Instituto tecnolgico de Chetumal

Mediciones elctricas

Funcionamiento de puentes CA y CD

Maestro: juan Manuel Zavala Pimentel

Alumno: Jess Ramrez Yam

Matricula: 10390213

Ingeniera elctrica 3B

Chetumal Quintana Roo a 16 de noviembre del 2011

Introduccin:

Los puentes son arreglos de componentes tales como inductores, resistores, capacitores y fuentes los cuales permiten realizar medidas de precisin de componentes.

La capacidad de medir la resistencia de manera precisa es la clave para conseguir medidas de termometra de precisin, La medida de la resistencia se hace a travs de un puente de medida en el que se compara la resistencia a medir con una cuyo valor se conoce casi exactamente y es muy constante frente a variaciones de la temperatura. Dicho puente puede ser excitado usando corriente alterna (CA) (excitacin senoidal), o corriente continua (CC) y ambas tienen sus ventajas y sus inconvenientes. La ventaja fundamental de la tecnologa de CC es simplicidad y con lo cual un coste ms econmico. En trminos de prestaciones, la tecnologa de CA siempre es mejor, y es la que se elige siempre que se requieran medidas ms precisas y exactas. Las razones por las cuales los puentes de CA ofrecen mejores resultados vienen de principios fsicos fundamentales asociados con la medida y la implementacin de los dispositivos que conforman el puente de medida.

Puentes de corriente alterna:

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.

En principio,

un puente de corriente alterna consta de cuatro ramas cada una de las cuales tiene cierta impedancia, una fuente de voltaje AC y un detector de cero, interconectados de la manera mostrada en la Figura 1.

Fig. 1.- Puente de corriente alterna.

Analizando este circuito podemos concluir que, en forma similar al puente de Wheatstone, cuando no hay circulacin de corriente por el detector de cero se cumple la relacin:

Z1 Z4

Z2 Z3

Como la impedancia de una rama depende tanto del valor de los parmetros de los elementos circuitales como de la frecuencia de operacin, esta ltima tambin tiene influencia sobre el balance del puente, por lo que en general, adems de indicar los valores de resistencias, capacitancias e inductancias para los cuales se obtiene dicho balance, es necesario especificar la frecuencia a la que se est trabajando. Algunos puentes se disean de tal forma que el balance de los mismos no depende de la frecuencia de operacin, pero estos son casos particulares y no constituyen la regla general. En este anlisis estamos suponiendo que los parmetros de los elementos del circuito, esto es, las resistencias, capacitancias e inductancias, son independientes de la frecuencia dentro de rango en que estamos trabajando. El rango de frecuencias en el que va a operar un determinado puente depende del oscilador y del detector de cero utilizados en su diseo. Entre los detectores ms empleados se encuentran los audfonos, los galvanmetros de AC y los osciloscopios. Otra caracterstica de estos puentes es que no es posible conseguir el balance para cualquier combinacin de resistencias, capacitancias e inductancias que queramos conectar en sus ramas. En efecto, supongamos que Zl Y Z2 son resistencias, Z3 es un inductor y Z4 un capacitor. Segn la relacin (12.1) se debe cumplir que: R1(jwL3)=R2(-j/wC4) No existe ninguna combinacin de w, R1, R2, L3, C4 y capaz de Cumplir con la relacin anterior, ya que para que esto fuese posible, Alguno de los cinco parmetros debera ser negativo, lo cual fsicamente no tiene sentido. COMPONENTES A MEDIR CON EL PUENTE DE CORRIENTE ALTERNA. Los inductores y capacitores reales no son puramente reactivos, sino que presentan una cierta disipacin de potencia, que podemos representar en un modelo circuital mediante una resistencia conectada en serie o en paralelo con el elemento ideal. De acuerdo con esto, podemos utilizar los modelos presentados en la Figura 2.

Fig. 2.- Modelos circuitales de capacitores e inductores

Con los puentes de corriente alterna podemos determinar tanto la componente reactiva como la resistiva de un elemento real. El determinar los parmetros del modelo serie o del modelo paralelo depender de la configuracin del puente que estemos utilizando, como veremos ms adelante.

Por lo general, el elemento real no se especifica indicando su parmetro reactivo y su resistencia sino que en lugar de esta ltima, se indica el valor de sus parmetros Q o D. Estos ltimos estn definidos de la siguiente forma: Q Para un inductor D wLs Rs Rs wLs 1 wR sC s wR sC s Rp wL p wL p Rp wR pC p 1 wRpCp (12.4) (12.3)

Q Para un capacitor D

Como podemos observar Q=1/D. Estos parmetros son indicadores de cunto se aproxima un elemento real a su modelo ideal correspondiente. Analizando las distintas expresiones podemos concluir que cuanto menor sea la resistencia serie de un elemento o mayor sea su resistencia paralelo mayor ser Q. Para los elementos ideales.

Puente de Hay:El puente de Hay es un circuito puente que generalmente se utiliza para la medida de inductancia en trminos de capacitancia, resistencia y frecuencia. Se diferencia del puente de Maxwell en que el condensador se dispone en serie con su resistencia asociada. La configuracin de este tipo de puente para medir inductores reales, cuyo modelo circuital consta de una inductancia en serie con una resistencia. La ecuacin de balance para el Puente de Hay es la siguiente:

La ecuacin se separa en las siguientes:

De donde :

Puente schering:Mientras que los puentes de Maxwell-Wien, Owen y Hay se emplean para medir inductores, los puentes de Wien y Schering se emplean para medir condensadores. El puente de Schering se emplea sobre todo para medir la fuga en condensadores de alta Tensin. Para medir capacitores en circuitos donde el ngulo de fase es casi de 90, el puente de Schering da las lecturas ms exactas..

En el Diagrama de la figura1. Zx es un condensador en serie con una resistencia (objeto de la medida); Z1 est formada por un condensador variable en paralelo con una resistencia variable, que tienen por fin ajustar el puente (hacer que la tensin del puente sea nula) Z2 es una resistencia; Z3 es un condensador;

Donde se especifica Vs podra estar colocado un galvanmetro o sensor. La idea consiste en variar los componentes de la impedancia Z2 hasta obtener la condicin de equilibrio de este puente (Vs=0 o usando un galvanmetro I=0). No es muy diferente a otros puentes como el de Weatstone por lo que la ecuacin para la condicin de equilibrio y obtencin de la capacitancia desconocida resulta ser fcil de deducir, solo que en este caso se trabaja con impedancias (Medida en ohmios, se refiere a la combinacin entre la resistencia y la reactancia en un circuito elctrico).

Puente wien:Puente Wien es un puente de CA para medir frecuencias y por las aplicaciones que tiene otros circuitos; por ejemplo, en el analizador de distorsin armnica, en donde se usa como un filtro pasa banda, el cual puede discriminar una frecuencia especfica. El puente Wien tambin tiene aplicaciones en los osciladores de audio y HF como el elemento que determina la frecuencia.

El puente Wien tiene una combinacin en serie RC en una rama y una combinacin en paralelo RC en la rama adjunta. La impedancia de la rama I es Z1 =R1-j/wC1. La admitancia de la rama 3 es Y3 =1/R3 + jwC3. Con la ecuacin bsica para el balance del puente al sustituir los valores apropiados se obtiene Al expandir la expresin se obtiene:

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Puentes de corriente directa:

Puente de Wheatstone Las mediciones ms precisas de la resistencia se obtienen con un circuito llamado puente de Wheatstone, este circuito consiste en tres resistencias conocidas y una resistencia desconocida, conectadas entre s en forma de diamante. Se aplica una corriente continua a travs de dos puntos opuestos del diamante y se conecta un galvanmetro a los otros dos puntos. Cuando todas las resistencias se nivelan, las corrientes que fluyen por los dos brazos del circuito se igualan, lo que elimina el flujo de corriente por el galvanmetro, el puente puede

ajustarse a cualquier valor de la resistencia desconocida, que se calcula a partir los valores de las otras resistencias. Se utilizan puentes de este tipo para medir la inductancia y la capacitancia delos componentes de circuitos. Para ello se sustituyen las resistencias por inductancias y capacitancias conocidas. Los puentes de este tipo suelen denominarse puentes de corriente alterna, porque se utilizan fuentes de corriente alterna en lugar de corriente continua. A menudo los puentes se nivelan con un timbre en lugar de un galvanmetro, que cuando el puente no est nivelado, emite un sonido que corresponde a la frecuencia de la fuente de corriente alterna; cuando se ha nivelado no se escucha ningn tono. En la figura se muestra un puente de resistencias que puede utilizarse para determinar una resistencia desconocida. Para cualquier conjunto dado de resistencias R1, R2, R3 y R4, el voltaje de compensacin v del puente viene dado por:

Para hallar la resistencia desconocida Rx, en condicin de equilibrio siempre Se cumple que:Si los valores de R1, R2, R3, se conocen con mucha precisin el valor de Rx, puede ser determinado igualmente con mucha precisin, pequeos cambios en el valor de Rx rompern el equilibrio y sern claramente detectados por la indicacin del galvanmetro, de forma alternativa, si los valores de R1, R2, R3, son conocidos y R2 no es ajustable, la corriente que fluye a travs del galvanmetro puede ser utilizada para calcular el valor de Rx siendo este procedimiento mas rpido que el de ajustar a cero la corriente a travs del galvanmetro.

CIR CUITO EQ UI V ALENTE THVE NI NPara saber que galvanmetro ser ms sensible hay que realizar un clculo previo para verificar cul galvanmetro ser ms sensible en el circuito puente para la condicin de desequilibrio. Esta sensibilidad se calcula analizando el circuito puente par aun pequeo desequilibrio. La solucin se obtiene al determinar el equivalente Thvenin del puente

de Wheatstone.

El voltaje de Thvenin:

El voltaje del generador Thvenin se calcula por la siguiente ecuacin

La resistencia de Thvenin, en las terminales c y d se calcula por la siguiente ecuacin:

cuando el detector de cero se conecta en las terminales de salida del circuito equivalente Thvenin, la corriente del galvanmetro es:

Ig es la corriente del galvanmetro y Rg su resistencia

El puente kelvin:El puente Kelvin es una modificacin del Wheatstone y proporciona un gran incremento en la exactitud de las mediciones de resisten cas de valor bajo, y por lo general inferiores a 1 ohm. Considrese el circuito puente de la figura 54, donde Ry representa la resistencia del alambre de conexin de R3 a Rx

Son posibles dos conexiones del galvanmetro, en el punto m en el punto n. Cuando el galvanmetro se conecta en el punto m, la resistencia Ry del alambre de conexin se suma a la desconocida Rx, resultando una indicacin por arriba de Rx. Cuando la conexin se hace en el punto n, Ry se suma a la rama del puente R3 y el resultado de la medicin de Rx ser menor que el que debera ser, porque el valor real de R3 es ms alto que su valor nominal debido a la resistencia Ry. Si el galvanmetro se conecta en el punto p, entre m y n, de tal forma que la razn de la resistencia de n a p y m a p iguale la razn de los resistores R1 y R2, entonces.

El Puente Doble de Kelvin:

Es una versin modificada del puente de Wheatstone. Compensa los voltajes perdidos dentro del circuito, y el circuito para ser probado, debido a las resistencias del alambre y de la conexin. Con el conjunto Rm/Rn de proporcin igual a la proporcin de RM/RN, Ra es ajustado hasta que el detector nulo indique el balanceo. La ecuacin verdadera del balanceo para el Puente Doble de Kelvin puede ser encontrado en la Ecuacin 1. La certeza de este tipo de puente es por lo menos 0.05% y generalmente utilizada para circuitos que se encuentran dentro del rango de los mili-ohmios.

Conclusin: Los puentes de CA es por naturaleza ms complicada que la de los de CC, con lo cual requiere soluciones ms caras. Como con todas las cosas en la vida, uno consigue calidad en funcin de lo que paga y los puentes de CA son simplemente lo mejor para la medida de la temperatura. Ciertamente para laboratorios nacionales de metrologa no hay duda que los puentes de CA han sido y son la nica eleccin para el metrlogo de temperatura. An los laboratorios secundarios y los de calibracin industrial, dada la estabilidad, confianza en la medida, rapidez, etc. de los mencionados puentes de CA tambin constituyen una ms que buena eleccin, dando grandes beneficio

Referencias:

www.mitecnologico.com www.seabird.com www.amperis.com

Tomo 7 ... Anlisis de medidas elctricaswww.freelibros.com/tag/mediciones