پل ویتستون چیست ؟ تشریح تئوری مدار و کاربرد آن در اندازه گیری

کاربرد مدار پل ویتستون  در اندازه گیری کمیت های مختلف  ، اندازه گیری در علوم تجربی و الکترونیک از اهمیت بالایی برخوردار است. و در برای اندازه گیری پارامتر های مختلف الکتریکی و الکترونیکی از مدارات پل استقاده می شود.

در درس ابزارهای اندازه گیری الکتریکی و الکترونیکی انواع مدارات پل را برسی می کنند و در جدول زیر خلاصه این مدارات پل را میتوانید ببینید.

ردیف	نام پل	نام لاتین پل	کاربرد (پارامترهای قابل اندازه گیری)
1	پل ویتستون	Wheatstone	اندازه گیری مقاومت مجهول
2	پل آندرسون	Anderson	اندازه گیری خودالقائی هسته
3	De-sauty	De-sauty	برای اندازه گیری ظرفیت خازنی خیلی کوچک
4	پل ماکسول	Maxwell	اندازه گیری اندوکتانس مجهول
5	پل کلوین	Kelvin	برای اندازه گیری مقاومت الکتریکی زیر 1 اهم
6	پل وین	Wein	اندازه گیری ظرفیت خازنی در شرایط مقاومت و فرکانس
7	پل هی	Hay	برای اندازه گیری سلف های بالا

در اینجا ما میخواهیم در مورد پل ویتستون صحبت کنیم که برای اندازه گیری مقاوت مجهول بکار میرود. درسته حالا در این زمانه با مولتی متر ها مقدار مقاومت مجهول را بطور ساده اندازه گیری می کنند.   ولی مزیت پل ویتستون این است که میتواند مقدار مقاومت های خیلی پایین در رنج میلی اهم را نیز اندازه گیری کند.

مقاله مرتبط : انواع مقاومت های الکتریکی و کاربرد آنها

مدار پل ویتستون

سامل هانتر کریستی ، پل ویتستون را در سال 1833 ابداع کرد و این پل توسط سیر چارلز ویتستون در سال1843 بهینه و مشهور شد. پل ویتستون از اتصال چهار مقاومت که یک پل را شکل میدهند ساخته می شود.

پل برای پیدا کردن یک مقاومت مجهول متصل شده به دو مقاومت معلوم ، یک مقاومت متغیر و یک گالوانومتر استفاده می شود.

برای پیدا کردن مقدار مقاومت مجهول مقاومت متغیر را تغییر میدهیم تا گالوانومتر صفر بشه. این نقطه ، نقطه بالانس پل ویتستون است.

همانطور در شکل می بینیم R1 و R2 معلوم هستن و مقاومت R3 متغیر و مقاومت Rx مجهول است. و مدار به تغذیه DC وصل شده است.

حال وقتی پل در حالت بالانس باشه ، جریانی از گالوانومتر عبور نخواهد کرد و جریان  I1 از R1 و R2 عبور می کند.  و جریان I2  از R2 و Rx عبور خواهد کرد. در این حالت با فرمول زیر میتوانیم مقاومت مجهول را پیدا کنیم. دقت داشته باشید این فرمول در حالتی صادق هست که هیچ جریانی از بین دو نقطه C  و D  جریان پیدا نکنه.

V = IR (قانون اهم)

VR1 = I1 * R1         معادله 1

VR2 = I1 * R2         معادله 2

VR3 = I2 * R3         معادله 3

VRx = I2 * Rx         معادله 4

 

افت ولتاژ روی مقاومت های R1 و R3 برابر افت ولتاژ روی مقاومت های R2  و R4  در حالت بالانس است.

I1 * R1 = I2 * R3      معدله 5

I1 * R2 = I2 * Rx      معادله 6

 

از روی معادله های بالا به نتیجه زیر میرسیم

R1 / R2 = R3 / Rx

Rx = (R2 * R3) / R1

 

بنابراین مقاومت Rx که مقاومت مجهول ما بود مقدارش پیدا شد و این نحوه عملکرد پل ویستون بود.

در عمل مقاومت متغیر را آنقدر تغییر میدهند تا جریان عبوری از از گالوانومتر صفر شود.  این حالت پل را ، بالانس پل ویتستون می گویند. صفر کردن جریان عبوری از گالوانومتر دقت بالایی را میدهد. اما کوچکترین تغییر در مقاومت متغیر میتونه وضعیت بالانس را بهم بزنه.

در شرایط بالانس معادله زیر درست است

R1 / R2 = R3 / Rx

حال ، دراین وضعیت ما مقادیر مقاومت های R1,R2 و همچنین R3 ، از فرمول بالا پیدا کردن Rx خیلی ساده است.

Rx = R2 * R3 / R1

نکته مهم و کاربردی : بازم تکرار میکنیم که معادلات بالا در شرایطی صادق هستن که جریان عبوری از بین نقاط C  و D  صفر باشد.  وقتی جریان نقاط C   و D  صفر می شوند که ولتاژ دو نقطه برابر یا بعبارتی اختلاف پتانسیل دو نقطه C  و D صفر باشد.

کاربردهای پل ویتستون

• اکثرا برای اندازه گیری مقاومت های خیلی پایین در رنج میلی اهم کاربرد دارد.
• اگر از یک وریستور(مقاومت متغیر با ولتاژ) با پل ویتستون استفاده کنیم میتوانیم پارامترهای دیگر از جمله امپدانس خازنی و سلفی را نیز حساب کنیم.
• با ترکیب پل ویتستون و تقویت کننده عملیاتی میتوانیم پارامترهای مختلف از جمله دما ، فشار ، نور و … را نیز اندازه گیری کنیم.

مقاله مرتبط :  مقاومت های Pull-up ، کاربرد و محاسبه

مقاله مرتبط :  تولید مقاومت های SMD در توان 3 وات

منبع: circuitdigest

اگر این نوشته‌ برایتان مفید بود لطفا کامنت بنویسید.

مطالعه دیگر جلسات این آموزش

<< جلسه قبلی                    جلسه بعدی >>