Circuitos de ponte

Nenhum texto sobre medição elétrica pode ser considerado completo sem uma seção sobre circuitos de ponte. Esses circuitos engenhosos usam um medidor de equilíbrio nulo para comparar duas tensões, assim como a balança de laboratório compara dois pesos e indica quando eles são iguais. Ao contrário do circuito “potenciômetro” usado para simplesmente medir uma tensão desconhecida, os circuitos em ponte podem ser usados ​​para medir todos os tipos de valores elétricos, incluindo a resistência.

Ponte de Wheatstone

O circuito de ponte padrão, geralmente chamado de ponte de Wheatstone , é mais ou menos assim:



Quando a tensão entre o ponto 1 e o lado negativo da bateria é igual à tensão entre o ponto 2 e o lado negativo da bateria, o detector de nulo indicará zero e a ponte será considerada "equilibrada". O estado de equilíbrio da ponte depende exclusivamente das relações de R _a / R _b e R ₁ / R ₂ , e é totalmente independente da tensão de alimentação (bateria).

Para medir a resistência com uma ponte de Wheatstone, uma resistência desconhecida é conectada no lugar de R _a ou R _b , enquanto os outros três resistores são dispositivos de precisão de valor conhecido. Qualquer um dos outros três resistores pode ser substituído ou ajustado até que a ponte esteja equilibrada e, quando o equilíbrio for alcançado, o valor do resistor desconhecido pode ser determinado a partir das relações das resistências conhecidas.

Um requisito para que este seja um sistema de medição é ter disponível um conjunto de resistores variáveis ​​cujas resistências sejam precisamente conhecidas, para servir como padrões de referência. Por exemplo, se conectarmos um circuito de ponte para medir uma resistência desconhecida R _x , teremos que saber o exato valores dos outros três resistores em equilíbrio para determinar o valor de R _x :



Cada uma das quatro resistências em um circuito de ponte são referidas como braços . O resistor em série com a resistência desconhecida R _x (seria R _a no esquema acima) é comumente chamado de reostato da ponte, enquanto os outros dois resistores são chamados de relação braços da ponte.

Padrões de resistência precisos e estáveis, felizmente, não são tão difíceis de construir. Na verdade, eles foram alguns dos primeiros dispositivos elétricos “padrão” feitos para fins científicos. Aqui está uma fotografia de uma unidade padrão de resistência antiga:



Este padrão de resistência mostrado aqui é variável em etapas discretas:a quantidade de resistência entre os terminais de conexão pode ser variada com o número e o padrão dos plugues de cobre removíveis inseridos nos soquetes.

As pontes de Wheatstone são consideradas um meio superior de medição de resistência para o circuito medidor de resistência de movimento de bateria em série discutido na última seção. Ao contrário desse circuito, com todas as suas não linearidades (escala não linear) e imprecisões associadas, o circuito da ponte é linear (a matemática que descreve sua operação é baseada em razões e proporções simples) e bastante preciso.

Dadas as resistências padrão de precisão suficiente e um dispositivo detector de nulo de sensibilidade suficiente, precisões de medição de resistência de pelo menos +/- 0,05% são atingíveis com uma ponte de Wheatstone. É o método preferido de medição de resistência em laboratórios de calibração devido à sua alta precisão.

Existem muitas variações do circuito de ponte de Wheatstone básico. A maioria das pontes CC é usada para medir resistência, enquanto pontes alimentadas por corrente alternada (CA) podem ser usadas para medir diferentes quantidades elétricas como indutância, capacitância e frequência.

Ponte Dupla de Kelvin

Uma variação interessante da ponte Wheatstone é a ponte Kelvin dupla , usado para medir resistências muito baixas (normalmente menos de 1/10 de um ohm). Seu diagrama esquemático é assim:



Os resistores de baixo valor são representados por símbolos de linha grossa, e os fios que os conectam à fonte de tensão (carregando alta corrente) são igualmente desenhados no esquema. Esta ponte estranhamente configurada talvez seja melhor compreendida começando com uma ponte Wheatstone padrão configurada para medir baixa resistência e evoluindo passo a passo em sua forma final em um esforço para superar certos problemas encontrados na configuração Wheatstone padrão. Se fôssemos usar uma ponte de Wheatstone padrão para medir a baixa resistência, seria algo assim:



Quando o detector de nulo indica tensão zero, sabemos que a ponte está equilibrada e que as relações R _a / R _x e R _M / R _N são matematicamente iguais entre si. Conhecendo os valores de Ra, R _M e R _N portanto, nos fornece os dados necessários para resolver R _x . . . quase.

Temos um problema, nas conexões e fios de conexão entre R _a e R _x possuem resistência também, e esta resistência perdida pode ser substancial em comparação com as baixas resistências de R _a e R _x . Essas resistências parasitas cairão de voltagem substancial, dada a alta corrente através delas, e assim afetarão a indicação do detector de nulo e, portanto, o equilíbrio da ponte:



Uma vez que não queremos medir essas resistências de fio e conexão perdidas, mas apenas medir R _x , devemos encontrar uma maneira de conectar o detector de nulo para que ele não seja influenciado pela queda de tensão entre eles. Se conectarmos o detector de nulo e R _M / R _N proporção de braços diretamente nas extremidades de R _a e R _x , isso nos deixa mais perto de uma solução prática:



Agora, os dois principais _fio as quedas de tensão não têm efeito para o detector nulo e não influenciam a precisão de R _x Medição da resistência. No entanto, os dois restantes E _fio quedas de tensão causarão problemas, pois o fio que conecta a extremidade inferior de R _a com a extremidade superior de R _x agora está se desviando dessas duas quedas de tensão e conduzirá uma corrente substancial, introduzindo quedas de tensão parasitas ao longo de seu próprio comprimento também.

Saber que o lado esquerdo do detector de nulo deve se conectar às duas extremidades próximas de R _a e R _x a fim de evitar a introdução desses E _fio a tensão cai no loop do detector de nulo, e qualquer fio direto conectando essas extremidades de R _a e R _x carregará uma corrente substancial e criará mais quedas de tensão parasitas, a única maneira de sair dessa situação é fazer o caminho de conexão entre a extremidade inferior de R _a e a extremidade superior de R _x substancialmente resistivo:



Podemos gerenciar as quedas de tensão parasitas entre R _a e R _x dimensionando os dois novos resistores de modo que sua proporção de superior para inferior seja a mesma proporção dos dois braços de proporção no outro lado do detector de nulo. É por isso que esses resistores foram rotulados R _m e R _n no esquema da ponte dupla Kelvin original:para indicar sua proporcionalidade com R _M e R _N .



Com proporção R _m / R _n definir igual à proporção R _M / R _N , resistor de braço reostato R _a é ajustado até que o detector de nulo indique equilíbrio, e então podemos dizer que R _a / R _x é igual a R _M / R _N ou simplesmente encontre R _x pela seguinte equação:



A equação de equilíbrio real da ponte Kelvin dupla é a seguinte (R _fio é a resistência do fio de conexão grosso entre o padrão de baixa resistência R _a e a resistência de teste R _x ):



Contanto que a proporção entre R _M e R _N é igual à razão entre Rm e Rn, a equação de equilíbrio não é mais complexa do que a de uma ponte de Wheatstone regular, com R _x / R _a igual a R _N / R _M , porque o último termo na equação será zero, cancelando os efeitos de todas as resistências, exceto R _x , R _a , R _M e R _N .

Em muitos circuitos de ponte dupla Kelvin, R _M =R _m e R _N =R _n . No entanto, quanto mais baixas forem as resistências de R _m e R _n , mais sensível será o detector de nulo, porque há menos resistência em série com ele. A sensibilidade aumentada do detector é boa, porque permite que desequilíbrios menores sejam detectados e, assim, um grau mais preciso de equilíbrio de ponte seja obtido.

Portanto, algumas pontes duplas Kelvin de alta precisão usam R _m e R _n valores tão baixos quanto 1/100 de suas contrapartes de braço de proporção (R ​​ _M e R _N , respectivamente). Infelizmente, porém, quanto mais baixos forem os valores de R _m e R _n , mais corrente eles irão transportar, o que aumentará o efeito de quaisquer resistências de junção presentes onde R _m e R _n conectar às extremidades de R _a e R _x . Como você pode ver, a alta precisão do instrumento exige que todos Fatores que produzem erros devem ser levados em consideração e, freqüentemente, o melhor que pode ser alcançado é um meio-termo minimizando dois ou mais tipos diferentes de erros.

REVER:

• Os circuitos de ponte dependem de medidores de tensão nula sensíveis para comparar duas tensões de igualdade.
• Uma ponte Wheatstone pode ser usado para medir a resistência comparando o resistor desconhecido com resistores de precisão de valor conhecido, bem como uma balança de laboratório mede um peso desconhecido comparando-o com pesos padrão conhecidos.
• Uma ponte Kelvin dupla é uma variante da ponte Wheatstone usada para medir resistências muito baixas. Sua complexidade adicional sobre o design básico de Wheatstone é necessária para evitar erros incorridos por resistências parasitas ao longo do caminho da corrente entre o padrão de baixa resistência e a resistência sendo medida.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de circuito de ponte DC
• Planilha de circuito de ponte AC