«Η καρδιά της επιστήμης είναι μέτρηση», και για τη μέτρηση τα κυκλώματα γέφυρας χρησιμοποιούνται για την εύρεση κάθε είδους ηλεκτρικής και ηλεκτρονικής παραμέτρου. Έχουμε μελετήσει αρκετές γέφυρες στη μέτρηση και την οργάνωση ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών. Ο παρακάτω πίνακας δείχνει διαφορετικές γέφυρες με τις χρήσεις τους:
| S.No. | Όνομα Γέφυρας | Παράμετρος που πρέπει να καθοριστεί |
| 1. | Wheatstone | μετρήστε μια άγνωστη αντίσταση |
| 2. | Άντερσον | μετρήστε την αυτεπαγωγή του πηνίου |
| 3. | De-sauty | μέτρηση πολύ μικρής τιμής χωρητικότητας |
| 4. | Μάξγουελ | μετρήστε μια άγνωστη αυτεπαγωγή |
| 5. | Κέλβιν | χρησιμοποιείται για τη μέτρηση άγνωστων ηλεκτρικών αντιστάσεων κάτω από 1 ohm. |
| 6. | Γουίν | μέτρηση της χωρητικότητας σε όρους αντίστασης και συχνότητας |
| 7. | Σανός | μέτρηση άγνωστου επαγωγέα υψηλής αξίας |
Εδώ, πρόκειται να μιλήσουμε για τη γέφυρα Wheatstone που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της άγνωστης αντίστασης. Το ψηφιακό πολύμετρο τριών ημερών βοηθά στη μέτρηση της αντίστασης με απλό τρόπο. Ωστόσο, το πλεονέκτημα της γέφυρας Wheatstone είναι να παρέχει τη μέτρηση πολύ χαμηλών τιμών αντίστασης στο εύρος των milli-ohms.
Γέφυρα Wheatstone
Ο Samuel Hunter Christie εφηύρε τη γέφυρα Wheatstone το 1833 και αυτή η γέφυρα βελτιώθηκε και διαδόθηκε από τον Sir Charles Wheatstone το 1843. Η γέφυρα Wheatstone είναι η διασύνδεση τεσσάρων αντιστάσεων που σχηματίζουν μια γέφυρα. Οι τέσσερις αντιστάσεις στο κύκλωμα αναφέρονται ως βραχίονες της γέφυρας. Η γέφυρα χρησιμοποιείται για την εύρεση της αξίας μιας άγνωστης αντίστασης που συνδέεται με δύο γνωστές αντιστάσεις, μία μεταβλητή αντίσταση και ένα γαλβανόμετρο. Για να βρείτε την τιμή της άγνωστης αντίστασης, η παραμόρφωση στο γαλβανόμετρο έγινε μηδέν ρυθμίζοντας τη μεταβλητή αντίσταση. Αυτό το σημείο είναι γνωστό ως σημείο ισορροπίας της γέφυρας Wheatstone.
Παραγωγή
Όπως μπορούμε να δούμε στο σχήμα, τα R1 και R2 είναι γνωστή αντίσταση. Το R3 είναι μεταβλητή αντίσταση και το Rx είναι άγνωστη αντίσταση. Η γέφυρα συνδέεται με την πηγή DC (μπαταρία).
Τώρα, εάν το Bridge είναι σε ισορροπημένη κατάσταση, τότε δεν πρέπει να υπάρχει ρεύμα που διατρέχει γαλβανόμετρο και το ίδιο ρεύμα I1 θα ρέει καλά R1 και R2. Το ίδιο ισχύει και για τα R3 και Rx, σημαίνει ότι η τρέχουσα ροή (I2), τα R3 και Rx θα παραμείνουν ίδια. Ακολουθούν λοιπόν οι υπολογισμοί για να μάθουμε άγνωστη τιμή αντίστασης όταν η γέφυρα βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας (χωρίς ροή ρεύματος μεταξύ των σημείων Γ και Δ).
V = IR (σύμφωνα με τον νόμο του ohm) VR1 = I1 * R1… εξίσωση (1) VR2 = I1 * R2… εξίσωση (2) VR3 = I2 * R3… εξίσωση (3) VRx = I2 * Rx… εξίσωση (4)
Η πτώση τάσης στα R1 και R3 είναι ίδια και η πτώση τάσης στα R2 και R4 είναι επίσης ίδια στην κατάσταση ισορροπημένης γέφυρας.
I1 * R1 = I2 * R3… εξίσωση (5) I1 * R2 = I2 * Rx… εξίσωση (6)
Σχετικά με τη διαίρεση της εξίσωσης (5) και της εξίσωσης (6)
R1 / R2 = R3 / Rx Rx = (R2 * R3) / R1
Έτσι, από εδώ παίρνουμε την τιμή του Rx που είναι η άγνωστη αντίστασή μας και ως εκ τούτου έτσι βοηθά η γέφυρα Wheatstone στη μέτρηση μιας άγνωστης αντίστασης.
Λειτουργία
Πρακτικά, η μεταβλητή αντίσταση ρυθμίζεται έως ότου η τιμή του ρεύματος μέσω του γαλβανόμετρου γίνει μηδέν. Σε αυτό το σημείο, η γέφυρα ονομάζεται ισορροπημένη γέφυρα Wheatstone. Η λήψη μηδενικού ρεύματος μέσω γαλβανόμετρου δίνει υψηλή ακρίβεια, καθώς μια μικρή αλλαγή στη μεταβλητή αντίσταση μπορεί να διαταράξει την κατάσταση ισορροπίας.
Όπως φαίνεται στο σχήμα, υπάρχουν τέσσερις αντιστάσεις στη γέφυρα R1, R2, R3 και Rx. Όπου τα R1 και R2 είναι η άγνωστη αντίσταση, το R3 είναι η μεταβλητή αντίσταση και το Rx είναι η άγνωστη αντίσταση. Εάν ο λόγος των γνωστών αντιστάσεων είναι ίσος με τον λόγο της ρυθμισμένης μεταβλητής αντίστασης και της άγνωστης αντίστασης, σε αυτήν την κατάσταση δεν θα ρέει ρεύμα μέσω του γαλβανόμετρου
Σε ισορροπημένη κατάσταση,
R1 / R2 = R3 / Rx
Τώρα, σε αυτό το σημείο έχουμε την τιμή των R1 , R2 και R3, οπότε είναι εύκολο να βρείτε την τιμή του Rx από τον παραπάνω τύπο.
Από την παραπάνω κατάσταση, Rx = R2 * R3 / R1
Επομένως, η τιμή της άγνωστης αντίστασης υπολογίζεται μέσω αυτού του τύπου, δεδομένου ότι το ρεύμα μέσω του Γαλβανόμετρου είναι μηδέν.
Επομένως, πρέπει να ρυθμίσουμε το ποτενσιόμετρο μέχρι το σημείο όπου η τάση στα C και D θα είναι ίση, σε αυτήν την κατάσταση το ρεύμα μέσω των σημείων C και D θα είναι μηδέν και η ανάγνωση του γαλβανόμετρου θα είναι μηδέν, στη συγκεκριμένη θέση θα ζητηθεί η γέφυρα Wheatstone Bridge Ισορροπημένη κατάσταση. Αυτή η πλήρης λειτουργία εξηγείται στο βίντεο που δίνεται παρακάτω:
Παράδειγμα
Ας πάρουμε ένα παράδειγμα για την κατανόηση της έννοιας της γέφυρας Wheatstone, καθώς παίρνουμε μια μη ισορροπημένη γέφυρα για τον υπολογισμό της κατάλληλης τιμής για το Rx (άγνωστη αντίσταση) για την εξισορρόπηση της γέφυρας. Όπως γνωρίζουμε εάν η διαφορά πτώσης τάσης στα σημεία C και D είναι μηδενική, τότε η γέφυρα είναι σε κατάσταση ισορροπίας.
Σύμφωνα με το διάγραμμα κυκλώματος, Για τον πρώτο βραχίονα ADB, Vc = {R2 / (R1 + R2)} * Vs
Με την τοποθέτηση των τιμών στον παραπάνω τύπο, Vc = {80 / (40 + 80)} * 12 = 8 βολτ
Για τον δεύτερο βραχίονα ACB, Vd = {R4 / (R3 + R4)} * Vs Vd = {120 / (360+ 120)} * 12 = 3 βολτ
Έτσι, η διαφορά τάσης μεταξύ των σημείων C και D είναι:
Vout = Vc - Vd = 8 - 3 = 5 βολτ
Εάν η διαφορά της πτώσης τάσης σε C και D είναι θετική ή αρνητική (θετική ή αρνητική δείχνει την κατεύθυνση της ανισορροπίας), δείχνει ότι η γέφυρα είναι μη ισορροπημένη και για να γίνει ισορροπία χρειαζόμαστε μια διαφορετική τιμή αντίστασης σε αντικατάσταση του R4.
Η τιμή της αντίστασης R4 που απαιτείται για την εξισορρόπηση του κυκλώματος είναι:
R4 = (R2 * R3) / R1 (κατάσταση γέφυρας ισορροπίας) R4 = 80 * 360/40 R4 = 720 ohm
Ως εκ τούτου, η τιμή του R4 που απαιτείται για την εξισορρόπηση της γέφυρας είναι 720 Ω, επειδή εάν η γέφυρα είναι ισορροπημένη, η διαφορά πτώσης τάσης σε C και D είναι μηδέν και αν μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια αντίσταση 720 Ω, η διαφορά τάσης θα είναι μηδέν.
Εφαρμογές
- Χρησιμοποιείται κυρίως για τη μέτρηση πολύ χαμηλής τιμής άγνωστης αντίστασης με εύρος milli-ohms.
- Εάν χρησιμοποιείτε βαρίστορ με γέφυρα Wheatstone μπορούμε επίσης να προσδιορίσουμε την τιμή ορισμένων παραμέτρων όπως η χωρητικότητα, η επαγωγή και η σύνθετη αντίσταση.
- Χρησιμοποιώντας τη γέφυρα Wheatstone με λειτουργικό ενισχυτή βοηθά στη μέτρηση διαφορετικών παραμέτρων όπως θερμοκρασία, πίεση, φως κ.λπ.