Bouw van wisselstroomkringen en werking van wisselstroomkringen

Een brugschakeling is niets anders dan de elektrische schakeling configuratie die wordt gebruikt om onbekende waarden van weerstand, impedantie, inductie en capaciteit te meten. Veel bruggen zoals de Wheatstonebrug, Maxwellbrug, Kelvinbrug, en vele andere zijn zeer nuttig voor het nauwkeurig meten van hoeveelheden en werken op hetzelfde principe. Hieronder volgt een korte beschrijving van de werking van sommige van deze bruggen:

Wheatstonebrug

Een Wheatstonebrug is een elektrische schakeling ontwikkeld door Charles Wheatstone, en wordt gebruikt om de waarde van een onbekende elektrische weerstand in het circuit te bepalen. De Wheatstonebrug is bijzonder geschikt voor het berekenen van zeer lage weerstanden, wat andere instrumenten zoals een multimeter niet nauwkeurig kunnen doen.

Het Wheatstonebrugcircuit is een ruitvormige rangschikking van vier weerstanden. Het heeft twee parallelle benen, elk met twee weerstanden in serie. Een derde been is verbonden tussen de twee parallelle benen op een bepaald punt binnen de benen, zoals getekend in de figuur. Van de vier weerstanden kan één weerstandswaarde worden bepaald door de twee benen te balanceren. Van de vier weerstanden zijn de waarden van R1 en R3 bekend, de waarde van R2 is instelbaar, en de waarde van Rx moet worden berekend. Vervolgens wordt deze regeling aangesloten op de elektrische voeding en een galvanometer tussen terminal D en terminal B. Nu wordt de waarde van de instelbare weerstand aangepast totdat het verhouding van de twee takken weerstanden gelijk wordt, d.w.z. (R1/ R2) = (R3/Rx), en de galvanometer geeft nul aan omdat er geen stroom meer door het circuit stroomt. Nu is het circuit gebalanceerd en kan de waarde van de onbekende weerstand gemakkelijk worden gemeten. De lezing van R3 bepaalt de richting van de stroom.

Maxwell’s Bridge

Het werkingsprincipe van de Maxwells inductiebrug is hetzelfde als dat van de Wheatstonebrug. Alleen kleine wijzigingen zijn aangebracht in de Wheatstonebrug. In deze brug bestaan de vier takken uit onbekende inductie (L1), een variabele condensator (C4), vier weerstanden en een detector in plaats van een galvanometer, zoals getoond in de figuur. Het wordt gebruikt om de waarde van inductie te meten door de onbekende waarde te vergelijken met de standaard variabele capaciteit.

Het basisprincipe van de brug is om de positieve fasehoek van de onbekende impedantie te compenseren met de negatieve fase van een condensator door deze in de tegenovergestelde tak te plaatsen. Door dit te doen, wordt het potentiaalverschil over de detector nul en stroomt er geen stroom doorheen. De condensator C4 en de weerstand R4 zijn parallel verbonden en de waarde van beide wordt aangepast zodat de brug wordt gebalanceerd.

Kelvinbrug is een andere modificatie van de Wheatstonebrug die wordt gebruikt om lage weerstanden in het bereik van 1mΩ tot 1kΩ met grote precisie te meten. Voor nauwkeurige meting van lage weerstand, is een hoge spanning en een gevoelige galvanometer vereist in de Kelvinbrug. Bij het meten van lage weerstanden speelt de weerstand van de verbindingsdraden een belangrijke rol. Er wordt gebruik gemaakt van de Wheatstonebrug, die twee extra weerstanden heeft, zoals getoond in de figuur. De weerstanden R1 en R2 zijn verbonden met de tweede set ratio-arm en vormen vierpolige weerstanden. Hierbij is R onbekend en S de standaard weerstand. Een galvanometer wordt geplaatst tussen c en d, zodat de weerstand van de verbindingsdraden r kan worden genegeerd en de meetwaarde niet beïnvloedt. Onder evenwichtscondities geeft de galvanometer nul aan en stroomt er geen stroom door het circuit. De vergelijking onder evenwichtscondities is:

Hay’s Bridge Circuit

Hay’s brug is een andere variant van de Maxwells brugschakeling. In de Maxwells schakeling wordt de weerstand parallel aan de condensator gehouden, terwijl in de Hay’s schakeling de weerstand in serie is verbonden met de standaard condensator, zoals getoond in de figuur. Het is zeer nuttig als de fasehoek van de inductieve impedantie zeer groot is, wat kan worden overwonnen door een lage weerstand in serie te nemen.

Anderson’s Bridge

De Andersonbrug is een aangepaste versie van de Maxwells inductie-capaciteitsbrug. Het wordt voornamelijk gebruikt voor het meten van zelfinductie in een spoel door gebruik te maken van een standaard condensator en weerstanden. Het belangrijkste voordeel van deze brug is dat het niet nodig is om de brug vaak te balanceren. Om de brug te balanceren met een constante stroom, wordt de variabele weerstand r aangepast en wordt de AC-bron vervangen door een batterij en een hoofdtelefoon door een bewegingsspoelgalvanometer. Zodra de brug is gebalanceerd, is het potentiaal op de terminal D hetzelfde als dat op E. De stroom in de respectieve takken wordt aangeduid met I1, I2, en I3 zoals getoond in de figuur.

Diodebrugschakeling

Het is een brugschakeling met een rangschikking van vier dioden die dezelfde uitgangspolariteit geeft voor elke ingangspolariteit.