”Hjertet af videnskaben er måling”, og til målingen bruges brokredsløbene til at finde alle slags elektriske og elektroniske parametre. Vi har studeret om flere broer inden for måling og instrumentering af elektrisk og elektronik. Nedenstående tabel viser forskellige broer med deres anvendelser:
| S. nr. | Broens navn | Parameter, der skal bestemmes |
| 1. | Wheatstone | måle en ukendt modstand |
| 2. | Anderson | måle spoleens selvinduktans |
| 3. | De-sauty | måling af meget lille værdi af kapacitans |
| 4. | Maxwell | måle en ukendt induktans |
| 5. | Kelvin | bruges til at måle ukendte elektriske modstande under 1 ohm. |
| 6. | Wein | måling af kapacitans med hensyn til modstand og frekvens |
| 7. | Hø | måling af ukendt induktor af høj værdi |
Her skal vi tale om Wheatstone bridge, der bruges til måling af ukendt modstand. Nu-om-dagen digital multimeter hjælper med at måle modstanden på en enkel måde. Men fordelen ved Wheatstone-broen over dette er at tilvejebringe måling af meget lave modstandsværdier i området mellem-ohm.
Wheatstone bro
Samuel Hunter Christie opfandt Wheatstone-broen i 1833, og denne bro blev forbedret og populariseret af Sir Charles Wheatstone i 1843. Wheatstone-broen er sammenkoblingen af fire modstande, der danner en bro. De fire modstand i kredsløb kaldes broarmene. Broen bruges til at finde værdien af en ukendt modstand forbundet med to kendte modstande, en variabel modstand og et galvanometer. For at finde værdien af ukendt modstand blev afbøjningen på galvanometer lavet til nul ved at justere den variable modstand. Dette punkt er kendt som balancepunkt for Wheatstone-broen.
Afledning
Som vi kan se i figuren, er R1 og R2 kendt modstand. R3 er variabel modstand, og Rx er ukendt modstand. Broen er forbundet med jævnstrømskilden (batteri).
Hvis Bridge nu er i en afbalanceret tilstand, skal der ikke strømme nogen strøm gennem galvanometeret, og den samme strøm I1 vil strømme grundigt R1 og R2. Det samme gælder for R3 og Rx, betyder strømgennemstrømning (I2) grundig R3 og Rx vil forblive den samme. Så nedenfor er beregningerne for at finde ud af ukendt modstandsværdi, når broen er i afbalanceret tilstand (ingen strømflow mellem punkt C og D).
V = IR (ved ohm's lov) VR1 = I1 * R1… ligning (1) VR2 = I1 * R2… ligning (2) VR3 = I2 * R3… ligning (3) VRx = I2 * Rx… ligning (4)
Spændingsfaldet over R1 og R3 er det samme, og spændingsfaldet ved R2 og R4 er også det samme i en afbalanceret brotilstand.
I1 * R1 = I2 * R3… ligning (5) I1 * R2 = I2 * Rx… ligning (6)
Om delingsligning (5) og ligning (6)
R1 / R2 = R3 / Rx Rx = (R2 * R3) / R1
Så herfra får vi værdien af Rx, som er vores ukendte modstand, og derfor hjælper Wheatstone-broen til måling af en ukendt modstand.
Operation
Praktisk talt justeres den variable modstand, indtil strømværdien gennem galvanometeret bliver nul. På det tidspunkt kaldes broen som en afbalanceret Wheatstone-bro. At få nul strøm gennem galvanometer giver høj nøjagtighed, da en mindre ændring i variabel modstand kan forstyrre balancetilstanden.
Som vist i figuren er der fire modstand i broen R1, R2, R3 og Rx. Hvor R1 og R2 er den ukendte modstand, er R3 den variable modstand, og Rx er den ukendte modstand. Hvis forholdet mellem kendte modstande er lig med forholdet mellem justeret variabel modstand og ukendt modstand, vil der i denne tilstand ikke strømme strøm gennem galvanometeret.
I afbalanceret tilstand,
R1 / R2 = R3 / Rx
Nu på dette tidspunkt har vi værdien R1 , R2 og R3, så det er let at finde værdien af Rx fra ovenstående formel.
Fra ovenstående tilstand, Rx = R2 * R3 / R1
Derfor beregnes værdien af ukendt modstand ved hjælp af denne formel, da strøm gennem Galvanometer er nul.
Så vi er nødt til at justere potentiometeret til det punkt, hvor spændingen ved C og D vil være lige, i den tilstand vil strømmen gennem punkt C og D være nul, og Galvanometer-aflæsningen vil være nul, i den særlige position kaldes Wheatstone Bridge ind Balanceret tilstand. Denne komplette operation forklares i videoen nedenfor:
Eksempel
Lad os tage et eksempel til forståelse af begrebet Wheatstone bridge, da vi tager en ubalanceret bro for at beregne den passende værdi for Rx (ukendt modstand) for at afbalancere broen. Som vi ved, om forskellen i spændingsfald over punkt C og D er nul, er broen i balance.
Ifølge kredsløbsdiagrammet, For den første arm ADB, Vc = {R2 / (R1 + R2)} * Vs
Når du sætter værdierne i ovenstående formel, Vc = {80 / (40 + 80)} * 12 = 8 volt
For den anden arm ACB, Vd = {R4 / (R3 + R4)} * Vs Vd = {120 / (360+ 120)} * 12 = 3 volt
Så spændingsforskellen mellem punkt C og D er:
Vout = Vc - Vd = 8-3 = 5 volt
Hvis forskellen i spændingsfald over C og D er positiv eller negativ (positiv eller negativ viser retningen for ubalance), viser det, at broen er ubalanceret, og for at gøre det i balance har vi brug for en anden modstandsværdi til erstatning for R4.
Værdien af modstanden R4, der kræves til balance i kredsløbet, er:
R4 = (R2 * R3) / R1 (tilstand af balancebro) R4 = 80 * 360/40 R4 = 720 ohm
Derfor er værdien af R4, der kræves for at balancere broen, 720 Ω, for hvis broen er balance, er forskellen i spændingsfald over C og D nul, og hvis du kan bruge en modstand på 720 Ω, vil spændingsforskellen være nul.
Ansøgninger
- Bruges hovedsageligt til måling af meget lav værdi af ukendt modstand med interval på milli-ohm.
- Hvis vi bruger en varistor med Wheatstone bridge, kan vi også identificere værdien af nogle parametre som kapacitans, induktans og impedans.
- Ved at bruge Wheatstone bridge med operationsforstærker hjælper det med at måle forskellige parametre som temperatur, belastning, lys osv.