Puente de Wien

Puente de Wien: Aplicaciones y Desafíos

El puente de Wien es un componente crucial en los circuitos de corriente alterna, utilizado principalmente para determinar el valor de frecuencias desconocidas. Es capaz de medir frecuencias dentro del rango de 100 Hz a 100 kHz, con un nivel de precisión que generalmente oscila entre 0.1% y 0.5%. Más allá de su función de medición de frecuencia, este puente encuentra diversas aplicaciones. Se emplea en la medición de capacitancia, sirve como elemento clave en analizadores de distorsión armónica y es integral a los osciladores de alta frecuencia (HF).

Una de las características definitorias del puente de Wien es su sensibilidad a la frecuencia. Esta sensibilidad a la frecuencia, aunque útil para sus propósitos de medición, también presenta un desafío significativo. Lograr el punto de equilibrio del puente puede ser una tarea compleja. Un factor importante que contribuye a esta dificultad es la naturaleza del voltaje de alimentación de entrada. En situaciones prácticas, el voltaje de alimentación de entrada rara vez es una onda sinusoidal pura; en cambio, a menudo contiene armónicos. Estos armónicos pueden perturbar la condición de equilibrio del puente de Wien, lo que lleva a mediciones inexactas o impide que el puente alcance el equilibrio por completo.

Para abordar este problema, se incorpora un filtro en el circuito del puente. Este filtro está conectado en serie con el detector de nulo. Al filtrar los armónicos no deseados de la señal de entrada, el filtro ayuda a asegurar que el voltaje que llega al puente se aproxime más a una onda sinusoidal pura. Esto, a su vez, facilita la obtención de un punto de equilibrio estable y mejora la precisión y confiabilidad general de las mediciones realizadas utilizando el puente de Wien.

Análisis de la Condición de Equilibrio del Puente

Cuando el puente alcanza un estado de equilibrio, el potencial eléctrico en los nodos B y C se vuelve igual, es decir, V1 = V2 y V3 = V4. El voltaje V3, que se expresa como V3 = I1 R3, y V4 (donde V4 = I2 R4) no solo tienen la misma magnitud sino también la misma fase, resultando en que sus formas de onda se superpongan perfectamente. Además, la corriente I1 que fluye a través del brazo BD, la corriente I2 que pasa a través de R4, así como las relaciones voltaje-corriente I1 R3 e I2 R4, todas exhiben características en fase.

La caída total de voltaje a través del brazo AC es la agregación de dos componentes: la caída de voltaje I2 R2 a través de la resistencia R2 y la caída de voltaje capacitiva I2/ ωC2 a través de la capacitancia C2. En la condición de equilibrio del puente, los voltajes V1 y V2 coinciden precisamente en magnitud y fase.

La fase del voltaje V1 se alinea con la caída de voltaje IR R1 a través del brazo R1, indicando que la resistencia R1 está en la misma fase que V1. La adición fasorial de V1 y V3 o V2 y V4 da como resultado el voltaje de suministro, reflejando el equilibrio eléctrico dentro del circuito del puente.

En la condición de equilibrio,

Al equiparar la parte real,

Al comparar la parte imaginaria,

Sustituyendo el valor de ω = 2πf,

El cursor de la resistencia R1 y R2 están mecánicamente conectados entre sí. De esta manera, se obtiene R1 = R2.