Circuitos de puente

Ningún texto sobre medición eléctrica podría considerarse completo sin una sección sobre circuitos puente. Estos ingeniosos circuitos utilizan un medidor de equilibrio nulo para comparar dos voltajes, al igual que la balanza de laboratorio compara dos pesos e indica cuándo son iguales. A diferencia del circuito de "potenciómetro" que se usa para medir simplemente un voltaje desconocido, los circuitos de puente se pueden usar para medir todo tipo de valores eléctricos, entre los que destaca la resistencia.

Puente de Wheatstone

El circuito de puente estándar, a menudo llamado puente de Wheatstone , se parece a esto:

Cuando el voltaje entre el punto 1 y el lado negativo de la batería es igual al voltaje entre el punto 2 y el lado negativo de la batería, el detector nulo indicará cero y se dice que el puente está "equilibrado". El estado de equilibrio del puente depende únicamente de las proporciones de R _a / R _b y R ₁ / R ₂ , y es bastante independiente del voltaje de suministro (batería).

Para medir la resistencia con un puente de Wheatstone, se conecta una resistencia desconocida en el lugar de R _a o R _b , mientras que las otras tres resistencias son dispositivos de precisión de valor conocido. Cualquiera de las otras tres resistencias se puede reemplazar o ajustar hasta que el puente esté equilibrado, y cuando se haya alcanzado el equilibrio, el valor desconocido de la resistencia se puede determinar a partir de las relaciones de las resistencias conocidas.

Un requisito para que este sea un sistema de medición es disponer de un conjunto de resistencias variables cuyas resistencias se conozcan con precisión, que sirvan como estándares de referencia. Por ejemplo, si conectamos un circuito puente para medir una resistencia desconocida R _x , tendremos que conocer el exacto valores de las otras tres resistencias en equilibrio para determinar el valor de R _x :

Cada una de las cuatro resistencias en un circuito de puente se conoce como brazos . La resistencia en serie con la resistencia desconocida R _x (esto sería R _a en el esquema anterior) se denomina comúnmente reóstato del puente, mientras que las otras dos resistencias se denominan relación brazos del puente.

Los estándares de resistencia precisos y estables, afortunadamente, no son tan difíciles de construir. De hecho, fueron algunos de los primeros dispositivos eléctricos "estándar" fabricados con fines científicos. Aquí hay una fotografía de una unidad estándar de resistencia antigua:

Este estándar de resistencia que se muestra aquí es variable en pasos discretos:la cantidad de resistencia entre los terminales de conexión podría variar con el número y patrón de enchufes de cobre extraíbles insertados en los enchufes.

Los puentes de Wheatstone se consideran un medio superior de medición de resistencia al circuito de medidor de resistencia de movimiento de batería en serie que se discutió en la última sección. A diferencia de ese circuito, con todas sus no linealidades (escala no lineal) y las inexactitudes asociadas, el circuito puente es lineal (las matemáticas que describen su funcionamiento se basan en relaciones y proporciones simples) y bastante preciso.

Dadas resistencias estándar de suficiente precisión y un dispositivo detector de nulos de suficiente sensibilidad, se pueden lograr precisiones de medición de resistencia de al menos +/- 0.05% con un puente de Wheatstone. Es el método preferido de medición de resistencia en los laboratorios de calibración debido a su alta precisión.

Hay muchas variaciones del circuito básico del puente de Wheatstone. La mayoría de los puentes de CC se utilizan para medir la resistencia, mientras que los puentes alimentados por corriente alterna (CA) se pueden utilizar para medir diferentes cantidades eléctricas como inductancia, capacitancia y frecuencia.

Puente doble Kelvin

Una variación interesante del puente de Wheatstone es el puente doble Kelvin , utilizado para medir resistencias muy bajas (normalmente menos de 1/10 de un ohmio). Su diagrama esquemático es como tal:

Las resistencias de bajo valor están representadas por símbolos de línea gruesa, y los cables que las conectan a la fuente de voltaje (que transportan alta corriente) también están dibujados de manera gruesa en el esquema. Este puente de configuración extraña quizás se comprenda mejor comenzando con un puente de Wheatstone estándar configurado para medir baja resistencia y evolucionándolo paso a paso hasta su forma final en un esfuerzo por superar ciertos problemas encontrados en la configuración estándar de Wheatstone. Si tuviéramos que usar un puente Wheatstone estándar para medir baja resistencia, se vería así:

Cuando el detector nulo indica voltaje cero, sabemos que el puente está balanceado y que las relaciones R _a / R _x y R _M / R _N son matemáticamente iguales entre sí. Conociendo los valores de Ra, R _M y R _N por lo tanto, nos proporciona los datos necesarios para resolver R _x . . . casi.

Tenemos un problema, ya que las conexiones y los cables de conexión entre R _a y R _x poseen resistencia también, y esta resistencia parásita puede ser sustancial en comparación con las bajas resistencias de R _a y R _x . Estas resistencias parásitas caerán un voltaje sustancial, dada la alta corriente que las atraviesa, y por lo tanto afectarán la indicación del detector nulo y, por lo tanto, el equilibrio del puente:

Dado que no queremos medir estos cables perdidos y las resistencias de conexión, solo medimos R _x , debemos encontrar alguna forma de conectar el detector nulo para que no se vea afectado por la caída de voltaje a través de ellos. Si conectamos el detector nulo y R _M / R _N brazos de proporción directamente a través de los extremos de R _a y R _x , esto nos acerca a una solución práctica:

Ahora los dos E _cables superiores las caídas de tensión no afectan al detector nulo y no influyen en la precisión de R _x Medición de resistencia. Sin embargo, los dos _cables E restantes las caídas de voltaje causarán problemas, ya que el cable que conecta el extremo inferior de R _a con el extremo superior de R _x ahora está derivando a través de esas dos caídas de voltaje y conducirá una corriente sustancial, introduciendo caídas de voltaje parásitas a lo largo de su propia longitud también.

Sabiendo que el lado izquierdo del detector nulo debe conectarse a los dos extremos cercanos de R _a y R _x para evitar introducir esos E _cable el voltaje cae en el bucle del detector nulo, y que cualquier cable directo que conecte esos extremos de R _a y R _x transportará una corriente sustancial y creará más caídas de voltaje, la única forma de salir de esta situación es hacer la ruta de conexión entre el extremo inferior de R _a y el extremo superior de R _x sustancialmente resistivo:

Podemos gestionar las caídas de voltaje parásitas entre R _a y R _x dimensionando las dos nuevas resistencias de modo que su relación de superior a inferior sea la misma que la de los dos brazos de relación en el otro lado del detector nulo. Es por eso que estas resistencias se etiquetaron como R _m y R _n en el esquema de puente doble Kelvin original:para indicar su proporcionalidad con R _M y R _N .

Con relación R _m / R _n establecer igual a la relación R _M / R _N , resistencia del brazo del reóstato R _a se ajusta hasta que el detector nulo indica equilibrio, y luego podemos decir que R _a / R _x es igual a R _M / R _N o simplemente busque R _x por la siguiente ecuación:

La ecuación de equilibrio real del puente doble Kelvin es la siguiente (R _alambre es la resistencia del cable de conexión grueso entre el estándar de baja resistencia R _a y la prueba de resistencia R _x ):

Siempre que la relación entre R _M y R _N es igual a la relación entre Rm y Rn, la ecuación de equilibrio no es más compleja que la de un puente de Wheatstone normal, con R _x / R _a igual a R _N / R _M , porque el último término de la ecuación será cero, cancelando los efectos de todas las resistencias excepto R _x , R _a , R _M y R _N .

En muchos circuitos de puente doble Kelvin, R _M =R _m y R _N =R _n . Sin embargo, cuanto menor sea la resistencia de R _m y R _n , más sensible será el detector nulo, porque hay menos resistencia en serie con él. El aumento de la sensibilidad del detector es bueno, porque permite detectar desequilibrios más pequeños y, por lo tanto, lograr un grado más fino de equilibrio del puente.

Por lo tanto, algunos puentes Kelvin Double de alta precisión usan R _m y R _n valores tan bajos como 1/100 de sus contrapartes del brazo de relación (R _M y R _N , respectivamente). Sin embargo, desafortunadamente, cuanto más bajos sean los valores de R _m y R _n , más corriente llevarán, lo que aumentará el efecto de las resistencias de unión presentes donde R _m y R _n conectar a los extremos de R _a y R _x . Como puede ver, la alta precisión del instrumento exige que todos Se deben tener en cuenta los factores que producen errores y, a menudo, lo mejor que se puede lograr es un compromiso que minimice dos o más tipos diferentes de errores.

REVISAR:

• Los circuitos de puente se basan en medidores sensibles de voltaje nulo para comparar dos voltajes para determinar la igualdad.
• Un puente de Wheatstone se puede usar para medir la resistencia comparando la resistencia desconocida con las resistencias de precisión de valor conocido, al igual que una balanza de laboratorio mide un peso desconocido comparándolo con pesos estándar conocidos.
• Un puente doble Kelvin es una variante del puente de Wheatstone que se utiliza para medir resistencias muy bajas. Su complejidad adicional sobre el diseño básico de Wheatstone es necesaria para evitar errores en los que incurrirían las resistencias parásitas a lo largo de la ruta actual entre el estándar de baja resistencia y la resistencia que se mide.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo del circuito de puente de CC
• Hoja de trabajo del circuito del puente de CA