Pontes de medição AC e seu uso

Nos circuitos CA, os circuitos de ponte são usados ​​para fins de medição. Esses esquemas permitem determinar os valores de capacitores e indutâncias, tangentes do ângulo de perdas dielétricas dos capacitores, bem como as indutâncias mútuas das bobinas.

Medir pontes AC são esquemas completamente diferentes, eles serão discutidos abaixo. As mais populares são as pontes balanceadas com quatro braços, onde os processos de medição de indutâncias, capacitâncias e tangentes de perda dielétrica podem ser acompanhados pela compensação de parâmetros parasitas.

Dois grupos de circuitos de ponte de medição AC são particularmente expressivos: pontes transformadoras (com braços acoplados indutivamente) e pontes capacitivas. Pontes capacitivas são circuitos com quatro braços nos quais elementos capacitivos e ativos são instalados nos braços. As pontes transformadoras são caracterizadas pela presença de enrolamentos secundários do transformador em dois braços que servem para alimentar a ponte.

Quanto aos circuitos capacitivos, eles podem incluir resistores de capacitância constante e variável (ativos) e resistores constantes (ativos) e capacitâncias variáveis. Uma ponte de capacitância constante é mais fácil de construir, pois não precisa de capacitores variáveis ​​especialmente classificados, em vez disso, há um suprimento suficiente de resistores (resistências ativas).

Graças aos resistores variáveis, o circuito da ponte pode ser balanceado em relação aos componentes de tensão ativa e reativa. Um resistor variável é calibrado de acordo com os valores de capacitância, o outro de acordo com os valores da tangente de perda dielétrica. Como resultado, um circuito série equivalente do capacitor estudado é obtido. A seguinte igualdade refletirá esse estado de equilíbrio da ponte, e igualar as partes imaginárias e reais fornecerá apenas os valores das quantidades procuradas:

Mas, na realidade, sempre aparecem parâmetros parasitas e já apresentam erros nas frequências de áudio. Indutâncias parasitas, capacitâncias, condutâncias são fontes desses erros, a precisão da medição do ângulo de perda dielétrica é ameaçada. Medidas para reduzir a influência desses fatores são o enrolamento não indutivo e capacitivo do primeiro resistor. Mas, na verdade, é simplesmente necessário compensar adequadamente essas influências.

Assim, para compensar a indutância parasita, o capacitor trímero é conectado em paralelo com o segundo resistor. Além disso, capacitâncias parasitas e resistências parasitas surgem da presença de partes isolantes e do transformador, por isso é necessário blindar duplamente o próprio transformador.Para reduzir o efeito da capacitância e condutividade das peças, elas são feitas de dielétricos de alta qualidade, como o fluoroplástico. Um gerador de frequência de áudio é adequado como fonte de energia.

As resistências constantes usadas em pontes oferecem uma vantagem: não há necessidade de calibrar um resistor variável. Nos braços, há apenas uma resistência constante, um capacitor constante e capacitores variáveis. Medições de suas capacidades são possíveis diretamente. A capacitância em estudo é simplesmente conectada aos terminais, após o que a ponte é balanceada ajustando os capacitores variáveis. Os cálculos são feitos de acordo com as fórmulas a partir das quais se percebe que a escala da tangente é obtida diretamente da fórmula com capacitância variável, uma vez que a resistência e a frequência são inalteradas:

As pontes de medição com braços conectados indutivamente (pontes transformadoras) são superiores às pontes capacitivas em vários aspectos: maior sensibilidade em termos de tangente e capacitância, baixa influência de condutâncias parasitas conectadas, enfim, em paralelo aos braços.

Os transformadores de múltiplas seções podem expandir muito a faixa operacional (escala de medição) da ponte. Existem vários projetos típicos de ponte transformadora, mas o mais popular é a ponte transformadora dupla:

A corrente é totalmente regulada pela enumeração do número de voltas; não precisa de capacitores variáveis ​​ou resistores variáveis. Desta forma, é possível criar medidores com uma ampla gama de transformadores multiseção, sendo necessário um mínimo de elementos de amostra.

Aqui os circuitos são isolados galvanicamente, ou seja, é óbvio que a interferência devido a conexões parasitas é mínima, portanto os fios de conexão podem ser relativamente longos. As seguintes equações são válidas quando a ponte está em equilíbrio:

Como você sabe, quando se trata de medir as capacitâncias dos capacitores, as perdas ativas na forma da tangente de perda dielétrica vêm à tona. Portanto, de acordo com esse parâmetro, os capacitores são divididos em três grupos (e os circuitos equivalentes, respectivamente, nessa frequência diferem):

As seguintes relações refletem a impedância de um capacitor em um circuito CA e sua tangente em circuitos equivalentes em série e paralelo:

A medição da capacitância de um capacitor sem perdas é realizada de acordo com o esquema a seguir, onde dois braços ativos determinam os limites de medição pela razão de seus valores e a capacitância da amostra é variável. Aqui, no processo de medição, as relações dos resistores são selecionadas, o valor da capacitância da amostra é alterado. A expressão de equilíbrio da ponte é:

A medição de capacitância de baixa perda é realizada de acordo com o esquema de sequência de substituição do capacitor, equilibrando a ponte alterando a capacitância e a resistência ativa, atingindo a leitura mínima da escala do indicador zero. A condição de igualdade fornece as seguintes expressões:

Capacitores com perdas dielétricas significativas requerem no circuito equivalente que a resistência seja conectada em paralelo com a amostra, conforme esquema acima. A fórmula da tangente ficará assim:

Assim, usando pontes, é possível medir as capacitâncias de capacitores reais com valores nominais de unidades de pF a dezenas de microfarads e com alto grau de precisão (de 1 a 3 ordens de grandeza).

Ao medir a indutância usando a abordagem descrita acima, é possível comparar com capacitâncias e não necessariamente com indutâncias, pois criar uma indutância variável precisa não é uma tarefa fácil. Portanto, eles usam circuitos equivalentes de capacitância de amostra em vez de indutores. A condição de equilíbrio permite encontrar resistência e indutância, o resultado é escrito da seguinte forma:

Você também pode encontrar o fator Q:

Obviamente, a capacitância entre espiras produzirá pequenas distorções, mas elas geralmente são insignificantes.