กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 6 นาที

สะพานวีทสโตน

วงจร บริดจ์ วีทสโตน เป็น วงจรไฟฟ้า ที่ใช้ในการวัด ความต้านทานไฟฟ้า ที่ไม่ทราบค่า โดยการปรับสมดุลขาของ วงจรบริดจ์ สองขา โดยขาหนึ่งประกอบด้วยส่วนประกอบที่ไม่ทราบค่า...

สะพานวีทสโตน

วงจรบริดจ์วีทสโตนประกอบด้วยตัวต้านทานสี่ตัวเรียงกันเป็นรูปทรงเพชร โดยต่อแบตเตอรี่เข้ากับขั้วตรงข้ามคู่หนึ่ง และต่อเครื่องวัดกระแสไฟฟ้าเข้ากับขั้วตรงข้ามอีกคู่หนึ่ง
แผนภาพวงจรบริดจ์วีทสโตนความต้านทานที่ไม่ทราบค่าR จะถูกวัด ความต้านทานR , R และR ทราบค่าแล้ว โดยที่R สามารถปรับค่าได้ เมื่อแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้V เป็น 0 ขาทั้งสองจะมีอัตราส่วนแรง ดันไฟฟ้าเท่ากัน: R / R = R / R และR = R R / R

วงจร บริดจ์วีทสโตนเป็นวงจรไฟฟ้าที่ใช้ในการวัดความต้านทานไฟฟ้า ที่ไม่ทราบค่า โดยการปรับสมดุลขาของวงจรบริดจ์ สองขา โดยขาหนึ่งประกอบด้วยส่วนประกอบที่ไม่ทราบค่า ประโยชน์หลักของวงจรนี้คือความสามารถในการวัดค่าได้อย่างแม่นยำมาก (เมื่อเปรียบเทียบกับวงจรแบ่งแรงดัน แบบง่ายๆ ) [ 1 ]การทำงานของวงจรนี้คล้ายกับโพเทนชิออมิเตอร์ แบบ ดั้งเดิม

สะพานวีทสโตนถูกคิดค้นโดยซามูเอล ฮันเตอร์ คริสตี้ (บางครั้งสะกดว่า "คริสตี้") ในปี พ.ศ. 2476 และได้รับการปรับปรุงและทำให้เป็นที่นิยมโดยเซอร์ชาร์ลส์ วีทสโตนในปี พ.ศ. 2486 [ 2 ] หนึ่งในการใช้งานเริ่มต้นของสะพานวีทสโตนคือการวิเคราะห์และเปรียบเทียบ ดิน [ 3 ]

การดำเนินการ

ในรูปR คือค่าความต้านทานคงที่แต่ไม่ทราบค่าที่ต้องการวัด R และR คือตัวต้านทานที่มีค่าความต้านทานทราบค่า และค่าความต้านทานR สามารถปรับได้ เราจะปรับค่าความต้านทานR จนกระทั่งวงจรบริดจ์ "สมดุล" และไม่มีกระแสไหลผ่าน เครื่องวัดกระแสไฟฟ้าV ณ จุดนี้ความต่างศักย์ระหว่างจุดกึ่งกลางทั้งสอง (B และ D) จะเป็นศูนย์ ดังนั้น อัตราส่วนของค่าความต้านทานทั้งสองในขาที่ทราบค่า( R / R )จะเท่ากับอัตราส่วนของค่าความต้านทานทั้งสองในขาที่ไม่ทราบค่า( R / R )หากวงจรบริดจ์ไม่สมดุล ทิศทางของกระแสจะบ่งชี้ว่าค่าR สูงเกินไปหรือต่ำเกินไป

ณ จุดสมดุล อาร์2อาร์1=อาร์xอาร์3อาร์x=อาร์2อาร์1อาร์3{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {R_{2}}{R_{1}}}&={\frac {R_{x}}{R_{3}}}\\[4pt]\Rightarrow R_{x}&={\frac {R_{2}}{R_{1}}}\cdot R_{3}\end{aligned}}}

การตรวจจับกระแสศูนย์ด้วยแกลวาโนมิเตอร์สามารถทำได้ด้วยความแม่นยำสูงมาก ดังนั้น หากทราบค่าR , R และR R ด้วยความแม่นยำสูงได้เช่นกัน การเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยในค่า R จะทำให้สมดุลเสียไปและสามารถตรวจจับได้ง่าย

อีกวิธีหนึ่ง หากทราบค่าR , R และR R ปรับไม่ได้ สามารถใช้ความต่างศักย์คร่อมหรือกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านมิเตอร์ในการคำนวณค่าR โดยใช้กฎวงจรของ Kirchhoffการตั้งค่านี้มักใช้ใน การวัด ด้วยเกจวัดความเครียดและเทอร์โมมิเตอร์แบบความต้านทานเนื่องจากโดยทั่วไปแล้วการอ่านค่าแรงดันไฟฟ้าจากมิเตอร์จะเร็วกว่าการปรับความต้านทานเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์

อนุพันธ์

ทิศทางของกระแสไฟฟ้าถูกกำหนดโดยพลการ

การหาอนุพันธ์อย่างรวดเร็วที่สมดุล

ณ จุดสมดุล ทั้งแรงดันและกระแส ระหว่างจุดกึ่งกลางทั้งสอง (B และ D) จะ เป็นศูนย์ ดังนั้นI = I , I = I , V = V

เนื่องจากV = V ดังนั้นV = V และV = V

เมื่อหารสมการสองสมการสุดท้ายด้วยจำนวนสมาชิก และใช้ความเท่าเทียมกันของกระแสไฟฟ้าข้างต้นแล้ว วีดีซีวีเอดี=วีบีซีวีเอบีฉัน2อาร์2ฉัน1อาร์1=ฉันxอาร์xฉัน3อาร์3อาร์x=อาร์2อาร์1อาร์3{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {V_{DC}}{V_{AD}}}&={\frac {V_{BC}}{V_{AB}}}\\[4pt]\Rightarrow {\frac {I_{2}R_{2}}{I_{1}R_{1}}}&={\frac {I_{x}R_{x}}{I_{3}R_{3}}}\\[4pt]\Rightarrow R_{x}&={\frac {R_{2}}{R_{1}}}\cdot R_{3}\end{aligned}}}

การหาค่าสมดุลทางเลือกโดยใช้สูตรตัวแบ่งแรงดัน

ADC และ ABC สร้างวงจรแบ่งแรงดัน สองวง โดยที่V เท่ากับผลต่างของแรงดันเอาต์พุต ดังนั้น วีดีซี=วีบีซีฉัน2อาร์2=ฉันxอาร์xวีเอซีอาร์2อาร์1+อาร์2=วีเอซีอาร์xอาร์3+อาร์xอาร์2อาร์1+อาร์2=อาร์xอาร์3+อาร์xอาร์1+อาร์2อาร์2=อาร์3+อาร์xอาร์x1+อาร์1อาร์2=1+อาร์3อาร์xอาร์1อาร์2=อาร์3อาร์x{\displaystyle {\begin{aligned}V_{DC}&=V_{BC}\\I_{2}R_{2}&=I_{x}R_{x}\\V_{AC}{\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}&=V_{AC}{\frac {R_{x}}{R_{3}+R_{x}}}\\{\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}&={\frac {R_{x}}{R_{3}+R_{x}}}\\{\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{2}}}&={\frac {R_{3}+R_{x}}{R_{x}}}\\1+{\frac {R_{1}}{R_{2}}}&=1+{\frac {R_{3}}{R_{x}}}\\{\frac {R_{1}}{R_{2}}}&={\frac {R_{3}}{R_{x}}}\\\end{aligned}}}

การพิสูจน์อย่างสมบูรณ์โดยใช้กฎวงจรของ Kirchhoff

ขั้นแรกใช้ กฎกระแสไฟฟ้าของ Kirchhoff เพื่อหาค่ากระแสไฟฟ้าที่จุดเชื่อมต่อ B และ D:ฉัน3ฉันx+ฉันจี=0ฉัน1ฉัน2ฉันจี=0{\displaystyle {\begin{aligned}I_{3}-I_{x}+I_{G}&=0\\I_{1}-I_{2}-I_{G}&=0\end{aligned}}}

จากนั้น ใช้ กฎแรงดันของ Kirchhoffในการหาแรงดันในวงจร ABDA และ BCDB: (ฉัน3อาร์3)(ฉันจีอาร์จี)(ฉัน1อาร์1)=0(ฉันxอาร์x)(ฉัน2อาร์2)+(ฉันจีอาร์จี)=0{\displaystyle {\begin{aligned}(I_{3}\cdot R_{3})-(I_{G}\cdot R_{G})-(I_{1}\cdot R_{1})&=0\\(I_{x}\cdot R_{x})-(I_{2}\cdot R_{2})+(I_{G}\cdot R_{G})&=0\end{aligned}}}

เมื่อสะพานอยู่ในสภาวะสมดุลแล้วI = 0ดังนั้นชุดสมการที่สองจึงสามารถเขียนใหม่ได้ดังนี้: ฉัน3อาร์3=ฉัน1อาร์1(1)ฉันxอาร์x=ฉัน2อาร์2(2){\displaystyle {\begin{aligned}I_{3}\cdot R_{3}&=I_{1}\cdot R_{1}\quad {\text{(1)}}\\I_{x}\cdot R_{x}&=I_{2}\cdot R_{2}\quad {\text{(2)}}\end{aligned}}}

จากนั้น นำสมการ (1) มาหารด้วยสมการ (2) แล้วจัดเรียงสมการที่ได้ใหม่ดังนี้: อาร์x=อาร์2ฉัน2ฉัน3อาร์3อาร์1ฉัน1ฉันx{\displaystyle R_{x}={{R_{2}\cdot I_{2}\cdot I_{3}\cdot R_{3}} \over {R_{1}\cdot I_{1}\cdot I_{x}}}}

เนื่องจากI = I และI = I เป็นสัดส่วนกันตามกฎกระแสของ Kirchhoff ดังนั้น I I / I I จึงตัดกันออกไปจากสมการข้างต้น ค่าที่ต้องการของR จึงทราบได้ดังนี้: อาร์x=อาร์3อาร์2อาร์1{\displaystyle R_{x}={{R_{3}\cdot R_{2}} \over {R_{1}}}}

ในทางกลับกัน หากความต้านทานของแกลแวนอมิเตอร์สูงมากพอจนI มีค่าเล็กน้อย ก็สามารถคำนวณR ได้ จากค่าความต้านทานอีกสามค่าและแรงดันไฟฟ้าแหล่งจ่าย ( V ) หรือแรงดันไฟฟ้าแหล่งจ่ายจากค่าความต้านทานทั้งสี่ค่า ในการทำเช่นนั้น ต้องคำนวณแรงดันไฟฟ้าจากตัวแบ่งศักย์ แต่ละตัว แล้วลบออกจากกัน สมการสำหรับเรื่องนี้คือ: วีจี=(อาร์2อาร์1+อาร์2อาร์xอาร์x+อาร์3)วีอาร์x=อาร์2วี(อาร์1+อาร์2)วีจีอาร์1วี+(อาร์1+อาร์2)วีจีอาร์3{\displaystyle {\begin{aligned}V_{G}&=\left({R_{2} \over {R_{1}+R_{2}}}-{R_{x} \over {R_{x}+R_{3}}}\right)V_{s}\\[6pt]R_{x}&={{R_{2}\cdot V_{s}-(R_{1}+R_{2})\cdot V_{G}} \over {R_{1}\cdot V_{s}+(R_{1}+R_{2})\cdot V_{G}}}R_{3}\end{aligned}}} โดยที่V คือแรงดันไฟฟ้าของจุด D เทียบกับจุด B

ความสำคัญ

วงจรบริดจ์วีทสโตนแสดงให้เห็นถึงแนวคิดของการวัดความแตกต่าง ซึ่งมีความแม่นยำสูงมาก วงจรบริดจ์วีทสโตนแบบต่างๆ สามารถใช้ในการวัดค่าความจุความเหนี่ยวนำ อิมพีแดนซ์และปริมาณอื่นๆ เช่น ปริมาณก๊าซที่ติดไฟได้ในตัวอย่าง โดยใช้เครื่อง วัดการระเบิด วงจรบริดจ์ เคลวินได้รับการดัดแปลงมาจากวงจรบริดจ์วีทสโตนโดยเฉพาะสำหรับการวัดค่าความต้านทานต่ำมาก ในหลายกรณี ความสำคัญของการวัดค่าความต้านทานที่ไม่ทราบค่าเกี่ยวข้องกับการวัดผลกระทบของปรากฏการณ์ทางกายภาพ บางอย่าง (เช่น แรง อุณหภูมิ ความดัน ฯลฯ) ซึ่งทำให้สามารถใช้วงจรบริดจ์วีทสโตนในการวัดองค์ประกอบเหล่านั้นได้โดยอ้อม

แนวคิดนี้ได้รับการขยายไปสู่ การวัด กระแสสลับโดยJames Clerk Maxwellในปี พ.ศ. 2408 [ 4 ]และได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมดังนี้สะพานบลัมไลน์ออกแบบโดยอลัน บลัมไลน์ภายใต้สิทธิบัตรของอังกฤษเลขที่ 323,037 ปี 1928

การปรับเปลี่ยนสะพานพื้นฐาน

สะพานเคลวิน

วงจรบริดจ์วีทสโตนเป็นวงจรบริดจ์พื้นฐาน แต่มีการดัดแปลงอื่นๆ ที่สามารถทำได้เพื่อวัดความต้านทานชนิดต่างๆ เมื่อวงจรบริดจ์วีทสโตนพื้นฐานไม่เหมาะสม การดัดแปลงบางส่วนมีดังนี้:

ดูเพิ่มเติม

  • โลโก้ Wikimedia Commonsสื่อที่เกี่ยวข้องกับสะพานวีทสโตนในวิกิมีเดียคอมมอนส์
  • บท วงจรวัดกระแสไฟฟ้า DCจากหนังสือ Lessons In Electric Circuits Vol 1 (ฉบับอิเล็กทรอนิกส์ฟรี) และชุด หนังสือ Lessons In Electric Circuits
  • ชุดทดสอบ I-49

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ สะพานวีทสโตน

วงจร บริดจ์ วีทสโตน เป็น วงจรไฟฟ้า ที่ใช้ในการวัด ความต้านทานไฟฟ้า ที่ไม่ทราบค่า โดยการปรับสมดุลขาของ วงจรบริดจ์ สองขา โดยขาหนึ่งประกอบด้วยส่วนประกอบที่ไม่ทราบค่า...

การดำเนินการ

ในรูป R คือค่าความต้านทานคงที่แต่ไม่ทราบค่าที่ต้องการวัด R และ R คือตัวต้านทานที่มีค่าความต้านทานทราบค่า และค่าความต้านทาน R สามารถปรับได้ เราจะปรับค่าความต้านทาน R จนกระทั่งวงจรบริดจ์ "สมดุล" และไม่มีกระแสไหลผ่าน เครื่องวัดกระแสไฟฟ้า V ณ จุดนี้ ความต่างศักย์...

การหาอนุพันธ์อย่างรวดเร็วที่สมดุล

ณ จุดสมดุล ทั้ง แรงดัน และ กระแส ระหว่างจุดกึ่งกลางทั้งสอง (B และ D) จะ เป็นศูนย์ ดังนั้น I = I , I = I , V = V

การหาค่าสมดุลทางเลือกโดยใช้สูตรตัวแบ่งแรงดัน

ADC และ ABC สร้าง วงจรแบ่งแรงดัน สองวง โดยที่ V เท่ากับผลต่างของแรงดันเอาต์พุต ดังนั้น วี ดี ซี = วี บี ซี ฉัน 2 อาร์ 2 = ฉัน x อาร์ x วี เอ ซี อาร์ 2 อาร์ 1 + อาร์ 2 = วี เอ ซี อาร์ x อาร์ 3 + อาร์ x อาร์ 2 อาร์ 1 + อาร์ 2 = อาร์ x อาร์ 3 + อาร์ x อาร์ 1 +...