"Il cuore della scienza è la misurazione", e per la misurazione i circuiti a ponte vengono utilizzati per trovare tutti i tipi di parametri elettrici ed elettronici. Abbiamo studiato diversi ponti nella misura e nella strumentazione elettrica ed elettronica. La tabella seguente mostra diversi ponti con i loro usi:
| S.No. | Nome del ponte | Parametro da determinare |
| 1. | Wheatstone | misurare una resistenza sconosciuta |
| 2. | Anderson | misurare l'autoinduttanza della bobina |
| 3. | De-sauty | misurare un valore molto piccolo di capacità |
| 4. | Maxwell | misurare un'induttanza sconosciuta |
| 5. | Kelvin | utilizzato per misurare resistenze elettriche sconosciute inferiori a 1 ohm. |
| 6. | Siamo dentro | misura della capacità in termini di resistenza e frequenza |
| 7. | Fieno | misura di induttori sconosciuti di alto valore |
Qui parleremo del ponte di Wheatstone utilizzato per misurare la resistenza sconosciuta. Il multimetro digitale di oggi aiuta a misurare la resistenza in modo semplice. Ma il vantaggio del ponte di Wheatstone su questo è quello di fornire la misurazione di valori di resistenza molto bassi nell'intervallo di milli-ohm.
Ponte di Wheatstone
Samuel Hunter Christie ha inventato il ponte di Wheatstone nel 1833 e questo ponte è stato migliorato e reso popolare da Sir Charles Wheatstone nel 1843. Il ponte di Wheatstone è l' interconnessione di quattro resistenze che formano un ponte. Le quattro resistenze in circuito sono indicate come bracci di ponte. Il ponte viene utilizzato per trovare il valore di una resistenza sconosciuta collegata a due resistori noti, un resistore variabile e un galvanometro. Per trovare il valore della resistenza sconosciuta la deflessione sul galvanometro portata a zero regolando la resistenza variabile. Questo punto è noto come punto di equilibrio del ponte di Wheatstone.
Derivazione
Come possiamo vedere in figura, R1 e R2 sono noti resistori. R3 è un resistore variabile e Rx è una resistenza sconosciuta. Il ponte è collegato alla sorgente DC (batteria).
Ora, se Bridge è in condizioni bilanciate, non dovrebbe esserci corrente che scorre attraverso il galvanometro e la stessa corrente I1 fluirà attraverso R1 e R2. Lo stesso vale per R3 e Rx, significa che il flusso di corrente (I2) attraverso R3 e Rx rimarrà lo stesso. Di seguito sono riportati i calcoli per scoprire il valore di resistenza sconosciuto quando il ponte è nella condizione Bilanciata (nessun flusso di corrente tra il punto C e D).
V = IR (per legge di ohm) VR1 = I1 * R1… equazione (1) VR2 = I1 * R2… equazione (2) VR3 = I2 * R3… equazione (3) VRx = I2 * Rx… equazione (4)
La caduta di tensione su R1 e R3 è la stessa e anche la caduta di tensione su R2 e R4 è la stessa nella condizione del ponte bilanciato.
I1 * R1 = I2 * R3… equazione (5) I1 * R2 = I2 * Rx… equazione (6)
Sulla divisione dell'equazione (5) e dell'equazione (6)
R1 / R2 = R3 / Rx Rx = (R2 * R3) / R1
Quindi, da qui otteniamo il valore di Rx che è la nostra resistenza sconosciuta e quindi è così che il ponte di Wheatstone aiuta nella misurazione di una resistenza sconosciuta.
Operazione
In pratica, la resistenza variabile viene regolata fino a quando il valore della corrente attraverso il galvanometro diventa zero. A quel punto, il ponte viene chiamato ponte di Wheatstone bilanciato. Ottenere corrente zero attraverso il galvanometro offre un'elevata precisione, poiché un piccolo cambiamento nella resistenza variabile può disturbare le condizioni di equilibrio.
Come mostrato in figura, ci sono quattro resistenze nel ponte R1, R2, R3 e Rx. Dove R1 e R2 sono il resistore sconosciuto, R3 è la resistenza variabile e Rx è la resistenza sconosciuta. Se il rapporto delle resistenze note è uguale al rapporto tra resistenza variabile regolata e resistenza sconosciuta, in quella condizione nessuna corrente scorrerà attraverso il galvanometro.
In condizioni equilibrate,
R1 / R2 = R3 / Rx
Ora, a questo punto abbiamo il valore di R1 , R2 e R3 quindi è facile trovare il valore di Rx dalla formula sopra.
Dalla condizione di cui sopra, Rx = R2 * R3 / R1
Quindi, il valore della resistenza sconosciuta viene calcolato attraverso questa formula, dato che la corrente attraverso il galvanometro è zero.
Quindi dobbiamo regolare il potenziometro fino al punto in cui la tensione in C e D sarà uguale, in quella condizione la corrente attraverso i punti C e D sarà zero e la lettura del galvanometro sarà zero, in quella particolare posizione verrà chiamato il ponte di Wheatstone Condizione equilibrata. Questa operazione completa è spiegata nel video fornito di seguito:
Esempio
Facciamo un esempio per comprendere il concetto di ponte di Wheatstone, poiché prendiamo un ponte non bilanciato per calcolare il valore appropriato per Rx (resistenza sconosciuta) per bilanciare il ponte. Come sappiamo, se la differenza di caduta di tensione tra i punti C e D è zero, il ponte è in condizione di equilibrio.
Secondo lo schema del circuito, Per il primo braccio ADB, Vc = {R2 / (R1 + R2)} * Vs
Mettendo i valori nella formula sopra, Vc = {80 / (40 + 80)} * 12 = 8 volt
Per il secondo braccio ACB, Vd = {R4 / (R3 + R4)} * Vs Vd = {120 / (360+ 120)} * 12 = 3 volt
Quindi, la differenza di tensione tra il punto C e D è:
Vout = Vc - Vd = 8-3 = 5 volt
Se la differenza di caduta di tensione tra C e D è positiva o negativa (positivo o negativo indica la direzione dello squilibrio), significa che il ponte è sbilanciato e per farlo equilibrare abbiamo bisogno di un diverso valore di resistenza in sostituzione di R4.
Il valore del resistore R4 richiesto per bilanciare il circuito è:
R4 = (R2 * R3) / R1 (condizione del ponte di bilanciamento) R4 = 80 * 360/40 R4 = 720 ohm
Quindi, il valore di R4 richiesto per bilanciare il ponte è 720 Ω, perché se il ponte è in equilibrio la differenza di caduta di tensione tra C e D è zero e se è possibile utilizzare una resistenza di 720 Ω la differenza di tensione sarà zero.
Applicazioni
- Utilizzato principalmente nella misurazione di valori molto bassi di resistenza sconosciuta con intervallo di milli-ohm.
- Se si utilizza un varistore con ponte di Wheatstone possiamo anche identificare il valore di alcuni parametri come capacità, induttanza e impedenza.
- Utilizzando il ponte di Wheatstone con l'amplificatore operazionale, aiuta a misurare diversi parametri come temperatura, deformazione, luce ecc.