Grup Şcolar “ASTRA” Piteşti

PROIECT DE SPECIALITATE

Calificarea: Electronist aparate şi echipamente

TEMA: PUNŢI DE CURENT ALTERNATIV

Îndrumător Autor:Prof. Buciu Ovidia Siminoiu Gheorghe Vasile cls. XI P5

- 2009-

CUPRINS

pag.

Argument……………………………………………………………..3

Cap. 1. Noţiuni generale despre impedanţă…………………………..4

Cap.2. Condiţia de echilibru a punţilor de c.a………………………...6

Cap.3. Punţi pentru măsurarea condensatoarelor……………………..10

Cap.4. Punţi pentru măsurarea bobinelor……………………………..13

Bibliografie…………………………………………………………....15

2

Argument

Obiectul proiectului îl constituie studierea metodelor de măsurare a impedanţelor în c.a., mai precis metodele de punte.

Fenomenele fizice pot fi studiate calitativ şi cantitativ dacă se au în vedere proprietăţile acestora măsurabile denumite mărimi. În cazul în care mărimea fizică este supusă măsurării ea se numeşte măsurand.

Măsurarea reprezintă o succesiune de operaţii tehnice efectuate asupra unui măsurand, în vederea obţinerii de informaţii cantitative asupra acestuia.

Mărimile fizice sunt caracterizate prin două aspecte: calitativ – când mărimile descriu proprietăţi distincte ale fenomenelor

cum ar fi mărimi ca: tensiunea electrică, inducţie magnetică, factor de distorsiuni armonice, temperatură, putere activă ş

cantitativ – când sunt prezentate concret, rezultat al unei măsurări cum ar fi: valoarea numerică a unei tensiuni, rezistenţa electrică a unui conductor, temperatura de topire a unui metal, etc.Sub acest aspect cantitativ o mărime fizică poate avea valori distincte,

diferite între ele, ceea ce denotă posibilitatea tehnică de măsurare.Mărimea ce se măsoară “măsurandul” va acţiona asupra unui mijloc

tehnic, denumit instalaţie de măsurare, aparat de măsurare sau uneori instrument de măsurare. Între măsurand şi aparat apare o interacţiune sau uneori un transfer de energie.

Asupra ansamblului măsurand-aparat de măsurat şi asupra legăturii dintre acestea acţionează o serie de mărimi exterioare denumite mărimi de influenţă exterioare care vor genera informaţii false asupra aparatului de măsurat.

Când aceste influenţe sunt controlabile şi acceptabil de mici măsurarea este corectă.

Astfel apare problema determinărilor experimentale reale, fiind evidenţiate erorile de măsurare, cauzate de aparatul de măsurare şi de mărimile de influenţă exterioare. Mărimi exterioare

Măsurand Aparat de măsură

Legătura măsurand-aparat

3

CAP. 1. Noţiuni generale despre impedanţă

Impedanţa este o mărime care caracterizează funcţionarea elementelor de circuit în curent alternativ:

Unitatea de măsură a impedanţei este ohmul [Ω].Impedanţa are un caracter mai complex decât rezistenţa, deoarece în

curent alternativ elementele de circuit prezintă, pe lângă proprietatea de rezistenţă (R), şi proprietăţile de inductanţă (L) şi capacitate (C).Inductanţa se măsoară în Henry (H), iar capacitatea se măsoară în Farad (F).

În circuitele de curent alternativ, inductanţa şi capacitatea se "manifestă" prin reactanţele corespunzătoare care depind de frecvenţă.Dacă f este frecvenţa curentului alternativ, atunci:

este pulsaţia curentului alternativ;

[Ω] reprezintă reactanţa inductivă;

[Ω] reprezintă reactanţa capacitivă. Exprimarea impedanţelor în numere complexe:

Impedanţa unui grup RL serie:

Impedanţa unui grup RC serie:

Impedanţa unui grup RC paralel: Z - impedanţa complexăR - rezistenţa de pierderi (partea reală)j - unitatea imaginară complexăCu cât pierderile de energie în rezistenţa R sunt mai mici, cu atât calitatea elementelor reactive (bobine şi condensatoare) este mai bună. Factorul de calitate, notat cu Q, se defineşte prin raportul între reactanţa X şi rezistenţa R ale unui element de circuit:

4

CAP. 2. Condiţia de echilibru a punţilor de c.a.

Structura este asemănătoare punţii de curent continuu , dar generatorul şi detectorul trebuie să fie de tensiuni alternative .

Condiţia de echilibru Procedând în mod asemănător ca la puntea de curent continuu , se obţine făra dificultate condiţia de echilibru a acestei punţi , care este :

Z1Z3=Z2Z4

Dar această condiţie este o relaţie complexă care conduce la două relaţii reale .

Dacă

se obţine din egalarea părţilor reale şi a părţilor imaginare alte forme ale condiţiei de echilibru echivalente şi anume :

sau

Aceste forme arată că pentru a obţine echilibrul trebuie satisfăcute două relaţii reale , şi ca urmare vor fi necesare două elemente de reglaj . Dar alegerea acestor elemente nu poate fi făcută oricum . Pentru uşurinţă în efectuarea operaţiei de măsurare , la alegerea structurii unei punţi este indicat să se ţină seama de urmatoarele precizări:

Nu este necesar ca toate braţele punţii să fie complexe. Două trebuie să fie complexe , braţul ce conţine impedanţa de masurat şi un altul numit de referinţă. Celelalte două numite braţe auxiliare pot conţine fie numai rezistenţe , fie numai reactante , fie unul conţine o rezistenţă şi celălalt o reactanţă.

5

Structura braţelor punţii trebuie astfel aleasă încât relaţiile de echilibru să nu depindă de frecvenţă , evitîndu-se în acest mod erorile ce s-ar datora acestie mărimi .

Este util ca cele două mărimi ale impedanţei necunoscute determinate din condiţiile de echilibru să depindă fiecare doar de câte un element reglabil , deoarece în acest caz fiecare din aceste elemente reglabile se poate etalona în valori ale unuia din elementele necunoscute .

Nu trebuie folosite bobinele variabile deoarece erorile sunt mari din cauza elementelor parazite importante si a preciziei de reglaj reduse.

CAP. 2. Clasificarea punţilor de curent alternativ Clasificarea punţilor se poate face prin mai multe criterii.

A. După poziţia braţelor auxiliare se disting:

1) Punţi cu braţe auxiliare alăturate numite punţi de raport Condiţia de echilibru este

Dacă atunci braţele auxiliare sunt şi al căror raport poate fi real sau imaginar (nu este obligatoriu bineânţeles).

Cazuri:

6

Din condiţia de echilibru se obţine pentru fiecare caz

Concluzii: Punţile de raport real măsoară impedanţe de aceeaşi natură cu , iar când braţele auxiliare sunt pur imaginare , şi reactanţele acestor braţe trebui să fie de aceaşi natură între ele . Punţile de raport imaginar măsoară impedanţe de natură diferita de

, iar reactanta auxiliară trebuie să fie de aceeaşi natură cu dacă ele sunt în braţe vecine sau de natură diferită dacă sunt in braţe opuse .

2) Punţi cu braţe auxiliare opuse numite punţi de produs Condiţia de echilibru este :

Dacă atunci braţele auxiliare sunt şi şi produsul lor poate fi real sau imaginar. Cazuri :

Din condiţia de echilibru se obţine pentru fiecare caz:

7

Concluzii: Punţile de produs real măsoară impedanţe de natură diferită de iar cînd braţele auxiliare sunt pur imaginare , şi reactanţele acestor braţe trebuie să fie de natură diferită între ele . Punţile de produs imaginar măsoară impedenţe de aceeaşi natură cu

şi cu reactanţa auxiliară.

B. După modul de reprezentare al impedanţei măsurate există :

1) Punţi serie - la care impedanţa se conectează sub forma unui reactor dispativ serie şi se masoară

Pentru a obţine relaţii de calcul mai simple pentru dacă puntea este de raport (se ia cazul rezistiv),

este necesar ca impedanţa de referinţă să fie de forma , adică de structura serie ; Dacă puntea este de produs (de exemplu , produs rezistiv) ,

8

este necesar ca impedanţa de referinţă să se aleagă de forma

, adică de structura derivaţie . Deci , puntea serie se poate obţine dintr-o punte de raport cu , serie sau din una de produs cu derivaţie.

2) Punţi derivaţie - la care se conecteză sub forma unui reactor disipativ derivaţie şi se măsoară şi :

Repetând raţionamentul de la puntea serie , rezultă ca puntea derivaţie se poate obţine : - fie dintr-o punte de raport la care elementul de referinţă este şi el de structură derivaţie ,

şi

- fie dintr-o punte de produs la care elementul de referinţă este serie , şi

.C. După poziţia elementelor reglabile , punţile sunt :

1) Punţi cu ambele elemente reglabile in braţele de referinţă.Acestea pot fi etaloane în valori ale rezistenţei şi reactanţei , sau conductanţei şi susceptanţei , pentru a măsura direct mărimile impedanţei necunoscute.

2) Punţi cu elemente reglabile in braţe diferite , dar nu în cel al impedanţei .

Unul din elemente poate fi etalonat direct în valori ale lui

9

3) Punţi cu elemente etalon în aceaşi braţ cu Zx

CAP. 3. Punţi pentru masurarea condensatoarelor

Condensatoarele se măsoară practic numai în funcţie de capacităţi şi rezistenţe.

1) Puntea Sauty

Schema punţii Sauty este reprezentată în figura de mai jos:

Este o punte de raport rezistiv serie .Scriind condiţia de echilibru

rezultă

.Se observă că relaţiile de echilibru sunt independente de frecvenţă ,

deci frecvenţa generatorului nu trebuie cunoscută cu precizie.

Dacă se doreşte măsurarea directă a mărimilor , se pot alege ca elemente etalon reglabile , elementele impedanţei de referinţă :

Iar raportul

se poate lua variabil în trepte decadice,

Dacă se doreşte măsurarea directă a lui şi a factorului de pierderi

,

10

atunci se pot lua ca elemente reglebile care se poate etalona în valori ale lui ce se poate etalona în valori ale lui pentru o valoare a frecvenţei dată,

Deoarece limitează pe , rezultă că puntea Sauty este utilizată pentru măsurarea capacităţilor cu pierderi mici.

2) Punte Nernst (puntea Sauty derivaţie)

Schema acestei punţi este cea din figura de mai jos:

Este o punte de raport rezistiv de tip paralel . Puntea Nernst este duală punţii Sauty , fiind obţinută prin transformarea braţelor serie în braţe paralele. Condiţia de echilibru ,

determină

sau

Relaţiile fiind identice cu cele obţinute la puntea Sauty. Concluzie: Pentru două punţi duale , relaţiile de echilibru sunt identice. Ca urmare , precizările în legătură cu alegerea elementelor reglabile făcute la puntea Sauty rămân valabile şi la puntea Nernst , numai că :

11

şi limitează inferior pe ,adică puntea Nernst se utilizează pentru măsurarea capacităţilor cu pierderi mari , sau a rezistenţelor cu capacitate mare în paralel.

3) Puntea Schering Scheme ale acestei punţi sunt reprezentate în figura de mai jos:

Este o punte de produs imaginar de tip serie . Varianta se utilizează pentru măsurarea condensatoarelor supuse la tensiuni mari , când este necesar pentru protecţia operatorului ca elementele reglabile să aibă cursoarele la masă şi să fie sub tensiuni mici Condiţia de echilibru este:

de unde rezultă

şi

deci se poate etalona în valori ale lui în valori ale lui . Rezistenţa nu se poate măsura direct , ea depinzând de două elemente reglabile. Varianta b este recomandată pentru măsurări la frecvenţe mari unde elementele reglabile trebuie să fie condensatoarele deoarece se comportă mai bine decât rezistoarele sau bobinele , iar cursoarele să fie legate la masă ca atingerea lor să nu influenţeze condiţiile de echilibru . Din

rezultă

12

şi

Deci se va etalona în valori ale lui iar în valori ale lui .

CAP. 4. Punţi pentru măsurarea bobinelor

Şi bobinele se măsoară practic numai în funcţie de capacităţi şi rezistenţe .

1) Puntea Maxwell Puntea Maxwell are schema reprezentată în figura de mai jos:

Este o punte de produs rezistiv de tip serie la care condiţia de echilibru este

determină

şi

Ca elemente reglabile se pot alege elementele braţului de referinţă .Dacă doreşte indicarea directă a lui atunci:

Dacă se doreşte indicarea directă a lui la o frecvenţă precizată atunci:

Deoarece o rezistenţă nereactivă de valoare mare se realizează

dificil , rezultă că puntea Maxwell se poate utiliza pentru mic.

13

2) Puntea Hay Puntea Hay este duala punţii Maxwell , având în consecinţă aceleaşi condiţii de echilibru , dar măsurate direct sunt elementele reactorului disipativ derivaţie. Se foloseste pentru măsurarea bobinelor cu Q mare sau mediu .

3) Puntea Owen

Schemele acestei punţi sunt reprezentate în figura de mai jos:

Este o punte de raport imaginar în ambele variante , serie şi paralel, care sunt duale între ele. Relaţiile de echilibru pentru aceste punţi se obţiind scriind condiţia pentru una din ele , de exemplu pentru varianta serie (fig. a)

unde rezultă

Dacă se alege :

.

14

BIBLIOGRAFIE

1. Isac E.-Masurari electrice si electronice- manual pentru clasele a-X-a, a-XI-a si a-XII-a, E.D.P.R.A. , Bucureşti, 1994.

2. Constantin Cruceru – Tehnica măsurărilor in telecomunicaţii – Editura Tehnica, 1982;

3. Edmond Nicolau – Masurari electrice si electronice – E.D.P., Bucuresti, 1984;

http://mee.didactic.ro/

http://portal.edu.ro/index.php/base/materiale/

15