สะพานวีทสโตน

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
การตรวจจับกระแสศูนย์ด้วยแกลวาโนมิเตอร์สามารถทำได้ด้วยความแม่นยำสูงมาก ดังนั้น หากทราบค่าR , R และR R ด้วยความแม่นยำสูงได้เช่นกัน การเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยในค่า R จะทำให้สมดุลเสียไปและสามารถตรวจจับได้ง่าย
อีกวิธีหนึ่ง หากทราบค่าR , R และR R ปรับไม่ได้ สามารถใช้ความต่างศักย์คร่อมหรือกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านมิเตอร์ในการคำนวณค่าR โดยใช้กฎวงจรของ Kirchhoffการตั้งค่านี้มักใช้ใน การวัด ด้วยเกจวัดความเครียดและเทอร์โมมิเตอร์แบบความต้านทานเนื่องจากโดยทั่วไปแล้วการอ่านค่าแรงดันไฟฟ้าจากมิเตอร์จะเร็วกว่าการปรับความต้านทานเพื่อให้แรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์
อนุพันธ์

การหาอนุพันธ์อย่างรวดเร็วที่สมดุล
ณ จุดสมดุล ทั้งแรงดันและกระแส ระหว่างจุดกึ่งกลางทั้งสอง (B และ D) จะ เป็นศูนย์ ดังนั้นI = I , I = I , V = V
เนื่องจากV = V ดังนั้นV = V และV = V
เมื่อหารสมการสองสมการสุดท้ายด้วยจำนวนสมาชิก และใช้ความเท่าเทียมกันของกระแสไฟฟ้าข้างต้นแล้ว
การหาค่าสมดุลทางเลือกโดยใช้สูตรตัวแบ่งแรงดัน
ADC และ ABC สร้างวงจรแบ่งแรงดัน สองวง โดยที่V เท่ากับผลต่างของแรงดันเอาต์พุต ดังนั้น
การพิสูจน์อย่างสมบูรณ์โดยใช้กฎวงจรของ Kirchhoff
ขั้นแรกใช้ กฎกระแสไฟฟ้าของ Kirchhoff เพื่อหาค่ากระแสไฟฟ้าที่จุดเชื่อมต่อ B และ D:
จากนั้น ใช้ กฎแรงดันของ Kirchhoffในการหาแรงดันในวงจร ABDA และ BCDB:
เมื่อสะพานอยู่ในสภาวะสมดุลแล้วI = 0ดังนั้นชุดสมการที่สองจึงสามารถเขียนใหม่ได้ดังนี้:
จากนั้น นำสมการ (1) มาหารด้วยสมการ (2) แล้วจัดเรียงสมการที่ได้ใหม่ดังนี้:
เนื่องจากI = I และI = I เป็นสัดส่วนกันตามกฎกระแสของ Kirchhoff ดังนั้น I I / I I จึงตัดกันออกไปจากสมการข้างต้น ค่าที่ต้องการของR จึงทราบได้ดังนี้:
ในทางกลับกัน หากความต้านทานของแกลแวนอมิเตอร์สูงมากพอจนI มีค่าเล็กน้อย ก็สามารถคำนวณR ได้ จากค่าความต้านทานอีกสามค่าและแรงดันไฟฟ้าแหล่งจ่าย ( V ) หรือแรงดันไฟฟ้าแหล่งจ่ายจากค่าความต้านทานทั้งสี่ค่า ในการทำเช่นนั้น ต้องคำนวณแรงดันไฟฟ้าจากตัวแบ่งศักย์ แต่ละตัว แล้วลบออกจากกัน สมการสำหรับเรื่องนี้คือ: 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

วงจรบริดจ์วีทสโตนเป็นวงจรบริดจ์พื้นฐาน แต่มีการดัดแปลงอื่นๆ ที่สามารถทำได้เพื่อวัดความต้านทานชนิดต่างๆ เมื่อวงจรบริดจ์วีทสโตนพื้นฐานไม่เหมาะสม การดัดแปลงบางส่วนมีดังนี้:
- วงจรบริดจ์แครี่ ฟอสเตอร์สำหรับวัดค่าความต้านทานต่ำ
- สะพานเคลวินสำหรับวัดความต้านทาน ขนาดเล็ก ที่มีขั้วต่อสี่ขั้ว
- สะพานแม็กซ์เวลล์และสะพานเวียนสำหรับวัดส่วนประกอบที่ทำปฏิกิริยา
- สะพานแอนเดอร์สัน (Anderson's bridge)ใช้สำหรับวัดค่าความเหนี่ยวนำในตัวเองของวงจร เป็นรูปแบบขั้นสูงของสะพานแม็กซ์เวลล์ (Maxwell's bridge)
ดูเพิ่มเติม
- วงจรบริดจ์ไดโอด , เครื่องผสมผลิตภัณฑ์ – วงจรบริดจ์ไดโอด
- วงจรแฟนทอม – วงจรที่ใช้บริดจ์แบบสมดุล
- ตู้ไปรษณีย์ (ไฟฟ้า)
- โพเทนชิโอมิเตอร์ (เครื่องมือวัด)
- ตัวแบ่งศักยภาพ
- โอห์มมิเตอร์
- เทอร์โมมิเตอร์แบบความต้านทาน
- เกจวัดความเครียด