惠斯通電橋

惠斯通電橋的名稱是四個(gè)電阻的組合，以給出零中心值

該惠斯登電橋最初是由查爾斯惠斯通研究出一種測(cè)定未知電阻值和作為校準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器，電壓表，電流表，等，通過(guò)使用長(zhǎng)的電阻滑線的的手段。

盡管今天數(shù)字萬(wàn)用表提供了最簡(jiǎn)單的測(cè)量電阻的方法。在惠斯登電橋仍然可以用來(lái)測(cè)量倒在毫歐范圍的電阻非常低的值。

惠斯通電橋（或電阻橋）電路可用于多種應(yīng)用，如今，借助現(xiàn)代運(yùn)算放大器，我們可以使用惠斯通電橋電路將各種傳感器和傳感器連接到這些放大器電路。

惠斯通電橋電路無(wú)非就是兩個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)-并聯(lián)排列的電阻，這些電阻串聯(lián)在電源端子和地之間，平衡后在兩個(gè)并聯(lián)分支之間產(chǎn)生零電壓差。惠斯通電橋電路具有兩個(gè)輸入端子和兩個(gè)輸出端子，該輸出端子由四個(gè)以菱形排列形式配置的電阻組成，如圖所示。這是惠斯通電橋繪制的典型方式。

惠斯通電橋

平衡后，惠斯通電橋可以簡(jiǎn)單地分析為兩個(gè)并聯(lián)的串聯(lián)弦。在有關(guān)串聯(lián)電阻的教程中，我們看到串聯(lián)電阻中的每個(gè)電阻都會(huì)由于IRms所定義的電流流過(guò)電阻而產(chǎn)生IR降或電壓降。考慮下面的串聯(lián)電路。

串聯(lián)電阻電路

由于兩個(gè)電阻器串聯(lián)，因此相同的電流（i）流經(jīng)兩個(gè)電阻器。因此流過(guò)串聯(lián)的兩個(gè)電阻器的電流被給出為：V / R ?。

I = V÷R = 12V÷（10Ω+20Ω）= 0.4A

C點(diǎn)的電壓，也就是下電阻R 2兩端的壓降，計(jì)算如下：

V R2  = I×R 2  = 0.4A×20Ω= 8伏

然后我們可以看到，電源電壓V S在兩個(gè)串聯(lián)電阻之間按與它們的電阻成正比的方式分配，即V R1  = 4V和V R2  = 8V。這就是分壓的原理，產(chǎn)生通常稱為分壓器電路或分壓器網(wǎng)絡(luò)的電路。

現(xiàn)在，如果我們添加另一個(gè)與第一個(gè)并聯(lián)使用相同電阻值的串聯(lián)電阻電路，我們將得到以下電路。

串聯(lián)并聯(lián)電阻電路

由于第二個(gè)串聯(lián)電路的電阻值與第一個(gè)串聯(lián)電路的電阻值相同，D點(diǎn)處的電壓（也是電阻兩端的電壓降）在8伏時(shí)相對(duì)于零（電池負(fù)極）與R 4相同。電壓是常見(jiàn)的，兩個(gè)電阻網(wǎng)絡(luò)是相同的。

但同樣重要的是，C點(diǎn)與D點(diǎn)之間的電壓差為零伏，因?yàn)閮蓚€(gè)點(diǎn)的值相同，均為8伏：C = D = 8伏，則電壓差為：0伏

發(fā)生這種情況時(shí)，由于C點(diǎn)處的電壓與D點(diǎn)處的電壓具有相同的值，且兩者之差為零，因此稱并聯(lián)橋網(wǎng)絡(luò)的兩端均處于平衡狀態(tài)。

現(xiàn)在讓我們考慮一下，如果將第二并聯(lián)支路中的兩個(gè)電阻R 3和R 4的位置相對(duì)于R 1和R 2顛倒，會(huì)發(fā)生什么情況。

反向電阻電路

電阻R 3和R 4反向時(shí)，相同的電流流經(jīng)串聯(lián)組合，并且D點(diǎn)處的電壓也為電阻R 4兩端的壓降為：

V R4  = 0.4A×10Ω= 4伏

現(xiàn)在，在V R4兩端跨接4伏特時(shí)，點(diǎn)C和D之間的電壓差將為4伏特，即：C = 8伏特，D = 4伏特。那么這次的差是：8 – 4 = 4伏

交換兩個(gè)電阻器的結(jié)果是，并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的兩端或“臂”不同，因?yàn)樗鼈儠?huì)產(chǎn)生不同的壓降。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，由于點(diǎn)C處的電壓與點(diǎn)D處的電壓不同，因此稱并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)不平衡。

然后我們可以看到，這兩個(gè)并聯(lián)臂ACB和ADB的電阻比導(dǎo)致0伏（平衡）和最大電源電壓（不平衡）之間的電壓差，這是惠斯通電橋電路的基本原理。

因此，我們可以看到惠斯通電橋電路可用于比較未知電阻R X與其他已知電阻值，例如R 1和R 2具有固定值，并且R 3可以變化。如果我們?cè)?/span>C點(diǎn)和D點(diǎn)之間連接了電壓表，電流表或傳統(tǒng)的檢流計(jì)，然后改變電阻R 3直到電表讀數(shù)為零，將導(dǎo)致兩個(gè)臂平衡并且R X的值（用R 4代替）。如圖所示。

惠斯通電橋電路

惠斯通電橋電路

通過(guò)在惠斯通電橋的感測(cè)臂中用對(duì)應(yīng)于R X的惠斯通電橋的感應(yīng)臂中的已知或未知值的電阻代替上面的R 4，并調(diào)節(jié)相對(duì)的電阻器R 3以“平衡”橋網(wǎng)絡(luò)，將導(dǎo)致零電壓輸出。然后我們可以看到在以下情況下發(fā)生了平衡：

惠斯通電橋比

得到未知電阻的值所需的惠斯登電橋方程，- [R X在平衡被給定為：

惠斯通電橋方程

其中電阻R 1和R 2是已知值或預(yù)設(shè)值。

惠斯通電橋?qū)嵗?/span>1

建造了以下不平衡惠斯通電橋。計(jì)算點(diǎn)C和D兩端的輸出電壓以及平衡電橋電路所需的電阻R 4的值。

惠斯通電橋的例子

對(duì)于第一系列手臂，ACB

惠斯通電橋臂acb

對(duì)于第二系列，亞行

惠斯通電橋臂亞行

CD點(diǎn)之間的電壓為：

惠斯通電橋電壓

平衡電橋所需的電阻R 4的值為：

平衡電阻

上面我們已經(jīng)看到惠斯通電橋具有兩個(gè)輸入端子（AB）和兩個(gè)輸出端子（CD）。當(dāng)電橋平衡時(shí)，輸出端子之間的電壓為0伏。但是，當(dāng)電橋不平衡時(shí)，根據(jù)不平衡的方向，輸出電壓可以為正或負(fù)。

惠斯通電橋光探測(cè)器

平衡電橋電路發(fā)現(xiàn)了許多有用的電子應(yīng)用，例如用于測(cè)量光強(qiáng)度，壓力或應(yīng)變的變化?；菟雇姌螂娐分锌梢允褂玫碾娮鑲鞲衅鞯念愋桶ǎ汗庾鑲鞲衅鳎?/span>LDR），位置傳感器（電位計(jì)），壓阻傳感器（應(yīng)變儀）和溫度傳感器（熱敏電阻）等。

惠斯通電橋應(yīng)用有很多，可用于感測(cè)整個(gè)范圍的機(jī)械和電氣量，但是一種非常簡(jiǎn)單的惠斯通電橋應(yīng)用是使用光致抗蝕劑來(lái)測(cè)量光。橋網(wǎng)絡(luò)中的電阻之一被光敏電阻或LDR取代。

LDR，也稱為硫化鎘（Cds）光電管，是一種無(wú)源電阻式傳感器，可將可見(jiàn)光水平的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化，從而轉(zhuǎn)換為電壓的變化。光敏電阻器可用于監(jiān)視和測(cè)量光強(qiáng)級(jí)別，或者光源是打開還是關(guān)閉。

典型的硫化鎘（CdS）電池（例如，ORP12光敏電阻器）在暗或昏暗的光線下通常具有大約1兆歐（MΩ）的電阻，在100 Lux的光強(qiáng)度下（典型地是光線充足的房間）大約具有900Ω的電阻，在明亮的陽(yáng)光下低至約30Ω。然后，隨著光強(qiáng)度的增加，電阻減小。通過(guò)將光敏電阻器連接到上面的惠斯通電橋電路，我們可以監(jiān)視和測(cè)量如圖所示的任何亮度變化。

惠斯通電橋光探測(cè)器

惠斯通電橋光探測(cè)器

如圖所示，將LDR光電管連接到惠斯通電橋電路中，以產(chǎn)生一個(gè)光敏開關(guān)，當(dāng)感測(cè)到的光水平高于或低于V R1確定的預(yù)設(shè)值時(shí)，該開關(guān)便會(huì)激活。在這個(gè)例子中V R1或者是22K或47kΩ的電位器。

運(yùn)算放大器連接為電壓比較器，參考電壓V D施加至同相引腳。在此示例中，由于R 3和R 4都具有相同的10kΩ值，因此在點(diǎn)D處設(shè)置的參考電壓將等于Vcc的一半。那是Vcc / 2。

電位計(jì)V R1設(shè)置施加到反相輸入的跳變點(diǎn)電壓V C，并設(shè)置為所需的標(biāo)稱照明水平。當(dāng)點(diǎn)C的電壓小于點(diǎn)D的電壓時(shí)，繼電器“ ON” 。

調(diào)整V R1可以設(shè)置C點(diǎn)的電壓，以使電橋電路達(dá)到所需的光強(qiáng)度或強(qiáng)度。LDR可以是在低照度下具有高阻抗而在高照度下具有低阻抗的任何硫化鎘器件。

請(qǐng)注意，僅通過(guò)在設(shè)計(jì)中移置LDR和R 3位置，即可將該電路用作“光激活”開關(guān)電路或“暗激活”開關(guān)電路。

該惠斯登電橋具有比未知電阻與已知電阻比較其他電子電路有許多用途。當(dāng)與運(yùn)算放大器一起使用時(shí)，惠斯通電橋電路可用于測(cè)量和放大電阻R X的細(xì)微變化，例如，由于光強(qiáng)度的變化，如上所述。

但是電橋電路也適用于測(cè)量其他變化量的電阻變化，因此可以通過(guò)將上述光阻LDR光傳感器替換為熱敏電阻，壓力傳感器，應(yīng)變儀和其他此類傳感器，以及交換傳感器的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。在LDR和V R1，我們可以在其他各種惠斯登電橋應(yīng)用中使用它們。

同樣，在由電阻器R 1至R 4形成的橋的四個(gè)臂（或分支）內(nèi)可以使用一個(gè)以上的電阻傳感器，以產(chǎn)生“全橋”，“半橋”或“四分之一橋”電路裝置，從而提供惠斯通電橋的熱補(bǔ)償或自動(dòng)平衡。