Cầu Owen là gì?

Cầu Owen: Định nghĩa và Nguyên lý

Cầu Owen được định nghĩa là một cầu điện đặc biệt được thiết kế để đo độ cảm bằng cách liên kết nó với điện dung. Ở cốt lõi, nó hoạt động theo nguyên lý so sánh, trong đó giá trị của cuộn cảm không biết được đánh giá hệ thống bằng cách đặt cạnh nhau với tụ điện chuẩn. Phương pháp tiếp cận có hệ thống này cho phép xác định chính xác giá trị độ cảm thông qua việc thiết lập sự tương đương điện giữa hai thành phần.

Sơ đồ kết nối của cầu Owen, như được minh họa trong hình vẽ kèm theo, thể hiện cách sắp xếp cụ thể của các thành phần điện khác nhau của nó. Sơ đồ này đóng vai trò là hướng dẫn trực quan để hiểu cách mạch cầu được cấu hình, nhấn mạnh các kết nối giữa cuộn cảm đang được kiểm tra, tụ điện chuẩn và các thành phần liên quan khác. Qua cách bố trí được thiết kế cẩn thận này, cầu Owen giúp thực hiện các phép đo độ cảm chính xác và đáng tin cậy, làm cho nó trở thành công cụ thiết yếu trong kỹ thuật điện để mô tả các thành phần cảm ứng.

Cầu Owen: Cấu hình Mạch và Trạng thái cân bằng

Trong cầu Owen, mạch bao gồm bốn cánh được đánh dấu là ab, bc, cd, và da. Cánh ab hoàn toàn cảm ứng, chứa cuộn cảm không biết L1 cần được đo. Cánh bc, ngược lại, có đặc tính hoàn toàn kháng. Cánh cd có tụ điện cố định C4, trong khi cánh ad chứa sự kết hợp của điện trở biến đổi R2 và tụ điện biến đổi C2, cả hai đều được kết nối theo chuỗi trong mạch.

Hoạt động cơ bản của cầu Owen liên quan đến việc so sánh cuộn cảm không biết L1 trong cánh ab với tụ điện đã biết C4 trong cánh cd. Để đạt trạng thái cân bằng trong cầu, điện trở R2 và tụ điện C2 được điều chỉnh độc lập. Khi cầu đạt trạng thái cân bằng, chỉ báo quan trọng là không có dòng điện chảy qua bộ phát hiện đặt giữa điểm b và c. Sự vắng mặt của dòng điện này cho thấy rằng các điểm cuối b và c của bộ phát hiện ở cùng mức điện thế, thiết lập sự cân bằng cần thiết cho phép đo chính xác.

Sơ đồ Phasor của Cầu Owen

Sơ đồ phasor của cầu Owen, được mô tả trong hình dưới đây, cung cấp biểu diễn trực quan về các đại lượng điện và mối quan hệ pha của chúng trong mạch cầu. Nó cung cấp thông tin quý giá về cách các điện áp và dòng điện tương tác tại các điểm khác nhau trong mạch, đặc biệt là trong trạng thái cân bằng, giúp hiểu sâu hơn về nguyên lý hoạt động của cầu và hiện tượng điện cơ bản.

Phân tích Phasor và Lý thuyết của Cầu Owen

Trong cầu Owen, dòng điện I1, cùng với các điện áp E3 = I3 R3 và E4=ω I2 C4, tất cả đều chia sẻ cùng pha. Các đại lượng này được biểu diễn dọc theo trục ngang của sơ đồ phasor, cho thấy mối quan hệ in-phase của chúng. Tương tự, điện áp rơi I1 R1 trên cánh ab cũng được vẽ trên trục ngang, phản ánh sự căn chỉnh pha của nó với các phasor khác nằm ngang.

Tổng điện áp rơi E1 trên cánh ab là kết quả của việc kết hợp hai thành phần: điện áp rơi cảm ứng ω L1 I1 và điện áp rơi kháng I1 R1. Khi cầu đạt trạng thái cân bằng, các điện áp E1 và E2 trên cánh ab và ad, tương ứng, trở nên bằng nhau về độ lớn và pha. Do đó, chúng được biểu diễn trên cùng trục trong sơ đồ phasor, nhấn mạnh điều kiện cân bằng của mạch cầu.

Điện áp rơi V2 trên cánh ad bao gồm hai phần: điện áp rơi kháng I2 R2 và điện áp rơi dung I2 ω C2. Do sự hiện diện của tụ điện cố định C4 trên cánh cd, dòng điện I2 chảy qua cánh ad dẫn trước điện áp rơi V4 trên cánh cd 90 độ. Sự khác biệt pha này là đặc trưng quan trọng của sự tương tác dung - cảm trong mạch cầu.

Dòng điện I2 và điện áp I2 R2 được biểu diễn trên trục dọc của sơ đồ phasor, như được minh họa trong hình. Điện áp nguồn của cầu được lấy bằng cách cộng phasor các điện áp V1 và V3, kết hợp các đóng góp điện từ các phần khác nhau của mạch.

Lý thuyết của Cầu Owen

Đặt:

• L1 biểu thị độ cảm tự không biết với điện trở liên quan R1

• R2 biểu thị điện trở không cảm biến đổi

• R3 là điện trở không cảm cố định

• C2 biểu thị tụ điện chuẩn biến đổi

• C4 biểu thị tụ điện chuẩn cố định

Ở trạng thái cân bằng của cầu Owen,

I2 C4, tất cả đều chia sẻ cùng pha. Các đại lượng này được biểu diễn dọc theo trục ngang của sơ đồ phasor, cho thấy mối quan hệ in-phase của chúng. Tương tự, điện áp rơi I1 R1 trên cánh ab cũng được vẽ trên trục ngang, phản ánh sự căn chỉnh pha của nó với các phasor khác nằm ngang.

Tổng điện áp rơi E1 trên cánh ab là kết quả của việc kết hợp hai thành phần: điện áp rơi cảm ứng ωL1 I1 và điện áp rơi kháng I1 R1. Khi cầu đạt trạng thái cân bằng, các điện áp E1 và E2 trên cánh ab và ad, tương ứng, trở nên bằng nhau về độ lớn và pha. Do đó, chúng được biểu diễn trên cùng trục trong sơ đồ phasor, nhấn mạnh điều kiện cân bằng của mạch cầu.

Điện áp rơi V2 trên cánh ad bao gồm hai phần: điện áp rơi kháng I2 R2 và điện áp rơi dung I2  C2. Do sự hiện diện của tụ điện cố định C4 trên cánh cd, dòng điện I2 chảy qua cánh ad dẫn trước điện áp rơi V4 trên cánh cd 90 độ. Sự khác biệt pha này là đặc trưng quan trọng của sự tương tác dung - cảm trong mạch cầu.

Dòng điện I2 và điện áp I2 R2 được biểu diễn trên trục dọc của sơ đồ phasor, như được minh họa trong hình. Điện áp nguồn của cầu được lấy bằng cách cộng phasor các điện áp V1 và V3, kết hợp các đóng góp điện từ các phần khác nhau của mạch.

Lý thuyết của Cầu Owen

Đặt:

• L1 biểu thị độ cảm tự không biết với điện trở liên quan R1

• R2 biểu thị điện trở không cảm biến đổi

• R3 là điện trở không cảm cố định

• C2 biểu thị tụ điện chuẩn biến đổi

• C4 biểu thị tụ điện chuẩn cố định

Ở trạng thái cân bằng của cầu Owen,

Khi tách phần thực và phần ảo, ta được,

Và, 

Ưu điểm và Nhược điểm của Cầu Owen
Ưu điểm của Cầu Owen

Cầu Owen mang lại nhiều lợi ích đáng chú ý, làm cho nó trở thành công cụ quý giá trong các phép đo điện:

• Đơn giản trong Đạo hàm Phương trình cân bằng: Một trong những ưu điểm chính của cầu Owen là sự dễ dàng trong việc xác định phương trình cân bằng của nó. Quá trình xác định các điều kiện cân bằng cho cầu tương đối đơn giản, giúp phân tích nhanh chóng và hiệu quả.

• Phương trình cân bằng không phụ thuộc vào tần số: Phương trình cân bằng của cầu Owen đơn giản và không bao gồm bất kỳ thành phần tần số nào. Đặc điểm này rất có lợi vì nó cho phép thực hiện các phép đo nhất quán và đáng tin cậy trong phạm vi tần số rộng mà không cần phải tính đến các biến đổi phụ thuộc vào tần số. Điều này đơn giản hóa quá trình đo lường và đảm bảo rằng kết quả không bị ảnh hưởng bởi sự dao động của tần số hoạt động của nguồn điện.

• Tính linh hoạt trong Đo độ cảm: Cầu Owen phù hợp để đo độ cảm trong một phạm vi rộng. Dù đang xử lý các giá trị độ cảm tương đối nhỏ hay lớn, cầu cũng có thể cung cấp các phép đo chính xác, làm cho nó có thể áp dụng trong nhiều tình huống kỹ thuật điện nơi cần mô tả độ cảm.

Nhược điểm của Cầu Owen

Mặc dù có nhiều ưu điểm, cầu Owen cũng có một số hạn chế:

• Chi phí cao và Độ chính xác trung bình: Cầu sử dụng các tụ điện đắt tiền, điều này làm tăng đáng kể chi phí tổng thể. Ngoài ra, độ chính xác của cầu Owen thường khoảng một phần trăm. Độ chính xác trung bình này có thể không đủ cho các ứng dụng đòi hỏi các phép đo độ cảm cực kỳ chính xác, và chi phí cao liên quan đến các thành phần cần thiết có thể làm giảm sức hấp dẫn của nó cho các dự án có ngân sách hạn chế.

• Hạn chế về Thành phần: Giá trị của tụ điện cố định C2 trong cầu Owen lớn hơn nhiều so với hệ số chất lượng Q2. Mối quan hệ này có thể đặt ra các hạn chế về hiệu suất và tính linh hoạt của cầu, có thể ảnh hưởng đến khả năng xử lý các loại thành phần cảm ứng cụ thể hoặc hoạt động trong các điều kiện điện cụ thể.

Sửa đổi Cầu Owen

Để giải quyết một số hạn chế nội tại hoặc thích ứng với các yêu cầu đo lường khác nhau, cầu Owen có thể được sửa đổi. Một sửa đổi phổ biến là kết nối đồng hồ điện áp song song với các cánh kháng của cầu. Cách bố trí này cho phép sử dụng cả nguồn điện một chiều và xoay chiều cho cầu. Đồng hồ ampe được kết nối theo chuỗi với cầu để đo dòng điện một chiều, trong khi dòng điện xoay chiều được đo bằng đồng hồ điện áp. Những sửa đổi này nâng cao chức năng của cầu và cho phép thực hiện các phép đo điện toàn diện hơn, mặc dù chúng cũng có thể thêm phức tạp vào cấu hình mạch tổng thể.