Circuits de pont AC

Comme nous l'avons vu avec les circuits de mesure DC, la configuration du circuit connue sous le nom de pont peut être un moyen très utile de mesurer des valeurs de résistance inconnues.

C'est également vrai avec le courant alternatif, et nous pouvons appliquer le même principe à la mesure précise d'impédances inconnues.

Comment fonctionne un circuit de pont ?

Pour passer en revue, le circuit en pont fonctionne comme une paire de diviseurs de tension à deux composants connectés sur la même tension source, avec un détecteur nul mouvement du compteur connecté entre eux pour indiquer une condition d'« équilibre » à zéro volt :

Un pont équilibré affiche un « null » ou une lecture minimale sur l'indicateur.

N'importe laquelle des quatre résistances du pont ci-dessus peut être la résistance de valeur inconnue, et sa valeur peut être déterminée par un rapport des trois autres, qui sont « calibrées » ou dont les résistances sont connues à un degré précis.

Lorsque le pont est dans un état équilibré (tension nulle telle qu'indiquée par le détecteur de zéro), le rapport est le suivant :

En condition d'équilibre :

L'un des avantages de l'utilisation d'un circuit en pont pour mesurer la résistance est que la tension de la source d'alimentation n'a pas d'importance.

Concrètement, plus la tension d'alimentation est élevée, plus il est facile de détecter une condition de déséquilibre entre les quatre résistances avec le détecteur de zéro, et donc plus il sera sensible.

Une tension d'alimentation plus élevée conduit à la possibilité d'une précision de mesure accrue. Cependant, il n'y aura pas d'erreur fondamentale introduite en raison d'une tension d'alimentation inférieure ou supérieure contrairement à d'autres types de schémas de mesure de résistance.

Pont d'impédance

Les ponts d'impédance fonctionnent de la même manière, seule l'équation d'équilibre est avec complexe quantités, car l'amplitude et la phase entre les composants des deux diviseurs doivent être égales pour que le détecteur de zéro indique « zéro ».

Le détecteur de zéro, bien sûr, doit être un dispositif capable de détecter de très petites tensions alternatives. Un oscilloscope est souvent utilisé pour cela, bien que des mouvements de compteur électromécaniques très sensibles et même des écouteurs (petits haut-parleurs) puissent être utilisés si la fréquence source se situe dans la plage audio.

Détecteur nul pour AC

Une façon de maximiser l'efficacité des écouteurs audio en tant que détecteur de zéro consiste à les connecter à la source de signal via un transformateur d'adaptation d'impédance.

Les haut-parleurs pour casque sont généralement des unités à faible impédance (8 Ω), nécessitant un courant substantiel pour être alimentés. Par conséquent, un transformateur abaisseur permet de « faire correspondre » les signaux à faible courant à l'impédance des haut-parleurs du casque.

Un transformateur de sortie audio fonctionne bien à cet effet :(Figure ci-dessous)

Les écouteurs « modernes » à faible ohm nécessitent un transformateur d'adaptation d'impédance pour être utilisés comme détecteur de zéro sensible.

À l'aide d'une paire d'écouteurs qui entourent complètement les oreilles (du type « coupelle fermée »), j'ai pu détecter des courants inférieurs à 0,1 µA avec ce simple circuit de détection.

Les performances à peu près égales ont été obtenues en utilisant deux transformateurs abaisseurs différents :un petit transformateur de puissance (rapport 120/6 volts) et un transformateur de sortie audio (rapport d'impédance 1000:8 ohms).

Avec le bouton-poussoir en place pour interrompre le courant, ce circuit est utilisé pour détecter les signaux de DC à plus de 2 MHz :même si la fréquence est bien au-dessus ou en dessous de la plage audio, un « clic » sera entendu dans le casque à chaque fois que le l'interrupteur est enfoncé et relâché.

Connecté à un pont résistif, l'ensemble du circuit ressemble à la figure ci-dessous.

Pont avec détecteur de zéro AC sensible.

En écoutant le casque alors qu'un ou plusieurs des « bras » de résistance du pont sont ajustés, une condition d'équilibre sera réalisée lorsque le casque ne produira pas de « clics » (ou de tonalités, si la fréquence de la source d'alimentation du pont est dans la plage audio ) lorsque l'interrupteur est actionné.

Lors de la description des ponts AC généraux, où les impédances et pas seulement les résistances doivent être dans le bon rapport pour l'équilibre, il est parfois utile de dessiner les jambes de pont respectives sous la forme de composants en forme de boîte, chacun avec une certaine impédance :(Figure ci-dessous)

Pont d'impédance AC généralisé :Z =impédance complexe non spécifique.

Pour cette forme générale du pont AC à l'équilibre, les rapports d'impédance de chaque branche doivent être égaux :

Encore une fois, il faut souligner que les quantités d'impédance dans l'équation ci-dessus doit être complexe, tenant compte à la fois de l'amplitude et de l'angle de phase.

Il est insuffisant que les grandeurs d'impédance seules soient équilibrées; sans angles de phase dans la balance également, il y aura toujours la tension aux bornes du détecteur de zéro et le pont ne sera pas équilibré.

Les circuits en pont peuvent être construits pour mesurer à peu près n'importe quelle valeur d'appareil souhaitée, qu'il s'agisse de capacité, d'inductance, de résistance ou même de « Q ».

Comme toujours dans les circuits de mesure en pont, la quantité inconnue est toujours « équilibrée » par rapport à une norme connue, obtenue à partir d'un composant étalonné de haute qualité qui peut être ajusté en valeur jusqu'à ce que le dispositif de détection de zéro indique une condition d'équilibre.

Selon la configuration du pont, la valeur du composant inconnu peut être déterminée directement à partir du réglage de l'étalon calibré ou dérivée de cet étalon par une formule mathématique.

Exemple de circuits de pont

Quelques circuits en pont simples sont illustrés ci-dessous, un pour l'inductance (Figure ci-dessous) et un pour la capacité :

Le pont symétrique mesure une inductance inconnue par rapport à une inductance standard.

Le pont symétrique mesure un condensateur inconnu par rapport à un condensateur standard.

De simples ponts "symétriques" tels que ceux-ci sont ainsi nommés car ils présentent une symétrie (similarité d'image miroir) de gauche à droite.

Les deux circuits en pont illustrés ci-dessus sont équilibrés en ajustant le composant réactif calibré (Ls ou Cs).

Ils sont un peu simplifiés par rapport à leurs homologues réels, car les circuits de pont symétriques pratiques ont souvent une résistance variable calibrée en série ou en parallèle avec le composant réactif pour équilibrer la résistance parasite dans le composant inconnu.

Mais, dans le monde hypothétique des composants parfaits, ces simples circuits en pont font très bien pour illustrer le concept de base.

Pont de Vienne

Un exemple d'un peu de complexité supplémentaire ajoutée pour compenser les effets du monde réel peut être trouvé dans le soi-disant pont de Vienne , qui utilise une impédance standard parallèle condensateur-résistance pour équilibrer une combinaison série inconnue condensateur-résistance. (Figure ci-dessous)

Tous les condensateurs ont une certaine résistance interne, qu'elle soit littérale ou équivalente (sous la forme de pertes thermiques diélectriques), qui ont tendance à gâcher leur nature par ailleurs parfaitement réactive.

Cette résistance interne peut être intéressante à mesurer, c'est pourquoi le pont de Wien tente de le faire en fournissant une impédance d'équilibrage qui n'est pas non plus « pure » :

Wein Bridge mesure à la fois les composants capacitifs Cx et résistifs Rx du "vrai" condensateur.

Étant donné qu'il y a deux composants standard à régler (une résistance et un condensateur), ce pont prendra un peu plus de temps à s'équilibrer que les autres que nous avons vus jusqu'à présent.

L'effet combiné de Rs et Cs est de modifier l'amplitude et l'angle de phase jusqu'à ce que le pont atteigne une condition d'équilibre.

Une fois cet équilibre atteint, les réglages de Rs et Cs peuvent être lus à partir de leurs boutons calibrés, l'impédance parallèle des deux déterminée mathématiquement et la capacité et la résistance inconnues déterminées mathématiquement à partir de l'équation d'équilibre (Z1/Z2 =Z3/Z4) .

On suppose dans le fonctionnement du pont de Wien que le condensateur standard a une résistance interne négligeable, ou du moins que cette résistance est déjà connue afin qu'elle puisse être prise en compte dans l'équation d'équilibre.

Les ponts de Wien sont utiles pour déterminer les valeurs des conceptions de condensateurs "avec perte" comme les électrolytiques, où la résistance interne est relativement élevée.

Ils sont également utilisés comme fréquencemètres car l'équilibre du pont dépend de la fréquence.

Lorsqu'ils sont utilisés de cette manière, les condensateurs sont rendus fixes (et généralement de valeur égale) et les deux résistances supérieures sont rendues variables et sont ajustées au moyen du même bouton.

Une variation intéressante sur ce thème se trouve dans le prochain circuit en pont, utilisé pour mesurer avec précision les inductances.

Pont Maxwell-Wein

Le pont Maxwell-Wein mesure un inducteur en termes de condensateur standard.

Ce circuit en pont ingénieux est connu sous le nom de pont Maxwell-Wien (parfois simplement connu sous le nom de pont Maxwell ) et est utilisé pour mesurer des inductances inconnues en termes de résistance et de capacité calibrées. (Figure ci-dessus)

Les inductances d'étalonnage sont plus difficiles à fabriquer que les condensateurs de précision similaire, et donc l'utilisation d'un simple pont d'inductance « symétrique » n'est pas toujours pratique.

Étant donné que les déphasages des inductances et des condensateurs sont exactement opposés, une impédance capacitive peut équilibrer une impédance inductive si elles sont situées dans les branches opposées d'un pont, comme c'est le cas ici.

Un autre avantage de l'utilisation d'un pont Maxwell pour mesurer l'inductance plutôt qu'un pont d'inductance symétrique est l'élimination de l'erreur de mesure due à l'inductance mutuelle entre deux inductances.

Les champs magnétiques peuvent être difficiles à protéger, et même une petite quantité de couplage entre les bobines d'un pont peut introduire des erreurs substantielles dans certaines conditions. Sans deuxième inductance pour réagir dans le pont de Maxwell, ce problème est éliminé.

Pour l'opération la plus simple, le condensateur standard (Cs) et la résistance en parallèle avec lui (Rs) sont rendus variables, et les deux doivent être ajustés pour atteindre l'équilibre.

Cependant, le pont peut fonctionner si le condensateur est fixe (non variable) et plus d'une résistance rendue variable (au moins la résistance en parallèle avec le condensateur, et l'une des deux autres).

Cependant, dans cette dernière configuration, il faut plus d'ajustements d'essais et d'erreurs pour atteindre l'équilibre, car les différentes résistances variables interagissent pour équilibrer l'amplitude et la phase.

Contrairement au pont de Wien ordinaire, l'équilibre du pont de Maxwell-Wien est indépendant de la fréquence de la source et, dans certains cas, ce pont peut être équilibré en présence de fréquences mixtes provenant de la source de tension alternative, le facteur limitant étant la tension de l'inducteur. stabilité sur une large gamme de fréquences.

Il existe d'autres variantes au-delà de ces conceptions, mais une discussion complète n'est pas justifiée ici. Des circuits de pont d'impédance à usage général sont fabriqués et peuvent être commutés dans plusieurs configurations pour une flexibilité d'utilisation maximale.

Un problème potentiel dans les circuits de pont CA sensibles est celui de la capacité parasite entre chaque extrémité de l'unité de détection de zéro et le potentiel de terre (terre).

Étant donné que les capacités peuvent « conduire » le courant alternatif en chargeant et en se déchargeant, elles forment des chemins de courant vagabond vers la source de tension alternative, ce qui peut affecter l'équilibre du pont :

La capacité parasite au sol peut introduire des erreurs dans le pont.

Bien que les compteurs à roseau soient imprécis, leur principe de fonctionnement ne l'est pas. Au lieu de la résonance mécanique, nous pouvons substituer la résonance électrique et concevoir un fréquencemètre utilisant une inductance et un condensateur sous la forme d'un circuit réservoir (inductance et condensateur parallèles).

Un ou les deux composants sont rendus réglables et un compteur est placé dans le circuit pour indiquer l'amplitude maximale de la tension entre les deux composants.

Le ou les boutons de réglage sont calibrés pour afficher la fréquence de résonance pour un réglage donné, et la fréquence est lue à partir d'eux une fois que l'appareil a été réglé pour l'indication maximale sur le compteur.

Il s'agit essentiellement d'un circuit de filtre accordable qui est ajusté puis lu d'une manière similaire à un circuit en pont (qui doit être équilibré pour une condition « nulle » puis lu).

Le problème est aggravé si la source de tension alternative est fermement mise à la terre à une extrémité, l'impédance parasite totale pour les courants de fuite est beaucoup plus faible et tous les courants de fuite à travers ces capacités parasites sont augmentés en conséquence :

Les erreurs de capacité parasite sont plus graves si un côté de l'alimentation CA est mis à la terre.

Terrain Wagner

Une façon de réduire considérablement cet effet est de maintenir le détecteur nul au potentiel de la terre, donc il n'y aura pas de tension alternative entre lui et la terre, et donc pas de courant à travers les capacités parasites.

Cependant, connecter directement le détecteur nul à la terre n'est pas une option, car cela créerait un direct chemin actuel pour les courants vagabonds, ce qui serait pire que n'importe quel chemin capacitif.

Au lieu de cela, un circuit diviseur de tension spécial appelé terre Wagner ou terre de Wagner peut être utilisé pour maintenir le détecteur nul au potentiel de terre sans avoir besoin d'une connexion directe au détecteur nul. (Figure ci-dessous)

La masse Wagner pour l'alimentation CA minimise les effets de la capacité parasite à la masse sur le pont.

Le circuit de terre de Wagner n'est rien de plus qu'un diviseur de tension, conçu pour avoir le rapport de tension et le déphasage de chaque côté du pont.

Étant donné que le point médian du diviseur Wagner est directement mis à la terre, tout autre circuit diviseur (y compris de chaque côté du pont) ayant les mêmes proportions et phases de tension que le diviseur Wagner, et alimenté par la même source de tension alternative, sera au potentiel de terre comme bien.

Ainsi, le diviseur de terre Wagner force le détecteur nul à être au potentiel de la terre, sans connexion directe entre le détecteur et la terre.

Il y a souvent une disposition faite dans la connexion du détecteur de zéro pour confirmer le bon réglage du circuit diviseur de terre Wagner :un commutateur à deux positions, (Figure ci-dessous) de sorte qu'une extrémité du détecteur de zéro puisse être connectée soit au pont soit Terre de Wagner.

Lorsque le détecteur nul enregistre le signal zéro dans les deux positions de commutation, le pont est non seulement garanti d'être équilibré, mais le détecteur nul est également garanti d'être au potentiel zéro par rapport à la terre, éliminant ainsi toute erreur due aux courants de fuite à travers le détecteur parasite -capacités à la terre :

La position de commutation permet le réglage de la masse Wagner.

AVIS :

• Les circuits en pont CA fonctionnent sur le même principe de base que les circuits en pont CC :un rapport équilibré d'impédances (plutôt que de résistances) se traduira par une condition « équilibrée » comme indiqué par le dispositif de détection de zéro.
• Les détecteurs nuls pour ponts CA peuvent être des mouvements de compteurs électromécaniques sensibles, des oscilloscopes (CRT), des écouteurs (amplifiés ou non amplifiés) ou tout autre appareil capable d'enregistrer de très petits niveaux de tension CA. À l'instar des détecteurs CC nuls, son seul point de précision d'étalonnage requis est à zéro.
• Les circuits en pont AC peuvent être du type « symétrique » où une impédance inconnue est équilibrée par une impédance standard de type similaire du même côté (haut ou bas) du pont. Ou, ils peuvent être « non symétriques », en utilisant des impédances parallèles pour équilibrer les impédances en série, ou même des capacités équilibrant les inductances.
• Les circuits en pont AC ont souvent plus d'un ajustement, car l'amplitude d'impédance et l'angle de phase doit être correctement adapté à l'équilibre.
• Certains circuits de pont d'impédance sont sensibles à la fréquence alors que d'autres ne le sont pas. Les types sensibles à la fréquence peuvent être utilisés comme dispositifs de mesure de fréquence si toutes les valeurs des composants sont connues avec précision.
• Une terre de Wagner ou terre Wagner est un circuit diviseur de tension ajouté aux ponts CA pour aider à réduire les erreurs dues à la capacité parasite couplant le détecteur nul à la terre.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Feuille de travail d'analyse du réseau AC