Мост Уитстона
Мост Уитстона был первоначально разработан Чарльзом Уитстоном, чтобы измерить неизвестные значения сопротивления и как средство калибровки измерительных приборов, вольтметров, амперметров и т. Д., Используя длинный резистивный провод скольжения. Хотя сегодня цифровые мультиметры обеспечивают самый простой способ измерения сопротивления. Мост Уитстона все еще можно использовать для измерения очень низких значений сопротивлений в диапазоне милли-Ом. Мост моста Уитстона (или мост сопротивления) может использоваться в ряде приложений, и сегодня, с современными операционными усилителями, мы можем использовать мост моста Уитстона для подключения различных преобразователей и датчиков к этим схемам усилителя. Контур моста Уитстона представляет собой не что иное, как два простых последовательно-параллельных устройства сопротивлений, соединенных между клеммой источника питания и землей, создающей разность нулевого напряжения между двумя параллельными ветвями при балансировке. Мостовая схема Уитстона имеет две входные клеммы и две выходные клеммы, состоящие из четырех резисторов, сконфигурированных в алмазоподобном устройстве, как показано. Это типично для того, как нарисован мост Уитстона.
Мост Уитстона
При балансировке мост Уитстона можно анализировать просто как две серии последовательностей. В нашем учебнике о резисторах в сериях мы видели, что каждый резистор в цепочке серий производит инфракрасное падение или падение напряжения на себя как следствие протекания тока через него, как это определено законом Ом. Рассмотрим последовательную схему ниже.
Поскольку два резистора последовательно, один и тот же ток ( i ) проходит через оба из них. Поэтому ток, протекающий через эти два резистора последовательно, задается как: V / R T.
I = V ÷ R = 12 В ÷ (10 Ом + 20 Ом) = 0,4 А
Напряжение в точке C , которое также является падением напряжения на нижнем резисторе, R 2 рассчитывается как:
V R2 = I × R 2 = 0,4A × 20Ω = 8 вольт
Затем мы видим, что напряжение источника V S делится между резисторами двух рядов прямо пропорционально их сопротивлениям как V R1 = 4V и V R2 = 8V . Это принцип деления напряжения, создающий то, что обычно называют цепью делителя напряжения или сетью делителя напряжения. Теперь, если мы добавим еще одну последовательную резисторную схему, используя те же самые значения резисторов параллельно с первой, у нас будет следующая схема.
Поскольку схема второй серии имеет одинаковую резистивную величину первой, напряжение в точке D , которое также является падением напряжения на резисторе, R 4 будет одинаковым при 8 вольтах относительно нуля (отрицательный аккумулятор), поскольку Напряжение является общим, и две резистивные сети одинаковы. Но что-то еще в равной степени важно, так это то, что разность напряжений между точкой C и точкой D будет равна нулю, так как обе точки имеют одинаковое значение 8 вольт, так как: C = D = 8 вольт , тогда разность напряжений равна 0 вольтам. Когда это происходит, обе стороны параллельной сети моста считаются сбалансированными, потому что напряжение в точке C является тем же значением, что и напряжение в точке D, причем их разность равна нулю. Теперь давайте рассмотрим, что произойдет, если мы изменим положение двух резисторов R 3 и R 4 во второй параллельной ветви по отношению к R 1 и R 2 .
С резисторами R 3 и R 4 меняются назад, тот же ток протекает через последовательную комбинацию и напряжение в точке D , которое также является падением напряжения на резисторе, R 4 будет:
V R4 = 0,4 А × 10 Ом = 4 вольта
Теперь, когда V R4, имеющий 4 вольта, упал на него, разность напряжений между точками C и D будет составлять 4 вольта, так как: C = 8 вольт и D = 4 вольта . Тогда разница на этот раз: 8 - 4 = 4 вольта
Результатом замены двух резисторов является то, что обе стороны или «плечи» параллельной сети отличаются друг от друга, поскольку они создают различные падения напряжения. Когда это происходит , параллельная сеть считается несимметричной , поскольку напряжение в точке C находится под другим значением напряжения в точке D. Затем мы видим, что отношение сопротивления этих двух параллельных рычагов, ACB и ADB приводит к разности напряжений между 0 вольтами (сбалансированным) и максимальным напряжением питания (неуравновешенным), и это основной принцип схемы моста Уитстона . Таким образом, мы видим, что схема моста Уитстона может использоваться для сравнения неизвестного сопротивления R X с другими известными значениями, например R 1 и R 2 , с фиксированными значениями, а R 3 может быть переменным. Если бы мы подключили вольтметр, амперметр или классически гальванометр между точками C и D , а затем меняли резистор, R 3 до тех пор, пока счетчики не начнут отсчитывать ноль, это приведет к балансу двух рычагов и значению R X (заменяя R 4 ) Как показано.
Цепь моста Уитстона
Путем замены R 4 выше на сопротивление известного или неизвестного значения в чувствительном плече моста Уитстона, соответствующего R X, и настройке противоположного резистора, R 3 для «балансировки» сети моста приведет к выводу нулевого напряжения. Затем мы видим, что баланс происходит, когда:
Уравнение Моста Уитстона, необходимое для определения значения неизвестного сопротивления, R X при балансе задается как:
Где резисторы, R 1 и R 2 являются известными или заданными значениями.
Мост Уитстона Пример №1
Построен следующий несбалансированный мост Уитстона. Рассчитайте выходное напряжение в точках C и D и значение резистора R 4, необходимое для баланса мостовой схемы.
Для первого ряда arm, ACB
Для группы второго ряда, АБР
Напряжение в точках CD определяется как:
Значение резистора R 4, необходимое для уравновешивания моста, определяется как:
Мы видели выше, что мост Уитстона имеет два входных терминала ( AB ) и два выходных терминала ( CD ). Когда мост сбалансирован, напряжение на выходных клеммах составляет 0 вольт. Однако, когда мост не сбалансирован, выходное напряжение может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от направления дисбаланса.
Светодиодный детектор на мосте Уитстона
Сбалансированные мостовые схемы находят много полезных электронных приложений, например, для измерения изменений интенсивности света, давления или деформации. Типы резистивных датчиков, которые могут использоваться в мостовой схеме пшеничного мостика, включают: фоторезистивные датчики (LDR), позиционные датчики (потенциометры), пьезорезистивные датчики (тензодатчики) и температурные датчики (термисторы) и т. Д. Существует множество применений мостовых мостовых косточек для измерения целого ряда механических и электрических величин, но одно очень простое применение мостового мостового слоя заключается в измерении света с помощью фоторезистивного устройства. Один из резисторов в сети моста заменяется резистором, зависящим от света, или LDR. LDR, также известный как кадмий-сульфидный (Cds) фотоэлемент, представляет собой пассивный резистивный датчик, который преобразует изменения уровня видимого света в изменение сопротивления и, следовательно, напряжения. Светоизлучающие резисторы могут использоваться для мониторинга и измерения уровня интенсивности света, или источник света включен или выключен. Типичная кадмиевая сульфидная (CdS) ячейка, такая как резистор, зависящий от света ORP12, обычно имеет сопротивление около одного Megaohm (MΩ) в темном или тусклом свете, около 900 Ом при интенсивности света 100 люкс (типичный для хорошо освещенной комнаты), До 30 Ом при ярком солнечном свете. Затем при увеличении интенсивности света сопротивление уменьшается. Подключив резистор, зависящий от света, к схеме моста Уитстона выше, мы можем отслеживать и измерять любые изменения уровней освещенности, как показано на рисунке.
Фотоэлемент LDR подключается к схеме моста Уитстона, как показано на рисунке, для создания светочувствительного переключателя, который активируется, когда измеряемый уровень света выходит выше или ниже заданного значения, определенного V R1 . В этом примере V R1 используется потенциометр 22k или 47k. ОУ-усилитель подключается как компаратор напряжения с опорным напряжением V D , применяемым к инвертирующему выводу. В этом примере, поскольку оба R 3 и R 4 имеют одинаковое значение 10 кОм , опорное напряжение, установленное в точке D, будет поэтому равно половине Vcc. Это Vcc / 2 . Потенциометр V R1 устанавливает напряжение отключения V C , которое подается на неинвертирующий вход и устанавливается на требуемый номинальный уровень освещенности. Реле включается «ON», когда напряжение в точке C меньше напряжения в точке D. Регулировка V R1 устанавливает напряжение в точке C для балансировки мостовой схемы на требуемом уровне освещенности или интенсивности. LDR может представлять собой любое сульфидное устройство кадмия, которое имеет высокий импеданс при низких уровнях освещенности и низкий импеданс при высоких уровнях освещенности. Обратите внимание, что схема может использоваться как «световая активированная» коммутационная схема или «темная активированная» коммутационная схема просто путем переноса положений LDR и R 3 в рамках конструкции. Мост Уитстона имеет много применений в электронных схемах, кроме сравнения неизвестного сопротивления с известным сопротивлением. При использовании с операционными усилителями мостовую схему Уитстона можно использовать для измерения и усиления небольших изменений сопротивления, например RX, к изменениям интенсивности света, как мы видели выше. Но мостовая схема также подходит для измерения изменения сопротивления других изменяющихся величин, поэтому, заменив вышеуказанный фоторезистивный датчик LDR для термистора, датчика давления, тензодатчика и других таких преобразователей, а также заменив положения LDR и V R1 , мы можем использовать их в различных других приложениях моста Уитстона. Кроме того, в четырех плечах (или ветвях) моста, образованного резисторами R 1 -R 4, может использоваться более одного резистивного датчика для создания «полномостового», «полумостового» или «четвертьмостового» схем, обеспечивающего Тепловая компенсация или автоматическая балансировка моста Уитстона.
