| Измерительные мосты переменного тока и их использование |
|
В цепях переменного тока для измерительных целей применяют мостовые схемы. Данные схемы позволяют определять величины емкостей и индуктивностей, тангенсы угла диэлектрических потерь конденсаторов, а также взаимные индуктивности катушек. Измерительные мосты переменного тока — это схемы совершенно разнообразные, о них и пойдет речь далее. Наиболее популярны четырехплечевые уравновешенные мосты, в которых процессы измерения индуктивностей, емкостей и тангенсов угла диэлектрических потерь могут сопровождаться компенсацией паразитных параметров. Особенно выразительны две группы схем измерительных мостов переменного тока: трансформаторные мосты (с индуктивно-связанными плечами) и емкостные мосты. Емкостные мосты — это четырехплечевые схемы, у которых в плечах установлены емкостные и активные элементы. Мостам трансформаторным свойственно наличие в двух плечах вторичных обмоток трансформаторов, которые служат для подачи на мост питания.
 Что касается схем емкостных, то в них могут входить как постоянные емкости и переменные (активные) резисторы, так и постоянные (активные) резисторы и переменные емкости. Мост с постоянными емкостями проще в построении, ведь ему не нужно конденсаторов переменной емкости, особым образом градуированных, вместо этого достаточно магазинов резисторов (активных сопротивлений). Благодаря переменным резисторам, мостовую схему можно уравновесить по реактивной и активной составляющим напряжения. Один переменный резистор градуируется соответственно значениям емкости, другой — в значениях тангенса угла диэлектрических потерь. В итоге получается эквивалентная последовательная схема исследуемого конденсатора. И следующее равенство будет отражать то самое равновесное состояние моста, а приравнивание мнимых и вещественных частей даст как раз значения искомых величин:
 Но в реальности паразитные параметры всегда проявляют себя, и дают погрешности уже на звуковых частотах. Паразитные индуктивности, емкости, проводимости — источники данных погрешностей, точность измерения угла диэлектрических потерь оказывается под угрозой. Меры по уменьшению влияния этих факторов - безиндуктивная и безъемкостная намотка первого резистора. Но на деле просто необходимо эти влияния должным образом компенсировать. Так, для того чтобы скомпенсировать паразитную индуктивность — присоединяют параллельно второму резистору подстроечный конденсатор. Кроме того, паразитные емкости и паразитные сопротивления возникают из-за наличия изоляционных деталей и трансформатора, поэтому необходимо, чтобы сам трансформатор имел двойное экранирование. Для снижения влияния емкостей и проводимостей деталей — их изготавливают из качественных диэлектриков, таких как фторопласт. В качестве источника питания подойдет генератор звуковой частоты.
 Применяемые в мостах постоянные сопротивления дают преимущество: не нужно градуировать никакой переменный резистор. В плечах стоят лишь постоянные сопротивления, постоянный конденсатор и переменные конденсаторы. Измерения их емкостей возможны напрямую. Исследуемая емкость просто подключается к зажимам, затем мост уравновешивается регулировкой переменных конденсаторов. Вычисления ведутся по формулам, из которых видно, что шкала для тангенса получается прямо из шаклы переменной емкости, поскольку сопротивление и частота неизменны:
Измерительные мосты с индуктивно-связанными плечами (трансформаторные мосты) превосходят емкостные по ряду аспектов: выше чувствительность по тангенсу и емкости, слабое влияние паразитных проводимостей, включенных как-бы параллельно плечам.
 Многосекционные трансформаторы позволяют существенно расширить рабочий диапазон (измерительную шкалу) моста. Существует несколько типичных схем трансформаторных мостов, однако самая популярная — двойной трансформаторный мост:
 Схема целиком регулируется перебором количества витков, ей не нужны ни переменные конденсаторы, ни переменные резисторы. Так можно создавать измерительные приборы большого диапазона на многосекционных трансформаторах, причем образцовых элементов потребуется минимум. Цепи здесь гальванически развязаны, то есть очевидно, что помехи в силу паразитных связей минимальны, поэтому и присоединительные провода могут быть относительно длинными. Справедливы следующие уравнения в условиях равновесия моста:
 Как известно, когда речь заходит об измерении емкостей конденсаторов, активные потери в виде тангенса угла диэлектрических потерь вылезают на первый план. Так, конденсаторы по данному параметру подразделяются на три группы (и схемы замещения на данной частоте, соответственно, различаются):
 Следующие соотношения отражают полное сопротивление конденсатора в цепи переменного тока и его тангенс при последовательной и параллельной схемах замещения:
 Измерение емкости конденсатора, не обладающего потерями, проводят по следующей схеме, в которой два активных плеча определяют пределы измерения соотношением своих значений, а образцовая емкость является переменной. Здесь в процессе измерения подбирают соотношения резисторов, изменяют величину образцовой емкости. Выражение равновесия моста таково:  Измерение емкости с малыми потерями проводят по схеме последовательного замещения конденсатора, при этом уравновешивают мост изменяя емкость и активное сопротивление, достигая минимального показания на шкале индикатора нуля. Условие равенства дает следующие выражения:
 Конденсаторы с существенными потерями в диэлектрике требуют, чтобы в схеме замещения сопротивление было бы включено параллельно образцу, согласно приведенной выше схеме. Формула для тангенса будет иметь следующий вид:
 Так, с помощью мостов возможно проводить измерения емкостей реальных конденсаторов номиналами от единиц пф до десятков мкф, причем с высокой степенью точности (от 1 до 3 порядка). Измеряя индуктивности, пользуясь описанным выше подходом, возможно сравнивать их с емкостями, а не обязательно с индуктивностями, ведь изготовить точную переменную индуктивность — непростая задача. Так и пользуются схемами замещения с образцовыми емкостями вместо индуктивностей. Условие равновесия позволяет найти сопротивление и индуктивность, записывается результат в следующем виде:
 Далее можно найти добротность:
 Конечно, межвитковая емкость даст небольшие искажения, однако они зачастую оказываются пренебрежимо малы. |