/ / / Κύκλωμα Γέφυρας Wheatstone και Θεωρία Λειτουργίας

Κύκλωμα Γέφυρας Wheatstone και Θεωρία Λειτουργίας

Διάφορα κυκλώματα

ο Γέφυρα του Wheatstone αναπτύχθηκε αρχικά από τον Charles Wheatstone στομετράει άγνωστες τιμές αντίστασης και ως μέσο βαθμονόμησης οργάνων μέτρησης, βολτόμετρα, αμπερόμετρα κ.λπ., με τη χρήση ενός μακρού σύρματος συρμάτινου σύρματος.

Αν και σήμερα τα ψηφιακά πολύμετρα παρέχουν τον απλούστερο τρόπο μέτρησης μιας αντίστασης. ο Γέφυρα του Wheatstone μπορούν ακόμα να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση πολύ χαμηλών τιμών αντιστάσεων κάτω από την κλίμακα milli-ohms.

Το κύκλωμα γέφυρας Wheatstone (ή γέφυρα αντίστασης) μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πολλές εφαρμογές και σήμερα, με σύγχρονους επιχειρησιακούς ενισχυτές μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε Κύκλωμα Γέφυρας Wheatstone για τη διασύνδεση διαφόρων μετατροπέων και αισθητήρων σε αυτά τα κυκλώματα ενισχυτή.

Το κύκλωμα της γέφυρας Wheatstone δεν είναι τίποτα περισσότεροαπό δύο απλές σε σειρά παραλλαγές αντιστάσεων που συνδέονται μεταξύ ενός τερματικού τροφοδοσίας τάσης και του εδάφους που παράγουν μηδενική διαφορά τάσης μεταξύ των δύο παράλληλων κλάδων όταν ισορροπηθούν. Ένα κύκλωμα γέφυρας Wheatstone έχει δύο ακροδέκτες εισόδου και δύο ακροδέκτες εξόδου αποτελούμενοι από τέσσερις αντιστάσεις διαρθρωμένες σε διαμαντοειδή διάταξη όπως φαίνεται. Αυτό είναι χαρακτηριστικό του πώς σχεδιάζεται η γέφυρα Wheatstone.

Η γέφυρα του Wheatstone

wheatstone γέφυρα

Όταν ισορροπηθεί, η γέφυρα Wheatstone μπορεί να αναλυθεί απλώς ως δύο σειρές σειρών παράλληλα. Στο μάθημά μας σχετικά με τους αντιστάτες στη σειρά, είδαμε ότι κάθε αντίσταση στην αλυσίδα σειράς παράγει ένα IR η πτώση ή η πτώση της τάσης απέναντι στον εαυτό της ως συνέπεια του ρεύματος που ρέει μέσα από αυτό όπως ορίζεται από τον νόμο Ohms. Εξετάστε το παρακάτω κύκλωμα σειράς.

κύκλωμα αντιστάσεων σειράς

Καθώς οι δύο αντιστάτες είναι σε σειρά, το ίδιο ρεύμα (i) ρέει μέσω και των δύο. Συνεπώς, το ρεύμα που ρέει μέσω αυτών των δύο αντιστάσεων σε σειρά δίνεται ως: V / RΤ.

I = V ÷ R = 12V ÷ (10Ω + 20Ω) = 0,4Α

Η τάση στο σημείο C, η οποία είναι επίσης η πτώση τάσης κατά μήκος της κάτω αντίστασης, R2 υπολογίζεται ως:

VR2 = I × R2 = 0,4Α × 20Ω = 8 βολτ

Τότε μπορούμε να δούμε ότι η τάση πηγή Vμικρό διαιρείται μεταξύ των δύο σειρών αντιστάσεων σε άμεση αναλογία με τις αντιστάσεις τους ως VR1 = 4V και VR2 = 8V. Αυτή είναι η αρχή της διαίρεσης τάσης, παράγοντας αυτό που συνήθως ονομάζεται κύκλωμα δυνητικού διαιρέτη ή διαιρέτη τάσης.

Τώρα αν προσθέσουμε ένα άλλο κύκλωμα αντιστάσεων σειράς χρησιμοποιώντας τις ίδιες τιμές αντιστάσεων παράλληλα με το πρώτο θα έχουμε το επόμενο κύκλωμα.

σειρά παράλληλων αντιστάσεων

Καθώς το δεύτερο κύκλωμα σειράς έχει τις ίδιες τιμές αντίστασης του πρώτου, η τάση στο σημείο D, η οποία είναι επίσης η πτώση τάσης σε όλη την αντίσταση, R4 θα είναι το ίδιο σε 8 βολτ, σε σχέση με το μηδέν (μπαταρία αρνητική), καθώς η τάση είναι κοινή και τα δύο ηλεκτρικά δίκτυα είναι ίδια.

Αλλά κάτι άλλο εξίσου σημαντικό είναι αυτόη διαφορά τάσης μεταξύ του σημείου C και του σημείου D θα είναι μηδέν βολτ, καθώς και τα δύο σημεία έχουν την ίδια τιμή των 8 βολτ όπως: C = D = 8 βολτ, τότε η διαφορά τάσης είναι: 0 βολτ

Όταν συμβαίνει αυτό, λέγεται ότι είναι και οι δύο πλευρές του παράλληλου δικτύου γέφυρας ισορροπημένη επειδή η τάση στο σημείο C είναι η ίδια τιμή με την τάση στο σημείο Δ με τη διαφορά να είναι μηδέν.

Τώρα ας δούμε τι θα συμβεί αν αναστρέψαμε τη θέση των δύο αντιστάσεων, R3 και R4 στο δεύτερο παράλληλο κλάδο σε σχέση με τον R1 και R2.

αντίστροφο κύκλωμα αντιστάσεων

Με αντιστάσεις, R3 και R4 αντιστρόφως, το ίδιο ρεύμα ρέει μέσω του συνδυασμού σειρών και της τάσης στο σημείο D, η οποία είναι επίσης η πτώση τάσης σε όλη την αντίσταση, R4 θα είναι:

VR4 = 0,4Α × 10Ω = 4 βολτ

Τώρα με τον VR4 έχοντας 4 βολτ που πέφτει πάνω του, η διαφορά τάσης μεταξύ των σημείων C και D θα είναι 4 βολτ ως: C = 8 βολτ και D = 4 βολτ. Στη συνέχεια, η διαφορά αυτή τη φορά είναι: 8 - 4 = 4 βολτ

Το αποτέλεσμα της εναλλαγής των δύο αντιστάσεων είναι αυτόκαι οι δύο πλευρές ή οι "βραχίονες" του παράλληλου δικτύου είναι διαφορετικές καθώς παράγουν διαφορετικές σταγόνες τάσης. Όταν συμβεί αυτό, το παράλληλο δίκτυο λέγεται ότι είναι ανισόρροπος καθώς η τάση στο σημείο C είναι διαφορετική από την τάση στο σημείο Δ.

Τότε μπορούμε να δούμε ότι ο λόγος αντίστασης αυτών των δύο παράλληλων βραχιόνων, ACB και ADB, έχει ως αποτέλεσμα μια διαφορά τάσης μεταξύ 0 βολτ (ισορροπημένη) και τη μέγιστη τάση τροφοδοσίας (μη ισορροπημένη), και αυτή είναι η βασική αρχή του Κύκλωμα Γέφυρας Wheatstone.

Έτσι μπορούμε να δούμε ότι ένα κύκλωμα γέφυρας Wheatstone μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να συγκρίνει μια άγνωστη αντίσταση RΧ με άλλες με γνωστή τιμή, για παράδειγμα, R1 και R2, έχουν σταθερές τιμές και R3 μπορεί να είναι μεταβλητή. Αν συνδέσαμε ένα βολτόμετρο, ένα αμπερόμετρο ή ένα κλασικό γαλβανόμετρο μεταξύ των σημείων C και D και στη συνέχεια ποικίλη αντίσταση, R3 μέχρι να μετρηθούν οι μετρητές μηδέν, θα είχε ως αποτέλεσμα να ισορροπήσουν οι δύο βραχίονες και η τιμή του RΧ, (υποκαθιστώντας το R4) που είναι γνωστό όπως φαίνεται.

Κύκλωμα Γέφυρας Wheatstone

κύκλωμα γέφυρας wheatstone

Αντικαταστήστε το R4 παραπάνω με αντίσταση γνωστής ή άγνωστης τιμής στον βραχίονα ανίχνευσης της γέφυρας Wheatstone που αντιστοιχεί στο RΧ και ρύθμιση της αντίθετης αντίστασης, R3 για την "εξισορρόπηση" του δικτύου γέφυρας, θα έχει ως αποτέλεσμα παραγωγή μηδενικής τάσης. Τότε μπορούμε να δούμε ότι η ισορροπία συμβαίνει όταν:

λόγος γέφυρας wheatstone

Η εξίσωση Bridge Bridge που απαιτείται για να δώσει την τιμή της άγνωστης αντοχής, RΧ σε ισορροπία δίνεται ως:

wheatstone εξίσωση γέφυρα

Σε περίπτωση αντιστάσεων, R1 και R2 είναι γνωστές ή προκαθορισμένες τιμές.

Γέφυρα Wheatstone Παράδειγμα Νο1

Εκτελείται η ακόλουθη μη ισορροπημένη γέφυρα Wheatstone. Υπολογίστε την τάση εξόδου στα σημεία C και D και την τιμή του αντιστάτη R4 που απαιτείται για την εξισορρόπηση του κυκλώματος γέφυρας

παράδειγμα γέφυρας wheatstone

Για το πρώτο βραχίονα σειράς, ACB

γέφυρα γέφυρας wheatstone acb

Για το δεύτερο βραχίονα σειράς, ADB

wheatstone γέφυρα γέφυρα adb

Η τάση στα σημεία C-D δίνεται ως εξής:

τάση γέφυρας wheatstone

Η τιμή του αντιστάτη, R4 που απαιτείται για την ισορροπία της γέφυρας δίνεται ως εξής:

αντίσταση ισορροπίας

Έχουμε δει παραπάνω ότι το Γέφυρα του Wheatstone έχει δύο ακροδέκτες εισόδου (A-B) και δύο εξόδουςτερματικών σταθμών (C-D). Όταν η γέφυρα είναι ισορροπημένη, η τάση στους ακροδέκτες εξόδου είναι 0 βολτ. Όταν όμως η γέφυρα είναι ασύμμετρη, η τάση εξόδου μπορεί να είναι θετική ή αρνητική ανάλογα με την κατεύθυνση της έλλειψης ισορροπίας.

Ανιχνευτής φωτός Bridge Wheatstone

Τα ισορροπημένα κυκλώματα γέφυρας βρίσκουν πολλά χρήσιμαηλεκτρονικές εφαρμογές όπως αυτές που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση αλλαγών στην ένταση, την πίεση ή την ένταση του φωτός. Οι τύποι αισθητήρων αντίστασης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα κύκλωμα γέφυρας wheatstone περιλαμβάνουν: αισθητήρες φωτοεκπομπής (LDR), αισθητήρες θέσης (ποτενσιόμετρα), πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες (μετρητές τάσης) και αισθητήρες θερμοκρασίας (thermistor's) κλπ.

Υπάρχουν πολλές εφαρμογές γέφυρας wheatstone γιαανιχνεύοντας μια ολόκληρη σειρά μηχανικών και ηλεκτρικών μεγεθών, αλλά μια πολύ απλή εφαρμογή γέφυρας wheatstone είναι στη μέτρηση του φωτός χρησιμοποιώντας μια φωτοανθεκτική συσκευή. Μία από τις αντιστάσεις εντός του δικτύου γέφυρας αντικαθίσταται από μια αντίσταση που εξαρτάται από το φως ή LDR.

Ένα LDR, επίσης γνωστό ως θειούχο κάδμιο (Cds)φωτοκύτταρο, είναι ένας παθητικός αισθητήρας αντίστασης ο οποίος μετατρέπει τις μεταβολές στα επίπεδα του ορατού φωτός σε μια αλλαγή στην αντίσταση και ως εκ τούτου μια τάση. Οι αντιστάσεις που εξαρτώνται από το φως μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση και τη μέτρηση της έντασης του φωτός ή για το εάν μια πηγή φωτός είναι ενεργοποιημένη ή απενεργοποιημένη.

Ένα τυπικό κύτταρο θειούχου κάδρου (CdS) όπως τοΗ αντίσταση που εξαρτάται από το φως ORP12 τυπικά έχει αντίσταση περίπου ενός Megaohm (MΩ) σε σκοτεινό ή αχνό φως, περίπου 900Ω σε ένταση φωτός 100 Lux (χαρακτηριστικό ενός καλά φωτισμένου δωματίου), κάτω από περίπου 30Ω σε έντονο ηλιακό φως. Στη συνέχεια, καθώς αυξάνεται η ένταση του φωτός, μειώνεται η αντίσταση. Συνδέοντας μια αντίσταση που εξαρτάται από το φως στο κύκλωμα γέφυρας Wheatstone παραπάνω, μπορούμε να παρακολουθήσουμε και να μετρήσουμε τυχόν αλλαγές στα επίπεδα φωτισμού όπως φαίνεται.

Ανιχνευτής φωτός Bridge Wheatstone

ανιχνευτής φωτός γέφυρας wheatstone

Το φωτοκύτταρο LDR συνδέεται στοΚύκλωμα Bridge της Wheatstone όπως φαίνεται να παράγει ένα διακόπτη ευαίσθητο στο φως που ενεργοποιείται όταν η στάθμη φωτός που ανιχνεύεται υπερβαίνει ή είναι κάτω από την προκαθορισμένη τιμή που καθορίζεται από το VR1. Σε αυτό το παράδειγμα VR1 είτε ένα ποτενσιόμετρο 22k ή 47kΩ.

Ο op-amp είναι συνδεδεμένος ως συγκριτής τάσης με την τάση αναφοράς Vρε εφαρμοζόμενη στην ακίδα που δεν αντιστρέφει. Σε αυτό το παράδειγμα, καθώς και οι δύο R3 και R4 έχουν την ίδια τιμή 10kΩ, η τάση αναφοράς που ορίζεται στο σημείο D θα είναι συνεπώς ίση με το ήμισυ του Vcc. Αυτό είναι Vcc / 2.

Το ποτενσιόμετρο, VR1 ρυθμίζει την τάση του σημείου διέλευσης Vντο, εφαρμόζεται στην είσοδο αναστροφής και ρυθμίζεται στην απαιτούμενη ονομαστική στάθμη φωτός. Το ρελέ ενεργοποιείται όταν η τάση στο σημείο C είναι μικρότερη από την τάση στο σημείο Δ.

Ρύθμιση VR1 ρυθμίζει την τάση στο σημείο C για να εξισορροπήσει τη γέφυρακύκλωμα στην απαιτούμενη στάθμη ή ένταση φωτός. Το LDR μπορεί να είναι οποιαδήποτε συσκευή θειούχου καδμίου που έχει υψηλή αντίσταση σε χαμηλά επίπεδα φωτός και χαμηλή αντίσταση σε υψηλά επίπεδα φωτός.

Σημειώστε ότι το κύκλωμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να λειτουργήσει ως κύκλωμα εναλλαγής "ενεργοποιημένο με φωτισμό" ή κύκλωμα εναλλαγής "σκοτεινού-ενεργοποιημένου" απλά μεταφέροντας τα LDR και R3 θέσεις στο σχεδιασμό.

ο Γέφυρα του Wheatstone έχει πολλές χρήσεις σε ηλεκτρονικά κυκλώματα εκτός απόσυγκρίνοντας μια άγνωστη αντίσταση με μια γνωστή αντίσταση. Όταν χρησιμοποιείται με λειτουργικούς ενισχυτές, το κύκλωμα γέφυρας Wheatstone μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση και την ενίσχυση μικρών αλλαγών στην αντίσταση, RΧ λόγω, για παράδειγμα, των αλλαγών στην ένταση του φωτός όπως έχουμε δει παραπάνω.

Αλλά το κύκλωμα γέφυρας είναι επίσης κατάλληλο γιαμετρώντας την αλλαγή αντίστασης σε άλλες μεταβαλλόμενες ποσότητες, αντικαθιστώντας έτσι τον παραπάνω αισθητήρα φωτός LDR φωτοανθεκτικού για ένα θερμίστορ, έναν αισθητήρα πίεσης, έναν μετρητή τάσης και άλλους μετατροπείς, καθώς και την εναλλαγή των θέσεων LDR και VR1, μπορούμε να τα χρησιμοποιήσουμε σε μια ποικιλία άλλων εφαρμογών γέφυρας Wheatstone.

Επίσης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν περισσότεροι από ένας αισθητήρες αντιστάσεως εντός των τεσσάρων βραχιόνων (ή των κλάδων) της γέφυρας που σχηματίζονται από τις αντιστάσεις R1 στο R4 για την παραγωγή διατάξεων "πλήρους γέφυρας", "μισής γέφυρας" ή "τετραγωνικής γέφυρας που παρέχουν θερμική αντιστάθμιση ή αυτόματη εξισορρόπηση της γέφυρας Wheatstone.

Σχόλια (0)
Πρόσθεσε ένα σχόλιο