สะพานวีทสโตน

“ หัวใจของวิทยาศาสตร์คือการวัด” และสำหรับการวัดนั้นจะใช้วงจรบริดจ์เพื่อค้นหาพารามิเตอร์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิด เรามีการศึกษาเกี่ยวกับหลายสะพานในเครื่องใช้ไฟฟ้าและ อิเล็กทรอนิคส์การวัดและเครื่องมือวัดตารางด้านล่างแสดงสะพานต่างๆที่มีการใช้งาน:

ส.	ชื่อสะพาน	พารามิเตอร์ที่จะกำหนด
1.	วีทสโตน	วัดความต้านทานที่ไม่รู้จัก
2.	แอนเดอร์สัน	วัดการเหนี่ยวนำตัวเองของขดลวด
3.	De-sauty	การวัดค่าความจุน้อยมาก
4.	Maxwell	วัดความเหนี่ยวนำที่ไม่รู้จัก
5.	เคลวิน	ใช้ในการวัดตัวต้านทานไฟฟ้าที่ไม่รู้จักต่ำกว่า 1 โอห์ม
6.	วีน	การวัดความจุในแง่ของความต้านทานและความถี่
7.	เฮย์	การวัดตัวเหนี่ยวนำที่ไม่รู้จักที่มีค่าสูง

ที่นี่เราจะพูดถึงสะพานวีทสโตนที่ใช้สำหรับการวัดความต้านทานที่ไม่รู้จัก ดิจิตอลมัลติมิเตอร์ปัจจุบันช่วยในการวัดความต้านทานด้วยวิธีง่ายๆ แต่ข้อดีของวีทสโตนบริดจ์ในเรื่องนี้คือให้การวัดค่าความต้านทานที่ต่ำมากในช่วงมิลลิโอห์ม

สะพานวีทสโตน

ซามูเอลฮันเตอร์คริสตี้ได้ประดิษฐ์สะพานวีทสโตนในปี พ.ศ. 2376 และสะพานนี้ได้รับการปรับปรุงและเป็นที่นิยมโดยเซอร์ชาร์ลส์วีทสโตน ในปี พ.ศ. 2386 สะพานวีทสโตนเป็นส่วนเชื่อมต่อของตัวต้านทานสี่ตัวที่ก่อตัวเป็นสะพาน ความต้านทานทั้งสี่ในวงจรเรียกว่าแขนของสะพาน สะพานนี้ใช้สำหรับการค้นหาค่าของความต้านทานที่ไม่รู้จักที่เชื่อมต่อกับตัวต้านทานที่รู้จักสองตัวตัวต้านทานตัวแปรหนึ่งตัวและกัลวาโนมิเตอร์ ในการหาค่าของความต้านทานที่ไม่รู้จักการโก่งตัวของกัลวาโนมิเตอร์ที่ทำให้เป็นศูนย์โดยการปรับตัวต้านทานตัวแปร จุดนี้เรียกว่าจุดสมดุลของสะพานวีทสโตน

ที่มา

ดังที่เราเห็นในรูป R1 และ R2 เป็นตัวต้านทานที่รู้จักกันดี R3 เป็นตัวต้านทานแบบแปรผันและ Rx ไม่ทราบความต้านทาน สะพานเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ DC (แบตเตอรี่)

ตอนนี้ถ้า Bridge อยู่ในสภาพสมดุลแล้วไม่ควรมีกระแสไหลผ่านกัลวาโนมิเตอร์และกระแส I1 เดียวกันจะไหล R1 และ R2 อย่างทั่วถึง เช่นเดียวกันกับ R3 และ Rx หมายความว่ากระแสไหล (I2) อย่างละเอียด R3 และ Rx จะยังคงเหมือนเดิม ด้านล่างนี้เป็นการคำนวณเพื่อหาค่าความต้านทานที่ไม่รู้จักเมื่อบริดจ์อยู่ในสภาพสมดุล (ไม่มีกระแสไหลระหว่างจุด C และ D)

V = IR (ตามกฎของโอห์ม) VR1 = I1 * R1… สมการ (1) VR2 = I1 * R2… สมการ (2) VR3 = I2 * R3… สมการ (3) VRx = I2 * Rx.. สมการ (4)

แรงดันข้าม R1 และ R3 จะเหมือนกันและแรงดันไฟฟ้าที่ R2 และ R4 ยังเป็นเหมือนกันในสภาพที่สมดุลสะพาน

I1 * R1 = I2 * R3… สมการ (5) I1 * R2 = I2 * Rx… สมการ (6)

เกี่ยวกับการหารสมการ (5) และสมการ (6)

R1 / R2 = R3 / Rx Rx = (R2 * R3) / R1

ดังนั้นจากตรงนี้เราจะได้ค่าของ Rx ซึ่งเป็นความต้านทานที่เราไม่รู้จักและด้วยเหตุนี้วีทสโตนบริดจ์จึงช่วยในการวัดความต้านทานที่ไม่รู้จัก

การดำเนินการ

ในทางปฏิบัติความต้านทานตัวแปรจะถูกปรับจนกระทั่งค่าของกระแสไฟฟ้าผ่านกัลวาโนมิเตอร์กลายเป็นศูนย์ เมื่อถึงจุดนั้นสะพานนี้เรียกว่าสะพานวีทสโตนที่สมดุล การรับกระแสเป็นศูนย์ผ่านทางกัลวาโนมิเตอร์จะให้ความแม่นยำสูงเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในความต้านทานตัวแปรสามารถรบกวนสภาวะสมดุลได้

ดังแสดงในรูปมีความต้านทานสี่ตัวในสะพาน R1, R2, R3 และ Rx โดยที่ R1 และ R2 เป็นตัวต้านทานที่ไม่รู้จัก R3 คือความต้านทานตัวแปรและ Rx คือความต้านทานที่ไม่รู้จัก หากอัตราส่วนของตัวต้านทานที่ทราบมีค่าเท่ากับอัตราส่วนของความต้านทานตัวแปรที่ปรับแล้วและความต้านทานที่ไม่รู้จักในสภาวะนั้นจะไม่มีกระแสไหลผ่านกัลวาโนมิเตอร์

ในสภาพสมดุล

R1 / R2 = R3 / Rx

ณ จุดนี้เรามีค่า R1 , R2 และ R3 ดังนั้นจึงง่ายต่อการหาค่าของ Rx จากสูตรด้านบน

จากเงื่อนไขข้างต้น

Rx = R2 * R3 / R1

ดังนั้นค่าของความต้านทานที่ไม่รู้จักจะคำนวณผ่านสูตรนี้เนื่องจากกระแสไฟฟ้าผ่านกัลวาโนมิเตอร์เป็นศูนย์

ดังนั้นเราจึงต้องปรับโพเทนชิออมิเตอร์จนถึงจุดที่แรงดันไฟฟ้าที่ C และ D เท่ากันในสภาพนั้นกระแสผ่านจุด C และ D จะเป็นศูนย์และการอ่านค่ากัลวาโนมิเตอร์จะเป็นศูนย์ในตำแหน่งเฉพาะนั้น สะพานวีทสโตนจะถูกเรียกใน สภาพสมดุล. การดำเนินการที่สมบูรณ์นี้ได้อธิบายไว้ในวิดีโอด้านล่าง:

ตัวอย่าง

ให้เรายกตัวอย่างเพื่อทำความเข้าใจแนวคิดของสะพานวีทสโตนในขณะที่เราใช้สะพานที่ไม่สมดุลเพื่อคำนวณค่าที่เหมาะสมสำหรับ Rx (ความต้านทานที่ไม่รู้จัก) เพื่อปรับสมดุลของสะพาน ดังที่เราทราบหากความแตกต่างของแรงดันตกคร่อมจุด C และ D เป็นศูนย์แสดงว่าสะพานอยู่ในสภาพสมดุล

ตามแผนภาพวงจร

สำหรับ ADB แขนแรก

Vc = {R2 / (R1 + R2)} * Vs

ในการใส่ค่าในสูตรข้างต้น

Vc = {80 / (40 + 80)} * 12 = 8 โวลต์

สำหรับ ACB แขนที่สอง

Vd = {R4 / (R3 + R4)} * Vs Vd = {120 / (360+ 120)} * 12 = 3 โวลต์

ดังนั้นความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างจุด C และ D คือ:

Vout = Vc - Vd = 8 - 3 = 5 โวลต์

หากความแตกต่างของแรงดันตกคร่อม C และ D เป็นบวกหรือลบ (บวกหรือลบแสดงทิศทางของความไม่สมดุล) แสดงว่าสะพานไม่สมดุลและในการทำให้สมดุลเราจำเป็นต้องมีค่าความต้านทานที่แตกต่างกันเพื่อแทนที่ R4

ค่าของตัวต้านทาน R4 ที่จำเป็นสำหรับการปรับสมดุลของวงจรคือ:

R4 = (R2 * R3) / R1 (เงื่อนไขของสะพานสมดุล) R4 = 80 * 360/40 R4 = 720 โอห์ม

ดังนั้นค่าของ R4 ที่ต้องใช้ในการปรับสมดุลของสะพานคือ 720 Ωเพราะถ้าสะพานสมดุลความแตกต่างของแรงดันตกคร่อม C และ D เป็นศูนย์และถ้าคุณสามารถใช้ตัวต้านทาน 720 Ωความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าจะเป็นศูนย์

การใช้งาน

• ส่วนใหญ่ใช้ในการวัดค่าความต้านทานที่ไม่ทราบค่าที่ต่ำมากซึ่งมีช่วงมิลลิโอห์ม
• หากใช้วาริสเตอร์กับวีทสโตนบริดจ์เรายังสามารถระบุค่าของพารามิเตอร์บางอย่างเช่นความจุความเหนี่ยวนำและอิมพีแดนซ์
• การใช้สะพานวีทสโตนกับแอมพลิฟายเออร์ในการทำงานจะช่วยในการวัดพารามิเตอร์ต่างๆเช่นอุณหภูมิความเครียดแสงเป็นต้น