Sirkuit Jembatan AC

Seperti yang kita lihat dengan rangkaian pengukuran DC, konfigurasi rangkaian dikenal sebagai jembatan bisa menjadi cara yang sangat berguna untuk mengukur nilai resistansi yang tidak diketahui.

Hal ini juga berlaku untuk AC, dan kita dapat menerapkan prinsip yang sama untuk pengukuran akurat dari impedansi yang tidak diketahui.

Bagaimana Cara Kerja Sirkuit Jembatan?

Untuk meninjau, rangkaian jembatan berfungsi sebagai sepasang pembagi tegangan dua komponen yang terhubung pada tegangan sumber yang sama, dengan detektor nol pergerakan meter yang terhubung di antara mereka untuk menunjukkan kondisi "keseimbangan" pada voltase nol:

Jembatan yang seimbang menunjukkan “null”, atau pembacaan minimum, pada indikator.

Siapa pun dari empat resistor di jembatan di atas dapat menjadi resistor yang nilainya tidak diketahui, dan nilainya dapat ditentukan dengan rasio tiga lainnya, yang "dikalibrasi", atau yang resistansinya diketahui hingga tingkat yang tepat.

Ketika jembatan dalam kondisi seimbang (tegangan nol seperti yang ditunjukkan oleh detektor nol), rasionya menjadi ini:

Dalam kondisi seimbang :

Salah satu keuntungan menggunakan rangkaian jembatan untuk mengukur resistansi adalah tegangan sumber daya tidak relevan.

Secara praktis, semakin tinggi tegangan suplai, semakin mudah untuk mendeteksi kondisi ketidakseimbangan antara empat resistor dengan detektor nol, dan dengan demikian akan semakin sensitif.

Tegangan suplai yang lebih besar mengarah pada kemungkinan peningkatan presisi pengukuran. Namun, tidak akan ada kesalahan mendasar yang diakibatkan oleh tegangan catu daya yang lebih kecil atau lebih besar tidak seperti skema pengukuran resistansi jenis lainnya.

Jembatan Impedansi

Jembatan impedansi bekerja sama, hanya persamaan keseimbangan dengan kompleks besaran, karena besaran dan fasa di seluruh komponen dari dua pembagi harus sama agar detektor nol menunjukkan “nol”.

Detektor nol, tentu saja, harus menjadi perangkat yang mampu mendeteksi tegangan AC yang sangat kecil. Osiloskop sering digunakan untuk ini, meskipun gerakan meter elektromekanis yang sangat sensitif dan bahkan headphone (speaker kecil) dapat digunakan jika frekuensi sumber berada dalam jangkauan audio.

Detektor Null untuk AC

Salah satu cara untuk memaksimalkan efektivitas headphone audio sebagai detektor nol adalah dengan menghubungkannya ke sumber sinyal melalui transformator pencocokan impedansi.

Speaker headphone biasanya merupakan unit impedansi rendah (8 ), membutuhkan arus yang besar untuk digerakkan, sehingga transformator step-down membantu "mencocokkan" sinyal arus rendah dengan impedansi speaker headphone.

Trafo keluaran audio bekerja dengan baik untuk tujuan ini:(Gambar di bawah)

Headphone ohm rendah “modern” memerlukan transformator pencocokan impedansi untuk digunakan sebagai pendeteksi nol yang sensitif.

Menggunakan sepasang headphone yang benar-benar mengelilingi telinga (tipe "cangkir tertutup"), saya dapat mendeteksi arus kurang dari 0,1 A dengan rangkaian detektor sederhana ini.

Performa yang kurang lebih sama diperoleh dengan menggunakan dua trafo step-down yang berbeda:trafo daya kecil (rasio 120/6 volt), dan trafo output audio (rasio impedansi 1000:8 ohm).

Dengan sakelar tombol di tempat untuk menghentikan arus, sirkuit ini digunakan untuk mendeteksi sinyal dari DC ke lebih dari 2 MHz:bahkan jika frekuensinya jauh di atas atau di bawah rentang audio, "klik" akan terdengar dari headphone setiap kali sakelar ditekan dan dilepaskan.

Terhubung ke jembatan resistif, seluruh rangkaian terlihat seperti gambar di bawah ini.

Jembatan dengan detektor nol AC yang sensitif.

Mendengarkan headphone sebagai satu atau lebih resistor "lengan" jembatan disesuaikan, kondisi keseimbangan akan terwujud ketika headphone gagal menghasilkan "klik" (atau nada, jika frekuensi sumber daya jembatan berada dalam jangkauan audio ) saat sakelar diaktifkan.

Saat menjelaskan jembatan AC umum, di mana impedansi dan tidak hanya hambatan harus dalam rasio yang tepat untuk keseimbangan, kadang-kadang membantu untuk menggambar kaki jembatan masing-masing dalam bentuk komponen berbentuk kotak, masing-masing dengan impedansi tertentu:(Gambar di bawah)

Jembatan impedansi AC umum:Z =impedansi kompleks nonspesifik.

Agar bentuk umum jembatan AC ini seimbang, rasio impedansi setiap cabang harus sama:

Sekali lagi, harus ditekankan bahwa besaran impedansi dalam persamaan di atas harus kompleks, memperhitungkan besaran dan sudut fase.

Tidaklah cukup bahwa besaran impedansi saja diseimbangkan; tanpa sudut fasa dalam keseimbangan juga, masih akan ada tegangan melintasi terminal detektor nol dan jembatan tidak akan seimbang.

Sirkuit jembatan dapat dibangun untuk mengukur hampir semua nilai perangkat yang diinginkan, baik itu kapasitansi, induktansi, resistansi, atau bahkan “Q.”

Seperti biasa di sirkuit pengukuran jembatan, besaran yang tidak diketahui selalu "seimbang" terhadap standar yang diketahui, diperoleh dari komponen terkalibrasi berkualitas tinggi yang dapat disesuaikan nilainya hingga perangkat detektor nol menunjukkan kondisi keseimbangan.

Bergantung pada bagaimana jembatan diatur, nilai komponen yang tidak diketahui dapat ditentukan langsung dari pengaturan standar yang dikalibrasi atau diturunkan dari standar tersebut melalui rumus matematika.

Contoh Rangkaian Jembatan

Beberapa rangkaian jembatan sederhana ditunjukkan di bawah ini, satu untuk induktansi (Gambar di bawah) dan satu untuk kapasitansi:

Jembatan simetris mengukur induktor yang tidak diketahui dibandingkan dengan induktor standar.

Jembatan simetris mengukur kapasitor yang tidak diketahui dengan membandingkannya dengan kapasitor standar.

Jembatan “simetris” sederhana seperti ini dinamakan demikian karena menunjukkan simetri (kesamaan bayangan cermin) dari kiri ke kanan.

Kedua rangkaian jembatan yang ditunjukkan di atas diseimbangkan dengan menyesuaikan komponen reaktif yang dikalibrasi (Ls atau Cs).

Mereka sedikit disederhanakan dari rekan-rekan mereka di kehidupan nyata, karena rangkaian jembatan simetris praktis sering kali memiliki resistor variabel yang dikalibrasi secara seri atau paralel dengan komponen reaktif untuk menyeimbangkan resistansi nyasar pada komponen yang tidak diketahui.

Namun, dalam dunia hipotetis komponen sempurna, rangkaian jembatan sederhana ini cukup bagus untuk menggambarkan konsep dasarnya.

Jembatan Wien

Contoh dari sedikit kerumitan ekstra yang ditambahkan untuk mengimbangi efek dunia nyata dapat ditemukan di apa yang disebut jembatan Wien , yang menggunakan impedansi standar kapasitor-resistor paralel untuk mengimbangi kombinasi kapasitor-resistor seri yang tidak diketahui. (Gambar di bawah)

Semua kapasitor memiliki sejumlah hambatan internal, baik itu literal atau setara (dalam bentuk kerugian pemanasan dielektrik) yang cenderung merusak sifat reaktifnya yang sempurna.

Resistansi internal ini mungkin menarik untuk diukur, sehingga jembatan Wien mencoba melakukannya dengan memberikan impedansi penyeimbang yang juga tidak "murni":

Wein Bridge mengukur komponen Cx kapasitif dan Rx resistif dari kapasitor "nyata".

Karena ada dua komponen standar yang harus disesuaikan (resistor dan kapasitor), jembatan ini akan membutuhkan sedikit lebih banyak waktu untuk menyeimbangkan daripada yang lain yang telah kita lihat sejauh ini.

Efek gabungan dari Rs dan Cs adalah untuk mengubah besar dan sudut fasa sampai jembatan mencapai kondisi keseimbangan.

Setelah keseimbangan itu tercapai, pengaturan Rs dan Cs dapat dibaca dari tombol-tombol yang dikalibrasi, impedansi paralel dari keduanya ditentukan secara matematis, dan kapasitansi dan resistansi yang tidak diketahui ditentukan secara matematis dari persamaan keseimbangan (Z1/Z2 =Z3/Z4) .

Diasumsikan dalam pengoperasian jembatan Wien bahwa kapasitor standar memiliki resistansi internal yang dapat diabaikan, atau setidaknya resistansi tersebut sudah diketahui sehingga dapat difaktorkan ke dalam persamaan keseimbangan.

Jembatan Wien berguna untuk menentukan nilai desain kapasitor "lossy" seperti elektrolit, di mana resistansi internal relatif tinggi.

Mereka juga digunakan sebagai pengukur frekuensi karena keseimbangan jembatan bergantung pada frekuensi.

Saat digunakan dengan cara ini, kapasitor dibuat tetap (dan biasanya dengan nilai yang sama) dan dua resistor teratas dibuat variabel dan disetel dengan menggunakan tombol yang sama.

Variasi menarik pada tema ini ditemukan di rangkaian jembatan berikutnya, yang digunakan untuk mengukur induktansi secara tepat.

Jembatan Maxwell-Wein

Jembatan Maxwell-Wein mengukur induktor berdasarkan standar kapasitor.

Sirkuit jembatan yang cerdik ini dikenal sebagai jembatan Maxwell-Wien (kadang-kadang dikenal sebagai jembatan Maxwell ) dan digunakan untuk mengukur induktansi yang tidak diketahui dalam hal resistansi dan kapasitansi yang dikalibrasi. (Gambar di atas)

Induktor tingkat kalibrasi lebih sulit dibuat daripada kapasitor dengan presisi serupa, sehingga penggunaan jembatan induktansi “simetris” sederhana tidak selalu praktis.

Karena pergeseran fasa induktor dan kapasitor persis berlawanan satu sama lain, impedansi kapasitif dapat menyeimbangkan impedansi induktif jika mereka terletak di kaki jembatan yang berlawanan, seperti di sini.

Keuntungan lain menggunakan jembatan Maxwell untuk mengukur induktansi daripada jembatan induktansi simetris adalah penghapusan kesalahan pengukuran karena induktansi timbal balik antara dua induktor.

Medan magnet bisa sulit untuk dilindungi, dan bahkan sejumlah kecil kopling antara kumparan di jembatan dapat menimbulkan kesalahan besar dalam kondisi tertentu. Tanpa induktor kedua yang bereaksi dalam jembatan Maxwell, masalah ini dihilangkan.

Untuk pengoperasian yang paling mudah, kapasitor standar (Cs) dan resistor yang paralel dengannya (Rs) dibuat variabel, dan keduanya harus disesuaikan untuk mencapai keseimbangan.

Namun, jembatan dapat dibuat untuk bekerja jika kapasitor tetap (non-variabel) dan lebih dari satu resistor dibuat variabel (setidaknya resistor paralel dengan kapasitor, dan salah satu dari dua lainnya).

Namun, dalam konfigurasi yang terakhir, dibutuhkan lebih banyak penyesuaian trial-and-error untuk mencapai keseimbangan, karena resistor variabel yang berbeda berinteraksi dalam menyeimbangkan besaran dan fase.

Tidak seperti jembatan Wien biasa, keseimbangan jembatan Maxwell-Wien tidak tergantung pada frekuensi sumber, dan dalam beberapa kasus, jembatan ini dapat dibuat untuk menyeimbangkan dengan adanya frekuensi campuran dari sumber tegangan AC, faktor pembatasnya adalah induktor. stabilitas pada rentang frekuensi yang luas.

Ada lebih banyak variasi di luar desain ini, tetapi diskusi lengkap tidak dijamin di sini. Sirkuit jembatan impedansi tujuan umum diproduksi yang dapat dialihkan ke lebih dari satu konfigurasi untuk fleksibilitas penggunaan maksimum.

Masalah potensial dalam rangkaian jembatan AC sensitif adalah kapasitansi menyimpang antara kedua ujung unit detektor nol dan potensial pembumian (pembumian).

Karena kapasitansi dapat "mengalirkan" arus bolak-balik dengan pengisian dan pengosongan, kapasitansi membentuk jalur arus yang menyimpang ke sumber tegangan AC yang dapat mempengaruhi keseimbangan jembatan:

Kapasitas yang menyimpang ke ground dapat menyebabkan kesalahan pada bridge.

Sementara meter jenis buluh tidak tepat, prinsip operasionalnya tidak. Sebagai pengganti resonansi mekanis, kita dapat mengganti resonansi listrik dan merancang pengukur frekuensi menggunakan induktor dan kapasitor dalam bentuk rangkaian tangki (induktor paralel dan kapasitor).

Satu atau kedua komponen dibuat dapat disesuaikan, dan meteran ditempatkan di sirkuit untuk menunjukkan amplitudo maksimum tegangan di kedua komponen.

Kenop penyesuaian dikalibrasi untuk menunjukkan frekuensi resonansi untuk pengaturan tertentu, dan frekuensi dibaca darinya setelah perangkat disetel untuk indikasi maksimum pada meteran.

Pada dasarnya, ini adalah rangkaian filter yang dapat disetel yang disesuaikan dan kemudian dibaca dengan cara yang mirip dengan rangkaian jembatan (yang harus diseimbangkan untuk kondisi "null" dan kemudian dibaca).

Masalahnya diperburuk jika sumber tegangan AC diardekan dengan kuat di salah satu ujungnya, total impedansi nyasar untuk arus bocor menjadi jauh lebih sedikit dan setiap arus bocor melalui kapasitansi nyasar ini dibuat lebih besar sebagai hasilnya:

Kesalahan kapasitansi nyasar lebih parah jika satu sisi suplai AC diarde.

Wagner Ground

Salah satu cara untuk sangat mengurangi efek ini adalah dengan menjaga detektor nol pada potensial arde, sehingga tidak akan ada tegangan AC antara detektor tersebut dan arde, dan dengan demikian tidak ada arus yang melalui kapasitansi nyasar.

Namun, menghubungkan langsung detektor nol ke ground bukanlah pilihan, karena akan membuat langsung jalur arus untuk arus sesat, yang akan lebih buruk daripada jalur kapasitif mana pun.

Sebagai gantinya, sirkuit pembagi tegangan khusus yang disebut Wagner ground atau Wagner earth dapat digunakan untuk menjaga detektor nol pada potensial arde tanpa memerlukan koneksi langsung ke detektor nol. (Gambar di bawah)

Wagner ground untuk suplai AC meminimalkan efek kapasitansi nyasar ke ground di bridge.

Sirkuit pembumian Wagner tidak lebih dari pembagi tegangan, dirancang untuk memiliki rasio tegangan dan pergeseran fasa di setiap sisi jembatan.

Karena titik tengah pembagi Wagner dibumikan secara langsung, setiap rangkaian pembagi lainnya (termasuk salah satu sisi jembatan) yang memiliki proporsi tegangan dan fase yang sama dengan pembagi Wagner, dan ditenagai oleh sumber tegangan AC yang sama, akan berada pada potensial pentanahan sebagai baik.

Dengan demikian, pembagi pembumian Wagner memaksa detektor nol berada pada potensial pembumian, tanpa koneksi langsung antara detektor dan pembumian.

Seringkali ada ketentuan yang dibuat dalam koneksi detektor nol untuk mengkonfirmasi pengaturan yang tepat dari rangkaian pembagi bumi Wagner:sakelar dua posisi, (Gambar di bawah) sehingga salah satu ujung detektor nol dapat dihubungkan ke jembatan atau Bumi Wagner.

Ketika detektor nol mencatat sinyal nol di kedua posisi sakelar, jembatan tidak hanya dijamin seimbang, tetapi detektor nol juga dijamin berada pada potensial nol sehubungan dengan tanah, sehingga menghilangkan kesalahan karena arus bocor melalui detektor nyasar kapasitansi -ke-tanah:

Posisi peralihan memungkinkan penyesuaian landasan Wagner.

TINJAUAN:

• Sirkuit jembatan AC bekerja dengan prinsip dasar yang sama seperti sirkuit jembatan DC:bahwa rasio impedansi yang seimbang (bukan resistansi) akan menghasilkan kondisi "seimbang" seperti yang ditunjukkan oleh perangkat detektor nol.
• Detektor nol untuk jembatan AC mungkin berupa gerakan meteran elektromekanis yang sensitif, osiloskop (CRT), headphone (diperkuat atau tidak), atau perangkat lain apa pun yang mampu mencatat level tegangan AC yang sangat kecil. Seperti detektor nol DC, satu-satunya titik akurasi kalibrasi yang diperlukan adalah nol.
• Sirkuit jembatan AC dapat berupa tipe "simetris" di mana impedansi yang tidak diketahui diseimbangkan dengan impedansi standar dari tipe yang sama pada sisi yang sama (atas atau bawah) jembatan. Atau, mereka dapat menjadi "tidak simetris", menggunakan impedansi paralel untuk menyeimbangkan impedansi seri, atau bahkan kapasitansi yang menyeimbangkan induktansi.
• Sirkuit jembatan AC sering kali memiliki lebih dari satu penyesuaian, karena besaran impedansi dan sudut fase harus dicocokkan dengan benar agar seimbang.
• Beberapa rangkaian jembatan impedansi peka terhadap frekuensi sementara yang lain tidak. Jenis peka frekuensi dapat digunakan sebagai perangkat pengukuran frekuensi jika semua nilai komponen diketahui secara akurat.
• Sebuah Bumi Wagner atau Tanah Wagner adalah rangkaian pembagi tegangan yang ditambahkan ke jembatan AC untuk membantu mengurangi kesalahan karena kapasitansi nyasar yang menghubungkan detektor nol ke ground.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Analisis Jaringan AC