Ponti di misura AC e loro utilizzo

Nei circuiti CA, i circuiti a ponte vengono utilizzati per scopi di misurazione. Questi schemi consentono di determinare i valori di condensatori e induttanze, tangenti dell'angolo delle perdite dielettriche dei condensatori, nonché le mutue induttanze delle bobine.

La misurazione dei ponti CA è schemi completamente diversi, saranno discussi di seguito. I più diffusi sono i ponti bilanciati a quattro bracci, dove i processi di misura di induttanze, capacità e tangenti di perdita dielettrica possono essere accompagnati dalla compensazione dei parametri parassiti.

Due gruppi di circuiti a ponte di misura AC sono particolarmente espressivi: ponti a trasformatore (con bracci accoppiati induttivamente) e ponti capacitivi. I ponti capacitivi sono circuiti con quattro bracci in cui sono installati elementi capacitivi e attivi nei bracci. I ponti del trasformatore sono caratterizzati dalla presenza di avvolgimenti secondari del trasformatore in due bracci che servono per alimentare il ponte.

Per quanto riguarda i circuiti capacitivi, possono includere sia resistori a capacità costante che variabili (attivi) e resistori costanti (attivi) e capacità variabili. Un ponte a capacità costante è più facile da costruire in quanto non necessita di condensatori variabili appositamente dimensionati, invece c'è una fornitura sufficiente di resistori (resistenze attive).

Grazie alle resistenze variabili, il circuito a ponte può essere bilanciato rispetto alle componenti di tensione reattiva e attiva. Un resistore variabile è calibrato in base ai valori di capacità, l'altro in base ai valori della tangente di perdita dielettrica. Di conseguenza, si ottiene un circuito in serie equivalente del condensatore studiato. La seguente uguaglianza rifletterà questo stato di equilibrio del ponte, e l'equiparazione delle parti immaginarie e reali darà solo i valori delle quantità ricercate:

Ma in realtà i parametri parassiti compaiono sempre e danno errori già alle frequenze audio. Induttanze, capacità e conduttanze parassite sono fonti di questi errori, la precisione della misurazione dell'angolo di perdita dielettrica è minacciata. Le misure per ridurre l'influenza di questi fattori sono l'avvolgimento non induttivo e capacitivo del primo resistore. Ma in realtà è semplicemente necessario compensare adeguatamente queste influenze.

Quindi, per compensare l'induttanza parassita, il condensatore trimero è collegato in parallelo con il secondo resistore. Inoltre le capacità parassite e le resistenze parassite derivano dalla presenza delle parti isolanti e del trasformatore, per cui è necessario effettuare una doppia schermatura del trasformatore stesso.Per ridurre l'effetto della capacità e della conduttività delle parti, sono realizzate con dielettrici di alta qualità, come il fluoroplastico. Un generatore di frequenze audio è adatto come fonte di alimentazione.

Le resistenze costanti utilizzate nei ponti offrono un vantaggio: non è necessario calibrare un resistore variabile. Nelle braccia c'è solo una resistenza costante, un condensatore costante e condensatori variabili. Le misurazioni delle loro capacità sono possibili direttamente. La capacità in esame viene semplicemente collegata ai terminali, dopodiché il ponte viene bilanciato regolando i condensatori variabili I calcoli vengono eseguiti secondo le formule da cui si può vedere che la scala per la tangente si ottiene direttamente dalla formula con capacità variabile, poiché la resistenza e la frequenza sono invariate:

I ponti di misura con bracci collegati induttivamente (ponti trasformatori) sono superiori ai ponti capacitivi sotto diversi aspetti: maggiore sensibilità in termini di tangente e capacità, bassa influenza delle conduttanze parassite collegate comunque in parallelo ai bracci.

I trasformatori a più sezioni possono ampliare notevolmente il campo operativo (scala di misura) del ponte. Esistono diversi modelli tipici di ponti a trasformatore, ma il più popolare è il doppio ponte a trasformatore:

La catena è completamente regolata enumerando il numero di giri; non ha bisogno di condensatori variabili o resistori variabili. In questo modo è possibile realizzare contatori con una vasta gamma di trasformatori multisezione, ed è richiesto un minimo di elementi campione.

Qui i circuiti sono isolati galvanicamente, cioè è ovvio che l'interferenza dovuta a connessioni parassite è minima, quindi i fili di collegamento possono essere relativamente lunghi. Le seguenti equazioni sono valide quando il ponte è in equilibrio:

Come sapete, quando si tratta di misurare le capacità dei condensatori, vengono in primo piano le perdite attive sotto forma di tangente di perdita dielettrica. Quindi, secondo questo parametro, i condensatori sono divisi in tre gruppi (e i circuiti equivalenti, rispettivamente, differiscono a questa frequenza):

I seguenti rapporti riflettono l'impedenza di un condensatore in un circuito CA e la sua tangente in circuiti equivalenti in serie e in parallelo:

La misurazione della capacità di un condensatore senza perdite viene eseguita secondo lo schema seguente, in cui due bracci attivi determinano i limiti di misurazione in base al rapporto dei loro valori e la capacità del campione è variabile. Qui, nel processo di misurazione, vengono selezionati i rapporti dei resistori, il valore della capacità del campione viene modificato. L'espressione dell'equilibrio del ponte è:

La misurazione della capacità a bassa perdita viene eseguita secondo lo schema della sequenza di sostituzione del condensatore, bilanciando il ponte modificando la capacità e la resistenza attiva, raggiungendo la lettura minima della scala dell'indicatore zero. La condizione di uguaglianza fornisce le seguenti espressioni:

Condensatori con perdite dielettriche significative richiedono nel circuito equivalente che la resistenza sia collegata in parallelo al campione, secondo lo schema sopra. La formula per la tangente sarà simile a questa:

Quindi, utilizzando i ponti, è possibile misurare le capacità di condensatori reali con valori nominali da unità di pF a decine di microfarad e con un alto grado di precisione (da 1 a 3 ordini di grandezza).

Misurando l'induttanza utilizzando l'approccio sopra descritto, è possibile eseguire il confronto con le capacità e non necessariamente con le induttanze, poiché la creazione di un'induttanza variabile accurata non è un compito facile. Quindi usano circuiti equivalenti di capacità campione invece di induttori. La condizione di equilibrio ti consente di trovare resistenza e induttanza, il risultato è scritto nella seguente forma:

Puoi anche trovare il fattore Q:

Naturalmente, la capacità da giro a giro darà piccole distorsioni, ma queste spesso risultano essere trascurabili.