In questo tutorial, impareremo a conoscere Wheatstone Bridge. Vedremo il principio di funzionamento del ponte di Wheatstone, alcuni circuiti di esempio e alcune importanti applicazioni.

Introduzione al ponte di Wheatstone

Nel mondo reale ci imbattiamo in vari segnali, alcuni di essi sono misurati dai cambiamenti nella resistenza e alcuni di essi sono con induttanza e capacità.

Se consideriamo la resistenza, la maggior parte dei sensori industriali come temperatura, deformazione, umidità, spostamento, livello del liquido, ecc. produce la variazione di valore della resistenza per un cambiamento variabile. Pertanto, è necessario un condizionamento del segnale per ogni sensore di resistenza.

Generalmente la misurazione della resistenza è divisa in tre tipi, misurazione a bassa resistenza, misurazione della resistenza media e misurazione ad alta resistenza. Se la misurazione della resistenza è possibilmente da pochi milliohms a micro ohm, allora è considerata come una misura di bassa resistenza.

Questa misurazione viene effettivamente utilizzata a scopo di ricerca. Se la misura è da 1 ohm a 100 k è generalmente indicato come una misura di resistenza media. Potenziometro, termistori, ecc. la misurazione rientra in questa categoria.

E la misurazione della resistenza molto elevata è considerata da 100 kilo ohm a maggiore di 100 mega ohm. Per trovare il valore medio della resistenza vengono utilizzati diversi metodi, ma principalmente viene utilizzato il ponte di Wheatstone.

Che cos’è Wheatstone Bridge?

La rete bridge più comune e più semplice per trovare la resistenza è il DC Wheatstone Bridge. Questo ponte è usato dove piccoli cambiamenti nella resistenza devono essere misurati come nelle applicazioni del sensore. Questo viene utilizzato per convertire una variazione di resistenza in una variazione di tensione di un trasduttore.

La combinazione di questo ponte con amplificatore operazionale è ampiamente utilizzato nelle industrie per vari trasduttori e sensori. Un ponte di Wheatstone è costituito da quattro resistori collegati a forma di diamante con la fonte di alimentazione e che indicano gli strumenti come mostrato in figura.

Questo ponte viene utilizzato per trovare la resistenza sconosciuta in modo molto preciso confrontandola con un valore noto di resistenze. In questo ponte null o condizione bilanciata viene utilizzato per trovare la resistenza.

Per questa condizione di bilanciamento del ponte la tensione nei punti C e D deve essere uguale. Quindi, nessuna corrente scorre attraverso il galvanometro. Per ottenere la condizione bilanciata uno dei resistori deve essere variabile.

From the figure,

The voltage at point D = V × RX / (R3 + RX)

The voltage at point C = V × R2 / (R1 + R2)

The voltage (V) across galvanometer or between C and D is,

VCD = V × RX / (R3 + RX) − V R2 / (R1 + R2)

When the bridge is balanced VCD = 0,

So,

V × RX / (R3 + RX) = V R2 / (R1 + R2)

RXR1 + RXR2 = R2R3 + R2RX

R1RX= R2R3

R2/R1= RX/R3

This è la condizione per bilanciare il ponte. E per trovare il valore sconosciuto di resistenza

RX = R3 × (R2 / R1)

Dall’equazione precedente R4 o Rx può essere calcolato dal valore noto di resistenza R3 e dal rapporto di R2/R1. Pertanto, la maggior parte dei casi i valori R2 e R1 sono fissi e il valore R3 è variabile in modo che il valore null sia raggiunto e il bridge venga bilanciato.

Principio di funzionamento

Senza il galvanometro, il circuito a ponte sembra solo un circuito divisore di tensione come mostrato nella figura seguente. Considerare R1= 20 ohm, R2 = 40 ohm per un braccio e per l’altro considerare gli stessi valori di R3 e R4 rispettivamente.

il flusso di Corrente nel primo braccio è

I1 = V/ (R1+R2)

I1 = 12V/ (20+40)

I1 = 0,2 A

E tensione al punto C, è pari alla caduta di tensione del resistore R2,

VR2 = I1 × R2= 0.2 × 40 = 8V

allo stesso modo la tensione ai capi di R1 è 4V (0.2 × 20). A causa degli stessi valori di resistenza, le tensioni a R4 e R3 saranno uguali a quelle di R1 e R2 rispettivamente. Quindi nei punti A e B le tensioni sono le stesse, quindi il galvanometro mostra la lettura zero poiché la differenza di potenziale è zero. In questo caso si dice che il ponte sia in condizioni equilibrate.

Supponiamo che se invertiamo i resistori nel secondo braccio, il flusso di corrente è lo stesso a causa del circuito di serie. Ma la tensione attraverso il resistore R4 cambia, cioè 0,2 * 20 = 4V. Quindi a questa condizione la tensione tra i punti A e B è diversa ed esiste una differenza di potenziale di 8-4 = 4V. Questa è la condizione sbilanciata del ponte.

Esempio di Wheatstone Bridge

Dall’alto, il Wheatstone bridge è sbilanciato quando la lettura del voltmetro non è pari a zero. Questa lettura può essere positiva o negativa dipende dalle grandezze delle tensioni ai terminali del contatore. Consideriamo il seguente circuito di Wheatstone bridge che è collegato per trovare il valore di resistenza sconosciuto con l’uso di resistor decade box per ottenere la resistenza variabile di R3.

sappiamo che la condizione per il ponte di equilibrio

R4 = R3 × R2 / R1

Rx = RBOX × (10 x 103)/ (10 x 103)

Rx = RBOX

Qui, in questo caso, il ponte di Wheatstone è bilanciata dalla regolazione del decennio resistenza scatola fino a quando il voltmetro legge il valore di zero. E il corrispondente valore di resistenza nella scatola è uguale alla resistenza sconosciuta. Supponiamo che se la condizione di tensione nulla si verifica a 250 ohm della scatola di resistenza decade, allora la resistenza sconosciuta è anche 250 ohm.

Ponte di Wheatstone per la misurazione della deformazione

Più comunemente per la misurazione della deformazione, vengono utilizzati estensimetri la cui resistenza elettrica varia con la deformazione proporzionata nel dispositivo. In pratica, la gamma di resistenza dell’estensimetro va da 30 ohm a 3000 ohm. Per un dato ceppo, la variazione di resistenza può essere solo una frazione di gamma completa. Pertanto, per misurare estremamente una frazione dei cambiamenti di resistenza con elevata precisione, viene utilizzata la configurazione del ponte di Wheatstone. La figura seguente mostra il ponte di Wheatstone in cui il resistore sconosciuto viene sostituito con un estensimetro.

Nel circuito di cui sopra, due resistori R1 e R2 sono uguali tra loro e R3 è il resistore variabile. Senza alcuna forza applicata all’estensimetro, il reostato viene variato e infine posizionato in modo tale che il voltmetro indichi zero deflessione. Questo è chiamato una condizione di bilanciamento del ponte. Questa condizione rappresenta che non vi è alcun sforzo sul calibro.

Se l’estensimetro è teso o compresso, la resistenza può aumentare o diminuire. Pertanto, questo provoca lo sbilanciamento del ponte. Questo produce un’indicazione di tensione sul voltmetro corrisponde al cambiamento di deformazione. Se lo sforzo applicato su un estensimetro è maggiore, la differenza di tensione tra i terminali del misuratore è maggiore. Se il ceppo è zero, il ponte si equilibra e il contatore mostra la lettura zero.

Si tratta della misurazione della resistenza utilizzando un ponte di Wheatstone per una misurazione precisa. A causa della misurazione frazionata della resistenza, i ponti di Wheatstone sono principalmente utilizzati nelle misurazioni di estensimetri e termometro.

Applicazioni

1. Il ponte di Wheatstone viene utilizzato per misurare con precisione i valori di resistenza molto bassi.
2. Wheatstone bridge insieme all’amplificatore operazionale viene utilizzato per misurare i parametri fisici come temperatura, tensione, luce, ecc.
3. Possiamo anche misurare le quantità di capacità, induttanza e impedenza utilizzando le variazioni sul ponte di Wheatstone.