“Het hart van de wetenschap is meten”, en voor de meting worden de brugcircuits gebruikt om allerlei elektrische en elektronische parameters te vinden. We hebben verschillende bruggen in elektrische en elektronische metingen en instrumentatie bestudeerd. De onderstaande tabel toont verschillende bruggen met hun toepassingen:
| S.No. | Naam van de brug | Parameter te bepalen |
| 1. | Wheatstone | meet een onbekende weerstand |
| 2. | Anderson | meet de zelfinductie van de spoel |
| 3. | De-sauty | het meten van een zeer kleine waarde van de capaciteit |
| 4. | Maxwell | meet een onbekende inductantie |
| 5. | Kelvin | gebruikt om onbekende elektrische weerstanden onder 1 ohm te meten. |
| 6. | Wein | meting van capaciteit in termen van weerstand en frequentie |
| 7. | Hooi | meting van onbekende inductor van hoge waarde |
Hier gaan we het hebben over de Wheatstone-brug die wordt gebruikt voor het meten van onbekende weerstand. De digitale multimeter van tegenwoordig helpt bij het meten van de weerstand op een eenvoudige manier. Maar het voordeel van Wheatstone-brug is dat het de meting van zeer lage weerstandswaarden in het bereik van milli-ohm mogelijk maakt.
Wheatstone-brug
Samuel Hunter Christie vond de Wheatstone-brug uit in 1833 en deze brug werd verbeterd en gepopulariseerd door Sir Charles Wheatstone in 1843. De Wheatstone-brug is de verbinding van vier weerstanden die een brug vormen. De vier weerstanden in het circuit worden brugarmen genoemd. De brug wordt gebruikt voor het vinden van de waarde van een onbekende weerstand die is verbonden met twee bekende weerstanden, een variabele weerstand en een galvanometer. Om de waarde van onbekende weerstand te vinden, wordt de doorbuiging op de galvanometer op nul gezet door de variabele weerstand aan te passen. Dit punt staat bekend als het balanspunt van de Wheatstone-brug.
Afleiding
Zoals we in figuur kunnen zien, zijn R1 en R2 bekende weerstanden. R3 is een variabele weerstand en Rx is een onbekende weerstand. De bridge is verbonden met de DC-bron (batterij).
Als de brug zich nu in de gebalanceerde toestand bevindt, mag er geen stroom door de galvanometer vloeien en zal dezelfde stroom I1 door R1 en R2 stromen. Hetzelfde geldt voor R3 en Rx, wat betekent dat de huidige stroom (I2) door R3 en Rx hetzelfde blijft. Hieronder staan de berekeningen om een onbekende weerstandswaarde te achterhalen wanneer de brug zich in de gebalanceerde toestand bevindt (er loopt geen stroom tussen punt C en D).
V = IR (volgens de wet van ohm) VR1 = I1 * R1… vergelijking (1) VR2 = I1 * R2… vergelijking (2) VR3 = I2 * R3… vergelijking (3) VRx = I2 * Rx… vergelijking (4)
De spanningsval over de R1 en R3 is hetzelfde en de spanningsval op R2 en R4 is ook hetzelfde in de gebalanceerde brugconditie.
I1 * R1 = I2 * R3… vergelijking (5) I1 * R2 = I2 * Rx… vergelijking (6)
Over het delen van vergelijking (5) en vergelijking (6)
R1 / R2 = R3 / Rx Rx = (R2 * R3) / R1
Dus vanaf hier krijgen we de waarde van Rx, wat onze onbekende weerstand is en daarom helpt de Wheatstone-brug bij het meten van een onbekende weerstand.
Operatie
Praktisch wordt de variabele weerstand aangepast totdat de waarde van de stroom door de galvanometer nul wordt. Op dat punt wordt de brug de gebalanceerde Wheatstone-brug genoemd. Het krijgen van nulstroom door de galvanometer geeft een hoge nauwkeurigheid, aangezien een kleine verandering in variabele weerstand de balans kan verstoren.
Zoals weergegeven in de figuur, zijn er vier weerstanden in de brug R1, R2, R3 en Rx. Waar R1 en R2 de onbekende weerstand zijn, is R3 de variabele weerstand en is Rx de onbekende weerstand. Als de verhouding van bekende weerstanden gelijk is aan de verhouding van aangepaste variabele weerstand en onbekende weerstand, zal in die toestand geen stroom door de galvanometer vloeien.
In evenwichtige toestand,
R1 / R2 = R3 / Rx
Nu hebben we op dit punt de waarde van R1 , R2 en R3, dus het is gemakkelijk om de waarde van Rx uit de bovenstaande formule te vinden.
Van de bovenstaande voorwaarde, Rx = R2 * R3 / R1
Daarom wordt de waarde van onbekende weerstand berekend met deze formule, aangezien de stroom door de Galvanometer nul is.
Dus we moeten de potentiometer aanpassen tot het punt waarop de spanning op C en D gelijk zal zijn, in die toestand zal de stroom door punt C en D nul zijn en de Galvanometer-aflezing zal nul zijn, in die specifieke positie zal Wheatstone Bridge worden opgeroepen Evenwichtige toestand. Deze volledige operatie wordt uitgelegd in de onderstaande video:
Voorbeeld
Laten we een voorbeeld nemen om het concept van de brug van Wheatstone te begrijpen, aangezien we een ongebalanceerde brug nemen om de juiste waarde voor Rx (onbekende weerstand) te berekenen om de brug in evenwicht te brengen. Zoals we weten als het verschil in spanningsval over punt C en D nul is, is de brug in evenwicht.
Volgens het schakelschema, Voor de eerste arm ADB, Vc = {R2 / (R1 + R2)} * Vs
Bij het plaatsen van de waarden in de bovenstaande formule, Vc = {80 / (40 + 80)} * 12 = 8 volt
Voor de tweede arm ACB, Vd = {R4 / (R3 + R4)} * Vs Vd = {120 / (360+ 120)} * 12 = 3 volt
Het spanningsverschil tussen punt C en D is dus:
Vout = Vc - Vd = 8 - 3 = 5 volt
Als het verschil in spanningsval over C en D positief of negatief is (positief of negatief geeft de richting van onbalans aan), toont dit aan dat de brug ongebalanceerd is en om het in evenwicht te brengen hebben we een andere weerstandswaarde nodig ter vervanging van R4.
De waarde van weerstand R4 die nodig is voor het balanceren van het circuit is:
R4 = (R2 * R3) / R1 (toestand van balansbrug) R4 = 80 * 360/40 R4 = 720 ohm
Daarom is de waarde van R4 die nodig is om de brug te balanceren 720 Ω, want als de brug in balans is, is het verschil in spanningsval over C en D nul en als je een weerstand van 720 Ω kunt gebruiken, is het spanningsverschil nul.
Toepassingen
- Hoofdzakelijk gebruikt bij het meten van een zeer lage waarde van onbekende weerstand met een bereik van milli-ohm.
- Als we een varistor met Wheatstone-brug gebruiken, kunnen we ook de waarde van enkele parameters identificeren, zoals capaciteit, inductantie en impedantie.
- Door de Wheatstone-brug met operationele versterker te gebruiken, helpt het bij het meten van verschillende parameters zoals temperatuur, belasting, licht enz.