Circuite in punte - puntea Wheatstone si Thomson

Circuite in punte - puntea Wheatstone si Thomson

Circuitele in punte se folosesc de un detector de nul pentru a compara doua tensiuni. Principiul este asemanator unei balante de laborator ce compara doua greutati pentru a indica egalitatea lor. Spre deosebire de circuitul "potentiometric" utilizat pentru a masura pur si simplu o cadere de tensiune necunoscuta, circuitele in punte pot fi folosite pentru a masura o varietate de marimi electrice, una din ele fiind rezistenta.

Puntea Wheatstone

Circuitul in puncte standard, numit adesea si punte Wheatstone, arata astfel:

Atunci cand caderea de tensiune intre punctul 1 si borna negativa a bateriei este egala cu tensiunea dintre punctul 2 si borna negativa a bateriei, detectorul de nul va indica valoarea zero. In acest caz spunem ca puntea este "echilibrata". Starea de echilibru a "balantei" este dependenta da raporturile R_a / R_b si R₁ / R₂ si este independenta de tensiunea de alimentare (a bateriei).

Pentru masurarea rezistentelor folosind puntea Wheatstone, rezistenta necunoscuta se conecteaza in locul rezistorului R_a sau R_b. Celelalte trei componente sunt dispozitive de precizie, a caror rezistenta este cunoscuta. Oricare din cei trei rezistori poate fi inlocuit sau ajustat, astfel incat puntea sa fie echilibrata. Cand se ajunge la echilibru, valoarea rezistorului necunoscut se determina din raporturile rezistentelor cunoscute.

O cerinta a acestui sistem de masura consta in existenta unor seturi de rezistori variabili de precizie. Din moment ce rezistenta acestora este cunoscuta, pot fi folositi ca si referinta. De exemplu, daca folosim o punte Wheatstone pentru a masura o rezistenta necunoscuta R_x, va trebui sa cunoastem valorile exacte ale celorlalti trei rezistori in starea de echilibru, daca dorim sa determinam valoarea lui R_x:

Ecuatia de echilibru a puntii Wheatstone este urmatoarea:

Fiecare din cei patru rezistori a unei punti poarta numele de brat. Rezistorul conectat in serie cu rezistenta necunoscuta R_x (R_a in figura de mai sus) poarta de obicei numele de reostat de reglaj. Din fericire, rezistentele standard precise si stabile nu sunt asa de greu de realizat.

Puntile Wheatstone sunt considerate superioare circuitelor de masura standard prezentate in sectiunea precedenta din punct de vedere al masurarii rezistentelor. Spre deosebire de acele circuite, puntile Wheatstone sunt liniare si extrem de precise.

Avand la dispozitie rezistente standard de o precizie ridicata si un detector de nul cu o sensibilitate suficienta, putem masura rezistente cu o precizie de cel putin +/- 0,05 %. Aceasta metoda este preferata si indicata pentru masurarea rezistentelor de laborator datorita preciziei ridicate.

Exista multe variatii a circuitului in punte Wheatstone de baza. Majoritatea circuitelor in punte de curent continuu sunt folosite pentru masurarea rezistentei. Dar circuitele alimentate in curent alternativ pot fi folosite pentru a masura diferite marimi electrice precum inductanta, capacitate si frecventa.

Puntea Thomson (puntea Kelvin dubla)

O varianta interesanta a puntii Wheatstone o reprezinta puntea dubla Kelvin, cunoscuta si sub numele de punte Thomson. Acest circuit este utilizat pentru masurarea rezistentelor extrem de mici (sub 1/10 ohmi):

Rezistorii de valoare mica sunt reprezentati prin simboluri cu linie ingrosata, la fel si conductorii (prin care trece un curent mare) la care sunt conectati. Aceasta punte "ciudata" poate fi cel mai bine inteleasa daca reluam puntea Wheatstone standard pentru masurarea rezistentelor mici, pentru a ajunge apoi, pas cu pas (datorita problemelor intampinate), la forma finala a puntii Thomson.

Daca am dori sa folosim o punte Wheatstone standard pentru a masura rezistente de o valoare foarte mica, circuitul ar arata astfel:

Cand detectorul de nul indica o tensiune zero, stim ca puntea este echilibrata iar raporturile R_a / R_b si R_M / R_N sunt egale. Cunoscand valorile rezistorilor R_a, R_M si R_N putem determina R_xaproximativ.

Avem totusi o problema: contactele si firele conductoare dintre R_a si R_x prezinta si ele o anumita rezistenta. Aceste rezistente parazite pot fi substantiale in comparatie cu rezistentele mici R_a si R_x. De asemenea, caderea de tensiune pe aceste rezistente parazite va fi suficient de mare, ducand la un curent mare prin ele. Toate aceste lucruri vor afecta indicatia detectorului de nul, si prin urmare, starea de echilibru a puntii:

Din moment ce nu dorim masurarea acestor rezistente parazite, ci doar a rezistentei R_x, trebuie gasita o modalitate de corectare a detectorului de nul astfel incat acesta sa nu fie influentat de caderile de tensiune din lungul acestor rezistente parazite. In cazul in care conectam detectorul de nul si bratele R_M / R_N direct la bornele rezistorilor R_a si R_x, ne vom apropia de o solutie mai practica:

In aceasta configuratie, cele doua caderi de tensiune E_fir din partea de sus si de jos nu au niciun efect asupra detectorului de nul si nu vor influenta precizia masuratorii lui R_x. Totusi, celelalte doua caderi de tensiune E_fir vor cauza probleme.

Cunoscand faptul ca partea stanga a detectorului de nul trebuie conectata la cele doua borne ale rezistorilor R_a si R_x pentru evitarea introducerii caderilor de tensiune E_fir in bucla detectorului de nul, si ca orice conductor ce face legatura cu cele doua terminale va conduce el insusi un curent substantial (ce va duce la caderi de tensiune parazite aditionale), singura solutie in aceasta situatie este realizarea unui drum puternic rezistiv intre partea de jos a rezistorului R_a si partea de sus a rezistorului R_x:

Putem controla caderile de tensiune parazite intre R_a si R_x prin dimensionarea celor doi rezistori noi, astfel incat raportul celui de sus cu cel de jos sa fie egal cu raportul celor doua brate de pe partea cealalta a detectorului de nul. Acesta este si motivul pentru care acesti rezistori au fost denumiti R_m si R_n in schema initiala a punctii Thomson: pentru a scoate in evidenta proportionalitatea lor cu rezistorii R_M si R_N.

Raportul R_m / R_n fiind egal cu raportul R_M / R_N, bratul R_a (reostatul) este ajustat pana in momentul in care detectorul de nul indica echilibrul puntii. In acest moment putem spune ca R_a / R_x este egal cu R_M / R_N. Putem calcula R_x cu urmatoarea ecuatie:

De fapt, ecuatia de echilibru a puntii Thomson este urmatoarea:

unde R_fir este rezistenta firului conductor gros dintre rezistenta standard de jos R_a si rezistenta de test R_x.

Atata timp cat raportul dintre R_M si R_N este egal cu raportul dintre R_m si R_n, ecuatia de echilibru nu este mai complexa decat cea a puntii Wheatstone normale. R_x / R_a va fi egal cu R_N / R_M, deoarece ultimul termen al ecuatiei va fi zero, anuland efectele tuturor rezistorilor cu exceptia lui R_x, R_a, R_M si R_N.

Observatii asupra puntii Thomson

In multe cazuri, R_M = R_m si R_N = R_n. Totusi, cu cat rezistentele R_m si R_n sunt mai mici, cu atat detectorul de nul va fi mai sensibil, deoarece rezistenta conectata in serie cu el va fi mai mica. Cresterea sensibilitatii detectorului este un lucru bun, deoarece permite detectarea unor dezechilibre mult mai mici, si prin urmare, atingerea unei situatii de echilibru mult mai precise. Din aceasta cauza, unele punti Thomson folosesc rezistori R_m si R_n a caror valori sunt spre 1/100 din raportul bratelor opuse (R_M si R_N).

Din pacate totusi, cu cat valorile rezistorilor R_m si R_n sunt mai mici, cu atat vor conduce un curent mai mare, ceea ce va duce la cresterea efectului oricaror rezistente prezente la jonctiunea dintre acestea si rezistorii R_a si R_x. Dupa cum se poate vedea, instrumentele de precizie inalta necesita luarea in considerare a tuturor factorilor susceptibili de a produce erori de masura. De cele mai multe ori, cea mai buna solutie reprezinta un compromis intre doua sau mai multe tipuri diferite de erori.