สะพานวัดกระแสสลับและการใช้งาน

ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ วงจรบริดจ์จะใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการวัด โครงร่างเหล่านี้ทำให้สามารถกำหนดค่าของตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำ, แทนเจนต์ของมุมของการสูญเสียอิเล็กทริกของตัวเก็บประจุ, เช่นเดียวกับความเหนี่ยวนำร่วมกันของขดลวด

การวัดสะพาน AC เป็นรูปแบบที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ซึ่งจะกล่าวถึงด้านล่างนี้ ที่นิยมมากที่สุดคือสะพานสมดุลที่มีสี่แขน ซึ่งกระบวนการวัดค่าความเหนี่ยวนำ ความจุ และแทนเจนต์การสูญเสียไดอิเล็กทริกสามารถมาพร้อมกับการชดเชยพารามิเตอร์ปรสิต

วงจรบริดจ์การวัดค่ากระแสสลับสองกลุ่มมีความหมายโดยเฉพาะอย่างยิ่ง: บริดจ์หม้อแปลง (ที่มีแขนคู่แบบเหนี่ยวนำ) และบริดจ์แบบคาปาซิทีฟ บริดจ์แบบคาปาซิทีฟคือวงจรที่มีสี่แขนซึ่งติดตั้งองค์ประกอบแบบคาปาซิทีฟและแอคทีฟไว้ที่แขน สะพานหม้อแปลงมีลักษณะเป็นขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงในแขนสองข้างที่ทำหน้าที่จ่ายไฟให้กับสะพาน

สำหรับวงจรคาปาซิทีฟ วงจรเหล่านี้สามารถรวมทั้งค่าความจุคงที่และตัวต้านทานผันแปร (แอกทีฟ) และตัวต้านทานคงที่ (แอคทีฟ) และค่าความจุแปรผัน บริดจ์ความจุคงที่นั้นสร้างได้ง่ายกว่าเนื่องจากไม่ต้องการตัวเก็บประจุแบบแปรผันที่มีพิกัดพิเศษ แต่มีตัวต้านทานเพียงพอ (ตัวต้านทานแบบแอคทีฟ)

ต้องขอบคุณตัวต้านทานแบบปรับค่าได้ วงจรบริดจ์สามารถปรับสมดุลตามส่วนประกอบของแรงดันรีแอกทีฟและแอคทีฟ ตัวต้านทานแบบปรับค่าได้หนึ่งตัวได้รับการสอบเทียบตามค่าความจุ ส่วนอีกตัวตามค่าแทนเจนต์การสูญเสียไดอิเล็กตริก เป็นผลให้ได้วงจรอนุกรมสมมูลของตัวเก็บประจุที่ศึกษา ความเท่าเทียมกันต่อไปนี้จะสะท้อนถึงสภาวะสมดุลของสะพาน และการเทียบส่วนจินตภาพและส่วนจริงจะให้ค่าของปริมาณที่ต้องการเท่านั้น:

แต่ในความเป็นจริงพารามิเตอร์ปรสิตมักจะปรากฏขึ้นและให้ข้อผิดพลาดที่ความถี่เสียงอยู่แล้ว ความเหนี่ยวนำ ความจุ การนำไฟฟ้าที่เป็นพาหะเป็นแหล่งของข้อผิดพลาดเหล่านี้ ความแม่นยำของการวัดมุมการสูญเสียไดอิเล็กตริกถูกคุกคาม มาตรการเพื่อลดอิทธิพลของปัจจัยเหล่านี้คือขดลวดที่ไม่ใช่อุปนัยและตัวเก็บประจุของตัวต้านทานตัวแรก แต่ในความเป็นจริงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องชดเชยอิทธิพลเหล่านี้อย่างเหมาะสม

ดังนั้นเพื่อชดเชยการเหนี่ยวนำของปรสิตตัวเก็บประจุทริมเมอร์จึงเชื่อมต่อแบบขนานกับตัวต้านทานตัวที่สอง นอกจากนี้ ความจุของกาฝากและความต้านทานของกาฝากเกิดขึ้นจากการมีอยู่ของชิ้นส่วนที่เป็นฉนวนและหม้อแปลง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องป้องกันตัวหม้อแปลงเป็นสองเท่าเพื่อลดผลกระทบของความจุและการนำไฟฟ้าของชิ้นส่วน ชิ้นส่วนเหล่านี้ทำจากไดอิเล็กตริกคุณภาพสูง เช่น ฟลูออโรเรซิ่น เครื่องกำเนิดความถี่เสียงเหมาะสำหรับเป็นแหล่งพลังงาน

ค่าความต้านทานคงที่ที่ใช้ในบริดจ์มีข้อได้เปรียบ: ไม่จำเป็นต้องสอบเทียบตัวต้านทานแบบปรับค่าได้ ในอ้อมแขนมีเพียงความต้านทานคงที่ ตัวเก็บประจุคงที่ และตัวเก็บประจุแบบแปรผัน การวัดความสามารถสามารถทำได้โดยตรง ความจุภายใต้การศึกษานั้นเชื่อมต่อกับเทอร์มินัลอย่างง่ายดายหลังจากนั้นสะพานจะสมดุลโดยการปรับตัวเก็บประจุแบบแปรผันการคำนวณจะดำเนินการตามสูตรซึ่งจะเห็นได้ว่าสเกลสำหรับแทนเจนต์นั้นได้รับโดยตรงจากสูตร ด้วยความจุแปรผัน เนื่องจากความต้านทานและความถี่ไม่เปลี่ยนแปลง:

สะพานวัดที่มีแขนเชื่อมต่อแบบเหนี่ยวนำ (สะพานหม้อแปลง) เหนือกว่าสะพานแบบคาปาซิทีฟในหลายด้าน: ความไวสูงกว่าในแง่ของสัมผัสและความจุ อิทธิพลต่ำของพาหะนำไฟฟ้าที่เชื่อมต่อขนานกับแขน

หม้อแปลงแบบหลายส่วนสามารถขยายช่วงการทำงาน (มาตราส่วนการวัด) ของสะพานได้อย่างมาก มีการออกแบบสะพานหม้อแปลงทั่วไปหลายแบบ แต่ที่นิยมมากที่สุดคือสะพานหม้อแปลงคู่:

โซ่ถูกควบคุมอย่างเต็มที่โดยการแจกแจงจำนวนรอบ ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุแบบแปรผันหรือตัวต้านทานแบบแปรผัน ด้วยวิธีนี้ จึงเป็นไปได้ที่จะสร้างมาตรวัดที่มีหม้อแปลงหลายส่วนจำนวนมาก และจำเป็นต้องมีองค์ประกอบตัวอย่างขั้นต่ำ

ที่นี่วงจรถูกแยกด้วยไฟฟ้านั่นคือเห็นได้ชัดว่าการรบกวนเนื่องจากการเชื่อมต่อของกาฝากมีน้อยมาก ดังนั้นสายเชื่อมต่อจึงค่อนข้างยาว สมการต่อไปนี้ใช้ได้เมื่อสะพานอยู่ในภาวะสมดุล:

ดังที่คุณทราบ เมื่อพูดถึงการวัดความจุของตัวเก็บประจุ การสูญเสียเชิงรุกในรูปของเส้นสัมผัสการสูญเสียไดอิเล็กตริกจะมาก่อน ดังนั้นตามพารามิเตอร์นี้ตัวเก็บประจุจะถูกแบ่งออกเป็นสามกลุ่ม (และวงจรที่เท่ากันตามลำดับซึ่งแตกต่างกันที่ความถี่นี้):

อัตราส่วนต่อไปนี้สะท้อนอิมพีแดนซ์ของตัวเก็บประจุในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับและสัมผัสกันในวงจรสมมูลแบบอนุกรมและแบบขนาน:

การวัดความจุของตัวเก็บประจุแบบไม่สูญเสียจะดำเนินการตามรูปแบบต่อไปนี้ โดยที่แขนที่ใช้งานอยู่สองแขนจะกำหนดขีดจำกัดการวัดตามอัตราส่วนของค่า และความจุของตัวอย่างจะแปรผัน ที่นี่ ในกระบวนการวัด อัตราส่วนของตัวต้านทานจะถูกเลือก ค่าของความจุตัวอย่างจะเปลี่ยนไป การแสดงออกของสมดุลสะพานคือ:

การวัดความจุการสูญเสียต่ำดำเนินการตามโครงร่างลำดับการเปลี่ยนตัวเก็บประจุ ในขณะที่สร้างสมดุลของสะพานโดยการเปลี่ยนความจุและความต้านทานแบบแอคทีฟ ไปถึงค่าต่ำสุดที่อ่านได้ของสเกลตัวบ่งชี้ที่เป็นศูนย์ เงื่อนไขความเท่าเทียมกันแสดงนิพจน์ต่อไปนี้:

ตัวเก็บประจุที่มีการสูญเสียไดอิเล็กตริกมากจำเป็นต้องมีวงจรสมมูลในการต่อความต้านทานขนานกับตัวอย่างตามรูปแบบข้างต้น สูตรสำหรับแทนเจนต์จะมีลักษณะดังนี้:

ดังนั้นการใช้สะพานจึงเป็นไปได้ที่จะวัดความจุของตัวเก็บประจุจริงด้วยค่าเล็กน้อยจากหน่วย pF ถึงสิบ microfarads และมีความแม่นยำสูง (ตั้งแต่ 1 ถึง 3 คำสั่งของขนาด)

การวัดค่าความเหนี่ยวนำโดยใช้วิธีที่อธิบายไว้ข้างต้น ทำให้สามารถเปรียบเทียบกับค่าความจุและไม่จำเป็นต้องเทียบกับค่าความเหนี่ยวนำ เนื่องจากการสร้างค่าความเหนี่ยวนำที่แม่นยำนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย ดังนั้นพวกเขาจึงใช้ตัวอย่างวงจรสมมูลความจุแทนตัวเหนี่ยวนำ สภาวะสมดุลช่วยให้คุณค้นหาความต้านทานและค่าความเหนี่ยวนำ ผลลัพธ์ที่ได้จะเขียนในรูปแบบต่อไปนี้:

คุณยังสามารถหาปัจจัย Q:

แน่นอนว่าความจุแบบเลี้ยวต่อเลี้ยวจะทำให้เกิดความผิดเพี้ยนเล็กน้อย แต่สิ่งเหล่านี้มักจะเล็กน้อย