Sirkuit Jembatan AC: Pengukuran Impedansi Presisi dengan Rasio Seimbang
Sama seperti sirkuit jembatan DC yang memungkinkan pengukuran resistansi yang akurat, sirkuit jembatan AC memperluas prinsip ini untuk menentukan impedansi yang tidak diketahui—resistif, kapasitif, dan induktif—menggunakan pembagi tegangan yang seimbang dan detektor null yang sensitif.
Bagaimana Sirkuit Jembatan Bekerja?
Sirkuit jembatan terdiri dari dua pembagi tegangan paralel yang diberi daya oleh sumber tegangan yang sama. Sebuah meter detektor null terhubung di seluruh pembagi; saat jembatan seimbang, detektor membaca nol volt, menunjukkan kondisi null.
Jembatan yang seimbang menunjukkan “null,” atau pembacaan minimum, pada indikator.
Salah satu dari empat resistor dapat berfungsi sebagai komponen yang tidak diketahui; nilainya disimpulkan dari rasio tiga resistor yang dikalibrasi. Saat seimbang, jembatan memenuhi persamaan:
Salah satu keuntungan menggunakan jembatan untuk pengukuran resistansi adalah bahwa tegangan sumber tidak mempengaruhi hasilnya. Tegangan suplai yang lebih tinggi meningkatkan sensitivitas detektor null, memungkinkan deteksi ketidakseimbangan yang lebih halus, tetapi tidak memperkenalkan error sistematis.
Jembatan Impedansi
Jembatan impedansi bekerja pada prinsip yang sama; namun, persamaan keseimbangan melibatkan kuantitas kompleks, yang memerlukan magnitudo dan fase yang sama di seluruh lengan jembatan untuk pembacaan null. Detektor null harus mampu mendeteksi tegangan AC yang sangat kecil—osiloskop, meter elektromekanis sensitif, atau headphones (dalam rentang audio) adalah pilihan umum.
Detektor Null untuk AC
Headphones audio dapat berfungsi sebagai detektor null yang efektif ketika dipasangkan dengan transformator pencocokan impedansi. Headphones biasanya memiliki impedansi rendah (≈8 Ω), jadi transformator step-down menyelaraskan sinyal arus rendah dengan impedansi headphone, meningkatkan sensitivitas.
Menggunakan pasangan headphone tutup, arus di bawah 0.1 µA dapat terdeteksi dengan sirkuit sederhana ini. Performa yang sama dapat dicapai dengan transformator daya 120/6 V atau transformator audio 1000:8 Ω. Tombol push memungkinkan detektor untuk merespons sinyal dari DC hingga di atas 2 MHz; “klik” terdengar dengan setiap pengaktifan.
Saat jembatan disesuaikan, keadaan seimbang tercapai saat headphone berhenti menghasilkan klik atau nada selama operasi tombol.
Jembatan Impedansi AC Umum
Untuk impedansi kompleks sembarang, kaki jembatan direpresentasikan sebagai kotak dengan impedansi Z. Keseimbangan memerlukan rasio impedansi yang sama di sisi yang berseberangan:
Kedua magnitudo dan fase harus cocok; jika tidak, tegangan tersisa akan terus ada di seluruh detektor null.
Konfigurasi Jembatan Serbaguna
Sirkuit jembatan dapat mengukur hampir setiap parameter listrik—kapasitansi, induktansi, resistansi, atau faktor kualitas—dengan menyeimbangkan unknown terhadap standar yang diketahui. Tergantung pada konfigurasi, nilai yang tidak diketahui dapat dibaca langsung dari pengaturan yang dikalibrasi atau dihitung melalui hubungan matematis.
Contoh Jembatan Sederhana
Jembatan simetrik berikut mengilustrasikan konsep dasar. Dalam setiap kasus, komponen reaktif yang dikalibrasi (induktor atau kapasitor) disesuaikan hingga jembatan seimbang.
Jembatan simetrik untuk mengukur induktur yang tidak diketahui.
Jembatan simetrik untuk mengukur kapasitor yang tidak diketahui.
Jembatan Wien
Jembatan Wien memperkenalkan standar resistor-kapasitor paralel untuk menanggulangi resistansi inherent dari kapasitor nyata. Konfigurasi ini menyeimbangkan kombinasi RC seri yang tidak diketahui, memungkinkan pengukuran kapasitansi dan resistansi kehilangan secara bersamaan.
Dengan menyesuaikan resistor standar (Rs) dan kapasitor (Cs), jembatan mencapai keseimbangan, dan kapasitansi yang tidak diketahui (Cx) dan resistansi (Rx) diturunkan dari pengaturan yang diukur.
Jembatan Maxwell-Wein
Jembatan Maxwell-Wein (sering disebut jembatan Maxwell) mengukur induktansi menggunakan pasang resistor dan kapasitor yang dikalibrasi. Karena pergeseran fase induktif dan kapasitif berlawanan, kapasitor dapat menanggulangi impedansi induktor dalam tata letak simetris, menghilangkan error akibat induktansi saling.
Dengan kapasitor standar variabel (Cs) dan resistor paralel (Rs), jembatan seimbang pada titik yang independen dari frekuensi, memungkinkan pengukuran induktansi yang akurat bahkan dalam kondisi frekuensi campuran.
Mengatasi Kapasitansi Sisa
Kapasitansi sisa antara detektor null dan ground dapat memperkenalkan error pengukuran. Ini sangat menonjol jika satu sisi sumber AC di-ground, karena jalur bocor berkurang dan arus sisa meningkat.
Untuk mengatasi ini, Wagner ground (atau Wagner earth) digunakan. Ini adalah pembagi tegangan yang menempatkan detektor null pada ground virtual tanpa koneksi langsung, sehingga menghilangkan arus bocor.
Switch dua posisi memungkinkan verifikasi Wagner ground dengan membandingkan pembacaan detektor null dalam konfigurasi jembatan dan Wagner; nol dalam keduanya mengonfirmasi grounding yang tepat.
Key Takeaways
- Sirkuit jembatan AC bekerja pada prinsip yang sama seperti jembatan DC tetapi memerlukan rasio impedansi kompleks yang sama untuk keseimbangan.
- Detektor null untuk jembatan AC dapat berupa osiloskop, meter elektromekanis, atau headphone dengan pencocokan impedansi.
- Jembatan yang seimbang mungkin melibatkan beberapa penyesuaian untuk mencocokkan magnitudo dan fase.
- Jembatan sensitif frekuensi berfungsi sebagai meter frekuensi yang akurat saat nilai komponen diketahui.
- Teknik ground Wagner mengurangi error kapasitansi sisa dengan mempertahankan detektor null pada ground virtual.
Lembar Kerja Terkait
- Lembar Kerja Analisis Jaringan AC
