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Puente de Wheatstone y Teoría de Operación

Circuitos varios

los Puente de Wheatstone Fue desarrollado originalmente por Charles Wheatstone paramida los valores de resistencia desconocidos y como medio de calibrar instrumentos de medición, voltímetros, amperímetros, etc., mediante el uso de un cable de deslizamiento resistivo largo.

Aunque hoy en día los multímetros digitales proporcionan la forma más sencilla de medir una resistencia. los Puente de Wheatstone Todavía se puede utilizar para medir valores muy bajos de resistencias en el rango de los mili-ohmios.

El circuito del puente de Wheatstone (o puente de resistencia) se puede usar en una serie de aplicaciones y hoy en día, con los amplificadores operacionales modernos podemos usar el Circuito del puente de piedra de trigo para conectar varios transductores y sensores a estos circuitos amplificadores.

El circuito del puente de Wheatstone no es nada más.que dos configuraciones en serie simples de resistencias en paralelo conectadas entre un terminal de suministro de voltaje y tierra, que producen una diferencia de voltaje cero entre las dos ramas paralelas cuando se equilibran. Un circuito de puente de Wheatstone tiene dos terminales de entrada y dos terminales de salida que consisten en cuatro resistencias configuradas en una disposición de diamante, como se muestra. Esto es típico de cómo se dibuja el puente de Wheatstone.

El puente de piedra de trigo

puente de Wheatstone

Cuando está equilibrado, el puente de Wheatstone se puede analizar simplemente como dos series de cadenas en paralelo. En nuestro tutorial sobre Resistencias en serie, vimos que cada resistencia dentro de la cadena de la serie produce un IR caída, o caída de voltaje a través de sí mismo como consecuencia de la corriente que fluye a través de ella como lo define la Ley de Ohmios. Considere el siguiente circuito en serie.

circuito de resistencia en serie

Como los dos resistores están en serie, la misma corriente (i) fluye a través de ambos. Por lo tanto, la corriente que fluye a través de estos dos resistores en serie se da como: V / RT.

I = V ÷ R = 12V ÷ (10Ω + 20Ω) = 0.4A

La tensión en el punto C, que también es la caída de tensión en la resistencia inferior, R2 se calcula como:

VR2 = I × R2 = 0.4A × 20Ω = 8 voltios

Entonces podemos ver que la fuente de voltaje VS Se divide entre las dos series de resistencias en proporción directa a sus resistencias como VR1 = 4V y VR2 = 8V. Este es el principio de la división de voltaje, que produce lo que comúnmente se denomina un circuito divisor de potencial o red divisora ​​de voltaje.

Ahora, si agregamos otro circuito de resistencia en serie usando los mismos valores de resistencia en paralelo con el primero tendríamos el siguiente circuito.

circuito paralelo de resistencia en serie

Como el segundo circuito en serie tiene los mismos valores resistivos del primero, la tensión en el punto D, que también es la caída de tensión en la resistencia, R4 será igual a 8 voltios, con respecto a cero (negativo de la batería), ya que el voltaje es común y las dos redes resistivas son las mismas.

Pero otra cosa igual de importante es quela diferencia de voltaje entre el punto C y el punto D será cero voltios ya que ambos puntos tienen el mismo valor de 8 voltios que: C = D = 8 voltios, entonces la diferencia de voltaje es: 0 voltios

Cuando esto sucede, se dice que ambos lados de la red de puente paralelo están equilibrado porque el voltaje en el punto C es el mismo valor que el voltaje en el punto D con su diferencia siendo cero.

Ahora consideremos qué pasaría si invirtiéramos la posición de los dos resistores, R3 y R4 en la segunda rama paralela con respecto a R1 y R2.

circuito de resistencia invertida

Con resistencias, R3 y R4 invertida, la misma corriente fluye a través de la combinación en serie y la tensión en el punto D, que también es la caída de tensión en la resistencia, R4 estarán:

VR4 = 0.4A × 10Ω = 4 voltios

Ahora con vR4 si se le caen 4 voltios, la diferencia de voltaje entre los puntos C y D será de 4 voltios como: C = 8 voltios y D = 4 voltios. Entonces la diferencia esta vez es: 8 - 4 = 4 voltios

El resultado de cambiar las dos resistencias es queAmbos lados o "brazos" de la red paralela son diferentes ya que producen caídas de voltaje diferentes. Cuando esto sucede, se dice que la red paralela es desequilibrado como la tensión en el punto C tiene un valor diferente a la tensión en el punto D.

Entonces podemos ver que la relación de resistencia de estos dos brazos paralelos, ACB y ADB, da como resultado una diferencia de voltaje entre 0 voltios (equilibrado) y la tensión de alimentación máxima (desequilibrada), y este es el principio básico de Circuito del puente de piedra de trigo.

Así que podemos ver que se puede usar un circuito de puente de Wheatstone para comparar una resistencia desconocida RX con otros de un valor conocido, por ejemplo, R1 y R2, tienen valores fijos, y R3 Podría ser variable. Si conectamos un voltímetro, amperímetro o clásicamente un galvanómetro entre los puntos C y D, y luego variamos la resistencia, R3 hasta que los medidores lean cero, daría lugar a que los dos brazos se equilibren y el valor de RX, (sustituyendo a R4) conocido como se muestra.

Circuito del puente de piedra de trigo

circuito de puente de piedra de trigo

Reemplazando R4 arriba con una resistencia de valor conocido o desconocido en el brazo sensor del puente de Wheatstone correspondiente a RX y ajustando la resistencia opuesta, R3 Para "equilibrar" la red del puente, se obtendrá una salida de voltaje cero. Entonces podemos ver que el equilibrio se produce cuando:

relación de puente de piedra de trigo

La ecuación del puente de Wheatstone requerida para dar el valor de la resistencia desconocida, RX En el balance se da como:

ecuación del puente de wheatstone

Donde resistencias, R1 y R2 Son valores conocidos o preestablecidos.

Puente de Wheatstone Ejemplo No1

Se construye el siguiente puente de Wheatstone desequilibrado. Calcule la tensión de salida en los puntos C y D y el valor de la resistencia R4 Requerido para equilibrar el circuito puente.

ejemplo de puente de piedra de trigo

Para el primer brazo de la serie, ACB.

puente de piedra de trigo brazo acb

Para el segundo brazo de la serie, ADB.

brazo de puente de piedra de trigo adb

La tensión en los puntos C-D se da como:

voltaje del puente de la piedra de trigo

El valor de la resistencia, R4 Se requiere para equilibrar el puente como:

resistencia de equilibrio

Hemos visto arriba que Puente de Wheatstone Tiene dos terminales de entrada (A-B) y dos salidas.terminales (C-D). Cuando el puente está equilibrado, la tensión en los terminales de salida es de 0 voltios. Sin embargo, cuando el puente está desequilibrado, el voltaje de salida puede ser positivo o negativo dependiendo de la dirección del desequilibrio.

Detector de luz de puente de piedra de trigo

Los circuitos de puente equilibrado encuentran muchos útilesAplicaciones electrónicas, como ser usado para medir cambios en la intensidad de la luz, la presión o la tensión. Los tipos de sensores resistivos que se pueden usar dentro de un circuito de puente de wheatstone incluyen: sensores fotorresistivos (LDR), sensores de posición (potenciómetros), sensores piezorresistivos (medidores de tensión) y sensores de temperatura (termistores), etc.

Hay muchas aplicaciones de puente de piedra de trigo paradetectando toda una gama de cantidades mecánicas y eléctricas, pero una aplicación muy simple del puente de wheatstone es la medición de la luz mediante un dispositivo fotorresistivo. Una de las resistencias dentro de la red del puente es reemplazada por una resistencia dependiente de la luz, o LDR.

Un LDR, también conocido como sulfuro de cadmio (Cds)La fotocélula es un sensor resistivo pasivo que convierte los cambios en los niveles de luz visible en un cambio en la resistencia y, por lo tanto, en un voltaje. Las resistencias dependientes de la luz pueden usarse para monitorear y medir el nivel de intensidad de la luz, o si una fuente de luz está encendida o apagada.

Una célula típica de sulfuro de cadmio (CdS), como laLa resistencia dependiente de la luz ORP12 generalmente tiene una resistencia de aproximadamente un Megaohmio (MΩ) en luz oscura o tenue, aproximadamente 900Ω a una intensidad de luz de 100 Lux (típica de una habitación bien iluminada), hasta aproximadamente 30Ω con luz solar brillante. Luego, a medida que aumenta la intensidad de la luz, la resistencia se reduce. Al conectar una resistencia dependiente de la luz al circuito de puente de Wheatstone anterior, podemos monitorear y medir cualquier cambio en los niveles de luz como se muestra.

Detector de luz de puente de piedra de trigo

detector de luz de puente de piedra de trigo

La fotocélula LDR está conectada a laEl circuito del puente de Wheatstone, como se muestra, produce un interruptor sensible a la luz que se activa cuando el nivel de luz que se está detectando se encuentra por encima o por debajo del valor preestablecido determinado por VR1. En este ejemplo vR1 ya sea un potenciómetro de 22k o 47kΩ.

El op-amp está conectado como un comparador de voltaje con el voltaje de referencia Vre Aplicado al pin no inversor. En este ejemplo, como tanto R3 y R4 son del mismo valor de 10 kΩ, el voltaje de referencia establecido en el punto D será igual a la mitad de Vcc. Eso es Vcc / 2.

El potenciómetro, VR1 establece el voltaje de punto de disparo Vdo, se aplica a la entrada inversora y se ajusta al nivel de luz nominal requerido. El relé se pone en "ON" cuando la tensión en el punto C es menor que la tensión en el punto D.

Ajuste de vR1 establece el voltaje en el punto C para equilibrar el puenteCircuito al nivel o intensidad de luz requerido. El LDR puede ser cualquier dispositivo de sulfuro de cadmio que tenga una alta impedancia a niveles de luz bajos y una impedancia baja a niveles de luz altos.

Tenga en cuenta que el circuito se puede utilizar para actuar como un circuito de conmutación "activado por la luz" o como un circuito de conmutación "activado por la oscuridad" simplemente mediante la transposición de LDR y R3 Posiciones dentro del diseño.

los Puente de Wheatstone Tiene muchos usos en circuitos electrónicos distintos decomparando una resistencia desconocida con una resistencia conocida. Cuando se usa con amplificadores operacionales, el circuito de puente de Wheatstone se puede usar para medir y amplificar pequeños cambios en la resistencia, RX debido, por ejemplo, a los cambios en la intensidad de la luz como hemos visto anteriormente.

Pero el circuito puente también es adecuado paramidiendo el cambio de resistencia de otras cantidades cambiantes, por lo tanto, al reemplazar el sensor de luz LDR foto resistivo anterior por un termistor, sensor de presión, medidor de tensión y otros transductores similares, así como intercambiar las posiciones del LDR y VR1, podemos usarlos en una variedad de otras aplicaciones de puente de Wheatstone.

También se puede usar más de un sensor resistivo dentro de los cuatro brazos (o ramas) del puente formado por las resistencias R1 a R4 para producir arreglos de circuito de “puente completo”, “medio puente” o “puente de un cuarto de puente que proporcionan compensación térmica o balanceo automático del puente de Wheatstone.

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