Μαθήματα:
- Εισαγωγή
- Γέφυρα Wheatstone σε ισορροπία
- Μη ισορροπημένη γέφυρα από το Wheatstone (γνωστές τιμές αντίστασης)
- Γέφυρα Wheatstone με άγνωστη τιμή αντίστασης
Εισαγωγή:
Η γέφυρα Wheatstone είναι ένα κύκλωμα ηλεκτρικής γέφυρας για την ακριβή μέτρηση σταθερής ή μεταβαλλόμενης ηλεκτρικής αντίστασης. Αυτό το κύκλωμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση φυσικών μεγεθών όπως η θερμοκρασία και η πίεση, όπως βλέπουμε στο μετρητής μάζας αέρα (θερμοκρασία του θερμού σύρματος) και Αισθητήρας MAP (πίεση στην πολλαπλή εισαγωγής).
Υπάρχουν τέσσερις στη γέφυρα του Wheatstone αντιστάσεις, τρία από τα οποία έχουν γνωστή αντίσταση και ένα έχει άγνωστη αντίσταση. Η γέφυρα στην πραγματικότητα αποτελείται από δύο διαιρέτες τάσης που συνδέονται παράλληλα.
Στην εικόνα βλέπουμε τις αντιστάσεις R1 έως R3 (γνωστές τιμές αντίστασης) και Rx (άγνωστες), με ένα βολτόμετρο στη μέση των δύο διαιρετών τάσης και μια πηγή τάσης στα αριστερά της γέφυρας.
Η γέφυρα Wheatstone ισορροπεί όταν η τάση εξόδου μεταξύ των σημείων b και c είναι ίση με 0 βολτ. Διάφορες καταστάσεις παρουσιάζονται στις ακόλουθες παραγράφους.
Wheatstone Bridge in Balance:
Η γέφυρα Wheatstone είναι ισορροπημένη ή ισορροπημένη όταν η τάση εξόδου είναι ίση με 0 βολτ, επειδή οι τιμές αντίστασης αριστερά και δεξιά είναι ανάλογες μεταξύ τους.
Το κύκλωμα σε αυτήν την ενότητα σχεδιάζεται διαφορετικά από ό,τι στην προηγούμενη ενότητα, αλλά βασίζεται στην ίδια λειτουργία.
- οι αντιστάσεις R1 και R2 έχουν αντίσταση 270 και 330 Ω. Μαζί αυτό είναι 600 Ω.
- οι αντιστάσεις R3 και Rx έχουν αντίσταση 540 και 660 Ω. Μαζί αυτό είναι 1200 Ω.
Οι αναλογίες μεταξύ των αντιστάσεων αριστερά και δεξιά είναι οι ίδιες. Αυτό σημαίνει ότι οι λόγοι αντίστασης και οι πτώσεις τάσης είναι ίσοι μεταξύ των R1 και R3, καθώς και των R2 και Rx.
Οι παρακάτω τύποι δείχνουν τους ίσους λόγους αντίστασης και τις πτώσεις τάσης:
en 
Με γνωστές τιμές τάσης τροφοδοσίας και αντίστασης, μπορούμε να προσδιορίσουμε τις πτώσεις τάσης στις αντιστάσεις, και επομένως τη διαφορά τάσης μεταξύ των σημείων b και c. Στο παρακάτω παράδειγμα υπολογίζουμε τη διαφορά τάσης μεταξύ των σημείων b και c για μια ισορροπημένη γέφυρα Wheatstone. Η γνώση των Ο νόμος του Ohm και υπολογίστε με σειρές & παράλληλα κυκλώματα είναι απαίτηση.
1. υπολογίστε τα ρεύματα μέσω των αντιστάσεων R1 και R2 (RV = αντίσταση αντικατάστασης):
2. Υπολογίστε την πτώση τάσης στις αντιστάσεις R1 και R2:
3. Υπολογίστε τα ρεύματα μέσω των αντιστάσεων R1 και R2:
4. Υπολογίστε την πτώση τάσης στις αντιστάσεις R3 και Rx:
Η τάση στα σημεία b και c είναι 5,4 βολτ. Η διαφορά δυναμικού είναι ίση με 0 βολτ.
Μη ισορροπημένη γέφυρα από το Wheatstone (γνωστές τιμές αντίστασης):
Ως αποτέλεσμα μιας αλλαγής στην αντίσταση του Rx, η γέφυρα Wheatstone θα γίνει μη ισορροπημένη. Η αλλαγή αντίστασης μπορεί να συμβεί λόγω, για παράδειγμα, μιας μεταβαλλόμενης θερμοκρασίας, όπου το Rx είναι a θερμίστορ είναι. Ο διαιρέτης τάσης μεταξύ R1 και R2 θα παραμείνει ο ίδιος, αλλά όχι μεταξύ R3 και Rx. Επειδή ο διαιρέτης τάσης αλλάζει εκεί, παίρνουμε διαφορετική τάση στο σημείο c. Σε αυτό το παράδειγμα, η τιμή αντίστασης του Rx έχει πέσει από 600 Ω σε 460 Ω.
1. Υπολογίστε τα ρεύματα μέσω των αντιστάσεων R1 και R2:
2. Υπολογίστε την πτώση τάσης στις αντιστάσεις R1 και R2:
4. Υπολογίστε την πτώση τάσης στις αντιστάσεις R3 και Rx:
Στα δύο παραδείγματα, η τιμή αντίστασης του Rx έχει αλλάξει από 660 Ω σε 460 Ω. Αυτή η αλλαγή στην αντίσταση προκάλεσε την αλλαγή της τάσης μεταξύ bc από 0 βολτ σε 1,08 βολτ. Εάν αυτή η γέφυρα Wheatstone είναι ενσωματωμένη στα ηλεκτρονικά του αισθητήρα, η τάση των 1,08 βολτ θεωρείται ως τάση σήματος. Αυτή η τάση σήματος αποστέλλεται στην ECU μέσω ενός καλωδίου σήματος. ο Μετατροπέας A/D στην ECU μετατρέπει την αναλογική τάση σε ψηφιακό μήνυμα, το οποίο μπορεί να διαβαστεί από τον μικροεπεξεργαστή.
Γέφυρα Wheatstone με άγνωστη τιμή αντίστασης:
Στις προηγούμενες ενότητες υποθέσαμε μια γνωστή τιμή αντίστασης Rx. Επειδή αυτή η τιμή αντίστασης είναι μεταβλητή, μπορούμε να προχωρήσουμε ένα βήμα παραπέρα και να υπολογίσουμε αυτήν την τιμή αντίστασης για να εξισορροπήσουμε τη γέφυρα Wheatstone.
Σε αυτό το κύκλωμα τα R1 και R2 είναι πάλι 270 και 330 Ω. Η αντίσταση του R3 έχει μειωθεί στα 100 Ω και το Rx είναι άγνωστο. Εάν, εκτός από την τιμή αντίστασης, οι τάσεις και τα ρεύματα είναι επίσης άγνωστα, μπορούμε να υπολογίσουμε την τιμή αντίστασης Rx με δύο τρόπους:
Τρόπος 1:
1. εξετάζουμε πρώτα τον γενικό τύπο και μετά εισάγουμε τις τιμές αντίστασης:
-> 
2. Υπάρχει συντελεστής 270 μεταξύ 100 και 2,7, όπως και μεταξύ 330 και της άγνωστης τιμής.
Διαιρώντας το 330 με το 2,7 φτάνουμε σε αντίσταση 122,2 Ω.
Τρόπος 2:
1. μέσω του γενικού τύπου στον οποίο πολλαπλασιάζουμε σταυρωτά τις αντιστάσεις:
2. μετατρέπουμε τον τύπο παίρνοντας το Rx από την αριστερή πλευρά του = και διαιρώντας με το R1. Φτάνουμε επίσης σε τιμή αντίστασης 122,2 Ω.
Φυσικά, ελέγχουμε αν έχουμε ισορροπημένη γέφυρα με την προηγουμένως υπολογισμένη αντίσταση 122 Ω.
Οι αντιστάσεις R1 και R2 με τα ρεύματα και τις μερικές τάσεις είναι οι ίδιες όπως στα παραδείγματα των παραγράφων 1 και 2, επομένως θεωρούνται γνωστές. Εστιάζουμε στη δεξιά πλευρά της γέφυρας.
1. Υπολογίστε το ρεύμα μέσω των R3 και Rx:
2. Υπολογίστε την πτώση τάσης στις αντιστάσεις R3 και Rx:
Η διαφορά τάσης μεταξύ των σημείων b και c είναι 0 βολτ επειδή οι αντιστάσεις R1 και R3 απορροφούν και οι δύο 5,4, επομένως η γέφυρα είναι πλέον ισορροπημένη.
Σχετικές σελίδες:
