Circuitos de puente de CA

Como vimos con los circuitos de medición de CC, la configuración del circuito conocida como puente puede ser una forma muy útil de medir valores desconocidos de resistencia.

Esto también es cierto con CA, y podemos aplicar el mismo principio a la medición precisa de impedancias desconocidas.

¿Cómo funciona un circuito puente?

Para revisar, el circuito puente funciona como un par de divisores de voltaje de dos componentes conectados a través de la misma fuente de voltaje, con un detector nulo movimiento del medidor conectado entre ellos para indicar una condición de "equilibrio" a cero voltios:

Un puente balanceado muestra una lectura "nula" o mínima en el indicador.

Cualquiera de las cuatro resistencias en el puente anterior puede ser la resistencia de valor desconocido, y su valor se puede determinar mediante una relación de las otras tres, que están "calibradas" o cuyas resistencias se conocen en un grado preciso.

Cuando el puente está en una condición balanceada (voltaje cero como lo indica el detector nulo), la relación resulta ser la siguiente:

En condiciones de saldo :

Una de las ventajas de usar un circuito puente para medir la resistencia es que el voltaje de la fuente de poder es irrelevante.

En términos prácticos, cuanto mayor sea la tensión de alimentación, más fácil será detectar una condición de desequilibrio entre las cuatro resistencias con el detector nulo y, por lo tanto, más sensible será.

Una tensión de alimentación mayor conduce a la posibilidad de una mayor precisión de medición. Sin embargo, no se introducirá ningún error fundamental como resultado de un voltaje de suministro de energía mayor o menor a diferencia de otros tipos de esquemas de medición de resistencia.

Puente de impedancia

Los puentes de impedancia funcionan igual, solo que la ecuación de equilibrio es con compleja cantidades, ya que tanto la magnitud como la fase en los componentes de los dos divisores deben ser iguales para que el detector nulo indique "cero".

El detector nulo, por supuesto, debe ser un dispositivo capaz de detectar voltajes de CA muy pequeños. A menudo se usa un osciloscopio para esto, aunque se pueden usar movimientos de medidor electromecánicos muy sensibles e incluso auriculares (parlantes pequeños) si la frecuencia de la fuente está dentro del rango de audio.

Detector nulo para CA

Una forma de maximizar la eficacia de los auriculares de audio como detector nulo es conectarlos a la fuente de señal a través de un transformador de adaptación de impedancia.

Los altavoces de los auriculares suelen ser unidades de baja impedancia (8 Ω), que requieren una corriente considerable para funcionar, por lo que un transformador reductor ayuda a "igualar" las señales de baja corriente con la impedancia de los altavoces de los auriculares.

Un transformador de salida de audio funciona bien para este propósito:(Figura siguiente)

Los auriculares "modernos" de bajo ohmio requieren un transformador de adaptación de impedancia para su uso como detector nulo sensible.

Usando un par de audífonos que rodean completamente los oídos (del tipo de "copa cerrada"), he podido detectar corrientes de menos de 0.1 µA con este circuito detector simple.

El rendimiento aproximadamente igual se obtuvo utilizando dos transformadores reductores diferentes:un transformador de potencia pequeño (relación de 120/6 voltios) y un transformador de salida de audio (relación de impedancia de 1000:8 ohmios).

Con el interruptor de botón en su lugar para interrumpir la corriente, este circuito se utiliza para detectar señales de CC a más de 2 MHz:incluso si la frecuencia está muy por encima o por debajo del rango de audio, se escuchará un "clic" en los auriculares cada vez que el se presiona y suelta el interruptor.

Conectado a un puente resistivo, todo el circuito se parece a la figura siguiente.

Puente con detector nulo de CA sensible.

Al escuchar los auriculares mientras se ajusta uno o más de los "brazos" de la resistencia del puente, se obtendrá una condición de equilibrio cuando los auriculares no produzcan "clics" (o tonos, si la frecuencia de la fuente de alimentación del puente está dentro del rango de audio). ) cuando se acciona el interruptor.

Al describir puentes de CA generales, donde impedancias y no solo las resistencias deben estar en la proporción adecuada para el equilibrio, a veces es útil dibujar las respectivas patas del puente en forma de componentes en forma de caja, cada uno con una cierta impedancia:(Figura siguiente)

Puente de impedancia CA generalizada:Z =impedancia compleja inespecífica.

Para que esta forma general del puente de CA se equilibre, las relaciones de impedancia de cada rama deben ser iguales:

Nuevamente, se debe enfatizar que las cantidades de impedancia en la ecuación anterior deben ser complejo, teniendo en cuenta tanto la magnitud como el ángulo de fase.

Es insuficiente que las magnitudes de impedancia por sí solas estén equilibradas; sin ángulos de fase en el equilibrio también, seguirá habiendo voltaje a través de los terminales del detector nulo y el puente no estará equilibrado.

Los circuitos de puente se pueden construir para medir casi cualquier valor de dispositivo deseado, ya sea capacitancia, inductancia, resistencia o incluso "Q".

Como siempre en los circuitos de medición de puente, la cantidad desconocida siempre se "equilibra" con un estándar conocido, obtenido de un componente calibrado de alta calidad cuyo valor se puede ajustar hasta que el dispositivo detector nulo indique una condición de equilibrio.

Dependiendo de cómo esté configurado el puente, el valor del componente desconocido puede determinarse directamente a partir de la configuración del estándar calibrado o derivarse de ese estándar a través de una fórmula matemática.

Ejemplo de circuitos puente

A continuación se muestran un par de circuitos de puente simples, uno para inductancia (Figura siguiente) y otro para capacitancia:

El puente simétrico mide un inductor desconocido en comparación con un inductor estándar.

El puente simétrico mide un capacitor desconocido en comparación con un capacitor estándar.

Los puentes "simétricos" simples como estos se denominan así porque exhiben simetría (similitud de imagen especular) de izquierda a derecha.

Los dos circuitos de puente que se muestran arriba se equilibran ajustando el componente reactivo calibrado (Ls o Cs).

Están un poco simplificados de sus contrapartes de la vida real, ya que los circuitos de puente simétricos prácticos a menudo tienen una resistencia variable calibrada en serie o en paralelo con el componente reactivo para equilibrar la resistencia parásita en el componente desconocido.

Pero, en el mundo hipotético de los componentes perfectos, estos circuitos de puente simples sirven para ilustrar el concepto básico.

Puente de Viena

Un ejemplo de un poco de complejidad adicional agregada para compensar los efectos del mundo real se puede encontrar en el llamado puente de Wien , que utiliza una impedancia estándar de condensador-resistor en paralelo para equilibrar una combinación de condensador-resistor en serie desconocida. (Figura siguiente)

Todos los condensadores tienen cierta cantidad de resistencia interna, ya sea literal o equivalente (en forma de pérdidas de calentamiento dieléctricas) que tienden a estropear sus naturalezas que de otro modo serían perfectamente reactivas.

Esta resistencia interna puede ser interesante de medir, por lo que el puente de Wien intenta hacerlo proporcionando una impedancia de equilibrio que tampoco es "pura":

Wein Bridge mide los componentes capacitivos Cx y resistivos Rx del capacitor "real".

Dado que hay dos componentes estándar que se deben ajustar (una resistencia y un condensador), este puente tardará un poco más en equilibrarse que los otros que hemos visto hasta ahora.

El efecto combinado de Rs y Cs es alterar la magnitud y el ángulo de fase hasta que el puente logre una condición de equilibrio.

Una vez que se logra ese equilibrio, los ajustes de Rs y Cs se pueden leer de sus perillas calibradas, la impedancia paralela de los dos se determina matemáticamente y la capacitancia y resistencia desconocidas se determina matemáticamente a partir de la ecuación de equilibrio (Z1 / Z2 =Z3 / Z4) .

En la operación del puente de Wien se asume que el capacitor estándar tiene una resistencia interna insignificante, o al menos que la resistencia ya se conoce, por lo que puede tenerse en cuenta en la ecuación de equilibrio.

Los puentes de Wien son útiles para determinar los valores de los diseños de condensadores con "pérdidas", como los electrolíticos, donde la resistencia interna es relativamente alta.

También se utilizan como medidores de frecuencia porque el equilibrio del puente depende de la frecuencia.

Cuando se usan de esta manera, los capacitores se hacen fijos (y generalmente de igual valor) y las dos resistencias superiores se hacen variables y se ajustan por medio de la misma perilla.

Una variación interesante de este tema se encuentra en el siguiente circuito puente, que se utiliza para medir con precisión las inductancias.

Puente Maxwell-Wein

El puente Maxwell-Wein mide un inductor en términos de un condensador estándar.

Este ingenioso circuito de puente se conoce como puente Maxwell-Wien (a veces conocido simplemente como el puente Maxwell ) y se utiliza para medir inductancias desconocidas en términos de resistencia y capacitancia calibradas. (Figura anterior)

Los inductores de grado de calibración son más difíciles de fabricar que los condensadores de precisión similar, por lo que el uso de un simple puente de inductancia "simétrico" no siempre es práctico.

Debido a que los cambios de fase de los inductores y condensadores son exactamente opuestos entre sí, una impedancia capacitiva puede equilibrar una impedancia inductiva si están ubicados en patas opuestas de un puente, como están aquí.

Otra ventaja de usar un puente Maxwell para medir la inductancia en lugar de un puente de inductancia simétrico es la eliminación del error de medición debido a la inductancia mutua entre dos inductores.

Los campos magnéticos pueden ser difíciles de proteger, e incluso una pequeña cantidad de acoplamiento entre las bobinas de un puente puede introducir errores sustanciales en determinadas condiciones. Sin un segundo inductor que reaccione dentro del puente Maxwell, este problema se elimina.

Para una operación más fácil, el condensador estándar (Cs) y la resistencia en paralelo con él (Rs) se hacen variables, y ambos deben ajustarse para lograr el equilibrio.

Sin embargo, se puede hacer que el puente funcione si el capacitor es fijo (no variable) y más de un resistor se hace variable (al menos el resistor en paralelo con el capacitor, y uno de los otros dos).

Sin embargo, en la última configuración, se necesitan más ajustes de prueba y error para lograr el equilibrio, ya que las diferentes resistencias variables interactúan para equilibrar la magnitud y la fase.

A diferencia del puente simple de Wien, el equilibrio del puente Maxwell-Wien es independiente de la frecuencia de la fuente y, en algunos casos, este puente se puede equilibrar en presencia de frecuencias mixtas de la fuente de voltaje de CA, siendo el factor limitante el inductor estabilidad en un amplio rango de frecuencias.

Hay más variaciones más allá de estos diseños, pero no se justifica una discusión completa aquí. Se fabrican circuitos de puente de impedancia de propósito general que se pueden cambiar a más de una configuración para una máxima flexibilidad de uso.

Un problema potencial en los circuitos de puente de CA sensibles es el de la capacitancia parásita entre cualquier extremo de la unidad del detector nulo y el potencial de tierra (tierra).

Debido a que las capacitancias pueden "conducir" corriente alterna al cargar y descargar, forman rutas de corriente parásitas hacia la fuente de voltaje de CA que pueden afectar el equilibrio del puente:

La capacitancia perdida al suelo puede introducir errores en el puente.

Si bien los medidores tipo lengüeta son imprecisos, su principio operativo no lo es. En lugar de la resonancia mecánica, podemos sustituir la resonancia eléctrica y diseñar un medidor de frecuencia utilizando un inductor y un condensador en forma de circuito de tanque (inductor y condensador en paralelo).

Uno o ambos componentes se hacen ajustables y se coloca un medidor en el circuito para indicar la amplitud máxima del voltaje a través de los dos componentes.

Las perillas de ajuste están calibradas para mostrar la frecuencia de resonancia para cualquier configuración dada, y la frecuencia se lee después de que el dispositivo se ha ajustado para la indicación máxima en el medidor.

Esencialmente, este es un circuito de filtro sintonizable que se ajusta y luego se lee de una manera similar a un circuito puente (que debe equilibrarse para una condición "nula" y luego leerse).

El problema empeora si la fuente de voltaje de CA está firmemente conectada a tierra en un extremo, la impedancia parásita total para las corrientes de fuga es mucho menor y cualquier corriente de fuga a través de estas capacitancias parásitas aumenta como resultado:

Los errores de capacitancia parásita son más graves si un lado del suministro de CA está conectado a tierra.

Wagner Ground

Una forma de reducir en gran medida este efecto es mantener el detector nulo al potencial de tierra, de modo que no haya voltaje de CA entre él y la tierra y, por lo tanto, no habrá corriente a través de capacitancias parásitas.

Sin embargo, conectar directamente el detector nulo al suelo no es una opción, ya que crearía un directo ruta de corriente para corrientes parásitas, que sería peor que cualquier ruta capacitiva.

En su lugar, un circuito divisor de voltaje especial llamado tierra Wagner o tierra de Wagner puede usarse para mantener el detector nulo a potencial de tierra sin la necesidad de una conexión directa al detector nulo. (Figura siguiente)

La conexión a tierra Wagner para suministro de CA minimiza los efectos de la capacitancia parásita al suelo en el puente.

El circuito de tierra de Wagner no es más que un divisor de voltaje, diseñado para tener la relación de voltaje y el cambio de fase en cada lado del puente.

Debido a que el punto medio del divisor de Wagner está directamente conectado a tierra, cualquier otro circuito divisor (incluidos los lados del puente) que tenga las mismas proporciones de voltaje y fases que el divisor de Wagner, y alimentado por la misma fuente de voltaje de CA, estará al potencial de tierra como bueno.

Por lo tanto, el divisor de tierra de Wagner fuerza al detector nulo a estar al potencial de tierra, sin una conexión directa entre el detector y la tierra.

A menudo existe una disposición en la conexión del detector nulo para confirmar la configuración adecuada del circuito divisor de tierra de Wagner:un interruptor de dos posiciones, (Figura siguiente) para que un extremo del detector nulo se pueda conectar al puente o al Tierra de Wagner.

Cuando el detector nulo registra señal cero en ambas posiciones del interruptor, no solo se garantiza que el puente esté equilibrado, sino que también se garantiza que el detector nulo estará a potencial cero con respecto a tierra, eliminando así cualquier error debido a corrientes de fuga a través del detector parásito. -capacidades a tierra:

La posición del interruptor hacia arriba permite el ajuste del suelo de Wagner.

REVISAR:

• Los circuitos de puente de CA funcionan con el mismo principio básico que los circuitos de puente de CC:que una relación equilibrada de impedancias (en lugar de resistencias) dará como resultado una condición "equilibrada" según lo indicado por el dispositivo detector de nulos.
• Los detectores nulos para puentes de CA pueden ser movimientos sensibles de medidores electromecánicos, osciloscopios (CRT), auriculares (amplificados o no amplificados) o cualquier otro dispositivo capaz de registrar niveles de voltaje de CA muy pequeños. Al igual que los detectores nulos de CC, su único punto requerido de precisión de calibración es cero.
• Los circuitos de puente de CA pueden ser del tipo "simétrico" donde una impedancia desconocida se equilibra con una impedancia estándar de tipo similar en el mismo lado (superior o inferior) del puente. O pueden ser "asimétricas", utilizando impedancias paralelas para equilibrar las impedancias en serie, o incluso capacitancias que equilibran las inductancias.
• Los circuitos de puente de CA a menudo tienen más de un ajuste, ya que tanto la magnitud de impedancia como el ángulo de fase debe coincidir correctamente con el equilibrio.
• Algunos circuitos de puente de impedancia son sensibles a la frecuencia, mientras que otros no lo son. Los tipos sensibles a la frecuencia pueden usarse como dispositivos de medición de frecuencia si todos los valores de los componentes se conocen con precisión.
• Una tierra de Wagner o terreno de Wagner es un circuito divisor de voltaje agregado a los puentes de CA para ayudar a reducir los errores debidos a la capacitancia parásita que acopla el detector nulo a tierra.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de análisis de red de CA