גשר שרינג הוא מעגל חשמלי המשמש למדידת תכונות הבידוד של כבל וציוד חשמלי. זהו מעגל גשר AC שפותח על ידי הרלד ארנסט מלמסטן שרינג (25 בנובמבר 1880 - 10 באפריל 1959). יש לו את היתרון הגדול ביותר שהמשוואה המאוזנת אינה תלויה בתדירות. הגשרים הנוכחיים שמקורם הם גשרי AC, הם המכשירים הפופולאריים, הנוחים והבולטים או המדויקים ביותר, המשמשים למדידת התנגדות AC, קיבוליות והשראות. גשרי ה- AC הם ממש כמו ה- DC גשרים אך ההבדל בין גשרי הזרם המתחלף לגשר הזרם הישיר הוא ספק הכוח.
מהו גשר שרינג?
הַגדָרָה: גשר שרינג הוא סוג אחד של גשר זרם חילופין, המשמש למדידת הקיבול הלא ידוע, החדירות היחסית, גורם ההתפזרות ואובדן הדיאלקטרי של קבלים. המתח הגבוה בגשר זה מתקבל באמצעות שנאי המעלה. המטרה העיקרית של גשר זה היא למצוא ערך קיבול. המנגנון העיקרי הנדרש לחיבור הוא ערכת מאמנים, תיבת קיבול בעשור, מולטימטר, CRO ואקורדי תיקון. הנוסחה המשמשת לקבלת ערך הקיבול היא CX = Cשתיים(ר4/ ר3).
מעגל גשר בסיסי AC
בגשרים של זרם חילופין, קווי החשמל משמשים כמקור עירור בתדרים נמוכים, מתנדים משמשים כמקור במדידות בתדירות גבוהה. טווח התדרים של מתנד הוא 40 הרץ עד 125 הרץ. גשרי ה- AC לא רק מודדים את ההתנגדות, הקיבול וההשראות אלא גם מודדים את גורם הכוח, וגורם האחסון וכל גשרי ה- AC מבוססים על גשר וויטסטון. תרשים המעגל הבסיסי של גשר זרם חילופין מוצג באיור שלהלן.
מעגל בסיסי- ac-bridge
תרשים המעגל הבסיסי של מעגל גשר AC מורכב מארבע עכבות Z1, Z2, Z3 ו- Z4, גלאי ומקור מתח AC. הגלאי ממוקם בין הנקודה 'b' ו- 'd' וגלאי זה משמש לאיזון הגשר. מקור מתח AC ממוקם בין הנקודה 'a' ו- 'c' והוא מספק חשמל לרשת הגשר. הפוטנציאל של נקודה 'b' זהה לנקודה הפוטנציאלית 'd'. מבחינת משרעת ושלב, שתי הנקודות הפוטנציאליות כמו B & D שוות. גם בגודל וגם בשלב, הנקודה 'a' עד 'b' ירידת המתח שווה לנקודת ירידת המתח a עד d.
כאשר גשרי ה- AC המשמשים למדידה בתדרים נמוכים אז קו החשמל משמש כמקור אספקה וכאשר המדידות נעשות בתדרים הגבוהים אז משתמשים במתנדים האלקטרוניים לאספקת החשמל. מתנד אלקטרוני משמש כמקור לאספקת חשמל, התדרים שמספק המתנד קבועים וצורות הגל המוצא של מתנד אלקטרוני הן אופי סינוסי. ישנם שלושה סוגים של גלאים המשמשים בגשרים AC הם אוזניות, רטט גלוונומטרים , וניתן לכוונון מַגבֵּר מעגלים.
ישנם טווחי תדרים שונים ובזה, ישמש גלאי מסוים. טווח התדרים התחתון של האוזניות הוא 250 הרץ וטווח התדרים הגבוה הוא מעל עד 3 עד 4K הרץ. טווח תדרי הגלוונומטר הרטט נע בין 5 הרץ ל -1000 הרץ והוא רגיש יותר מתחת ל 200 הרץ. טווח התדרים של מעגלי המגבר הניתנים לכוונון הוא בין 10 הרץ ל -100 קילוהרץ.
דיאגרמת מעגלים בגשר שרינג מתח גבוה
תרשים המעגל של גשר שרינג במתח גבוה מוצג באיור שלהלן. הגשר מורכב מארבע זרועות, בזרוע הראשונה, ישנם שני קיבולים לא ידועים C1 ו- C2 שעלינו למצוא והנגד R1 מחובר ובזרוע השנייה, הקיבול המשתנה C4 והנגדים R3 ו- R4 מחוברים. במרכז הגשר מחובר גלאי 'D'.
גשר מתח גבוה-שרינג
באיור, 'C1' הוא הקבל שצריך לפתח את הקיבול שלו, 'R1' הוא התנגדות סדרתית המייצגת את האובדן בקבל C1, C2 הוא הקבל הסטנדרטי, 'R3' הוא התנגדות שאינה אינדוקטיבית, 'C4 'הוא קבלים משתנים, ו-' R4 'הוא התנגדות משתנה שאינו אינדוקטיבי במקביל לקבל המשתנה' C4 '.
על ידי שימוש במצב האיזון של הגשר, יחס העכבה 'Z1 & Z2' שווה לעכבה 'Z3 & Z4', זה מתבטא כ
Z1 / Z2 = Z3 / Z4
Z1 * Z4 = Z3 * Z2 ………………… שווה ערך (1)
איפה עם1 =ר1+ 1 / jwC1עם2 =1 / jwCשתייםעם3 =ר3עם4 =(ר4+ 1 / jwC4ר4) / (ר4- 1 / jwC4ר4)
כעת החלף את הערכים של העכבות Z1, Z2, Z3 ו- Z4 במשוואה 1, יקבל את הערכים C1 ו- R1.
(ר1+ 1 / jw ג1) [(ר4+ 1 / jwC4ר4) / (ר4- 1 / jwC4ר4)] = R3(1 / jwCשתיים) ...…… .. שווה ערך (2)
על ידי פישוט העכבה Z4 יקבל
עם4 =(ר4+ 1 / jwC4ר4) / (ר4- 1 / jwC4ר4)
עם4 =ר4/ jwC4ר4…………… .eq (3)
החלף מקביל (3) בשק (2) יקבל
(ר1+ 1 / jw ג1) (ר4/ jwC4ר4) = R3(1 / jwCשתיים)
(ר1ר4) + (R.4/ jw ג1) = (R3/ jwCשתיים) (1+ jwC4ר4)
על ידי פישוט המשוואה הנ'ל תקבל
(ר1ר4) + (R.4/ jw ג1) = (R3/ jwCשתיים) + (R.3* ר4ג4/ גשתיים) ………… שווה ערך (4)
השווה בין חלקים אמיתיים R1 R4 ו- R3 * R4C4 / 2 במקביל (4) יקבל ערך התנגדות לא ידוע R1
R1 R4 = R3 * R4C4 / C2
R1 = R3 * C4 / C2 ………… שווה ערך (5)
באופן דומה השווה בין חלקים דמיוניים R4/ jw ג1ו- ר3/ jwCשתייםיקבל קיבוליות לא ידועה C1ערך
ר4/ jw ג1= R3/ jwCשתיים
ר4/ ג1= R3/ גשתיים
ג1= (R4/ R3) גשתיים………… שווה ערך (6)
משוואה (5) ו- (6) הם ההתנגדות הלא ידועה והקיבול הלא ידוע
מדידת דלתא טאן באמצעות ScheringBridge
אובדן דיאלקטרי
חומר חשמלי יעיל תומך בכמות משתנה של אחסון מטען עם פיזור מינימלי של אנרגיה בצורת חום. אובדן חום זה, המכונה למעשה אובדן דיאלקטרי, הוא פיזור האנרגיה הטמון בדיאלקטרי. זה פרמטרים בבטחה במונחים של דלתא זווית אובדן או דלתא שזוף אובדן. יש למעשה שתי צורות עיקריות של אובדן העלולות להפיג אנרגיה בתוך מבודד, הן אובדן הולכה ואובדן דיאלקטרי. באובדן הולכה, זרימת המטען דרך החומר גורמת לפיזור אנרגיה. לדוגמא, זרימת זרם הדליפה דרך המבודד. ההפסד הדיאלקטרי נוטה להיות גבוה יותר בחומרים בעלי קבוע דיאלקטרי גבוה
מעגל שווה ערך לדיאלקטרי
נניח כי כל חומר דיאלקטרי המחובר במעגל חשמלי כדיאלקטרי בין מוליכים משמש כקבל מעשי. המקבילה החשמלית של מערכת כזו יכולה להיות מתוכננת כמודל אלמנטים גושי טיפוסי, הכולל קבלים אידיאליים ללא הפסד בסדרה עם התנגדות, המכונה התנגדות סדרה שווה ערך או ESR. ה- ESR מייצג במיוחד הפסדים בקבל, ערך ה- ESR קטן מאוד בקבל טוב, והערך של ESR גדול למדי בקבל רע.
גורם פיזור
זהו מדד לקצב ההפסד של האנרגיה בדיאלקטרי, בגלל התנודה בחומר דיאלקטרי עקב מתח זרם זרם. הדדי של גורם איכות ידוע כגורם פיזור המתבטא כ- Q = 1 / D. איכות הקבל ידועה על ידי גורם הפיזור. הנוסחה של גורם פיזור היא
D = wR4ג4
Schering-bridge-phasor-diagram
לפרשנות מתמטית, עיין בתרשים הפאזורים, זהו היחס בין ה- ESR לבין תגובת הקיבול. זה ידוע גם כמשיק של זווית אובדן ובדרך כלל מבוטא כ
דלתא שזוף = ESR / Xג
בדיקת דלתא טאן
בדיקת דלתא השזוף מבצעת בידוד של פיתולים וכבלים. בדיקה זו משמשת למדידת ההידרדרות בכבל.
ביצוע בדיקות דלתא טאן
על מנת לבצע בדיקות דלתא שזוף, יש לבודד ולנתק את בידוד הכבלים או הפיתולים. ממקור החשמל בתדר הנמוך, מתח הבדיקה מוחל והמדידות הנדרשות נלקחות על ידי בקר הדלתא השזוף, ועד למתח המדורג של הכבלים, מתח הבדיקה מוגבר בשלבים. מתוך דיאגרמת הפאזור לעיל של גשר שרינג, אנו יכולים לחשב את הערך של דלתא השזוף המכונה גם D (Dissipation Factor). הדלתא השזוף מתבטא כ-
דלתא שזוף = שירותים1ר1= W * (גשתייםר4/ R3) * (R3ג4/ גשתיים) = WC4ר4
מדידת חדירות יחסית עם גשר שרינג
החדירות הנמוכה של החומר הדיאלקטרי נמדדת באמצעות גשר שרינג. סידור הלוח המקביל של החדירות היחסית בא לידי ביטוי מתמטי כ-
הר=גסd / ε0ל
כאשר 'Cs' הוא ערך הקיבול הנמדד על ידי התחשבות בדגימה כקיבולת דיאלקטרית או דגימה, 'd' הוא הרווח בין האלקטרודות, 'A' הוא האזור היעיל של האלקטרודות, 'd' הוא עובי הדגימה, 't' הוא הפער בין האלקטרודה לדגימה, 'x' הוא הפחתת ההפרדה בין האלקטרודה לדגימה, ו- ε0 הוא התרת החלל הפנוי.
מדידת חדירות יחסית
הקיבול בין האלקטרודה לדגימה מתבטא מתמטית כ-
C = Cסג0/ גס+ ג0……… שווה ערך (א)
איפה גס= εרה0ת / ג0= ε0A / t
מחליף גסו- ג0ערכים במשוואה (א) יקבלו
C = (הרה0דה0אכלתירה0A / d) + (ה0A / t)
הביטוי המתמטי להפחתת הדגימה מוצג להלן
הר= d / d - x
זהו ההסבר למדידת החדירות היחסית עם גשר שרינג.
מאפיינים
התכונות של גשר שרינג הן
- מהמגבר הפוטנציאלי מתקבל ספק מתח גבוה.
- לרטט הגשר, הגלוונומטר משמש כגלאי
- בזרועות ab ובמודעה ממוקמים קבלים במתח גבוה.
- העכבה של הזרוע bc ו- cd נמוכה והעכבות של זרוע ab ומודעה גבוהות.
- נקודת ה- 'c' באיור היא מקורקעת.
- עכבת הזרוע 'אב' ו'מודעה 'נשמרת גבוהה.
- בזרוע 'אב' וב'מודעה ', אובדן הכוח קטן מאוד מכיוון שעכבת הזרועות ab והמודעה גבוהה.
חיבורים
החיבורים ניתנו לערכת המעגלים של גשר שרינג כמו הבאה.
- חבר את המסוף החיובי של הקלט למסוף החיובי של המעגל
- חבר את המסוף השלילי של הקלט למסוף השלילי של המעגל
- הגדר את ערך ההתנגדות R3 למצב אפס והגדר את ערך הקיבול C3 למצב אפס
- הגדר את ההתנגדות R2 ל -1000 אוהם
- הפעל את ספק הכוח
- לאחר כל החיבורים הללו תראה קריאה בגלאי האפס, עכשיו התאם את התנגדות העשור R1 כדי לקבל את הקריאה המינימלית בגלאי האפס הדיגיטלי
- רשום את קריאות ההתנגדות R1, R2 וקיבול C2 וחשב את הערך של הקבל הלא ידוע באמצעות הנוסחה.
- חזור על השלבים שלמעלה על ידי התאמת ערך ההתנגדות R2
- לבסוף, חישבו את הקיבול והתנגדות באמצעות הנוסחה. זה ההסבר על העבודה והחיבורים של גשר שרינג
אמצעי זהירות
חלק מאמצעי הזהירות שעלינו לנקוט בעת מתן חיבורים לגשר הם
- ודא שהמתח לא יעלה על 5 וולט
- בדוק את החיבורים כראוי לפני הפעלת ספק הכוח
יישומים
חלק מהיישומים של שימוש בגשר שרינג הם
- גשרי שרינג המשמשים גנרטורים
- משמש מנועי כוח
- משמש ברשתות תעשייתיות ביתיות וכו '
היתרונות של גשר שרינג
היתרונות של גשר שרינג הם
- בהשוואה לגשרים אחרים, עלות גשר זה נמוכה יותר
- מתדירות משוואות האיזון חופשיות
- במתח נמוך הוא יכול למדוד קבלים קטנים
חסרונות גשר שרינג
ישנם מספר חסרונות בגשר שרינג במתח נמוך, מכיוון שחסרונות אלה נדרש גשר שרינג בתדירות גבוהה ובמתח למדידת הקיבול הקטן.
שאלות נפוצות
1). מהו גשר שרינג הפוך?
גשר שרינג הוא סוג אחד של גשר זרם חילופין המשמש למדידת הקיבול של הקבלים.
2). איזה סוג גלאי משמש בגשרים של זרם חילופין?
סוג הגלאי המשמש בגשרי AC הוא גלאי מאוזן.
3). מה הכוונה במעגל גשר?
מעגל הגשר הוא סוג אחד של מעגל חשמלי המורכב משני ענפים.
4). לאיזו מדידה משתמשים בגשר שרינג?
גשר שרינג משמש למדידת הקיבול של הקבלים.
5). איך מאזנים מעגל גשר?
יש לאזן את מעגל הגשר על ידי ביצוע שני תנאי האיזון שהם גודל ותנאי זווית פאזה.
במאמר זה, סקירה כללית של תורת גשר שרינג , יתרונות, יישומים, חסרונות, חיבורים שניתנו למעגל הגשר, מדידת חדירות יחסית, מעגל גשר שרינג במתח גבוה, מדידת דלתא שזוף, ויסודות מעגל גשר AC. הנה שאלה עבורך, מהו גורם הכוח של גשר שרינג?
