Emner:
- introduksjon
- Wheatstone Bridge i balanse
- Ubalansert bro fra Wheatstone (motstandsverdier kjent)
- Wheatstone bridge med ukjent motstandsverdi
Forord:
Wheatstone-broen er en elektrisk brokrets for nøyaktig måling av konstant eller skiftende elektrisk motstand. Denne kretsen kan brukes til å måle fysiske størrelser som temperatur og trykk, som vi ser i luftmassemåler (temperaturen på den varme ledningen) og KART sensor (trykk i inntaksmanifolden).
Det er fire i Wheatstones bro motstander, hvorav tre har en kjent motstand, og en har en ukjent motstand. Broen består egentlig av to spenningsdelere koblet parallelt.
På bildet ser vi motstandene R1 til R3 (kjente motstandsverdier) og Rx (ukjent), med et voltmeter i midten av de to spenningsdelerne og en spenningskilde til venstre for broen.
Wheatstone-broen er balansert når utgangsspenningen mellom punktene b og c er lik 0 volt. Ulike situasjoner er vist i de følgende avsnittene.
Wheatstone Bridge i balanse:
Wheatstone-broen er balansert eller balansert når utgangsspenningen er lik 0 volt, fordi motstandsverdiene til venstre og høyre er i forhold til hverandre.
Kretsen i denne seksjonen er tegnet annerledes enn i forrige seksjon, men er basert på samme operasjon.
- motstandene R1 og R2 har en motstand på 270 og 330 Ω. Lagt sammen er dette 600 Ω;
- motstandene R3 og Rx har en motstand på 540 og 660 Ω. Lagt sammen er dette 1200 Ω.
Forholdene mellom motstandene til venstre og høyre er de samme. Dette betyr at motstandsforholdene og spenningsfallet er like mellom R1 og R3, samt R2 og Rx.
Formlene nedenfor viser like motstandsforhold og spenningsfall:
en 
Med kjente forsyningsspennings- og motstandsverdier kan vi bestemme spenningsfallet over motstandene, og dermed spenningsforskjellen mellom punktene b og c. I eksemplet nedenfor beregner vi spenningsforskjellen mellom punktene b og c for en balansert Wheatstone-bro. Kunnskapen om Ohms lov og regn med serie- og parallellkretser er et krav.
1. beregne strømmene gjennom motstandene R1 og R2 (RV = erstatningsmotstand):
2. beregn spenningsfallet over motstandene R1 og R2:
3. beregne strømmene gjennom motstandene R1 og R2:
4. beregn spenningsfallet over motstandene R3 og Rx:
Spenningen i punktene b og c er 5,4 volt. Potensialforskjellen er lik 0 volt.
Ubalansert bro fra Wheatstone (motstandsverdier kjent):
Som et resultat av en endring i motstanden til Rx, vil Wheatstone-broen bli ubalansert. Motstandsendringen kan oppstå på grunn av for eksempel en skiftende temperatur, hvor Rx er a termistor er. Spenningsdeleren mellom R1 og R2 vil forbli den samme, men ikke mellom R3 og Rx. Fordi spenningsdeleren endres der, får vi en annen spenning i punkt c. I dette eksemplet har motstandsverdien til Rx falt fra 600 Ω til 460 Ω.
1. beregne strømmene gjennom motstandene R1 og R2:
2. beregn spenningsfallet over motstandene R1 og R2:
4. beregn spenningsfallet over motstandene R3 og Rx:
I de to eksemplene har motstandsverdien til Rx endret seg fra 660 Ω til 460 Ω. Denne endringen i motstand førte til at spenningen mellom bc endret seg fra 0 volt til 1,08 volt. Hvis denne Wheatstone-broen bygges inn i sensorelektronikken, blir spenningen på 1,08 volt sett på som en signalspenning. Denne signalspenningen sendes til ECU via en signalledning. De A/D-omformer i ECU konverterer den analoge spenningen til en digital melding, som kan leses av mikroprosessoren.
Wheatstone-bro med ukjent motstandsverdi:
I de forrige avsnittene antok vi en kjent motstandsverdi på Rx. Fordi denne motstandsverdien er variabel, kan vi gå et skritt videre og beregne denne motstandsverdien for å balansere Wheatstone-broen.
I denne kretsen er R1 og R2 igjen 270 og 330 Ω. Motstanden til R3 er redusert til 100 Ω og Rx er ukjent. Hvis spenningene og strømmene i tillegg til motstandsverdien også er ukjente, kan vi beregne motstandsverdien Rx på to måter:
Vei 1:
1. vi ser først på den generelle formelen og legger deretter inn motstandsverdiene:
-> 
2. Det er en faktor på 270 mellom 100 og 2,7, det samme gjør mellom 330 og den ukjente verdien.
Ved å dele 330 på 2,7 kommer vi til en motstand på 122,2 Ω.
Vei 2:
1. via den generelle formelen der vi kryssmultipliserer motstandene:
2. vi konverterer formelen ved å ta Rx fra venstre side av = og dele på R1. Vi kommer også frem til en motstandsverdi på 122,2 Ω.
Naturligvis sjekker vi om vi har en balansert bro med tidligere beregnet motstand på 122 Ω.
Motstandene R1 og R2 med strømmene og delspenningene er de samme som i eksemplene i avsnitt 1 og 2, så de anses som kjente. Vi fokuserer på høyre side av brua.
1. beregn strømmen gjennom R3 og Rx:
2. beregn spenningsfallet over motstandene R3 og Rx:
Spenningsforskjellen mellom punktene b og c er 0 volt fordi motstandene R1 og R3 begge absorberer 5,4, så broen er nå balansert.
Relaterte sider:
