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交流桥电路

第12章 - 交流计量电路

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我们看到了直流测量电路,称为a的电路配置可以是一种非常有用的方法来测量未知的值吗电阻

这也是如此,我们也可以将相同的原则应用于未知阻抗的准确测量。

桥电路是如何工作的?

审查,桥电路工作作为一对两组成部分电压分规连接在相同的源电压上,具有anull-detector在它们之间连接仪表移动,以指示零伏特的“平衡”条件:

平衡电桥在指示器上显示“零”,或最小读数。

平衡电桥在指示器上显示“零”,或最小读数。

上述桥中的四个电阻中的任何一个都可以是未知值的电阻器,并且其值可以通过其他三个的比率确定,其“校准”或其电阻在精确度上已知其电阻。

当桥接桥处于平衡状态(由空检测器指示的零电压)时,该比率为此:

在一个条件下平衡

平衡比率

使用桥接电路测量电阻的一个优点是电源的电压是无关紧要的。

实际上,电源电压越高,就越容易用零检测器检测到四个电阻之间不平衡的情况,因此就越敏感。

更大的电源电压导致增加测量精度的可能性。然而,与其他类型的电阻测量方案不同,不会因为电源电压较小或较大而引入基本误差。

阻抗桥

阻抗桥的工作原理是一样的,只是平衡方程是复杂的数量,随着两个分隔器的组件的幅度和阶段必须相等,以便为空检测器指示“零”。

当然,空探测器必须是能够检测非常小的AC电压的设备。通常用于此示波器,尽管如果源频率在音频范围内,但可以使用非常敏感的机电仪片运动甚至耳机(小扬声器)。

禁止禁用仪

最大化音频耳机作为空探测器的有效性的一种方法是通过阻抗匹配将它们连接到信号源变压器

耳机扬声器通常是低阻抗单元(8Ω),需要大量电流驱动,因此降压变压器有助于将低电流信号与耳机扬声器的阻抗“匹配”。

音频输出变压器适用于此目的:(下图)

“现代”低欧姆耳机需要阻抗匹配变压器,用作敏感的空探测器。

“现代”低欧姆耳机需要阻抗匹配变压器,用作敏感的空探测器。

使用一对完全围绕耳朵的耳机(“闭合杯”类型),我能用这个简单的检测电路检测小于0.1μA的电流。

使用两个不同的降压变压器获得了大致相同的性能:一个小功率变压器(120/6伏特比)和一个音频输出变压器(1000:8欧姆阻抗比)。

随着按钮开关的位置中断电流,该电路用于检测信号从直流到超过2mhz:即使频率远高于或低于音频范围,将听到“点击”从耳机每次开关被按下和释放。

连接到电阻桥,整个电路看起来像下图。

桥与敏感的交流空探测器。

桥与敏感的交流空探测器。

当调节电桥的一个或多个电阻“臂”时听耳机,当开关启动时,耳机不能产生“咔嗒”声(或铃声,如果电桥的电源频率在音频范围内)时,就会实现平衡状态。

在描述通用交流桥时,在哪里阻碍不仅仅是抵抗必须处于适当的平衡比率,有时有助于以箱形部件的形式绘制相应的桥腿,每一个具有一定阻抗:(下图)

广义交流阻抗桥:Z =非特异性复杂阻抗。

广义交流阻抗桥:Z =非特异性复杂阻抗。

对于这种常规形式的交流桥来平衡,每个分支的阻抗比必须等于:

交流桥阻抗比

同样,必须强调的是,上述等式中的阻抗量必须复杂,占幅度和相位角度。

仅仅平衡阻抗大小是不够的;如果平衡中没有相位角,那么零检测器的两端仍然会有电压,电桥也不会平衡。

可以构建桥接电路以测量所需的任何设备值,是电容,电感,电阻甚至“Q”。

在桥梁测量电路中,未知数量始终是“平衡”,该已知标准从高质量的校准组件获得,直到空检测器设备指示平衡条件。

根据桥接器的设置方式,可以通过数学公式直接从校准标准的设置或从该标准派生的设置来确定未知组件的值。

桥电路的例子

如下所示的一些简单桥接电路,一个用于电感(下图),一个用于电容:

通过与标准电感相比,对称桥梁测量未知电感器。

通过与标准电感相比,对称桥梁测量未知电感器。

与标准电容相比,对称桥梁测量未知电容。

与标准电容相比,对称桥梁测量未知电容。

简单的“对称”桥梁,如这些,因为它们从左到右表现出对称性(镜像相似性)。

通过调整校准的反应性分量(LS或CS)来平衡上面所示的两个桥接电路。

与现实生活中的对应电路相比,它们有一点简化,因为实际的对称桥电路通常有一个校准的、可变的电阻与无功元件串联或并联,以平衡未知元件中的杂散电阻。

但是,在完美部件的假设世界中,这些简单的桥接电路确实很好地说明了基本概念。

文氏桥

在所谓的所谓的情况下,添加了补偿真实效果的额外复杂性的一个例子维恩桥,它使用a平行电容器电阻器用标准阻抗来平衡未知值系列电容器电阻器组合。(下图)

所有电容器都具有一定量的内阻,是IT文字或等同物(以介电加热损失的形式),其倾向于破坏其它完美的反应性的自然。

这种内部电阻可能是衡量的,因此维也纳桥梁试图通过提供不“纯粹”的平衡阻抗来实现:

魏桥衡量“真实”电容器的电容CX和电阻RX组件。

魏桥衡量“真实”电容器的电容CX和电阻RX组件。

由于有两个标准组件需要调整(a电阻器A.电容器)这座桥梁将需要更多的时间来平衡,而不是我们到目前为止看到的其他时间。

Rs和Cs的共同作用是改变电桥的幅值和相位角,直到电桥达到平衡的状态。

一旦达到平衡,Rs和Cs的设置可以从它们校准的旋钮中读取,两者的并行阻抗可以通过数学方法确定,未知电容和电阻可以通过平衡方程(Z1/Z2 = Z3/Z4)通过数学方法确定。

假设在WIEN桥的操作中,标准电容器具有可忽略的内部电阻,或者至少已知电阻,使得它可以在平衡方程中进行。

Wien桥梁对于确定电容器的“有损”电容器设计的值非常有用,其中内阻相对较高。

它们也被用作频率仪表,因为桥的平衡是替代的。

当采用这种方式时,电容器是固定的(通常是相等的),顶部的两个电阻是可变的,并通过相同的旋钮进行调整。

在下一个桥接电路中发现了对此主题的有趣变化,用于精确测量电感。

Maxwell-Wein桥

Maxwell-Wein Bridge在电容标准方面测量电感器。

Maxwell-Wein Bridge在电容标准方面测量电感器。

这种巧妙的桥接电路被称为Maxwell-Wien桥(有时被清楚地知道麦克斯韦桥)并且用于根据校准电阻和电容来测量未知电感。(上图)

校准级电感器比类似精度的电容器更难以制造,因此使用简单的“对称”电感桥并不总是实用的。

因为电感和电容的相位差是完全相反的,所以如果电容阻抗位于桥的两端,就像这里一样,电容阻抗可以抵消电感阻抗。

使用麦克斯韦电桥而不是对称电感电桥来测量电感的另一个优点是消除了由于两个电感之间的互感造成的测量误差。

磁场可能难以屏蔽,甚至桥中线圈之间的少量耦合也可以在某些条件下引入大量误差。没有第二个电感在麦克斯韦桥内反应,消除了这个问题。

对于最简单的操作,标准电容(CS)和与其并联(RS)的电阻使变量变化,两者都必须调整以实现平衡。

然而,如果电容器固定(非变量)并且多于一个电阻器(至少与电容器并联的电阻器,以及其他两个中的至少一个),则可以使桥梁进行工作。

但是,在后一种配置中,由于不同的可变电阻在平衡幅度和相位中相互作用,因此需要更多的试验和错误调整以实现余额。

Unlike the plain Wien bridge, the balance of the Maxwell-Wien bridge is independent of source frequency, and in some cases, this bridge can be made to balance in the presence of mixed frequencies from the AC voltage source, the limiting factor being the inductor’s stability over a wide frequency range.

这些设计中有更多的变化,但这里不需要完整的讨论。制造通用阻抗桥电路,可以切换到多个配置中以进行最大的使用灵活性。

在灵敏的交流桥电路中,一个潜在的问题是零检测器单元的两端和地(地)电位之间的杂散电容。

因为电容可以通过充电和放电“传导”交流电流,它们形成杂散电流路径到交流电压源,这可能影响桥平衡:

与地面的杂散电容可能将错误引入桥梁。

与地面的杂散电容可能将误差引入桥梁。

虽然芦苇式仪表不精确,但它们的操作原则不是。代替机械共振,我们可以替代电气共振并设计了一种采用电容和电感组成的槽式电路(并联电感和电容)的频率计。

将一个或两个部件调节,仪表放置在电路中以指示两种组件上的电压的最大幅度。

调整旋钮被校准以显示任何给定设置的谐振频率,并且在将设备调整到仪表上的最大指示后,从它们读取频率。

本质上,这是一个可调滤波器电路,它被调整,然后以类似于桥式电路的方式读取(必须平衡为“零”条件,然后读取)。

如果AC电压源在一端牢固接地,则泄漏电流的总杂散阻抗远越少,通过这些杂散电容的总体漏电流产生的总体流动阻抗更大:

如果AC电源的一侧接地,则杂散电容误差更严重。

如果AC电源的一侧接地,则杂散电容误差更严重。

瓦格纳地面

大大减少这种效果的一种方法是将空检测器保持在地电位,因此它与地面没有AC电压,因此通过杂散电容没有电流。

但是,直接将空探测器直接连接到地面不是一个选项,因为它会创建一个直接杂散电流的电流路径,比任何电容路径更差。

相反,一个特殊的分压器电路叫A.瓦格纳地面或者瓦格纳地球可用于使零检测器保持在地电位,而不需要直接连接到零检测器。(下图)

交流电源的瓦格纳地面最大限度地减少了桥梁电容对桥梁地面的影响。

AC电源的瓦格纳地面最大限度地减少了杂散电容对桥梁地面的影响。

瓦格纳接地电路的只是一个分压器,设计用于具有电压比和相移作为桥的每一侧。

因为瓦格纳分频器的中点直接接地,所以任何其他分频器电路(包括桥的两侧)具有与瓦格纳分压器相同的电压比例和相位,并且由相同的交流电压源供电,将在地电位下出色地。

因此,瓦格纳地球分压器迫使空检测器处于地电位,而没有检测器和地之间的直接连接。

NULL检测器连接通常在瓦格纳地球分频器电路的正确设置中进行了规定:两个位置开关(下图),使得空探测器的一端可以连接到桥梁或桥梁瓦格纳地球。

当空位检测器寄存在两个开关位置中的零信号时,桥不仅可以保证平衡,而且还保证相对于地的零电位,因此消除了由于漏洞探测器的漏电流而产生的任何误差-TO-地电容:

切换位置允许调整瓦格纳地面。

切换位置允许调节瓦格纳地面。

审查:

  • 交流桥接电路的工作原理与直流桥接电路相同:阻抗(而不是电阻)的平衡比率将导致“平衡”的状态,如零检测器设备所示。
  • 用于AC桥的空探测器可以是敏感的机电仪表运动,示波器(CRT),耳机(放大或未说明)或能够注册非常小的AC电压电平的任何其他装置。与DC空探测器一样,其唯一所需的校准精度为零。
  • 交流桥电路可以是“对称”类型,其中未知阻抗通过桥的同一侧(顶部或底部)上的类似类型的标准阻抗平衡。或者,它们可以使用并行阻抗来平衡串联阻抗,甚至电容平衡电感的“非对称”。
  • 交流桥电路通常具有多于一个调整,因为两个阻抗幅度相位角必须正确匹配以平衡。
  • 一些阻抗桥电路是频率敏感的,而其他阻抗桥电路也不是。如果所有组件值都被准确地知道,则频率敏感类型可以用作频率测量设备。
  • 一种瓦格纳地球或者瓦格纳地面是加入AC桥的分压器电路,以帮助减少由于偏离空检测器的杂散电容而导致的误差。

相关工作表: