เครื่องวัดแบบบริดจ์
บริดจ์กระแสสลับเป็นเครื่องวัดที่ใช้วัดค่าความต้านทาน
ค่าความเหนี่ยวนำ และค่าความจุไฟฟ้า โดยอาศัยหลักการเปรียบเทียบค่าความต้านทาน ค่าความเหนี่ยวนำ
และค่าความจุที่ต้องการทราบค่า
และใช้สภาพสมดุลของวงจรบริดจ์เป็นส่วนประกอบสำคัญของเครื่องวัด
ในการชี้ค่าที่ต้องการทราบ สามารถจำแนกได้ 2 ประเภท คือ บริดจ์ไฟฟ้ากระแสตรง กับบริดจ์ไฟฟ้ากระแสสลับ ในที่นี้จะกล่าวถึงบริดจ์กระแสสลับ
บริดจ์กระแสสลับ
วงจรบริดจ์ไฟสลับทั้งหมดมีพื้นฐานมาจากบริดจ์แบบ Wheatstone Bridge ในบริดจ์แบบ Wheatstone Bridge จะประกอบด้วยความต้านทานเท่านั้น แต่วงจรบริดจ์ไฟสลับจะประกอบไปด้วยอิมพีแดนซ์
แหล่งจ่ายแรงดันไฟสลับและตัวตรวจจับ
อิมพีแดนซ์ในวงจรบริดจ์อาจเป็นได้ทั้งค่าความต้านทานและค่าอิมพีแดนซ์เชิงซ้อนก็ได้ วงจรบริดจ์ไฟสลับไม่จำกัดเฉพาะการวัดค่าอิมพีแดนซ์ที่ไม่ทราบค่าเท่านั้น ยังสามารถประยุกต์ใช้ในระบบการสื่อสารและวงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้
วงจรบริดจ์ไฟสลับโดยทั่วไปใช้วัดมุมต่างเฟส สัญญาณป้อนกลับของวงจรขยาย
และการวัดความถี่ของสัญญาณเสียง
แขนของวงจร Wheatstone Bridge ประกอบด้วยตัวต้านทาน
แต่สำหรับวงจร AC Bridge ประกอบด้วยอิมพีแดนซ์ 4 ตัว นอกจากนี้ยังมีแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ (ac source) และเครื่องตรวจจับความเปลี่ยนแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ (ac detector) ดังรูป
รูปที่ 1
ขณะที่เครื่องวัดความเปลี่ยนแปลงไฟฟ้ากระแสสลับอ่านค่าเท่ากับศูนย์
ทำให้ทราบว่าวงจรบริดจ์นั้นสมดุล หรือไม่มีความแตกต่างของระดับแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมที่ขั้วของเครื่องตรวจจับความเปลี่ยนแปลงไฟฟ้ากระแสสลับ
ดังนั้นเราอาจเขียนวงจรบริดจ์ใหม่ได้ดังรูป 1 สำหรับเส้นประในรูปแสดงให้เห็นว่าไม่มีความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าที่จุด
b และ c จึงไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านระหว่างจุด
b และ c
รูปที่ 2
Z1Z4 = Z2Z3
สมการนี้เป็นสมการบริดจ์ทั่วไป
และใช้กับวงจรบริดจ์สมดุล
ไม่ว่าแขนของวงจรนั้นประกอบด้วยความต้านทานอย่างเดียวหรือประกอยด้วนความจ้านทาน, คาปาซิแตนซ์และอินดักแตนซ์รวมกันก็ตาม
บริดจ์แบบมุมคล้าย (Similar Angle Bridge)
Similar Angle Bridge (รูป 3) เป็นวงจรบริดจ์กระแสสลับที่ใช้วัด
capacitive inpedance (Rx และ Cx) โดยใช้คาปาซิเตอร์มาตรฐาน
(C2) เป็นองค์ประกอบในการเทียบค่า
รูปที่3
Rx= (R2/R1)R3
Cx = (R1/R3)C2
บริดจ์แบบแมกซ์เวลล์ (Maxwell Bridge)
Maxwell
Bridge (ในรูป 4) เป็นวงจรบริดจ์กระแสสลับที่ใช้วัด
inductive impedance (Rx และ Lx) โดยใช้คาปาซิเตอร์มาตรฐาน
(C1) เป็นองค์ประกอบที่สำคัญในการเปรียบเทียบค่า
รูปที่ 4
Rx = (R2R3)/R1
Lx = R2R3C1
บริดจ์แบบมุมตรงข้าม (Opposite Angle Bridge)
ปกติเรามักใช้ Similar Angle Bridge หาค่า capacitive
impedance แต่ถ้าต้องการหาค่า inductive impedance ทำได้โดยแทนคาปาซิเตอร์มาตรฐานในรูป 3 ด้วนอินดักเตอร์มาตรฐาน
แต่เนื่องจากอินดักเตอร์มาตรฐานนั้นมีขนาดใหญ่และแพงมาก ดังนั้นการวัดค่า inductive
impedance จึงใช้คาปาซิเตอร์มาตรฐานแทน
ต้องจัดรูปวงจรบริดจ์ไฟฟ้ากระแสสลับเสียใหม่ดังรูป 5 วงจรที่จัดขึ้นใหม่เรียกว่า
Opposite Angle Bridge หรือ Hay Bridge
รูปที่ 5
บริดจ์แบบไวน์ (Wien Bridge)
Wien
Bridge (ในรูป 6) เป็นวงจรบริดจ์ที่ใช้หาค่า capacitive
impedance ได้ 2 ลักษณะคือ
- capacitive impedance ที่มี R และ C ต่อแบบอนุกรม (R1
และ C1) ใช้คาปาซิเตอร์มาตรฐาน C2 เป็นองค์ประกอบในการเปรียบเทียบค่า
- capacitive impedance ที่มี R และ C ต่อแบบขนาน (R2
และ C2) ใช้คาปาซอเตอร์มาตรฐาน C1 เป็นองค์ประกอบในการเปรียบเทียบค่า
รูปที่ 6
บริดจ์แบบเชริง
(Schering bridge)
เป็นบริดจ์ที่มีความสำคัญมากกว่าบริดจ์แบบมุมคล้าย
มักใช้ประโยชน์ในการวัดค่าความจุไฟฟ้า เช่น คุณสมบัติความเป็นฉนวน เป็นต้น
รูปที่ 7
จากรูปที่ 7 ความจุไฟฟ้า C3 จะเป็นความจุไฟฟ้ามาตรฐานแบบไมก้า ที่มีคุณภาพสูงสำหรับในงานทั่วไป
หรือการวัดความเป็นฉนวน ข้อดีของความจุไฟฟ้าแบบไมก้าก็คือ มีการสูญเสียต่ำมาก เนื่องจากไม่มีความต้านทาน
ดังนั้น มุมต่างเฟสจะประมาณ 90 องศาการเป็นฉนวนของวัสดุสามารถทดสอบได้ค่าอิมพีแดนซ์จากบริดจ์แบบเชริง
(Schering bridge) จะหาค่าได้จาก
Rx=R2C1/C3
Cx=C3R1/R2
บริดจ์แบบความถี่วิทยุ
(radio frequency bridge)
มักใช้ในห้องปฏิบัติการสำหรับวัดค่าอิมพีแดนซ์ได้ทั้งวงจรความจุไฟฟ้าและความเหนี่ยวนำที่ความถี่สูง
เทคนิคการวัดจะใช้การแทนที่โดยลำดับแรกบริดจ์จะสมดุลด้วยการต่อขั้ว Zx ให้ถึงกัน แล้วจึงบันทึกค่า และ ไว้
แล้วจึงนำอิมพีแดนซ์ที่ไม่ทราบค่ามาต่อเข้าที่จุดต่อ Zx การแทนที่นี้จะทำให้ได้ค่า
และ ใหม่ ค่าเหล่านี้เป็นข้อมูลในการคำนวณหาค่าของ Zx ดังนี้
Rx= (R3/C2) (C1’-C1)
Xx=
(1/w) (1/C4’ - 1/C4)
รูปที่
8
เมื่อ Xx เป็นได้ทั้งค่าความจุไฟฟ้าหรือค่าความเหนี่ยวนำ ถ้ามีค่าเป็นลบแสดงว่าเป็นความจุไฟฟ้า
จะเกิดขึ้นเมื่อ C4’>C4 และ 1/C4’
< 1/C4 จะได้
Cx = 1/w Xx
ถ้ามีค่าเป็นบวกแสดงว่าเป็นความเหนี่ยวนำจะเกิดขึ้น
C4’< C4 และ 1/C4’
> 1/C4 จะได้
Lx = Xx/w
การชีลด์และการต่อลงดินวงจรบริดจ์
วงจรบริดจ์ไฟสลับที่ได้กล่าวมานั้นจะเป็นวงจรบริดจ์ในอุดมคติซึ่งจะไม่ได้คิดรวมถึงค่าความจุไฟฟ้าแฝง
(stray capacitance)
โดยปกติค่าความจุไฟฟ้าเหล่านี้จะมีขนาดไม่แน่นอนแปรไปตามการปรับบริดจ์
ถ้าความจุไฟฟ้าเหล่านี้ไม่ถูกควบคุมอย่างถูกต้องหรือละเลยไปความผิดพลาดที่เกิดจากการวัดก็จะมีค่าสูง
วิธีการควบคุมทำได้โดยการชีลด์ (shielding) และการต่อลงดิน (grounding)
รูปที่
9 ความจุไฟฟ้าที่ปรากฏร่วมในวงจรบริดจ์
ที่มา
(เอก ไชยสวัสดิ์, 2539, หน้า 286)
จากรูปที่ 9 แสดงวงจรบริดจ์ไฟสลับวัดค่าความจุไฟฟ้าโดยใช้ความจุไฟฟ้ามาตรฐานแบบปรับค่าได้
จะเห็นได้ว่าเมื่อไม่ได้ต่อลงดินและไม่ได้ชีลด์จะเกิดความจุไฟฟ้าแฝง C1 ถึง C12 ได้เพื่อช่วยทำให้ความจุไฟฟ้าแฝงมีค่าที่แน่นอนและกำหนดตำแหน่งในวงจรบริดจ์ไฟสลับได้จึงจำเป็นต้องทำการชีลด์และการต่อลงดินให้กับวงจร
รูปที่
10 แสดงผลของการชีลด์และการต่อลงดิน
ที่มา
(เอก ไชยสวัสดิ์, 2539, หน้า 287)
จากรูปที่ 10
เมื่อกำหนดการต่อจุด G ให้ลงดินจะทำให้ความจุไฟฟ้า C2 ลัดวงจรถึงกันและทำให้ความจุไฟฟ้า C1ขนานเข้ากับแหล่งกำเนิดสัญญาณ
ผลจะทำให้ค่าความจุไฟฟ้าที่ขนานนี้ไม่มีผลต่อวงจรบริดจ์ไฟสลับและการชีลด์โดยรอบความต้านทาน
Ra และ Rb จะทำให้ค่าความจุไฟฟ้า C3 C6 C7 และ C11 ถูกแทนที่ด้วยความจุไฟฟ้า C21 C22 และ C27 ซึ่งมีจุดร่วมกันอยู่ที่จุดDจากการชีลด์ที่เหมือนกันทุกประการนี้จะทำให้อัตราส่วนของบริดจ์เป็นหนึ่งอยู่ตลอดเวลาโดยไม่ขึ้นกับความถี่เนื่องจากความจุไฟฟ้าดังกล่าวมีจุดร่วมเดียวกัน
ความจำเป็นที่จะต้องมีการชีลด์ในวงจรบริดจ์ไฟสลับจะมากขึ้นเมื่อความถี่เพิ่มขึ้นและเมื่อระดับอิมพีแดนซ์แขนของบริดจ์มีค่าสูงขึ้นการชีลด์จะจำเป็นอย่างมากในบริดจ์ที่ทำงานที่ความถี่เสียงและความถี่ต่ำกว่า
60 เฮิร์ท
AC
Bridge นำไปใช้กับเครื่องมือสื่อสารและวงจรอิเลคทรอนิกส์ที่ซับซ้อน
เช่น ใช้สำหรับวงจรเลื่อนเฟส, สร้างส่วนที่เป็น Feed
back สำหรับออสซิโลสโคป, วงจรขยาย, วงจรกรองสัญญาณ และใช้วัดความถี่ของ Audio Signals
สรุป
วงจรบริดจ์ไฟสลับส่วนมากมีรูปแบบมาจากบริดจ์แบบวิทสโตน
วงจรบริดจ์ไฟสลับชนิดต่างๆ จะแตกต่างกันที่ชนิดของอิมพีแดนซ์ภายในวงจร ซึ่งจะสามารถใช้ในการหาค่าอิมพีแดนซ์ของความจุไฟฟ้าหรืออิมพีแดนซ์ของความเหนี่ยวนำหรือทั้งสองอย่าง
โดยอาจแสดงอยู่ในรูปของอิมพีแดนซ์อนุกรมเทียบเท่าหรืออิมพีแดนซ์ขนานเทียบเท่าก็ได้
วงจรบริดจ์ไฟสลับที่ได้กล่าวมานั้นจะเป็นวงจรบริดจ์ในอุดมคติซึ่งจะไม่ได้คิดรวมถึงค่าความจุไฟฟ้าแฝง
(stray capacitance) โดยปกติค่าความจุไฟฟ้าเหล่านี้จะมีขนาดไม่แน่นอนแปรไปตามการปรับบริดจ์
ถ้าความจุไฟฟ้าเหล่านี้ไม่ถูกควบคุมอย่างถูกต้องหรือละเลยไปความผิดพลาดที่เกิดจากการวัดก็จะมีค่าสูง
วิธีการควบคุมทำได้โดยการชีลด์(shielding)
และการต่อลงดิน
(grounding) วงจรบริดจ์ไฟสลับนอกใช้ในการวัดค่าองค์ประกอบต่างๆของวงจรแล้วยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในการวัดความจุไฟฟ้าค่าน้อยๆในขดลวดหม้อแปลง
ความยาวของสายเคเบิลอิมพีแดนซ์ของขดลวดลำโพง
ความเหนี่ยวนำขดลวดเบี่ยงเบนของหลอดภาพรังสีแคโทด และความเหนี่ยวนำร่วม เป็นต้น
ขอขอบคุณแหล่งที่มาดีๆจาก
- การวัดและเครื่องวัดไฟฟ้า ผู้เขียน เอก
ไชยสวัสดิ์
