آموزش الکترونیکالکترونیک

پل وتستون چیست به زبان ساده (آموزش مدار پل ویتستون)

“قلب علم، اندازه گیری است”، و برای یافتن انواع پارامتر های الکتریکی و الکترونیکی از مدار های پل برای اندازه گیری استفاده می شود. جدول زیر پل های مختلف را با کاربرد هایی که دارند نشان می دهد:

تعداد     نام پل  پارامتری که تعیین می شود
1. ویتستون  یک مقاومت مجهول را اندازه گیری می کند
2. اندرسون  اندازه گیری خود القایی سیم پیچ
3. دی ساوتی  اندازه گیری مقادیر کوچک ظرفیت
4. ماکسول  اندازه گیری اندوکنانس مجهول
5. کلوین  برای اندازه گیری مقاومت های الکتریکی مجهول زیر 1 اهم استفاده می شود.
6. وین  اندازه گیری ظرفیت خازنی از نظر مقاومت و فرکانس
7. های  اندازه گیری سلف مجهول با مقدار بالا

در اینجا، ما می خواهیم در مورد پل ویتستون صحبت کنیم که برای اندازه گیری مقاومت مجهول استفاده می شود. امروزه مولتی متر دیجیتال به روشی ساده مقدار مقاومت را اندازه گیری می کند. اما مزیتی که پل ویتستون در این مورد دارد، اندازه گیری مقادیر بسیار کم مقاومت در محدوده میلی اهم است.

پل ویتستون چیست؟

ساموئل هانتر کریستی در سال 1833 پل ویتستون را اختراع کرد و این پل توسط چارلز ویتستون در سال 1843 بهبود و محبوبیت یافت. پل ویتستون اتصال چهار مقاومت است که یک پل را تشکیل می دهد. چهار مقاومت در مدار به عنوان بازو های پل نامیده می شوند.

از این پل برای یافتن مقدار یک مقاومت مجهول متصل به دو مقاومت معلوم، یک مقاومت متغیر و یک گالوانومتر استفاده می شود. برای یافتن مقدار مقاومت مجهول، انحراف روی گالوانومتر با تنظیم مقاومت متغیر به صفر می رسد. این نقطه به عنوان نقطه تعادل پل ویتستون شناخته می شود.

مدار پل ویتستون با مقاومت

برای یادگیری کامل آردوینو ، روی دوره آموزش آردوینو و برای یادگیری کامل الکترونیک، روی دوره آموزش الکترونیک کلیک کنید.

همانطور که در شکل می بینیم، R1 و R2 مقاومت معلوم هستند. R3 مقاومت متغیر و Rx مقاومت مجهول است. این پل به منبع DC (باتری) متصل است.

اکنون اگر پل در شرایط متعادل باشد، نباید هیچ جریانی از گالوانومتر عبور کند و جریان یکسان I1 بین R1 و R2 جاری خواهد شد. برای R3 و Rx نیز همین طور است، یعنی جریان I2 برای R3 و Rx کاملاً ثابت خواهد ماند. بنابراین در زیر محاسبات برای پیدا کردن مقدار مقاومت مجهول هنگامی که پل در شرایط متعادل قرار دارد (بدون جریان جاری بین نقطه C و D) آورده شده است.

V = IR (بر اساس قانون اهم)
VR1 = I1 * R1         ... معادله (1)
VR2 = I1 * R2         ... معادله (2)
VR3 = I2 * R3         ... معادله (3)
VRx = I2 * Rx         ... معادله (4)

در شرایط تعادل پل، افت ولتاژ در R1 و R3 یکسان است و افت ولتاژ در R2 و R4 نیز یکسان است.

I1 * R1 = I2 * R3      ... معادله (5)
I1 * R2 = I2 * Rx      ... معادله (6)

با تقسیم معادله (5) بر معادله (6) داریم:

R1 / R2 = R3 / Rx
Rx = (R2 * R3) / R1

بنابراین، از اینجا مقدار Rx را بدست می آوریم که مقاومت مجهول ما است و از این رو پل ویتستون به اندازه گیری مقاومت مجهول کمک می کند.

مطلب پیشنهادی:  مقاومت چیست و چکار میکند؟ (به زبان ساده)

عملکرد پل وتستون

عملاً مقدار مقاومت متغیر تاجایی تنظیم می شود که مقدار جریان از طریق گالوانومتر صفر شود. در این مرحله، پل به عنوان پل متعادل ویتستون نامیده می شود. دریافت جریان صفر از طریق گالوانومتر دقت بالایی می خواهد، زیرا یک تغییر جزئی در مقاومت متغیر می تواند شرایط تعادل را بهم بزند.

همانطور که در شکل نشان داده شده است، چهار مقاومت در پلR1 ، R2 ، R3 و Rx وجود دارد. R1 و R2 مقاومت معلوم هستند، R3 مقاومت متغیر و Rx مقاومت مجهول است. اگر نسبت مقاومت های معلوم برابر با نسبت مقاومت متغیر تنظیم شده و مقاومت مجهول باشد، در آن شرایط هیچ جریانی از گالوانومتر عبور نخواهد کرد.

در شرایط متعادل:

اکنون، در این مرحله مقدار R1 ، R2 و R3 را داریم، بنابراین یافتن مقدار Rx از فرمول بالا آسان است.

از شرایط بالا:

همچنین اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید
R1 / R2 = R3 / Rx

از این رو، با توجه به اینکه جریان از طریق گالوانومتر صفر است، مقدار مقاومت مجهول از این فرمول محاسبه می شود:

Rx = R2 * R3 / R1

بنابراین ما باید پتانسیومتر را تا جایی تنظیم کنیم که ولتاژ در C و D برابر باشد، در این حالت جریان در نقطه C و D صفر و انحراف گالوانومتر نیز صفر خواهد بود، در این موقعیت خاص پل ویتستون در شرایط متعادل خواهد بود. این عملکرد بطور کامل در ویدئوی زیر توضیح داده شده است.

مثال برای پل ویتستون

بیایید برای درک مفهوم پل ویتستون مثالی بزنیم، ما یک پل نامتعادل را برای محاسبه مقدار مناسب Rx (مقاومت مجهول) برای تعادل پل در نظر گرفتیم. همانطور که می دانیم اگر اختلاف افت ولتاژ در نقاط C و D صفر باشد، پل در شرایط تعادل است.

مثال برای پل ویتستون

مطابق شکل مدار:

برای اولین بازوی ADB:

Vc = {R2 / (R1 + R2)}* Vs

با قرار دادن مقادیر در فرمول بالا داریم:

Vc = {80 / (40 + 80)}* 12 = 8 volts

برای بازوی دوم ACB:

Vd = {R4 / (R3 + R4)}* Vs
Vd = {120 /(360+ 120)}*12 = 3 volts

بنابراین، اختلاف ولتاژ بین نقطه C و D بدست می آید:

Vout = Vc - Vd = 8 - 3 = 5 volts

اگر اختلاف افت ولتاژ در C و D مثبت یا منفی باشد (مثبت یا منفی جهت عدم تعادل را نشان می دهد)، این نشان می دهد که پل نامتعادل است و برای ایجاد تعادل به مقدار متفاوت دیگری از مقاومت برای جایگزینی در R4 نیاز داریم.

مقدار مقاومت R4 مورد نیاز برای تعادل مدار:

R4 = (R2 * R3) / R1 (condition of balance bridge)
R4 = 80 * 360 / 40
R4 = 720 ohm

از این رو، مقدار مقاومت R4 مورد نیاز برای تعادل پل 720 اهم است، زیرا اگر پل در حالت تعادل باشد اختلاف افت ولتاژ در C و D صفر است و اگر بتوانید از مقاومت 720 اهم استفاده کنید، اختلاف ولتاژ صفر خواهد بود.

کاربرد پل ویتستون

  • عمدتا در اندازه گیری مقدار مقاومت مجهول بسیار کم در محدوده میلی اهم استفاده می شود.
  • در صورت استفاده از واریستور (مقاومت نیمه هادی با دو الکترود که مقاومت آن به نسبت عکس ولتاژ در هر جهت تغییر می کند) با پل ویتستون، می توانیم مقدار برخی از پارامتر ها مانند ظرفیت، اندوکتانس و امپدانس را نیز مشخص کنیم.
  • با استفاده از پل ویتستون با تقویت کننده عملیاتی به اندازه گیری پارامتر های مختلف مانند دما، فشار، نور و… کمک می کند.

میخواهید برنامه نویسی STM32 را یاد بگیرید؟

دوره آموزش STM32

میخواهید الکترونیک را یاد بگیرید؟

دوره آموزش الکترونیک
دوره آموزش آردوینو

میخواهید آردوینو را به صورت پروژه محور یاد بگیرید؟ برای مشاهده توضیحات روی دوره مورد نظر کلیک کنید

برای دریافت مطالب جدید در کانال تلگرام یا پیج اینستاگرام آیرنکس عضو شوید.

محمد رحیمی

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید) سعی میکنم تمام نظرات را پاسخ دهم.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *