovaného kondenzátoru. Následující rovnost bude odrážet tento rovnovážný stav mostu a zrovnoprávnění imaginární a reálné části poskytne pouze hodnoty hledaných veličin:

Ale ve skutečnosti se parazitní parametry vždy objeví a dávají chyby již na zvukových frekvencích. Zdrojem těchto chyb jsou parazitní indukčnosti, kapacity, vodivosti, přesnost měření úhlu dielektrických ztrát je ohrožena. Opatření ke snížení vlivu těchto faktorů jsou neindukční a kapacitní vinutí prvního rezistoru. Ale ve skutečnosti je prostě nutné tyto vlivy řádně kompenzovat.

Takže pro kompenzaci parazitní indukčnosti je trimerový kondenzátor zapojen paralelně s druhým rezistorem. Navíc přítomností izolačních částí a transformátoru vznikají parazitní kapacity a parazitní odpory, proto je nutné dvojité stínění samotného transformátoru.Aby se snížil vliv kapacity a vodivosti dílů, jsou vyrobeny z vysoce kvalitních dielektrik, jako je fluoroplast. Jako zdroj energie je vhodný generátor audio frekvence.

Konstantní odpory používané v můstcích poskytují výhodu: není potřeba kalibrovat proměnný odpor. V ramenech je pouze konstantní odpor, konstantní kondenzátor a proměnné kondenzátory. Měření jejich schopností je možné přímo. Zkoumaná kapacita se jednoduše připojí na svorky, načež se můstek vyrovná seřízením proměnných kondenzátorů. Výpočty se provádějí podle vzorců, ze kterých je vidět, že měřítko pro tečnu se získá přímo ze vzorce s proměnnou kapacitou, protože odpor a frekvence se nemění:

Měřicí můstky s indukčně zapojenými rameny (transformátorové můstky) předčí kapacitní můstky v řadě aspektů: vyšší citlivost z hlediska tečny a kapacity, malý vliv parazitních vodivostí připojených, každopádně paralelně k ramenům.

Vícesekční transformátory mohou značně rozšířit provozní rozsah (měřicí stupnici) můstku. Existuje několik typických konstrukcí transformátorových mostů, ale nejoblíbenější je dvojitý transformátorový most:

Řetěz je plně regulován výčtem počtu otáček; nepotřebuje proměnné kondenzátory nebo proměnné rezistory. Tímto způsobem je možné vytvářet měřiče s velkým rozsahem vícesekčních transformátorů a je potřeba minimum vzorových prvků.

Zde jsou obvody galvanicky odděleny, to znamená, že je zřejmé, že rušení parazitními spoji je minimální, proto mohou být propojovací vodiče poměrně dlouhé. Následující rovnice jsou platné, když je můstek v rovnováze:

Jak víte, při měření kapacit kondenzátorů vystupují do popředí aktivní ztráty ve formě tečny dielektrických ztrát. Takže podle tohoto parametru jsou kondenzátory rozděleny do tří skupin (a ekvivalentní obvody se na této frekvenci liší):

Následující poměry odrážejí impedanci kondenzátoru ve střídavém obvodu a jeho tečnu v sériových a paralelních ekvivalentních obvodech:

Měření kapacity bezztrátového kondenzátoru se provádí podle následujícího schématu, kde dvě aktivní ramena určují meze měření poměrem svých hodnot a kapacita vzorku je proměnná. Zde se v procesu měření volí poměry rezistorů, mění se hodnota kapacity vzorku. Výraz můstkové rovnováhy je:

Měření nízkoztrátové kapacity se provádí podle schématu sekvence výměny kondenzátoru, přičemž se můstek vyrovnává změnou kapacity a aktivního odporu, přičemž se dosáhne minimálního čtení stupnice nulového indikátoru. Podmínka rovnosti dává následující výrazy:

Kondenzátory s významnými dielektrickými ztrátami vyžadují v ekvivalentním obvodu odpor, který má být zapojen paralelně se vzorkem, podle výše uvedeného schématu. Vzorec pro tečnu bude vypadat takto:

Pomocí můstků je tedy možné měřit kapacity skutečných kondenzátorů s nominálními hodnotami od jednotek pF do desítek mikrofaradů a s vysokou přesností (od 1 do 3 řádů).

Měřením indukčnosti pomocí výše popsaného přístupu je možné porovnávat s kapacitami a ne nutně s indukčnostmi, protože vytvoření přesné proměnné indukčnosti není snadný úkol. Takže místo induktorů používají obvody ekvivalentní vzorkové kapacitě. Rovnovážný stav umožňuje najít odpor a indukčnost, výsledek je zapsán v následujícím tvaru:

Můžete také najít Q faktor:

Samozřejmě, že otočná kapacita způsobí malé zkreslení, ale ty se často ukáží jako zanedbatelné.