“Trái tim của khoa học là đo lường”, và để đo lường, các mạch cầu được sử dụng để tìm tất cả các loại thông số điện và điện tử. Chúng tôi đã nghiên cứu về một số cầu nối trong Đo lường và Thiết bị Điện và Điện tử. Bảng dưới đây cho thấy các cây cầu khác nhau với công dụng của chúng:
| Không. | Tên cầu | Tham số được xác định |
| 1. | Wheatstone | đo một điện trở không xác định |
| 2. | Anderson | đo độ tự cảm của cuộn dây |
| 3. | De-sauty | đo giá trị rất nhỏ của điện dung |
| 4. | Maxwell | đo độ tự cảm không xác định |
| 5. | Kelvin | được sử dụng để đo các điện trở chưa biết dưới 1 ohm. |
| 6. | Wein | đo điện dung về điện trở và tần số |
| 7. | Cỏ khô | phép đo cuộn cảm không xác định có giá trị cao |
Ở đây, chúng ta sẽ nói về cầu Wheatstone được sử dụng để đo điện trở chưa biết. Đồng hồ vạn năng kỹ thuật số Now-a-day giúp đo điện trở một cách đơn giản. Nhưng ưu điểm của cầu Wheatstone là cung cấp phép đo các giá trị điện trở rất thấp trong phạm vi mili-ohm.
Cầu Wheatstone
Samuel Hunter Christie đã phát minh ra cây cầu Wheatstone vào năm 1833 và cây cầu này đã được Sir Charles Wheatstone cải tiến và phổ biến vào năm 1843. Cây cầu Wheatstone là sự kết nối của bốn lực cản tạo thành một cây cầu. Bốn điện trở trong mạch được gọi là các nhánh của cầu. Cầu được sử dụng để tìm giá trị của một điện trở chưa biết được nối với hai điện trở đã biết, một biến trở và một điện kế. Để tìm giá trị của điện trở chưa biết, độ lệch trên điện kế bằng không bằng cách điều chỉnh biến trở. Điểm này được gọi là điểm cân bằng của cầu Wheatstone.
Nguồn gốc
Như chúng ta có thể thấy trong hình, R1 và R2 là điện trở đã biết. R3 là biến trở và Rx là điện trở chưa biết. Cầu được kết nối với nguồn DC (pin).
Bây giờ nếu Bridge ở trong điều kiện cân bằng thì sẽ không có dòng điện chạy qua điện kế và cùng dòng điện I1 sẽ chạy qua R1 và R2. Tương tự đối với R3 và Rx, có nghĩa là dòng điện (I2) xuyên suốt R3 và Rx sẽ vẫn như nhau. Vì vậy, dưới đây là các tính toán để tìm ra giá trị điện trở chưa biết khi cầu ở điều kiện Cân bằng (không có dòng điện chạy giữa điểm C và D).
V = IR (theo định luật ohm) VR1 = I1 * R1… phương trình (1) VR2 = I1 * R2… phương trình (2) VR3 = I2 * R3… phương trình (3) VRx = I2 * Rx… phương trình (4)
Điện áp trên R1 và R3 là như nhau và điện áp ở R2 và R4 cũng giống nhau ở điều kiện cầu cân bằng.
I1 * R1 = I2 * R3… phương trình (5) I1 * R2 = I2 * Rx… phương trình (6)
Về phương trình chia (5) và phương trình (6)
R1 / R2 = R3 / Rx Rx = (R2 * R3) / R1
Vì vậy, từ đây chúng ta nhận được giá trị của Rx là điện trở chưa biết của chúng ta và do đó đây là cách cầu Wheatstone giúp đo một điện trở chưa biết.
Hoạt động
Thực tế, biến trở được điều chỉnh cho đến khi giá trị của dòng điện qua điện kế bằng không. Tại thời điểm đó, cây cầu được gọi là cầu Wheatstone cân bằng. Bắt dòng bằng không qua điện kế mang lại độ chính xác cao, vì một thay đổi nhỏ trong điện trở biến đổi có thể phá vỡ điều kiện cân bằng.
Như hình vẽ bên, trên cầu có bốn điện trở R1, R2, R3 và Rx. Trong đó R1 và R2 là điện trở chưa biết, R3 là biến trở và Rx là điện trở chưa biết. Nếu tỷ số của điện trở đã biết bằng tỷ số của biến trở đã điều chỉnh và điện trở chưa biết thì trong điều kiện đó sẽ không có dòng điện chạy qua điện kế.
Ở điều kiện cân bằng,
R1 / R2 = R3 / Rx
Bây giờ, tại thời điểm này, chúng ta đang có giá trị của R1 , R2 và R3 nên rất dễ dàng để tìm giá trị của Rx từ công thức trên.
Từ điều kiện trên, Rx = R2 * R3 / R1
Do đó, giá trị của điện trở chưa biết được tính theo công thức này, cho rằng dòng điện qua Điện kế là Zero.
Vì vậy chúng ta cần điều chỉnh chiết áp cho đến khi điện áp tại C và D bằng nhau, trong điều kiện đó dòng điện qua điểm C và D sẽ bằng 0 và số đọc Điện kế sẽ bằng 0, ở vị trí cụ thể đó Cầu Wheatstone sẽ được gọi là Điều kiện cân bằng. Hoạt động hoàn chỉnh này được giải thích trong Video dưới đây:
Thí dụ
Chúng ta hãy lấy một ví dụ để hiểu khái niệm về cầu Wheatstone, khi chúng ta lấy một cây cầu không cân bằng để tính giá trị thích hợp cho Rx (lực cản chưa biết) để cây cầu cân bằng. Như chúng ta đã biết nếu hiệu điện thế rơi qua điểm C và D bằng 0 thì cây cầu ở trạng thái cân bằng.
Theo sơ đồ mạch, Đối với nhánh thứ nhất của ADB, Vc = {R2 / (R1 + R2)} * Vs
Khi đặt các giá trị trong công thức trên, Vc = {80 / (40 + 80)} * 12 = 8 vôn
Đối với ACB nhánh thứ hai, Vd = {R4 / (R3 + R4)} * Vs Vd = {120 / (360+ 120)} * 12 = 3 vôn
Vậy hiệu điện thế giữa điểm C và điểm D là:
Vout = Vc - Vd = 8 - 3 = 5 vôn
Nếu sự khác biệt của điện áp rơi trên C và D là dương hoặc âm (dương hoặc âm cho thấy chiều của mất cân bằng), nó cho thấy rằng cầu không cân bằng và để làm cho nó cân bằng, chúng ta cần một giá trị khác của điện trở thay thế cho R4.
Giá trị của điện trở R4 cần để mạch cân bằng là:
R4 = (R2 * R3) / R1 (điều kiện của cầu cân bằng) R4 = 80 * 360/40 R4 = 720 ohm
Do đó, giá trị của R4 cần thiết để cân bằng cầu là 720 Ω, bởi vì nếu cầu cân bằng thì chênh lệch điện áp rơi qua C và D bằng 0 và nếu bạn có thể sử dụng điện trở 720 Ω thì chênh lệch điện áp sẽ bằng không.
Các ứng dụng
- Chủ yếu được sử dụng để đo giá trị rất thấp của điện trở không xác định có phạm vi mili-ohm.
- Nếu sử dụng biến thể với cầu Wheatstone, chúng ta cũng có thể xác định giá trị của một số thông số như điện dung, điện cảm và trở kháng.
- Bằng cách sử dụng cầu Wheatstone với bộ khuếch đại hoạt động, nó giúp đo các thông số khác nhau như nhiệt độ, độ căng, ánh sáng, v.v.