Circuitos de ponte AC

Como vimos com os circuitos de medição DC, a configuração do circuito é conhecida como ponte pode ser uma maneira muito útil de medir valores desconhecidos de resistência.

Isso também é verdade com CA, e podemos aplicar o mesmo princípio à medição precisa de impedâncias desconhecidas.

Como funciona um circuito de ponte?

Para revisar, o circuito de ponte funciona como um par de divisores de tensão de dois componentes conectados na mesma fonte de tensão, com um detector de nulo movimento do medidor conectado entre eles para indicar uma condição de "equilíbrio" em zero volts:

Uma ponte balanceada mostra um “nulo”, ou leitura mínima, no indicador.



Qualquer um dos quatro resistores na ponte acima pode ser o resistor de valor desconhecido e seu valor pode ser determinado por uma proporção dos outros três, que são "calibrados" ou cujas resistências são conhecidas com um grau preciso.

Quando a ponte está em uma condição balanceada (tensão zero, conforme indicado pelo detector de nulo), a relação funciona ser esta:

Em condição de equilíbrio :







Uma das vantagens de usar um circuito em ponte para medir a resistência é que a tensão da fonte de alimentação é irrelevante.

Na prática, quanto maior a tensão de alimentação, mais fácil é detectar uma condição de desequilíbrio entre os quatro resistores com o detector de nulo e, portanto, mais sensível ele será.

Uma maior tensão de alimentação leva à possibilidade de maior precisão de medição. No entanto, não haverá nenhum erro fundamental introduzido como resultado de uma tensão de alimentação maior ou menor, ao contrário de outros tipos de esquemas de medição de resistência.

Ponte de impedância

As pontes de impedância funcionam da mesma forma, apenas a equação de equilíbrio é com complexo quantidades, já que a magnitude e a fase entre os componentes dos dois divisores devem ser iguais para que o detector de nulo indique "zero".

O detector de nulos, é claro, deve ser um dispositivo capaz de detectar tensões CA muito pequenas. Um osciloscópio é freqüentemente usado para isso, embora movimentos muito sensíveis do medidor eletromecânico e até mesmo fones de ouvido (pequenos alto-falantes) possam ser usados ​​se a frequência da fonte estiver dentro da faixa de áudio.

Detector de nulo para AC

Uma maneira de maximizar a eficácia dos fones de ouvido como um detector de nulos é conectá-los à fonte de sinal por meio de um transformador de correspondência de impedância.

Os alto-falantes do fone de ouvido são normalmente unidades de baixa impedância (8 Ω), exigindo uma corrente substancial para ser acionada e, portanto, um transformador redutor ajuda a "combinar" os sinais de baixa corrente com a impedância dos alto-falantes do fone de ouvido.

Um transformador de saída de áudio funciona bem para este propósito:(Figura abaixo)

Fones de ouvido “modernos” de baixo Ohm exigem um transformador de correspondência de impedância para uso como um detector nulo sensível.



Usando um par de fones de ouvido que circundam completamente as orelhas (o tipo "copo fechado"), fui capaz de detectar correntes de menos de 0,1 µA com este circuito detector simples.

O desempenho quase igual foi obtido usando dois transformadores abaixadores diferentes:um pequeno transformador de potência (relação de 120/6 volts) e um transformador de saída de áudio (relação de impedância de 1000:8 ohms).

Com o botão de pressão no lugar para interromper a corrente, este circuito é usado para detectar sinais de DC a mais de 2 MHz:mesmo se a frequência estiver muito acima ou abaixo da faixa de áudio, um "clique" será ouvido nos fones de ouvido cada vez que interruptor é pressionado e liberado.

Conectado a uma ponte resistiva, todo o circuito se parece com a figura abaixo.

Ponte com detector de AC nulo sensível.



Ouvindo os fones de ouvido enquanto um ou mais dos "braços" do resistor da ponte são ajustados, uma condição de equilíbrio será percebida quando os fones de ouvido não produzirem "cliques" (ou tons, se a frequência da fonte de alimentação da ponte estiver dentro da faixa de áudio ) quando o interruptor é acionado.

Ao descrever pontes CA gerais, onde impedâncias e não apenas as resistências devem estar na proporção adequada para o equilíbrio, às vezes é útil desenhar as respectivas pernas da ponte na forma de componentes em forma de caixa, cada um com uma certa impedância:(Figura abaixo)

Ponte de impedância CA generalizada:Z =impedância complexa não específica.



Para que esta forma geral da ponte CA se equilibre, as relações de impedância de cada ramal devem ser iguais:



Novamente, deve ser enfatizado que as quantidades de impedância na equação acima devem ser complexo, levando em consideração a magnitude e o ângulo de fase.

É insuficiente que apenas as magnitudes de impedância sejam balanceadas; sem os ângulos de fase no equilíbrio também, ainda haverá a tensão nos terminais do detector de nulo e a ponte não será equilibrada.

Os circuitos de ponte podem ser construídos para medir praticamente qualquer valor de dispositivo desejado, seja capacitância, indutância, resistência ou mesmo "Q."

Como sempre em circuitos de medição em ponte, a quantidade desconhecida é sempre “equilibrada” em relação a um padrão conhecido, obtido de um componente calibrado de alta qualidade que pode ser ajustado em valor até que o dispositivo detector de nulo indique uma condição de equilíbrio.

Dependendo de como a ponte é configurada, o valor do componente desconhecido pode ser determinado diretamente a partir da configuração do padrão calibrado ou derivado desse padrão por meio de uma fórmula matemática.

Exemplo de circuitos de ponte

Alguns circuitos de ponte simples são mostrados abaixo, um para indutância (Figura abaixo) e um para capacitância:

A ponte simétrica mede o indutor desconhecido em comparação com um indutor padrão.

Ponte simétrica mede o capacitor desconhecido em comparação com um capacitor padrão.



Pontes “simétricas” simples como essas são assim chamadas porque exibem simetria (semelhança de imagem espelhada) da esquerda para a direita.

Os dois circuitos em ponte mostrados acima são balanceados ajustando o componente reativo calibrado (Ls ou Cs).

Eles são um pouco simplificados em relação às suas contrapartes da vida real, pois os circuitos de ponte simétricos práticos geralmente têm um resistor variável calibrado em série ou paralelo com o componente reativo para equilibrar a resistência de dispersão no componente desconhecido.

Mas, no mundo hipotético de componentes perfeitos, esses circuitos de ponte simples servem para ilustrar o conceito básico.

Ponte de Wien

Um exemplo de um pouco de complexidade extra adicionada para compensar os efeitos do mundo real pode ser encontrado na chamada ponte de Wien , que usa uma impedância padrão capacitor-resistor em paralelo para equilibrar uma combinação de capacitor-resistor em série desconhecida. (Figura abaixo)

Todos os capacitores têm alguma resistência interna, seja literal ou equivalente (na forma de perdas por aquecimento dielétrico) que tendem a prejudicar suas naturezas perfeitamente reativas.

Esta resistência interna pode ser de interesse de medir e, portanto, a ponte de Wien tenta fazê-lo fornecendo uma impedância de equilíbrio que também não é "pura":



A ponte Wein mede os componentes capacitivos Cx e Rx resistivos do capacitor "real".

Sendo que existem dois componentes padrão a serem ajustados (um resistor e um capacitor), esta ponte levará um pouco mais de tempo para se equilibrar do que as outras que vimos até agora.

O efeito combinado de Rs e Cs é alterar a magnitude e o ângulo de fase até que a ponte alcance uma condição de equilíbrio.

Uma vez que o equilíbrio é alcançado, as configurações de Rs e Cs podem ser lidas a partir de seus botões calibrados, a impedância paralela dos dois determinada matematicamente e a capacitância e resistência desconhecidas determinadas matematicamente a partir da equação de equilíbrio (Z1 / Z2 =Z3 / Z4) .

Presume-se na operação da ponte de Wien que o capacitor padrão tem resistência interna desprezível, ou pelo menos que a resistência já é conhecida para que possa ser fatorada na equação de equilíbrio.

As pontes de Wien são úteis para determinar os valores de projetos de capacitores "com perdas", como eletrolíticos, onde a resistência interna é relativamente alta.

Eles também são usados ​​como medidores de frequência porque o equilíbrio da ponte depende da frequência.

Quando usados ​​desta forma, os capacitores são feitos fixos (e geralmente de valor igual) e os dois resistores superiores são tornados variáveis ​​e são ajustados por meio do mesmo botão.

Uma variação interessante sobre este tema é encontrada no próximo circuito de ponte, usado para medir indutâncias com precisão.

Ponte Maxwell-Wein

Ponte de Maxwell-Wein mede um indutor em termos de um padrão de capacitor.



Este engenhoso circuito de ponte é conhecido como ponte Maxwell-Wien (às vezes conhecido simplesmente como a ponte Maxwell ) e é usado para medir indutâncias desconhecidas em termos de resistência calibrada e capacitância. (Figura acima)

Os indutores de grau de calibração são mais difíceis de fabricar do que os capacitores de precisão semelhante e, portanto, o uso de uma ponte de indutância “simétrica” simples nem sempre é prático.

Como as mudanças de fase de indutores e capacitores são exatamente opostas, uma impedância capacitiva pode equilibrar uma impedância indutiva se elas estiverem localizadas em pernas opostas de uma ponte, como estão aqui.

Outra vantagem de usar uma ponte de Maxwell para medir a indutância em vez de uma ponte de indutância simétrica é a eliminação do erro de medição devido à indutância mútua entre dois indutores.

Os campos magnéticos podem ser difíceis de blindar e mesmo uma pequena quantidade de acoplamento entre as bobinas em uma ponte pode introduzir erros substanciais em certas condições. Sem um segundo indutor para reagir dentro da ponte de Maxwell, esse problema é eliminado.

Para uma operação mais fácil, o capacitor padrão (Cs) e o resistor em paralelo com ele (Rs) são tornados variáveis ​​e ambos devem ser ajustados para atingir o equilíbrio.

Porém, a ponte pode ser feita para funcionar se o capacitor for fixo (não variável) e mais de um resistor tornado variável (pelo menos o resistor em paralelo com o capacitor, e um dos outros dois).

No entanto, na última configuração, é necessário mais ajuste de tentativa e erro para atingir o equilíbrio, pois os diferentes resistores variáveis ​​interagem em magnitude e fase de equilíbrio.

Ao contrário da ponte Wien simples, o equilíbrio da ponte Maxwell-Wien é independente da frequência da fonte e, em alguns casos, esta ponte pode ser feita para equilibrar na presença de frequências mistas da fonte de tensão CA, sendo o fator limitante do indutor estabilidade em uma ampla faixa de frequência.

Existem mais variações além desses designs, mas uma discussão completa não é garantida aqui. Os circuitos de ponte de impedância de uso geral são fabricados e podem ser comutados em mais de uma configuração para máxima flexibilidade de uso.

Um problema potencial em circuitos de ponte CA sensíveis é o da capacitância parasita entre as extremidades da unidade de detecção de nulo e o potencial de aterramento.

Como as capacitâncias podem "conduzir" corrente alternada carregando e descarregando, elas formam caminhos de corrente parasita para a fonte de tensão CA que pode afetar o equilíbrio da ponte:

Capacitância dispersa para o solo pode introduzir erros na ponte.



Embora os medidores do tipo palheta sejam imprecisos, seu princípio operacional não é. No lugar da ressonância mecânica, podemos substituir a ressonância elétrica e projetar um medidor de frequência usando um indutor e um capacitor na forma de um circuito tanque (indutor paralelo e capacitor).

Um ou ambos os componentes são ajustados e um medidor é colocado no circuito para indicar a amplitude máxima da tensão entre os dois componentes.

O (s) botão (ões) de ajuste são calibrados para mostrar a frequência de ressonância para qualquer configuração dada, e a frequência é lida a partir deles depois que o dispositivo foi ajustado para a indicação máxima no medidor.

Essencialmente, este é um circuito de filtro sintonizável que é ajustado e então lido de maneira semelhante a um circuito de ponte (que deve ser balanceado para uma condição “nula” e então lido).

O problema é agravado se a fonte de tensão CA estiver firmemente aterrada em uma extremidade, a impedância parasita total para correntes de fuga diminuída e quaisquer correntes de fuga através dessas capacitâncias parasitas aumentadas como resultado:

Erros de capacitância parasita são mais graves se um lado da fonte de CA estiver aterrado.

Wagner Ground

Uma maneira de reduzir bastante esse efeito é manter o detector nulo no potencial de terra, de modo que não haja tensão CA entre ele e o terra e, portanto, nenhuma corrente através de capacitâncias parasitas.

No entanto, conectar diretamente o detector de nulo ao solo não é uma opção, pois criaria um direto caminho de corrente para correntes parasitas, o que seria pior do que qualquer caminho capacitivo.

Em vez disso, um circuito divisor de tensão especial denominado terra de Wagner ou Terra Wagner pode ser usado para manter o detector nulo no potencial de terra sem a necessidade de uma conexão direta com o detector nulo. (Figura abaixo)

O aterramento Wagner para alimentação CA minimiza os efeitos da capacitância parasita no solo na ponte.



O circuito de aterramento Wagner nada mais é do que um divisor de tensão, projetado para ter a relação de tensão e a mudança de fase de cada lado da ponte.

Como o ponto médio do divisor de Wagner é diretamente aterrado, qualquer outro circuito divisor (incluindo ambos os lados da ponte) com as mesmas proporções e fases de tensão do divisor de Wagner e alimentado pela mesma fonte de tensão CA, estará no potencial de terra como Nós vamos.

Assim, o divisor de terra de Wagner força o detector nulo a estar no potencial de terra, sem uma conexão direta entre o detector e o solo.

Freqüentemente, é feita uma provisão na conexão do detector de nulo para confirmar a configuração adequada do circuito divisor de terra de Wagner:um interruptor de duas posições, (Figura abaixo) para que uma extremidade do detector de nulo possa ser conectada à ponte ou ao Terra Wagner.

Quando o detector de nulo registra sinal zero em ambas as posições da chave, a ponte não é apenas garantida como balanceada, mas o detector de nulo também tem potencial zero em relação ao aterramento, eliminando assim quaisquer erros devido a correntes de fuga através do detector de dispersão -para-capacitâncias de aterramento:

A posição de troca permite o ajuste do terreno Wagner.



REVER:

• Os circuitos de ponte CA funcionam com o mesmo princípio básico dos circuitos de ponte CC:que uma relação equilibrada de impedâncias (em vez de resistências) resultará em uma condição "equilibrada", conforme indicado pelo dispositivo detector de nulo.
• Os detectores nulos para pontes AC podem ser movimentos sensíveis do medidor eletromecânico, osciloscópios (CRT), fones de ouvido (amplificados ou não amplificados) ou qualquer outro dispositivo capaz de registrar níveis de tensão AC muito pequenos. Como detectores nulos DC, seu único ponto de precisão de calibração necessário é zero.
• Os circuitos de ponte CA podem ser do tipo “simétrico”, onde uma impedância desconhecida é balanceada por uma impedância padrão de tipo semelhante no mesmo lado (superior ou inferior) da ponte. Ou, eles podem ser "não simétricos", usando impedâncias paralelas para equilibrar impedâncias em série, ou mesmo capacitâncias equilibrando indutâncias.
• Os circuitos de ponte AC geralmente têm mais de um ajuste, uma vez que a magnitude da impedância e o ângulo de fase deve ser devidamente combinado para o equilíbrio.
• Alguns circuitos de ponte de impedância são sensíveis à frequência, enquanto outros não. Os tipos sensíveis à frequência podem ser usados ​​como dispositivos de medição de frequência se todos os valores dos componentes forem conhecidos com precisão.
• Uma Terra Wagner ou terreno Wagner é um circuito divisor de tensão adicionado às pontes CA para ajudar a reduzir erros devido à capacitância parasita que acopla o detector de nulo ao aterramento.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de análise de rede AC