휘트스톤 브리지

휘트스톤 브리지

휘트스톤 브리지(Wheatstone Bridge)는 널 중심값을 제공하기 위해 연결된 4개의 저항 조합에 부여된 이름입니다.

찰스 휘트스톤(Charles Wheatstone)이 개념으로 개발한 휘트 스톤 브릿지( Wheatstone Bridge ) 다이아몬드형 회로는 가변저항과 간단한 수학공식을 이용하여 미지의 저항값을 정확하게 측정하거나 측정기기, 전압계, 전류계 등을 교정하는 수단으로 사용될 수 있다. .

오늘날 디지털 멀티미터는 저항을 측정하는 가장 간단한 방법을 제공합니다. 휘트 스톤 브리지를
사용하면 알려지지 않은 저항과 알려진 저항을 비교하여 밀리옴( mΩ ) 범위의 매우 낮은 저항 값을 측정할 수 있는 값을 결정할 수 있습니다 .

휘트스톤 브리지(또는 저항 브리지) 회로는 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있으며 오늘날 최신 연산 증폭기에서는 휘트스톤 브리지 회로를 사용하여 다양한 변환기와 센서를 이러한 증폭기 회로에 인터페이스할 수 있습니다.

휘트스톤 브리지 회로는 전압 공급 단자와 접지 사이에 연결된 두 개의 간단한 직렬 병렬 저항 배열로, 균형을 이룰 때 두 병렬 분기 사이에 전압 차이가 0이 됩니다. 휘트스톤 브리지 회로에는 그림과 같이 친숙한 다이아몬드 모양 배열로 구성된 4개의 저항기로 구성된 2개의 입력 단자와 2개의 출력 단자가 있습니다. 이것은 휘트스톤 다리(Wheatstone bridge)가 그려지는 전형적인 방식입니다.

 

휘트스톤 브리지

균형이 맞춰지면 휘트스톤 브리지는 병렬로 연결된 두 개의 직렬 스트링으로 간단히 분석할 수 있습니다. 직렬 저항기 에 대한 튜토리얼에서 우리는 직렬 체인 내의 각 저항기가 옴스 법칙에 정의된 대로 저항기를 통해 흐르는 전류의 결과로 IR 강하 또는 전압 강하를 생성한다는 것을 확인했습니다. 아래의 직렬 회로를 고려하십시오.

두 저항이 직렬로 연결되어 있으므로 두 저항 모두에 동일한 전류( i )가 흐릅니다. 따라서 직렬로 연결된 두 저항기를 통해 흐르는 전류는 V/R T 로 제공됩니다 .

I = V ¼ R = 12V ¼ (10Ω + 20Ω) = 0.4A

하부 저항 R2 의 전압 강하이기도 한 지점 C 의 전압은 다음과 같이 계산됩니다.

V R2  = I × R 2  = 0.4A × 20Ω = 8V

그런 다음 소스 전압 VS가 V R1  = 4V 및 V R2  = 8V 와 같이 저항에 정비례하여 두 개의 직렬 저항으로 나누어지는 것을 볼 수 있습니다 . 이것이 전압 분배의 원리이며 일반적으로 전위 분배 회로 또는 전압 분배 네트워크라고 불리는 것을 생성합니다.

이제 첫 번째 것과 병렬로 동일한 저항 값을 사용하여 다른 직렬 저항 회로를 추가하면 다음 회로가 됩니다.

두 번째 직렬 회로는 첫 번째와 동일한 저항 값을 갖기 때문에 저항기 양단의 전압 강하이기도 한 지점 D 의 전압 R4 는 0(배터리 음극)을 기준으로 8V에서 동일합니다. 전압은 공통이고 두 저항 네트워크는 동일합니다.

그러나 마찬가지로 중요한 또 다른 점은 두 지점이 다음과 같이 8V의 동일한 값에 있기 때문에 지점 C 와 지점 D 사이의 전압 차이가 0V가 된다는 것입니다. C = D = 8V , 그러면 전압 차이는 0V 입니다.

이런 일이 발생하면 지점 C 의 전압이 지점 D 의 전압과 동일한 값이고 차이가 0이기 때문에 병렬 브리지 네트워크의 양쪽이 균형을 이룬다고 합니다 .

이제 R 1 및 R 2 에 대해 두 번째 병렬 분기에서 두 저항 R 3 및 R 4 의 위치를 ​​바꾸면 어떤 일이 발생하는지 생각해 보겠습니다 .

 

저항 R 3 과 R 4가 반전되면 동일한 전류가 직렬 조합을 통해 흐르고 저항 양단의 전압 강하이기도 한 지점 D 의 전압 R 4 는 다음과 같습니다.

V R4  = 0.4A × 10Ω = 4V

이제 VR4에서 4V 가 강하되면 지점 C 와 D 사이의 전압 차이는 다음과 같이 4V가 됩니다. C = 8V 및 D = 4V . 그렇다면 이번 차이는 8 – 4 = 4V 입니다.

두 저항기를 교체한 결과 병렬 네트워크의 양쪽 또는 "암"이 서로 다른 전압 강하를 생성하므로 달라집니다. 이런 일이 발생하면 지점 C 의 전압이 지점 D 의 전압과 다른 값이기 때문에 병렬 네트워크가 불균형 하다고 합니다 .

그러면 이 두 병렬 암인 ACB 와 ADB 의 저항 비율에 따라 0V (밸런스)와 최대 공급 전압(언밸런스) 사이에 전압 차이가 발생하는 것을 알 수 있으며 이것이 휘트스톤 브리지 회로 의 기본 원리입니다 .

따라서 우리는 휘트스톤 브리지 회로를 사용하여 알려지지 않은 저항 R X를 알려진 값의 다른 저항(예: R 1 및 R 2 ) 과 비교하는 데 사용할 수 있으며 고정 값을 가지며 R 3은 가변적일 수 있음을 알 수 있습니다. C 와 D 사이에 전압계, 전류계 또는 전통적인 검류계를 연결한 다음 미터가 0을 읽을 때까지 저항 R 3을 변경하면 두 암이 균형을 이루고 R X 값이 발생합니다 ( R 4 대체 ). 표시된 것으로 알려져 있습니다.

휘트스톤 브리지 서킷

위 의 R 4를 R X 에 해당하는 휘트스톤 브리지의 감지 암에서 알려지거나 알려지지 않은 값의 저항으로 대체 하고 반대 저항 R 3을 조정하여 브리지 네트워크의 "균형을 맞추면" 전압 출력이 0이 됩니다. 그러면 다음과 같은 경우에 균형이 발생하는 것을 볼 수 있습니다.

미지의 저항 값인 R X 를 계산하는 데 필요한 휘트스톤 브리지 방정식은 다음과 같이 제공됩니다.

저항기의 경우 R 1 및 R 2 는 알려진 값이거나 미리 설정된 값입니다.

예시 1

다음과 같은 불균형 휘트스톤 브리지가 건설됩니다. C 점 과 D 점의 출력 전압 과 브리지 회로의 균형을 맞추는 데 필요한 저항기 R4 의 값을 계산합니다.

첫 번째 시리즈 암인 ACB

두 번째 시리즈 부문의 경우 ADB

점 CD 의 전압은 다음과 같이 주어진다.

브리지의 균형을 맞추는 데 필요한 저항기 R 4 값은 다음과 같습니다.

위에서는 휘트스톤 브리지에 2개의 입력 단자( AB )와 2개의 출력 단자( CD )가 있음 을 확인했습니다 . 브리지가 균형을 이룰 때 출력 단자의 전압은 0V입니다. 그러나 브리지가 불균형한 경우 출력 전압은 불균형 방향에 따라 양 또는 음이 될 수 있습니다.

휘트스톤 브리지 광검출기

균형 잡힌 브리지 회로는 빛의 강도, 압력 또는 변형의 변화를 측정하는 데 사용되는 등 많은 유용한 전자 응용 분야를 찾습니다. 휘트스톤 브리지 회로 내에서 사용할 수 있는 저항 센서 유형에는 포토레지스트 센서(LDR), 위치 센서(전위차계), 압전 저항 센서(스트레인 게이지) 및 온도 센서(서미스터) 등이 있습니다.

전체 범위의 기계적 및 전기적 양을 감지하기 위한 휘트스톤 브리지 애플리케이션이 많이 있지만 매우 간단한 휘트스톤 브리지 애플리케이션 중 하나는 포토레지스트 장치를 사용하여 빛을 측정하는 것입니다. 브리지 네트워크 내의 저항기 중 하나는 광 의존 저항기(LDR)로 대체됩니다.

카드뮴-황화물(Cds) 광전지라고도 알려진 LDR은 가시 광선 수준의 변화를 저항 변화, 즉 전압으로 변환하는 수동 저항 센서입니다. 광 의존형 저항기는 광도 수준이나 광원이 켜져 있는지 꺼져 있는지를 모니터링하고 측정하는 데 사용할 수 있습니다.

ORP12 광 의존 저항기와 같은 일반적인 황화 카드뮴(CdS) 셀은 일반적으로 어둡거나 희미한 조명에서 약 1MΩ의 저항을 갖고, 100Lux의 광도(일반적으로 조명이 밝은 방)에서 약 900Ω의 저항을 갖습니다. 밝은 햇빛에서는 약 30Ω까지 내려갑니다. 그러면 빛의 강도가 증가함에 따라 저항이 감소합니다. 위의 휘트스톤 브리지 회로에 광 의존 저항을 연결하면 표시된 대로 광 레벨의 변화를 모니터링하고 측정할 수 있습니다.

빛 감지

LDR 광전지는 그림과 같이 휘트스톤 브리지 회로에 연결되어 감지된 조도가 VR1 에 의해 결정된 사전 설정 값보다 높거나 낮을 때 활성화되는 감광 스위치를 생성합니다 . 이 예에서 V R1은 22k 또는 47kΩ 전위차계입니다.

연산 증폭기는 비반전 핀에 기준 전압 V D 를 인가하는 전압 비교기로 연결됩니다. 이 예에서는 R 3 과 R 4 모두 동일한 10kΩ 값이므로 D 지점에 설정된 기준 전압은 Vcc의 절반과 같습니다. 그것은 Vcc/2 입니다 .

전위차계 V R1 은 반전 입력에 적용되는 트립 포인트 전압 V C 를 설정 하고 필요한 공칭 조명 수준으로 설정됩니다. C 점의 전압이 D 점의 전압보다 낮을 때 릴레이가 "ON"됩니다 .

V R1을 조정하면 C 지점의 전압이 설정되어 필요한 조명 수준이나 강도에서 브리지 회로의 균형을 이룰 수 있습니다. LDR은 낮은 조도에서 높은 임피던스를 갖고 높은 조도에서 낮은 임피던스를 갖는 황화 카드뮴 장치일 수 있습니다.

설계 내에서 LDR 및 R 3 위치 를 바꾸기만 하면 회로를 "밝은 활성화" 스위칭 회로 또는 "어두운 활성화" 스위칭 회로로 작동하는 데 사용할 수 있습니다 .

휘트 스톤 브리지는 알려지지 않은 저항과 알려진 저항을 비교하는 것 외에 전자 회로에서 많은 용도로 사용됩니다. 연산 증폭기와 함께 사용하면 휘트스톤 브리지 회로를 사용하여 위에서 본 것처럼 빛 강도의 변화로 인한 저항 R X 의 작은 변화를 측정하고 증폭할 수 있습니다.

그러나 브리지 회로는 다른 변화하는 양의 저항 변화를 측정하는 데에도 적합하므로 위의 포토 저항성 LDR 광 센서를 서미스터, 압력 센서, 스트레인 게이지 및 기타 변환기용으로 교체하고 위치를 교환합니다. LDR 및 V R1을 사용 하면 다양한 기타 Wheatstone 브리지 애플리케이션에 사용할 수 있습니다.

또한 저항기 R1 ~ R4 에 의해 형성된 브리지의 4개 암(또는 분기) 내에서 두 개 이상의 저항성 센서를 사용하여 다음을 제공하는 "풀 브리지", "하프 브리지" 또는 "쿼터 브리지 회로 배열"을 생성할 수 있습니다 . 휘트스톤 브리지의 열 보상 또는 자동 균형 조정.