AC мостови вериги
Както видяхме от DC веригите, веригите, известни катомост, могат да бъдат много полезни при промяна на съпротивленията. Това важи и за AC вериги и същите принципи могат да бъдат приложени за точно измерване на неизвестни импеданси.
Спомнете си, че мостовите вериги работят като двойка двукомпонентни делители на напрежение, свързани паралелно към източник на напрежение, индикаторътнулев сигнале включен в диагонала на моста, за да определи "баланса" при нулев сигнал (Фигура по-долу)
Балансираният мост показва "нула" или минималната стойност на индикатора.
Всеки един от четирите резистора в горната фигура може да бъде резистор с неизвестно съпротивление и неговата стойност може да бъде определена пропорционално на другите три резистора, които са "калибрирани" или техните съпротивления са известни с висока точност. Когато мостът е в състояние на баланс (индикаторът показва нулев сигнал), отношението се определя като:
Едно от предимствата на използването на мостова схема за измерване на съпротивление е, че захранващото напрежение не влияе на измерването. На практика, колкото по-високо е захранващото напрежение, толкова по-лесно е да се открие дисбаланс между четирите резистора с помощта на индикатора за нулев сигнал и по този начин да се увеличи чувствителността на веригата. По-високото захранващо напрежение води до повишаване на точността на измерване. Въпреки това, поради намаляването или увеличаването на захранващото напрежение, не се въвеждат фундаментални грешки, за разлика от други схеми за измерване на съпротивление.
Импедансните мостове работят по същия начин, само уравнението на баланса се определя откомплексничисла, а амплитудата и фазата на сигналите по диагонала на моста трябва да са равни, за да покаже детекторът "нула". Нулев детектор разбира сетрябва да е устройство, способно да открие много слаб AC сигнал. За това често се използва осцилоскоп, въпреки че може да се използва много чувствителен електромеханичен инструмент и дори слушалки, ако честотата на сигнала е в звуковия диапазон.
Един от начините за увеличаване на ефективността на слушалките като детектор на нула е да ги свържете към източника на сигнала чрез съгласуващ трансформатор. Слушалките обикновено имат нисък импеданс (8 Ω), който изисква значителен ток, за да работят, и този понижаващ трансформатор помага за „съпоставянето“ на сигнала с нисък ток към импеданса на слушалките. За тези цели изходният трансформатор от аудио оборудване е много подходящ. (Чертеж по-долу)
Свързана в резистивен мост, пълната верига е показана на фигурата по-долу.
AC мост с чувствителен детектор за нула.
Слушайки сигнала в слушалките, докато един или повече резистора в "раменете" на моста се регулират, изчакайте балансът да настъпи, когато вече не се чуват щраквания в слушалките (или звуков сигнал, ако честотата на източника на сигнала е в аудио диапазона).
Когато описвате общи променливотокови мостове, къдетоимпедансът, а не само съпротивленията, трябва да имат правилните съотношения, за да изпълнят условията за баланс, понякога е полезно да начертаете съответните мостови възли като квадрати, всеки от които има определен импеданс: (Фигура по-долу)
Обобщен AC мост: Z = общ комплексен импеданс.
За този обобщен AC мост трябва да бъдат изпълнени условията за баланс, когато съотношението на импедансите на всеки клон е:
Отново трябва да се подчертае, че импедансът в това уравнениетрябвада бъде сложен, изчислен както за амплитудата, така и за фазата. Не е достатъчно мостът да бъде балансиран само по амплитудата на сигнала; без балансиране на фазите ще има напрежение върху проводниците на нулевия детектор и мостът няма да бъде балансиран.
Мостовите схеми могат да бъдат проектирани да измерват почти всеки параметър - капацитет, индуктивност, съпротивление и дори Q фактор. Както винаги в мостовите измервателни схеми, неизвестната стойност винаги се "балансира" спрямо известен стандарт, получен от висококачествен, калибриран компонент, от който стойността се чете при нулева индикация за баланс на детектора. В зависимост от това как е подреден мостът, стойността на неизвестния компонент може да бъде получена от калибрирания елемент директно или изчислена по формула.
По-долу са показани няколко прости мостови вериги, едната за измерване на индуктивност (Фигура по-долу), другата за измерване на капацитет (Фигура по-долу):
Балансираният мост измерва неизвестна индуктивност, като я сравнява със стандартна индуктивност.
Симетричният мост измерва неизвестен капацитет, като го сравнява със стандартен капацитет.
Обикновените "симетрични" мостове като тези са наречени така, защото изглеждат симетрични (огледална симетрия) отляво надясно. Двете мостови вериги, показани по-горе, се балансират чрез регулиране на калибрираните реактивни елементи (Ls или Cs). Те са леко опростени в сравнение с действителните им вериги, например на практика мостът има калибриран променлив резистор, свързан последователно или паралелно с реактивния компонент, за да балансира страничното съпротивление в измервания елемент. Но в един хипотетичен свят на перфектни компоненти, тези прости мостови схеми са добри.подходящ за илюстриране на основната концепция.
Пример за схема с малко усложнение, добавено за компенсиране на реални несъвършенства, може да бъде намерен в така нареченияМост на Wien, който използва стандартен кондензатор и резистор, свързани паралелно, за да балансират неизвестното последователно вътрешно съпротивление на кондензатора, който се измерва. (Фигурата по-долу). Всички кондензатори имат някакво вътрешно съпротивление, омично или еквивалентно (поради диелектрични загуби), което разваля тяхната перфектна реактивна природа. Определянето на вътрешното съпротивление може да бъде интересно за измервания, така че Wien bridge прави възможно това чрез балансиране на композитния импеданс:
Виенският мост измерва капацитета Cx и съпротивлението Rx на "истински" кондензатор.
Поради факта, че два компонента (резистор и кондензатор) трябва да бъдат регулирани, този мост изисква малко повече време за балансиране, отколкото беше обсъдено по-рано. Комбинираният ефект на Rs и Cs е, че амплитудата и фазата трябва да се регулират, докато мостът се балансира. Когато мостът е балансиран, стойностите на Rs и Cs могат да бъдат прочетени от техните калибрирани скали, паралелният импеданс се изчислява математически, а неизвестният капацитет и съпротивление се изчисляват от уравнението на баланса (Z1/Z2 = Z3/Z4).
При работа с Wien мост се приема, че стандартният кондензатор има незначително вътрешно съпротивление или поне това съпротивление е известно, така че неговата стойност може да се използва в уравнението за баланс на моста. Виенските мостове са полезни за определяне на тока на утечка на електролитни кондензатори, където вътрешното съпротивление е сравнително високо. Те могат да се използват и като честотни броячи, катоБалансирането на моста зависи от честотата. В този случай кондензаторът се използва постоянен, горните два резистора по схемата са променливи и регулирането им става с едно копче (т.е. резисторите са двойни).
Интересна вариация на тази тема се намира в следната мостова схема, използвана за точно измерване на индуктивности.
Мостът на Максуел - Wien измерва индуктивност според капацитивния стандарт.
Тази гениална мостова схема е известна като мостMaxwell-Wine(понякога наричан мостMaxwell) и се използва за измерване на неизвестни индуктивности с калибриран резистор и кондензатор (фигура по-горе). Калибрирани бобини са много по-трудни за производство от кондензатори със същата точност и по този начин използването на "симетричен" индуктивен мост не винаги е оправдано. Тъй като фазовите отмествания на дроселите и капацитетите са точно противоположни един на друг, капацитивният импеданс може да компенсира индуктивния импеданс, ако те са от противоположните страни на моста, както в този случай.
Друго предимство на моста на Максуел за измерване на индуктивности над балансиран мост е, че грешките в измерването, дължащи се на взаимодействието между двете индуктивности, се елиминират. Магнитните полета могат да бъдат трудни за екраниране и дори малко свързване между намотките в мост може да причини значителни грешки при определени условия. Без втората индуктивност в моста на Максуел този проблем отпада.
За да се улеснят настройките, стандартният кондензатор (Cs) и резисторът, свързан паралелно с него (Rs), са променливи и и двата трябва да бъдат регулирани, за да се постигне баланс. Въпреки това, мостът може също да бъде балансиран, ако се използва постоянен кондензатор или повече.отколкото един резистор е направен променлив. Но в този случай е много по-трудно да се балансира мостът, тъй като различни променливи резистори взаимодействат при балансиране на амплитудата и фазата.
За разлика от чистия мост Wien, балансът на моста Maxwell-Wien е независим от честотата на захранващия сигнал и в някои случаи този мост може да бъде балансиран при наличие на смес от честоти в захранването с променлив ток, като ограничаващият фактор е стабилността на индуктора в широк честотен диапазон.
Има голям брой такива схеми, но тяхното обсъждане тук е неподходящо. Импедансните мостове с общо предназначение се предлагат в повече от една конфигурация за максимална гъвкавост при използване.
Потенциален проблем при чувствителните AC мостове е паразитният капацитет между проводниците на нулевия детектор и земята. Тъй като капацитетът може да провежда променлив ток, зареждане и разреждане, се образуват паразитни токове, които преминават към източника на захранване, което може да повлияе на баланса на моста: (Фигура по-долу)
Блуждаещ капацитет със земята може да причини повреда в моста.
Съществуващите честотометри тип "тръстика" не са точни, но техните принципи на работа са. Вместо механичен резонанс, можем да използваме електрически резонанс и да проектираме честотомер, използвайки индуктивност и капацитет, свързани в осцилиращ кръг (индуктивност и капацитет, свързани паралелно). Един или повече компоненти са направени регулируеми и във веригата е поставен измервателен уред, за да покаже максималното напрежение, преминаващо през двата компонента. Копчетата за настройка са калибрирани, за да показват резонансната честота при всяка дадена настройка и честотата се чете от тях, след като бъде регулирана до максимумотклонение на индикатора. По същество това е регулируема филтърна верига, която се настройва и след това се чете по подобен начин на мостова верига (която нулираме и след това четем). Проблемът се влошава, ако захранването с променлив ток е добре заземено в единия край, тогава общото съпротивление срещу токове на утечка става много по-малко и всички токове на утечка през тези паразитни капацитети се увеличават в резултат на това: (Фигура по-долу)
Грешките, дължащи се на паразитен капацитет, са по-тежки, ако единият извод на източника на променлив ток е заземен.
Един от начините за значително намаляване на този ефект е да се поддържа нулевият детектор при заземен потенциал, така че да не се образуват токове между него и земята чрез капацитети на утечка. Въпреки това, не е възможно директно да свържете нулевия детектор към земята, тъй като това ще създадедиректенпът за токове на утечка, което ще бъде дори по-лошо от капацитивните токове на утечка. Вместо това може да се използва верига на делител на напрежение, нареченазаземяване на Вагнерилизаземяване на Вагнер, което поддържа нулевия детектор при земен потенциал и не е необходимо да се свързва директно към него. (Чертеж по-долу)
Заземяването на Wagner за захранване с променлив ток минимизира ефекта от паразитния капацитет върху земята.
Заземителната верига на Wagner не е нищо повече от делител на напрежение, предназначен да поддържа съотношенията на напрежението и фазите същите като от всяка страна на моста. Тъй като средната точка на делителя на Wagner е директно заземена, всички други вериги на делителя (включително всяка страна на моста) имат същите съотношения на напрежението и фазите като делителя на Wagner и се захранват от общ източник на променлив ток и всички те са на заземен потенциал. И така, делителяWagner принуждава нулевия детектор да бъде близо до земния потенциал, без директна връзка между детектора и земята.
Често има нужда да се провери правилната настройка на земната верига на Wagner. За да направите това, се използва двупозиционен превключвател (фигура по-долу), свързан така, че един проводник на нулевия детектор да може да бъде свързан както към моста, така и към масата на Вагнер. Когато нулевият детектор фиксира нулев сигнал и в двете позиции на превключвателя, мостът не само е гарантирано балансиран, но и нулевият детектор също е гарантирано, че е с нулев потенциал, което елиминира грешки, дължащи се на токове на утечка през капацитета на нулевия детектор - земя:
Превключването към най-горната позиция в диаграмата прави възможно регулирането на земята на Wagner.