บริดจ์กระแสสลับ (Ac Bridge)
Ac Bridge เป็นเครื่องวัดที่ใช้กลักการพื้นฐานของ Wheatstone Bridge เพื่อหาค่าความต้านทาน, อินดักแตนซ์ และคาปาซิแตนซ์ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับวงจร Ac Bridge ประกอบด้วยอิมพีแดนซ์ 4 ตัว นอกจากนี้ยังมีแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ
(ac Source) และเครื่องตรวจจับความเปลี่ยนแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ (ac Detector) ดังรูป
ขณะที่เครื่องวัดความเปลี่ยนแปลงไฟฟ้ากระแสสลับอ่านค่าเท่ากับศูนย์
ทำให้ทราบว่าวงจรบริดจ์นั้นสมดุล
หรือไม่มีความแตกต่างของระดับแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมที่ขั้วของเครื่องตรวจจับความเปลี่ยนแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ
ดังนั้นอาจเขียนวงจรบริดจ์ใหม่ได้ดังรูป
หมายเหตุ
เส้นประ แสดงให้เห็นว่าไม่มีความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าที่จุด b และ c จึงไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านระหว่างจุด
b และ cเมื่อ Ac Bridge (รูปข้างบน) อยู่ในสภาพสมดุลจะได้สมการแรงดันไฟฟ้าตกคร่อม Z1
และ Z3 ดังนี้
I1Z1 = I2Z3
--------- (1)
แรงดังไฟฟ้าจากจุด d
ไปยัง b เท่ากับแรงดันไฟฟ้าจากจุด d ไปยัง
c ดังนั้น
I1Z2 = I2Z4---------
(2)
หารสมการ (1) ด้วยสมการ (2) จะได้
สมการ (3), (4) เป็นสมการบริดจ์ทั่วไป
และใช้กับวงจรบริดจ์สมดุลไม่ว่าแขนของวงจรนั้นประกอบด้วยความต้านทานอย่างเดียวหรือประกอบด้วยความต้านทานคาปาซิแตนซ์และอินดักแตนซ์รวมกันก็ตาม
วงจร Ac Bridge อย่างง่าย
วงจร Ac Bridge
อย่างง่ายๆ สามารถสร้างขึ้นได้ดังรูป ค่า unknown Impedance จะต่อที่ขั้ววัด (Z4) แล้วทำการปรับค่า R และ C จนกระทั่งวงจรบริดจ์อยู่ในสภาพสมดุล
เมื่อวงจรบริดจ์สมดุลแล้วก็สามารถอ่านค่า unknown Impedance
ได้จากค่า R และ C
ที่ตั้งสเกลไว้ได้โดยตรง เพราะว่า (Z1=Z3)
Ac Bridge อย่างง่าย
ลักษณะของวงจร Ac Bridge อย่างง่ายแสดงดังรูปข้างต้นนั้น เหมาะสำหรับใช้วัดค่า Impedance ของวงจรที่เป็น Capacitive ที่ความถี่ 1 KHZ
แต่บริดจ์ชนิดนี้ยังมีข้อเสียคือ Variable Capacitor ที่ใช้ในวงจรมีค่าจำกัด จึงไม่สามารถวัดค่า Impedance ที่อยู่นอกเหนือขีดจำกัดของ Variable Capacitorได้
ฉะนั้น ในบริดจ์ที่ทำมาขายโดยทั่วไปในปัจจุบันจึงพยายามใช้ตัวปรับBalanced เป็นความต้านทานเพื่อให้สามารถวัดค่า Impedance ได้ในย่านกว้างขึ้น
และสามารถสร้างสเกลให้อ่านค่าออกมาได้ละเอียดถูกต้องมากกว่า
วงจร AC Wheatstone Bridge แบบต่างๆ
วงจร AC Wheatstone Bridge ที่นิยมใช้กันมากแบบต่างๆกันแสดงไว้ในรูปที่ 1 และรูปที่
2 เป็นวงจรWheatstone Bridge อย่างง่ายที่ใช้เฉพาะค่าความต้านทานอย่างเดียว
โดยค่า R1, R2, R3 ต่ออยู่ภายในตัวบริดจ์และ
R เป็นค่าความต้านทานที่ต้องการวัดเมื่อปรับค่า R2
ให้วงจรบริดจ์สมดุล (อ่านค่า Null ที่มิเตอร์)
ค่าความต้านทาน R ที่ไม่ทราบค่าจะมีค่าเท่ากับ
R1 และ R3
เป็นความต้านทานค่าคงที่ R2 เป็นค่าความต้านทานปรับค่าได้ ฉะนั้น ค่า R จึงเป็นอัตราส่วนโดยตรงกับ
R2 ที่ R2 สามารถเขียนสเกลให้อ่านค่าค่า
R ที่ต้องการทราบค่านั้นออกมาได้โดยตรง วงจรบริดจ์แบบนี้
(รูปที่ 1) ใช้วัดค่า R ของวงจรในทาง AC (เพราะว่าค่า R ในทาง AC และ DC มีค่าไม่เท่ากัน)
ถ้าวงจรที่จะทำการวัดมีค่าReactance จะต้องใช้วงจรบริดจ์แบบอื่นๆ
เช่น วงจรบริดจ์ในรูปที่ 2 ใช้วัดค่า unknown
Impedance ที่เป็น Resistive Capacitive เรียกว่า
Series Capacitance-Comparison Bridge
Simple Wheatstone Bridge
(2) Series Capacitance
Comparison
(3)Parallel Capacitance
Comparison
(4) Maxwell
จากวงจรบริดจ์ในรูปที่ (2) ค่า Unknown
Impedance (Z) แทนด้วยค่าความต้านทาน RS ต่ออันดับกับค่า
Capacitive Reactance (XCS)
Z=
RS – jXCS = Z4
เมื่อวงจรบริดจ์สมดุล
ค่าที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งของวงจรบริดจ์ที่ควรทราบก็คือค่า
D พิจารณาจากสมการ (2) และ (3) จะเห็นว่าค่า CS เป็นฟังค์ชั่นของ R1
(เมื่อ R3และ
C2
เป็นค่าคงที่) ฉะนั้นค่า R1 จึงมีผลต่อการอ่านค่า CS
มาก และการอ่านค่า RS
นั้นจะขึ้นอยู่กับการปรับค่า
R1 และ R2 ในบางครั้งจึงต้องปรับ R1 และ R2ไปพร้อมกัน
ซึ่งทำให้มีความยุ่งยากในการสร้างเครื่องมือ
ด้วยเหตุนี้วงจรบริดจ์ชนิดนี้จึงไม่เหมาะสมที่จะใช้อ่านค่า RS ออกมาโดยตรง จึงมีการออกแบบให้บริดจ์อ่านค่า CS และค่า Q ออกมาแทน เพราะว่าค่า Q ในวงจร Series Equivalent Circuit มีค่าเป็น
สำหรับค่า Accuracy ของวงจรบริดจ์แบบ Series
Capacitance-Comparisonนั้น การอ่านค่า CS จะขึ้นอยู่กับการเขียนสเกลบน R1 และค่าความคลาดเคลื่อนของ
R1 โดยทั่วไปจะอ่านค่าความคลาดเคลื่อนได้ประมาณ +1%และ-1% เท่านั้น ฉะนั้น R1 ที่ใช้จึงต้องเลือกค่าความต้านทานที่มีความเที่ยงตรงสูงมาก
ส่วนค่า Q หรือ D จะอ่านได้ ณ
ที่ความถี่ใดความถี่หนึ่งซึ่งถ้าความถี่ในวงจรไม่คงที่แล้วก็จะทำให้การอ่านค่า Q
หรือ D ผิดไป โดยทั่วไปแล้วค่า Q หรือ D จะมีความคลาดเคลื่อนประมาณ +5%และ-5%
ในทางปฏิบัติแล้ว เราไม่สามารถอ่านค่าที่มิเตอร์ที่ค่า Nu%ll จริงๆได้ แม้ว่าจะใช้อุปกรณ์ที่มีความเที่ยงตรงเพียงใดก็ตาม
เนื่องจากในวงจรมีค่า Stray Inductance และ Stray
Capacitance
การอ่านค่าที่วัดได้จากบริดจ์จึงอ่านที่ค่าที่เข็มมิเตอร์ชี้ต่ำสุดเท่านั้น
การนำบริดจ์ไฟฟ้ากระแสสลับไปใช้งาน
AC Bridge นำไปใช้กับเครื่องมือสื่อสารและวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อน
เช่น ใช้สำหรับวงจรเลื่อนเฟส, สร้างส่วนป้อนกลับของออสซิลโลสโคป, วงจรขยายสัญญาณ,
วงจรกรองสัญญาณ และใช้วัดความถี่ของสัญญาณเสียง (Audio Signals)
วงจรบริดจ์
AC Wheatstone Bridge แบบต่างๆ
นั้นมีใช้อยู่ในเครื่องมือ AC Bridge ทั่วไป
โดยการใช้ Selector Switch ทำให้สามารถสร้างให้ AC Bridge สามารถวัดได้ทั้งค่า Capacitive และ Inductive ค่าความถี่ของสัญญาณ AC Bridge นิยมใช้ความถี่ 1 KHz เป็นมาตรฐาน (สำหรับ Low-frequency Instruments)
วงจร Series Capacitance-Comparison Bridgeนิยมใช้วัดค่า Capacitive
ที่มีค่า D ต่ำๆ(ค่า Q
สูง) ส่วนเครื่องมือวัดค่า Capacitive ถ้ามีค่า D สูงๆมักนิยมใช้วงจร Parallel Capacitance Series Comparison Bridge
วงจร Maxwell และ Hay Bridge ใช้ในการวัดค่า
Inductive โดยวงจร Maxwell Bridge ใช้วัดวงจร
Inductive ที่มีค่า Q ต่ำๆ (ค่า Dสูง) และ Hay Bridge ใช้วัดวงจร Inductive ที่มีค่า Q สูงๆ (ค่า Dต่ำ)
ในเครื่องมือ
AC Bridge บางแบบสามารถเปลี่ยนย่านการวัดค่า Capacitive
หรือ Inductive ได้หลายๆย่านโดยใช้ Selector
Switch เป็นตัวเปลี่ยนย่านการวัด เช่น ใน Maxwell Bridge ที่วัดค่า LS ได้เท่ากับ R2R3C1
ถ้าค่า R2สามารถปรับค่าได้ตั้งแต่ 10-1000 โอห์ม, R3 = 1Kโอห์ม, C1=1000
pF จะสามารถวัดค่า Inductive ได้ตั้งแต่ 10
MH – 1000 MH ถ้าต้องการวัดค่า Inductive
ที่มีค่านอกเหนือไปจาก Range นี้ก็เพียงแต่เปลี่ยนตำแหน่งของ
Select Switch เพื่อเปลี่ยนค่า R3 เป็น 10 KΩ เป็นต้น
โดยวิธีนี้ทำให้สามารถวัดค่า Inductance ออกเป็นหลายๆย่านได้
ขอขอบคุณที่มาดีๆจาก
หนังสือเครื่องวัดอิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้า และหนังสือเครื่องมือวัดอีเล็คโทรนิคส์-1
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น