مدار پل وتستون (Wheatstone Bridge Circuit)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit) را در آموزش زیر شرح دادیم :
مدار پل وتستون (Wheatstone Bridge Circuit) :
مدار پل وتستون (Wheatstone Bridge) یکی از معروف ترین و پرکاربردترین مدارهای پل است که برای اندازه گیری دقیق مقاومت الکتریکی مجهول استفاده می شود. این مدار در سال ۱۸۳۳ توسط ساموئل هانتر کریستی اختراع و بعدها توسط چارلز وتستون بهبود یافت و به نام او مشهور شد. پل وتستون اساس کار بسیاری از سنسورهای مقاومتی مانند کرنش سنج ها (Strain Gauges) و سنسورهای دما (RTDها) را تشکیل می دهد.
ساختار: پل وتستون از چهار مقاومت تشکیل شده است که در یک حلقه بسته به شکل لوزی یا مربع متصل شده اند. چهار مقاومت عبارتند از:
\[ R_1 \],
\[ R_2 \],
\[ R_3 \](که معمولا مقاومت های معلوم و قابل تنظیم هستند) و
\[ R_x \](مقاومت مجهول). یک منبع ولتاژ DC بین دو رأس مخالف پل (معمولا نقاط A و C) وصل می شود. یک گالوانومتر (Galvanometer) یا ولت سنج حساس بین دو رأس دیگر پل (نقاط B و D) قرار می گیرد تا جریان یا ولتاژ بین این دو نقطه را اندازه گیری کند.
اصل تعادل (Balance): پل وتستون بر اساس اصل مقایسه ولتاژها کار می کند. با تغییر مقاومت
\[ R_3 \](یا هر مقاومت معلوم دیگری) می توان ولتاژ بین نقاط B و D را به صفر رساند. در این حالت گفته می شود که پل در حالت تعادل (Balanced) قرار دارد. در حالت تعادل، رابطه زیر بین مقاومت ها برقرار است:
\[ \frac{R_1}{R_2} = \frac{R_3}{R_x} \]با دانستن مقادیر
\[ R_1 \],
\[ R_2 \]و
\[ R_3 \]در حالت تعادل، می توان مقاومت مجهول
\[ R_x \]را محاسبه کرد:
\[ R_x = R_3 \cdot \frac{R_2}{R_1} \]دقت این روش بسیار بالا است، زیرا به ولتاژ منبع و حساسیت گالوانومتر بستگی ندارد و فقط به نسبت مقاومت ها وابسته است.
پل نامتعادل (Unbalanced Bridge): در بسیاری از کاربردهای سنسوری، پل در حالت نامتعادل به کار می رود. در این حالت، تغییرات کوچک در مقاومت
\[ R_x \](مثلا ناشی از کرنش یا دما) باعث ایجاد یک ولتاژ خروجی متناسب در نقاط B و D می شود. با اندازه گیری این ولتاژ می توان به تغییرات مقاومت و در نتیجه به کمیت فیزیکی مورد نظر (مانند نیرو یا دما) پی برد. پل های نیمه پل (Half-Bridge) و تمام پل (Full-Bridge) نیز از این مفهوم استفاده می کنند.
کاربردها:
⭐ اندازه گیری دقیق مقاومت ها.
⭐ سنسورهای کرنش سنج (Strain Gauge): برای اندازه گیری نیرو، فشار، گشتاور.
⭐ سنسورهای دمای مقاومتی (RTD).
⭐ پیزورزیستیوها (Piezoresistive sensors).
