Aufbau von Wechselstromkreisen und Funktion von Wechselstromkreisen

Eine Brückenschaltung ist nichts anderes als die elektrische Schaltung, die verwendet wird, um unbekannte Werte von Widerstand, Impedanz, Induktivität und Kapazität zu messen. Viele Brücken wie die Wheatstone-Brücke, Maxwell-Brücke, Kelvin-Brücke und viele mehr sind sehr nützlich, um Größen mit hoher Genauigkeit zu messen und arbeiten nach dem gleichen Prinzip. Hier ist eine kurze Beschreibung der Funktionsweise einiger dieser Brücken:

Wheatstone-Brücke

Eine Wheatstone-Brücke ist eine elektrische Schaltung, entwickelt von Charles Wheatstone, und sie wird verwendet, um den Wert eines unbekannten elektrischen Widerstands in der Schaltung zu bestimmen. Die Wheatstone-Brücke ist besonders fähig, sehr niedrige Widerstände zu berechnen, die andere Instrumente wie ein Multimeter nicht genau berechnen können.

Die Wheatstone-Brückenschaltung ist eine diamantförmige Anordnung von vier Widerständen. Sie hat zwei parallele Beine und jedes Bein hat zwei Widerstände in Serie. Ein drittes Bein ist zwischen den beiden parallelen Beinen an einem Punkt innerhalb der Beine verbunden, wie in der Abbildung gezeigt. Von den vier Widerständen kann der Wert eines Widerstands durch das Ausbalancieren der beiden Beine bestimmt werden. Von den vier Widerständen sind die Werte von R1 und R3 bekannt, der Wert von R2 ist verstellbar und der Wert von Rx ist zu berechnen. Dann wird diese Einstellung an die Stromversorgung angeschlossen und ein Galvanometer zwischen Terminal D und Terminal B. Nun wird der Wert des verstellbaren Widerstands so eingestellt, bis das Verhältnis der beiden Zweige Widerstände gleich ist, d.h. (R1/ R2) = (R3/Rx), und das Galvanometer zeigt Null an, da kein Strom durch die Schaltung fließt. Jetzt ist die Schaltung ausbalanciert und der Wert des unbekannten Widerstands kann leicht gemessen werden. Der Wert von R3 bestimmt die Richtung des Stromflusses.

Maxwellsche Brücke

Das Arbeitsprinzip der Maxwellschen Induktivitätsbrücke ist das gleiche wie bei der Wheatstone-Brücke. Nur kleine Modifikationen wurden an der Wheatstone-Brücke vorgenommen. In dieser Brücke bestehen die vier Äste aus einer unbekannten Induktivität (L1), einem variablen Kondensator (C4), vier Widerständen und einem Detektor anstelle eines Galvanometers, wie in der Abbildung gezeigt. Sie wird verwendet, um den Wert der Induktivität zu messen, indem der unbekannte Wert mit der standardisierten variablen Kapazität verglichen wird.

Das grundlegende Prinzip der Brücke besteht darin, den positiven Phasenwinkel der unbekannten Impedanz durch den negativen Phasenwinkel einer Kapazität auszugleichen, indem sie in den gegenüberliegenden Ast eingeschaltet wird. Durch diese Maßnahme wird die Spannungsdifferenz über den Detektor null und es fließt kein Strom durch ihn. Der Kondensator C4 und der Widerstand R4 sind parallel geschaltet und ihre Werte werden so eingestellt, dass die Brücke ausbalanciert wird.

Kelvin-Brücke ist eine weitere Modifikation der Wheatstone-Brücke, die zur Messung von geringen Widerständen im Bereich von 1mΩ bis 1kΩ mit großer Genauigkeit verwendet wird. Für die präzise Messung von geringen Widerständen werden eine hohe Spannung und ein empfindliches Galvanometer in der Kelvin-Brücke benötigt. Bei der Messung von geringen Widerständen spielt der Widerstand der Verbindungskabel eine wichtige Rolle. Es wird eine Wheatstone-Brücke verwendet, die zwei zusätzliche Widerstände enthält, wie in der Abbildung gezeigt. Die Widerstände R1 und R2 sind an den zweiten Satz von Verhältnisarmen angeschlossen und bilden vierpolige Widerstände. Hierbei ist R unbekannt und S ist der Standardwiderstand. Ein Galvanometer wird zwischen c und d platziert, sodass der Widerstand der Verbindungskabel r vernachlässigt werden kann und die Messwertbestimmung nicht beeinträchtigt. Unter Gleichgewichtsbedingungen zeigt das Galvanometer Null an und kein Strom fließt durch die Schaltung. Die Gleichung unter Gleichgewichtsbedingungen lautet:

Hays Brückenschaltung

Hays Brückenschaltung ist eine weitere Variation der Maxwellschen Brückenschaltung. Im Gegensatz zur Maxwellschen Schaltung, bei der der Widerstand parallel zum Kondensator liegt, ist in der Hays-Schaltung der Widerstand in Reihe mit dem Standardkondensator geschaltet, wie in der Abbildung gezeigt. Sie ist sehr nützlich, wenn der Phasenwinkel der induktiven Impedanz sehr groß ist, was durch einen geringen Widerstand in Reihe überwunden werden kann.

Andersons Brücke

Die Anderson-Brücke ist eine modifizierte Version der Maxwellschen Induktivitäts-Kapazitäts-Brücke. Sie wird hauptsächlich verwendet, um die Selbstinduktivität in einer Spule mit Hilfe eines Standardkondensators und Widerständen zu messen. Der Hauptvorteil dieser Brücke besteht darin, dass sie keine häufige Ausbalancierung erfordert. Um die Brücke durch Gleichstrom auszubalancieren, wird der variable Widerstand r eingestellt und die Wechselspannungsquelle wird durch eine Batterie und ein Kopfhörer ersetzt. Sobald die Brücke ausbalanciert ist, ist das Potential am Terminal D identisch mit dem Potential am E. Der Stromfluss in den jeweiligen Armen wird durch I1, I2 und I3 bezeichnet, wie in der Abbildung gezeigt.

Diodenbrückenschaltung