Ningún texto sobre medición eléctrica podría llamarse completo sin una sección en los circuitos del puente. Estos ingeniosos circuitos hacen uso de un medidor de equilibrio nulo para comparar dos voltajes, al igual que la balanza de laboratorio compara dos pesos e indica cuándo son iguales. A diferencia del circuito de “potenciómetro” que se usa simplemente para medir un voltaje desconocido, los circuitos de puente se pueden usar para medir todo tipo de valores eléctricos, entre los que se destaca la resistencia.
Puente de Wheatstone
El circuito puente estándar, a menudo llamado Puente Wheatstone , se parece a esto:
Cuando el voltaje entre el punto 1 y el lado negativo de la batería es igual al voltaje entre el punto 2 y el lado negativo de la batería, el detector nulo indicará cero y se dice que el puente está “equilibrado”. El estado de equilibrio del puente depende únicamente de las proporciones de R a / R b y R 1 / R 2 , y es bastante independiente de la tensión de alimentación (batería). Para medir la resistencia con un puente Wheatstone, se conecta una resistencia desconocida en lugar de R a o R b , mientras que las otras tres resistencias son dispositivos de precisión de valor conocido. Cualquiera de las otras tres resistencias se puede reemplazar o ajustar hasta que el puente esté equilibrado, y cuando se haya alcanzado el equilibrio, el valor desconocido de la resistencia se puede determinar a partir de las proporciones de las resistencias conocidas.
Un requisito para que esto sea un sistema de medición es tener un conjunto de resistencias variables disponibles cuyas resistencias se conozcan con precisión, para que sirvan como estándares de referencia. Por ejemplo, si conectamos un circuito puente para medir una resistencia desconocida R x , tendremos que conocer los valores exactos de las otras tres resistencias en equilibrio para determinar el valor de R x :
Cada una de las cuatro resistencias en un circuito puente se conoce como brazos . La resistencia en serie con la resistencia desconocida R x (esto sería R a en el esquema anterior) se denomina comúnmente reóstato del puente, mientras que las otras dos resistencias se llaman los brazos relación del puente.
Los estándares de resistencia precisos y estables, afortunadamente, no son tan difíciles de construir. De hecho, fueron algunos de los primeros dispositivos eléctricos “estándar” hechos con fines científicos. Aquí hay una fotografía de una unidad estándar de resistencia antigua:
Este estándar de resistencia que se muestra aquí es variable en pasos discretos: la cantidad de resistencia entre los terminales de conexión podría variar con el número y el patrón de los enchufes de cobre extraíbles insertados en los enchufes.
Los puentes de Wheatstone se consideran un medio superior de medición de resistencia al circuito medidor en serie de resistencia de movimiento de batería discutido en la última sección. A diferencia de ese circuito, con todas sus no linealidades (escala no lineal) e imprecisiones asociadas, el circuito puente es lineal (las matemáticas que describen su funcionamiento se basan en proporciones y proporciones simples) y bastante preciso.
Dadas las resistencias estándar de precisión suficiente y un dispositivo detector nulo de sensibilidad suficiente, se pueden obtener precisiones de medición de resistencia de al menos +/- 0.05% con un puente Wheatstone. Es el método preferido de medición de resistencia en laboratorios de calibración debido a su alta precisión.
Hay muchas variaciones del circuito básico del puente Wheatstone. La mayoría de los puentes de CC se usan para medir la resistencia, mientras que los puentes alimentados por corriente alterna (CA) se pueden usar para medir diferentes cantidades eléctricas como inductancia, capacitancia y frecuencia.
Puente doble Kelvin
Una variación interesante del puente Wheatstone es el Kelvin Double bridge , usado para medir resistencias muy bajas (típicamente menos de 1/10 de un ohm). Su diagrama esquemático es como tal:
Las resistencias de bajo valor están representadas por símbolos de línea gruesa, y los cables que los conectan a la fuente de voltaje (que transportan corriente alta) también se dibujan gruesa en el esquema. Quizás este puente de configuración extraña se entienda mejor comenzando con un puente Wheatstone estándar configurado para medir baja resistencia y evolucionando paso a paso hacia su forma final en un esfuerzo por superar ciertos problemas encontrados en la configuración estándar de Wheatstone. Si tuviéramos que usar un puente Wheatstone estándar para medir baja resistencia, se vería así:
Cuando el detector nulo indica voltaje cero, sabemos que el puente está equilibrado y que las relaciones R a / R x y R M / R N son matemáticamente iguales entre sí. Conocer los valores de Ra, R M y R N nos proporciona los datos necesarios para resolver R x . . . casi.
Tenemos un problema, ya que las conexiones y los cables de conexión entre R a y R x también poseen resistencia, y esta resistencia perdida puede ser sustancial en comparación con las bajas resistencias de R a y R x . Estas resistencias parásitas dejarán caer un voltaje sustancial, dada la alta corriente a través de ellas, y por lo tanto afectarán la indicación del detector nulo y, por lo tanto, el equilibrio del puente:
Dado que no queremos medir estas resistencias de conexión y cables perdidos, sino solo medir R x , debemos encontrar alguna forma de conectar el detector nulo para que no sea influenciado por el voltaje cayó sobre ellos. Si conectamos el detector nulo y los brazos de relación R M / R N directamente a través de los extremos de R a y R x , esto nos acerca a una solución práctica:
Ahora, las dos caídas de voltaje del cable E no tienen ningún efecto en el detector nulo y no influyen en la precisión de la medición de resistencia de R x . Sin embargo, las dos caídas de voltaje restantes del cable E causarán problemas, ya que el cable que conecta el extremo inferior de R a con el extremo superior de R x es ahora derivando a través de esas dos caídas de voltaje, y conducirá una corriente sustancial, introduciendo caídas de voltaje parásitas a lo largo de su propia longitud también.
Sabiendo que el lado izquierdo del detector nulo debe conectarse a los dos extremos cercanos de R a y R x para evitar introducir esos cables E [19459011 ] el voltaje cae en el bucle del detector nulo, y que cualquier cable directo que conecte esos extremos de R a y R x llevará una corriente considerable y creará más caídas de voltaje, la única forma fuera de esta situación es hacer que la ruta de conexión entre el extremo inferior de R a y el extremo superior de R x sea sustancialmente resistiva:
Podemos gestionar las caídas de tensión parásitas entre R a y R x dimensionando las dos nuevas resistencias para que su relación de arriba a abajo sea la misma relación que la relación de dos brazos al otro lado del detector nulo. Esta es la razón por la cual estas resistencias fueron etiquetadas R m y R n en el esquema original de Kelvin Double bridge: para indicar su proporcionalidad con R M y R N .
Con relación R m / R n ajustado igual a la relación R M / R N , resistencia del brazo reóstato R [19459010 ] a se ajusta hasta que el detector nulo indica equilibrio, y luego podemos decir que R a / R x es igual a R M / R N , o simplemente encuentre R x mediante la siguiente ecuación:
La ecuación de equilibrio real del puente Kelvin Double es la siguiente (el cable R es la resistencia del cable de conexión grueso entre el estándar de baja resistencia R a y la prueba resistencia R x ):
Mientras la relación entre R M y R N sea igual a la relación entre Rm y Rn, la ecuación de equilibrio no es más compleja que la de un puente de Wheatstone normal , con R x / R a igual a R N / R M , porque el último término en la ecuación será cero, cancelar los efectos de todas las resistencias excepto R x , R a , R M y R N .
En muchos circuitos de doble puente Kelvin, R M = R m y R N = R n . Sin embargo, cuanto menores sean las resistencias de R m y R n , más sensible será el detector nulo, porque hay menos resistencia en serie con él. La mayor sensibilidad del detector es buena, ya que permite detectar pequeños desequilibrios y, por lo tanto, lograr un mayor grado de equilibrio del puente. Por lo tanto, algunos puentes Kelvin Double de alta precisión usan valores R m y R n tan bajos como 1/100 de sus contrapartes de brazo de relación (R M y R N , respectivamente). Desafortunadamente, cuanto más bajos sean los valores de R m y R n , más corriente llevarán, lo que aumentará el efecto de cualquier resistencia de unión presente donde R m y R n se conectan a los extremos de R a y R x . Como puede ver, la alta precisión del instrumento exige que todos los factores que producen errores se tengan en cuenta, y a menudo lo mejor que se puede lograr es un compromiso que minimice dos o más tipos diferentes de errores.
REVISIÓN:
- Los circuitos de puente dependen de medidores sensibles de voltaje nulo para comparar dos voltajes en igualdad.
- Un Puente de Wheatstone se puede usar para medir la resistencia al comparar la resistencia desconocida con las resistencias de precisión de valor conocido, al igual que una báscula de laboratorio mide un peso desconocido al compararlo con pesos estándar conocidos.
- Un Kelvin Double bridge es una variante del puente Wheatstone utilizado para medir resistencias muy bajas. Su complejidad adicional sobre el diseño básico de Wheatstone es necesaria para evitar errores incurridos por resistencias parásitas a lo largo del camino actual entre el estándar de baja resistencia y la resistencia que se está midiendo.
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