Puentes de medida AC y su uso

En los circuitos de CA, los circuitos de puente se utilizan con fines de medición. Estos esquemas permiten determinar los valores de los condensadores y las inductancias, las tangentes del ángulo de pérdidas dieléctricas de los condensadores, así como las inductancias mutuas de las bobinas.

La medición de puentes de CA son esquemas completamente diferentes, se discutirán a continuación. Los más populares son los puentes balanceados de cuatro brazos, donde los procesos de medición de inductancias, capacitancias y tangentes de pérdidas dieléctricas pueden ir acompañados de compensación de parámetros parásitos.

Dos grupos de circuitos de puentes de medición de CA son particularmente expresivos: puentes de transformadores (con brazos acoplados inductivamente) y puentes capacitivos. Los puentes capacitivos son circuitos de cuatro brazos en los que se instalan elementos capacitivos y activos en los brazos. Los puentes de transformadores se caracterizan por la presencia de devanados secundarios de transformadores en dos brazos que sirven para alimentar el puente.

En cuanto a los circuitos capacitivos, pueden incluir tanto resistencias de capacitancia constante como variables (activas), y resistencias constantes (activas) y capacitancias variables. Un puente de capacitancia constante es más fácil de construir ya que no necesita capacitores variables especialmente clasificados, sino que hay un suministro suficiente de resistencias (resistencias activas).

Gracias a las resistencias variables, el circuito del puente se puede equilibrar con respecto a los componentes de voltaje reactivo y activo. Una resistencia variable se calibra de acuerdo con los valores de capacitancia, la otra de acuerdo con los valores de la tangente de pérdida dieléctrica. Como resultado, se obtiene un circuito en serie equivalente del condensador estudiado. La siguiente igualdad reflejará este estado de equilibrio del puente, e igualando las partes imaginaria y real dará solo los valores de las cantidades buscadas:

Pero en realidad, los parámetros parásitos siempre aparecen y dan errores ya en las frecuencias de audio. Inductancias parásitas, capacitancias, conductancias son fuentes de estos errores, la precisión de la medición del ángulo de pérdida dieléctrica se ve amenazada. Las medidas para reducir la influencia de estos factores son el devanado no inductivo y capacitivo de la primera resistencia. Pero, de hecho, es simplemente necesario compensar adecuadamente estas influencias.

Entonces, para compensar la inductancia parásita, el condensador trímero se conecta en paralelo con la segunda resistencia. Además, las capacidades parásitas y las resistencias parásitas surgen de la presencia de piezas aislantes y del transformador, por lo que es necesario blindar dos veces el propio transformador.Para reducir el efecto de la capacitancia y la conductividad de las piezas, están hechas de dieléctricos de alta calidad, como fluoroplástico. Un generador de frecuencia de audio es adecuado como fuente de alimentación.

Las resistencias constantes utilizadas en los puentes brindan una ventaja: no es necesario calibrar una resistencia variable. En los brazos solo hay una resistencia constante, un capacitor constante y capacitores variables. Las mediciones de sus capacidades son posibles directamente. La capacitancia en estudio simplemente se conecta a los terminales, luego de lo cual el puente se equilibra ajustando los capacitores variables.Los cálculos se realizan de acuerdo con las fórmulas de las cuales se puede ver que la escala de la tangente se obtiene directamente de la fórmula con capacitancia variable, ya que la resistencia y la frecuencia no cambian:

Los puentes de medición con brazos conectados inductivamente (puentes transformadores) son superiores a los puentes capacitivos en varios aspectos: mayor sensibilidad en términos de tangente y capacitancia, baja influencia de conductancias parásitas conectadas, de todos modos, en paralelo a los brazos.

Los transformadores de varias secciones pueden ampliar en gran medida el rango operativo (escala de medición) del puente. Hay varios diseños típicos de puentes de transformadores, pero el más popular es el puente de doble transformador:

La cadena se regula completamente enumerando el número de vueltas; no necesita capacitores variables o resistencias variables. De esta forma, es posible crear contadores con una amplia gama de transformadores multisección, y se requiere un mínimo de elementos de muestra.

Aquí los circuitos están aislados galvánicamente, es decir, es obvio que la interferencia debida a conexiones parásitas es mínima, por lo que los cables de conexión pueden ser relativamente largos. Las siguientes ecuaciones son válidas cuando el puente está en equilibrio:

Como sabe, cuando se trata de medir las capacitancias de los capacitores, las pérdidas activas en forma de tangente de pérdida dieléctrica pasan a primer plano. Entonces, de acuerdo con este parámetro, los capacitores se dividen en tres grupos (y los circuitos equivalentes, respectivamente, a esta frecuencia difieren):

Las siguientes relaciones reflejan la impedancia de un capacitor en un circuito de CA y su tangente en circuitos equivalentes en serie y paralelo:

La medición de la capacitancia de un capacitor sin pérdidas se lleva a cabo de acuerdo con el siguiente esquema, donde dos brazos activos determinan los límites de medición por la relación de sus valores, y la capacitancia de muestra es variable. Aquí, en el proceso de medición, se seleccionan las relaciones de las resistencias, se cambia el valor de la capacitancia de la muestra. La expresión de equilibrio del puente es:

La medición de capacitancia de baja pérdida se lleva a cabo de acuerdo con el esquema de secuencia de reemplazo de capacitores, mientras se equilibra el puente cambiando la capacitancia y la resistencia activa, alcanzando la lectura mínima de la escala del indicador cero. La condición de igualdad da las siguientes expresiones:

Los capacitores con pérdidas dieléctricas importantes requieren en el circuito equivalente que la resistencia se conecte en paralelo con la muestra, según el esquema anterior. La fórmula para la tangente se verá así:

Entonces, usando puentes, es posible medir las capacitancias de capacitores reales con valores nominales desde unidades de pF hasta decenas de microfaradios y con un alto grado de precisión (de 1 a 3 órdenes de magnitud).

Al medir la inductancia utilizando el enfoque descrito anteriormente, es posible compararla con capacitancias y no necesariamente con inductancias, ya que crear una inductancia variable precisa no es una tarea fácil. Entonces usan circuitos equivalentes de capacitancia de muestra en lugar de inductores. La condición de equilibrio le permite encontrar resistencia e inductancia, el resultado se escribe de la siguiente forma:

También puedes encontrar el factor Q:

Por supuesto, la capacitancia de vuelta a vuelta dará pequeñas distorsiones, pero estas a menudo resultan ser insignificantes.