สะพานวีน

สะพานไวเอน: การประยุกต์ใช้งานและความท้าทาย

สะพานไวเอนเป็นส่วนประกอบสำคัญในวงจรไฟฟ้าสลับ โดยใช้เพื่อกำหนดค่าความถี่ที่ไม่ทราบ มันสามารถวัดความถี่ได้ในช่วง 100 Hz ถึง 100 kHz ด้วยระดับความแม่นยำที่อยู่ระหว่าง 0.1% ถึง 0.5% นอกจากการวัดความถี่แล้ว สะพานนี้ยังมีการประยุกต์ใช้งานหลากหลาย เช่น การวัดความจุไฟฟ้า การใช้เป็นส่วนประกอบหลักในเครื่องวิเคราะห์ความบิดเบือนฮาร์โมนิก และเป็นส่วนสำคัญของออสซิลเลเตอร์ความถี่สูง (HF)

หนึ่งในคุณสมบัติที่สำคัญของสะพานไวเอนคือความไวต่อความถี่ ความไวต่อความถี่นี้ แม้จะมีประโยชน์สำหรับการวัดตามที่ต้องการ แต่ก็สร้างความท้าทายอย่างมาก การหาจุดสมดุลของสะพานอาจเป็นงานที่ซับซ้อน ปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดความยากลำบากนี้คือลักษณะของแรงดันไฟฟ้าขาเข้า ในสถานการณ์จริง แรงดันไฟฟ้าขาเข้ามักไม่ได้เป็นคลื่นไซนัสอย่างบริสุทธิ์ แต่มักมีฮาร์โมนิกผสมอยู่ ฮาร์โมนิกเหล่านี้สามารถทำให้สภาพสมดุลของสะพานไวเอนเสียหาย ส่งผลให้การวัดไม่แม่นยำหรือไม่สามารถทำให้สะพานเข้าสู่ภาวะสมดุลได้

ในการแก้ไขปัญหานี้ จะมีการใส่ตัวกรองเข้าไปในวงจรสะพาน ตัวกรองนี้เชื่อมต่อแบบอนุกรมกับเครื่องตรวจจับศูนย์ โดยการกรองฮาร์โมนิกที่ไม่ต้องการออกจากสัญญาณขาเข้า ตัวกรองช่วยให้แรงดันไฟฟ้าที่เข้าสู่สะพานใกล้เคียงกับคลื่นไซนัสอย่างบริสุทธิ์มากขึ้น ซึ่งทำให้สามารถบรรลุจุดสมดุลที่มั่นคงและเพิ่มความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของการวัดที่ใช้สะพานไวเอน

การวิเคราะห์สภาพสมดุลของสะพาน

เมื่อสะพานเข้าสู่ภาวะสมดุล แรงดันไฟฟ้าที่โหนด B และ C จะเท่ากัน คือ V1 = V2 และ V3 = V4 แรงดัน V3 ซึ่งแสดงเป็น V3 = I1 R3 และ V4 (โดย V4 = I2 R4) ไม่เพียงแต่มีขนาดเท่ากัน แต่ยังมีเฟสเดียวกัน ทำให้รูปคลื่นของพวกมันซ้อนทับกันอย่างสมบูรณ์ นอกจากนี้ กระแส I1 ที่ไหลผ่านแขน BD กระแส I2 ที่ผ่าน R4 รวมถึงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดัน-กระแส I1 R3 และ I2 R4 ทั้งหมดแสดงคุณสมบัติในเฟสเดียวกัน

แรงดันไฟฟ้าที่ลดลงทั้งหมดบนแขน AC เป็นผลรวมของสองส่วน คือ แรงดันไฟฟ้าที่ลดลง I2 R2 บนความต้านทาน R2 และแรงดันไฟฟ้าที่ลดลง I2/ ωC2 บนความจุ C2 ในภาวะสมดุลของสะพาน แรงดัน V1 และ V2 จะตรงกันทั้งขนาดและเฟส

เฟสของแรงดัน V1 ตรงกับแรงดันที่ลดลง IR R1 บนแขน R1 แสดงว่าความต้านทาน R1 อยู่ในเฟสเดียวกับ V1 การรวมเวกเตอร์ของ V1 และ V3 หรือ V2 และ V4 จะได้แรงดันไฟฟ้าแหล่งจ่าย สะท้อนถึงภาวะสมดุลทางไฟฟ้าภายในวงจรสะพาน

ที่ภาวะสมดุล

เมื่อเทียบส่วนจริง

เมื่อเทียบส่วนจินตภาพ

โดยแทนค่าของ ω = 2πf

สวิตช์ของความต้านทาน R1 และ R2 เชื่อมโยงกันทางกลไก ทำให้ R1 = R2 ได้