Aiheet:
- esittely
- Wheatstonen silta tasapainossa
- Epätasapainoinen silta Wheatstonesta (vastusarvot tiedossa)
- Wheatstonen silta tuntematon vastusarvo
Esipuhe:
Wheatstonen silta on sähköinen siltapiiri vakion tai muuttuvan sähkövastuksen tarkkaan mittaamiseen. Tätä piiriä voidaan käyttää fyysisten suureiden, kuten lämpötilan ja paineen, mittaamiseen, kuten näemme ilmamassamittari (kuumalangan lämpötila) ja MAP anturi (paine imusarjassa).
Niitä on neljä Wheatstonen sillalla vastukset, joista kolmella on tunnettu resistanssi ja yhdellä on tuntematon vastus. Itse asiassa silta koostuu kahdesta rinnakkain kytketystä jännitteenjakajasta.
Kuvassa näkyy vastukset R1 - R3 (tunnetut resistanssiarvot) ja Rx (tuntematon), volttimittari kahden jännitteenjakajan keskellä ja jännitelähde sillan vasemmalla puolella.
Wheatstonen silta on tasapainotettu, kun lähtöjännite pisteiden b ja c välillä on 0 volttia. Eri tilanteet esitetään seuraavissa kappaleissa.
Wheatstonen silta tasapainossa:
Wheatstonen silta on balansoitu tai balansoitu, kun lähtöjännite on 0 volttia, koska resistanssiarvot vasemmalla ja oikealla ovat suhteessa toisiinsa.
Tämän osan piiri on piirretty eri tavalla kuin edellisessä osassa, mutta se perustuu samaan toimintoon.
- vastusten R1 ja R2 resistanssi on 270 ja 330 Ω. Yhteenlaskettu tämä on 600 Ω;
- vastusten R3 ja Rx resistanssi on 540 ja 660 Ω. Yhteenlaskettu tämä on 1200 Ω.
Vasemman ja oikeanpuoleisten vastusten väliset suhteet ovat samat. Tämä tarkoittaa, että vastussuhteet ja jännitehäviöt ovat yhtä suuret välillä R1 ja R3 sekä R2 ja Rx.
Alla olevat kaavat osoittavat yhtäläiset vastussuhteet ja jännitehäviöt:
en 
Tunnetuilla syöttöjännitteillä ja resistanssiarvoilla voimme määrittää vastusten jännitehäviöt ja siten pisteiden b ja c välisen jännite-eron. Alla olevassa esimerkissä lasketaan jännite-ero pisteiden b ja c välillä balansoidulle Wheatstonen sillalle. Tietoa Ohmin laki ja laskea kanssa sarja- ja rinnakkaispiirit on vaatimus.
1. laske vastusten R1 ja R2 kautta kulkevat virrat (RV = vaihtovastus):
2. laske jännitehäviö vastusten R1 ja R2 välillä:
3. laske vastusten R1 ja R2 läpi kulkevat virrat:
4. laske jännitehäviö vastusten R3 ja Rx välillä:
Jännite pisteissä b ja c on 5,4 volttia. Potentiaaliero on yhtä suuri kuin 0 volttia.
Epätasapainoinen silta Wheatstonesta (vastusarvot tiedossa):
Rx:n vastuksen muutoksen seurauksena Wheatstonen silta tulee epätasapainoiseksi. Resistanssin muutos voi johtua esimerkiksi lämpötilan muutoksesta, jossa Rx on a termistori On. Jännitteenjakaja R1:n ja R2:n välillä pysyy samana, mutta ei R3:n ja Rx:n välillä. Koska jännitteenjakaja muuttuu siellä, saamme eri jännitteen pisteeseen c. Tässä esimerkissä Rx:n resistanssiarvo on pudonnut 600 Ω:sta 460 Ω:iin.
1. Laske vastusten R1 ja R2 kautta kulkevat virrat:
2. laske jännitehäviö vastusten R1 ja R2 välillä:
4. laske jännitehäviö vastusten R3 ja Rx välillä:
Kahdessa esimerkissä Rx:n resistanssiarvo on muuttunut 660 Ω:sta 460 Ω:iin. Tämä resistanssin muutos sai jännitteen bc:n välillä muuttumaan 0 voltista 1,08 volttiin. Jos tämä Wheatstonen silta on sisäänrakennettu anturielektroniikkaan, 1,08 voltin jännite nähdään signaalijännitteenä. Tämä signaalijännite lähetetään ECU:lle signaalijohdon kautta. The A/D-muunnin ECU:ssa muuntaa analogisen jännitteen digitaaliseksi viestiksi, jonka mikroprosessori voi lukea.
Wheatstonen silta tuntematon vastusarvo:
Edellisissä osissa oletettiin tunnettua resistanssiarvoa Rx. Koska tämä vastusarvo on vaihteleva, voimme mennä askeleen pidemmälle ja laskea tämän vastusarvon tasapainottaaksemme Wheatstonen sillan.
Tässä piirissä R1 ja R2 ovat jälleen 270 ja 330 Ω. R3:n resistanssi on laskettu 100 Ω:iin ja Rx on tuntematon. Jos resistanssiarvon lisäksi myös jännitteet ja virrat ovat tuntemattomia, voimme laskea resistanssiarvon Rx kahdella tavalla:
Tapa 1:
1. Katsomme ensin yleiskaavaa ja syötämme sitten vastusarvot:
-> 
2. Arvojen 270 ja 100 välillä on kerroin 2,7, samoin kuin 330:n ja tuntemattoman arvon välillä.
Jakamalla 330 luvulla 2,7, saadaan vastus 122,2 Ω.
Tapa 2:
1. yleisen kaavan kautta, jossa vastukset ristiin kerrotaan:
2. Muunnamme kaavan ottamalla Rx = vasemmalta puolelta ja jakamalla R1:llä. Saamme myös resistanssiarvon 122,2 Ω.
Luonnollisesti tarkastetaan, onko meillä balansoitu silta, jonka resistanssi on aiemmin laskettu 122 Ω.
Vastukset R1 ja R2 virroineen ja osajännitteineen ovat samat kuin kappaleiden 1 ja 2 esimerkeissä, joten niitä pidetään tunnetuina. Keskitymme sillan oikealle puolelle.
1. Laske virta R3:n ja Rx:n kautta:
2. laske jännitehäviö vastusten R3 ja Rx välillä:
Jänniteero pisteiden b ja c välillä on 0 volttia, koska vastukset R1 ja R3 absorboivat molemmat 5,4, joten silta on nyt tasapainotettu.
Aiheeseen liittyvät sivut:
