Линейно-инверсный мост и мост модулированного тока

Для измерения параметров RLC-элементов традиционно используют мостовые измерительные схемы — мост Уитстона (рис. 30.1). В зависимости от используемой разновидности мостовой схемы шкалы приборов имеют линейный либо нелинейный характер (с растянутой частью шкалы). Общий недостаток линейных мостовых схем — узкий диапазон измерений.

Мостовая схема, сочетающая возможность измерения параметров RLC как в схеме линейного, так и в схеме инверсного моста (рис. 30.1 — 30.3), позволяет заметно расширить диапазоны измеряемых значений [Рл 3/01-30].

Рис. 30.1. Схема линейного моста

На рис. 30.1 и 30.2 показаны, соответственно, схемы линейного и инверсного мостов, в таблице 30.1 — основные соотношения элементов мостов и расчетные формулы для определения искомого значения (на примере определения Rx). Множитель диапазона К кратен десяти. В качестве элемента балансировки моста должен быть использован специальный потенциометр. Это может быть многооборотный (десятиоборотный) потенциометр со счетчиком оборотов и линейной зависимостью изменения сопротивления от угла поворота, либо однооборотный проволочный потенциометр с редуктором, либо магазин сопротивлений (двух, трехдекадный набор последовательно включаемых эталонных сопротивлений). Шкала градуируется от 0 до 1,00 с дискретностью отсчета не хуже 0,01 ед. Для решения учебно-исследовательских задач в качестве такого потенциометра допустимо использовать однооборотный потенциометр с линейной зависимостью изменения сопротивления от угла поворота.

Рис. 30.2. Схема инверсного моста

Для повышения точности отсчета при создании прибора для измерений с повышенной точностью желательно использовать но-ниусную шкалу (как на микрометрах или штангенциркулях).

Таблица 30.1

На рис. 30.3 приведен фрагмент практической блок-схемы линейно-инверсного моста. Переключатель SA1 выполняет одновременно несколько функций: позволяет отключать источник питания, а также переключать измерительный мост на питание от внешнего источника постоянного или переменного тока, внутреннего генератора переменного тока или источника постоянного тока. Резистор Rorp (рис. 30.2, 30.3) служит для ограничения тока короткого замыкания при измерении малых сопротивлений. Переключатель SA2 предназначен для изменения режима работы моста с линейного на инверсный. Для измерения параметров L и С (рис. 30.3) эталонный и неизвестный элементы включают вместо элементов R3 и R4 моста. В качестве нуль-индикатора РА1 может быть использован внешний измерительный прибор — милливольтметр переменного тока.

Рис. 30.3

Рис. 30.4

На рис. 30.4 показаны возможные пределы измерения мостовой схемы в зависимости от угла поворота оси (в долях или процентах) балансировочного потенциометра в линейном и инверсном включении моста. Использование инверсного включения моста позволяет расширить диапазон измерений параметров RLC на один, два порядка в сторону больших значений при сохранении возможности измерения меньших значений относительно эталонного значения в режиме линейного моста. Это позволяет заметно упростить конструкцию моста и сократить вдвое количество дорогостоящих дефицитных прецизионных (имеющих малое отклонение от номинала) элементов.

Рис. 30.5

На рис. 30.5 приведена практическая схема линейно-инверсного моста, способного работать как на переменном, так и на постоянном токе от внутреннего или внешнего источника (генератора). В качестве внутреннего генератора звукового диапазона используется блокинг-генератор на транзисторе VT1. В генераторе может быть использован кремниевый транзистор типа КТ361. В случае отсутствия генерации выводы одной из обмоток трансформатора следует поменять местами. Частота генерации блокинг-генератора определяется свойствами трансформатора и постоянной времени R1C1, поэтому желателен подбор этих элементов.

Переключатель (выключатель) SA1 позволяет подавать питание на мост от внешнего генератора (источника постоянного или переменного тока), от внутренних звукового генератора или источника постоянного тока напряжением 4,5 В.

Переключатель SA2 переводит устройство в режим линейного или инверсного моста. В устройстве использовано минимальное количество прецизионных RLC-элементов. Эти элементы могут быть отобраны или составлены из обычных резисторов или конденсаторов с контролем полученной величины по цифровому измерительному прибору.

Диапазоны измерений линейного-инверсного моста составляют: от 1 Ом до 100 МОм, от 1 пФ до 100 мкФ, от 1 мкГн до 100 Гч.

В качестве индицирующего прибора при измерении на переменном токе желательно использовать высокоомные головные телефоны ТОН-1/ТОН-2; на постоянном токе — высокоомные измерительные приборы магнитоэлектрической системы. Кроме того, в качестве нуль-индикаторов можно подключить внешние измерительные приборы, например, милливольтметр переменного тока.

В качестве трансформатора Т1 можно использовать выходной или согласующий трансформатор от портативного радиоприемника.

На рис. 30.6 показана мостовая измерительная схема — мост модулированного тока. Питание моста осуществляется модулированным постоянным током, что позволяет использовать в качестве нуль-индикаторов измерительные и индикаторные приборы, чувствительные как к переменному, так и к постоянному току.

Рис. 30.7. Схема моста переменного тока Максвелла транзисторе VT1. Переключатель SA1 одновременно является выключателем устройства.

Рис. 30.6

Рис. 30.7. Схема моста переменного тока Максвелла

Мост Уитстона, рис. 30.1, является далеко не единственной мостовой схемой, предназначенной для измерения сопротивлений, индуктивностей или емкостей. Для сопоставления на рис. 30.7 — 30.10 приведены мостовые схемы Максвелла (рис. 30.7), Хэя (рис. 30.8), Соти (рис. 30.9), Вина (рис. 30.10), названные так в честь предложивших их исследователей. При помощи этих приборов можно получить также сведения о тангенсе угла диэлектрических потерь конденсаторов, измерить величину добротности катушек индуктивности. Обозначения элементов моста условны. Для выполнения условия балансировки моста (нулевые показания индикатора) должно выполняться равенство соотношения элементов плеч моста.

Рис. 30.8. Схема моста переменного тока Хея

Рис. 30.9. Схема моста переменного тока Соти

Рис. 30.10. Схема моста переменного тока Вина

Общий принцип действия мостов переменного тока — подача питающего переменного напряжения и последующая балансировка моста при помощи регулируемых элементов. Стрелка измерительного прибора, милливольтметра переменного тока, при балансировке должна быть на нуле. Если в качестве индикатора баланса используются головные телефоны, в телефонах не должен прослушиваться звуковой сигнал.

Для нахождения неизвестного (определяемого) значения емкости, индуктивности, сопротивления регулируемые элементы мостов — потенциометры R2 и R3, либо заменяющие их наборы переключаемых эталонных резисторов, должны быть откалибро-ваны. Калибровочные значения могут быть нанесены на лимбы ручек регулирующих элементов.

Мостовые схемы, процесс их балансировки, а также принципы, заложенные в этом методе измерения, широко используют в радиоэлектронике: например, в балансных модуляторах, в измерительных приборах и преобразователях. В этой связи рекомендуется подробно изучить различные варианты мостовых схем, оценить перспективы их использования в своих последующих самостоятельных конструкциях.

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год