Um circuito da Ponte Wheatstone é comumente usado para medir resistência, indutância, capacitância e impedância. Estes são compostos de quatro partes ou braços que são unidos em série em uma configuração de ponte como diamante. Estes quatro braços carregam os componentes individuais, como resistor, indutor ou capacitor conectados através das junções de peles.
Uma corrente alternada (AC) ou corrente direta (DC) é fornecida entre um par de junções opostas, e um medidor de exibição ou um circuito de saída é acoplado entre o outro par de junções opostas. Com este arranjo quando todos os quatro componentes são ajustados para ter valores iguais produz uma leitura nula ou 0 no medidor conectado. Este é o princípio básico de trabalho de um circuito de ponte de Wheatstone.
Principais características
Algumas das principais características de um circuito de ponte são dadas abaixo:
- Circuitos de ponte funcionam com base na teoria da indicação nula.
- A saída de uma ponte equilibrada é zero.
- A indicação é determinada pela calibração de um equipamento indicativo ou do medidor.
- Circuitos de ponte podem ser usados para medir medidas precisas.
- Circuitos externos adicionais podem ser controlados por circuitos de ponte.
- Um braço da ponte pode incluir um dispositivo detector sensível a parâmetros físicos, como temperatura ou pressão enquanto trabalha como controlador.
História
O circuito da ponte Wheatstone é o circuito de pontes mais conhecido e comumente estudado em aulas de eletrônica. É composto por um par de braços de resistência paralela, cada um com dois componentes de série, muitas vezes resistores. Para incluir uma fonte atual através da conexão, uma fonte de tensão DC está ligada entre uma rede em forma de diamante. Para identificar um estado de equilíbrio, um detector nulo, originalmente um galvanômetro barato e confiável, é anexado entre os braços paralelos.
Um pesquisador chamado S. H. Christie projetou este circuito como mostrado na Fig. 1 acima, no ano de 1833. Sua importância, infelizmente, não foi apreciada até 1847, quando Sir Charles Wheatstone demonstrou o método no qual seu circuito de ponte poderia ser usado para produzir medições elétricas confiáveis. Este circuito de ponte tornou-se conhecido como a ponte Wheatstone como resultado de seus pensamentos e experimentos.
A ponte Wheatstone provavelmente superou qualquer ferramenta de medição elétrica anterior. Embora ainda seja um dispositivo confiável e preciso, não é tão fácil de usar quanto os mais recentes multimetros digitais. No entanto, a ponte Wheatstone é capaz de fornecer até 0,1% de precisão.
A precisão pode ser comparável a erro de 3% a 5% normalmente encontrado em valores de resistência medidos com ohmmetros analógicos. A precisão do multimetro digital é determinada pelas especificações do medidor, como precisão e resolução de tensão DC.
Cálculos da Ponte Wheatstone
Ao medir um resistor desconhecido (Rx) através de uma ponte wheatstone, um dos resistores existentes é alterado até que a corrente que passa pelo detector nulo comece a cair para zero.
A ponte pode agora ser considerada em um estado equilibrado. Isso indica que a queda de tensão no resistor R3 é igual à queda de tensão através do resistor desconhecido Rx, e os dois resistores divisores R1 e R2 fornecem tensões idênticas.
Como resultado, esta operação pode ser expressa conforme dado com a seguinte equação:
(1) EU1 x R1 = Ix x Rx
No estado equilibrado, a queda de tensão entre os resistores R2 e R3 deve ser igual, o que significaria que:
(2) I2 x R2 = I3 x R3
Nesta situação equilibrada, uma vez que não há corrente flui através do medidor conectado, podemos supor que:
(3) EU2 = I1 e eu3 = Ix
Substituindo I2 com eu1 e eu3 com eux na primeira equação, temos:
(4) EU2 x R1 = I3 x Rx
Agora, dividindo a equação 2 pela equação 4, temos:
(5) R2/R1 = R3/Rx
A equação acima pode ser reorganizada como:
(6) R2 x Rx = R3 x R1
A equação 6 acima descreve as condições em que a ponte de Wheatstone pode ser precisamente equilibrada e pode ser usada para prever o valor de um resistor desconhecido depois que a ponte é atingida pela condição equilibrada. A equação mais frequente da ponte wheatstone é obtida dividindo ambos os lados da equação por R1:
Rx = R3 x R1/R2
A ponte wheatstone original foi notável por sua sensibilidade nula extremamente alta. Quando a ponte é alimentada por uma fonte DC de 10 volts, 5 volts são criados em todos os resistores durante a condição de equilíbrio, e a agulha do dispositivo de medição permanece no centro. Em um medidor analógico calibrado de bobina móvel, um movimento de 0,1% resulta em uma leitura de 5 milvolt.
Este circuito pode ter um elemento de sensibilidade nulo (ou seja, valor de sensoriamento fora do equilíbrio) de aproximadamente 0,003 % usando um amplificador DC de detecção nula básica. Até o ano de 1847, a principal desvantagem do circuito original da ponte era que a R3 precisava ter uma ampla gama de resistivas para equilibrar todos os valores potenciais de Rx.
Wilhelm von Siemens, um engenheiro alemão poderia superar esse problema no ano de 1848, aplicando as mudanças retratadas na Fig.2 abaixo.
Ponte Wheatstone comuta
O switch seletor com seis faixas de década comutaveis, como mostrado no Fig. 3 pode ser usado para determinar resistências DC entre quase zero a 1 megohm. A sensibilidade do centro-zero de detecção de equilíbrio é regida pelo resistor R3, que é um potencialiômetro padronizado de 10 quilohms ajustável. A corrente da ponte é limitada a alguns miliamperes pelo valor do resistor RL.
O problema fundamental desta ponte wheatstone de 1970 está listado na Tabela 1 abaixo: sua sensibilidade nula (que equivale à tensão do teste Rx) piora proporcionalmente ao desvio da razão R1/R2 da unidade.
Variações na Ponte Wheatstone
Sem comprometer os cálculos essenciais de equilíbrio, o circuito da ponte Wheatstone de Fig. 2 pode ser construído de diferentes formas. A figura 5 abaixo ilustra isso.
Os braços de razão da ponte são designados como R1/R2 em cada configuração. Vale a pena notar que as conexões de fonte de sinal e detector da ponte podem ser trocadas sem fazer com que as equações de equilíbrio do circuito sejam interrompidas. Isso também é aplicável para diferentes tipos de pontes de capacitância e indutância.
A versão da ponte Wheatstone retratada em Fig. 5a é de longe a mais eficiente.
A Figura 6 acima retrata uma variação contemporânea de seis faixas deste circuito, com a Tabela 2 listando suas vantagens sobre o circuito retratado na Figura 3. Sua sensibilidade nula (que equivale à razão de R3/R2 em equilíbrio) é extremamente alta em toda a tabela, variando de 0,003% em escala completa a 0,03% em 1/10 da escala completa.
Todos os valores de resistência na faixa de 1-ohm a 1M podem ser medidos com alta sensibilidade nula, restringindo todas as leituras para o 9/10 superior da faixa R3. Os princípios básicos de trabalho de uma ponte wheatstone não são afetados por ser alimentado por uma fonte AC ou DC.
O estado equilibrado de uma ponte de Wheatstone alimentada por AC é preservado por um conjunto infinitamente ajustável de braços “razão” compostos pelo potencialiômetro R1 que gera os valores resistivos de R1 e R2. O valor potencial de diferença entregue pelo potencialiômetro é igual ao total dos valores resistivos de R1 e R2.
Usando fones de ouvido
Quando o limpador no painel rotativo o potencialiômetro R1 é girado no meio do caminho, sua relação resistiva é igual a uma. Para calibrar esse potencialiômetro de controle, a figura a seguir ilustra uma graduação em escala padrão. Essas graduações devem ser marcadas fisicamente, como explicado mais tarde nesta página.
No circuito Fig.8, conecte a ponte a um gerador de ondas sine de 1 kHz, conecte o resistor desconhecido Rx e ajuste o interruptor rotativo S1 e o potencializador de painel rotativo R1 até que um ponto nulo seja ouvido nos fones de ouvido.
Assim que isso acontece, o valor do resistor Rx torna-se igual ao valor do resistor ligado ao S1 multiplicado pelo valor de escala do potencialiômetro R1.
Um equilíbrio poderia ser alcançado em qualquer faixa, porém para a melhor precisão, a leitura da escala R1 deve ser entre 0,27 e 3,0.
Adicione um resistor de 10 quilohm e 1% no slot Rx para calibrar a escala do potencializador do painel R1. Em seguida, índice gradualmente de interruptor rotativo S1 através de suas configurações de 100-ohm, 1 kilohm, 10 kilohm, 100 kilohm e 1-megohm. Em cada ponto de equilíbrio consecutivo, imprima 0,01, 0,1, 1,0 (média), 10 e 100 na escala.
Repita esta etapa com valores Rx que são múltiplos ou submultipos de 1,5, 2, 3, 4, 5, e assim por diante, até que a balança esteja totalmente calibrada, conforme ilustrado na Fig. 8-b.
Precisão e Resolução
Uma ponte de medição pode incluir quatro parâmetros críticos de desempenho: (1) faixa de medição, (2) sensibilidade ao equilíbrio, (3) resolução e (4) precisão. A precisão através da qual o valor Rx poderia ser determinado a partir dos controles da ponte é referida como resolução.
Nas Figs. 3 e 6, por exemplo, r3 tem uma resolução de aproximadamente 1% de escala completa no caso de ser calibrado manualmente, ou através de potencialiômetro linear. A resolução pode ser de cerca de 0,005% de escala total se incorporar uma caixa de resistor de quatro décadas. A resolução da ponte em Fig. 8 varia de 1% a uma proporção “1” a 2% a uma proporção de 0,3 ou 3,0 e 5% a uma proporção de 0,1 ou 1,0.
A precisão da palavra indica a precisão inerente do circuito da ponte, considerando que ele tem um equilíbrio ideal, sensibilidade, resolução, e é equivalente à soma da tolerância à razão R1/R2 e à tolerância padrão de resistência R3.
Quando resistores altamente precisos são usados para gerar a razão R1/R2, a precisão da razão corresponde ao total das tolerâncias R1 e R2. Abordagens alternativas, por outro lado, permitem que os resistores sejam ajustados de forma que as imprecisões de razão sejam minimizadas para menos de 0,005%. Por exemplo, se R1 e R2 são 1% de resistores, e R3 é um potencialômetro de controle calibrado à mão, a ponte wheatstone de alta resolução em Fig. 6 tem uma precisão fundamental de apenas 3%.
A precisão da ponte melhora para 1,005% caso os valores de R1 e R2 estejam perfeitamente emparelhados. Com uma caixa de resistor multidecade de 0,1% na ranhura R3, a precisão do circuito pode ser aumentada para 0,105%.
Enquanto mede níveis de resistência extremamente baixos ou extremamente altos, lembre-se que imprecisões inesperadas podem surgir. Ao avaliar valores de baixa resistência, a razão mais provável serão os valores de resistência dos contatos e conexões do switch, enquanto, ao medir altos valores de resistiva, vazamentos podem ser os principais culpados.
A qualidade final de uma ponte é determinada pelo seu equilíbrio, que inclui sensibilidade, resolução e precisão. Como conclusão, o circuito em Fig. 6 pode apresentar grande sensibilidade, resolução e precisão. Assim, dependendo de como ele é projetado, ele pode servir como o circuito fundamental de um dispositivo de medição de banco acessível e simples ou uma unidade dentro de um equipamento de laboratório sofisticado.
Pelo contrário, o circuito da ponte em Fig. 8 acima pode exibir uma menor resolução e precisão por design. Isso implica que isso pode ser bom apenas para leituras rápidas e aproximadas, como aquelas essenciais para o serviço de equipamentos.
Como medir valores de componentes
A rea tera, a resistência, a capacitância (C) e a indutibilidade podem ser medidas usando uma ponte de wheatstone (L) alimentada por AC. O circuito na Figura 9 mostrado abaixo é uma versão do circuito na Figura 7 que mede valores C ou L substituindo reações equivalentes para R4 e Rx. Isso deve funcionar quando Cx e Lx são agradáveis e limpos e têm impedâncias de 1 kHz inferiores a 10 M e maiores que cerca de 1 ohm.
O desafio em usar este circuito para determinar a indutância é que os indutores perfeitos (a serem usados na ranhura Z4) são difíceis de obter, e impedâncias indutivas a 1 kHz são dificilmente 6,28 ohms / milihenry.
O principal problema na avaliação da capacitância é que o valor Cx é equivalente à recíproca das marcas de escala de resistência no potencialiômetro R1. Um par de pares calibrados de balanças de potencialiômetro R1 são necessários no caso da ponte padrão é medir tanto R quanto C.
Essa falha pode ser resolvida instalando um interruptor invertido no R1. A ponte LCR multi-alcance na Figura 10 é uma ilustração disso. Como resultado, há apenas uma escala, como indicado na Fig. 8.
A ponte LCR universal Fig. 10 abaixo indicada com detector de fones de ouvido é um dispositivo multifuncional. Pode ser implementado com especificações internas ou externas de L, C ou R devido ao switch S2.
Uma vez calibrado, este equipamento pode facilitar a criação de seus próprios padrões de medição alternativos. Como ilustração, se um padrão de capacitância de 10 nanofarad estiver conectado nas portas PADRÃO EXTERNMAL, um padrão de 100 nanofarad pode ser construído definindo o potencialiômetro R1 a “10” e anexando capacitores em paralelo sobre o terminal “X” e um saldo nulo poderia ser alcançado.
O valor Cx torna-se aproximadamente 100 nanofarads quando isso acontece. A ponte pode posteriormente ser ligada ao padrão de 100 nanofarad para gerar um padrão de 1 microfarad.
A figura 11 acima retrata dois fluxogramas diferentes. A primeira alternativa, mostrada na Figura 11a, é alimentar os dois circuitos da mesma fonte enquanto isola o oscilador acoplando sua saída à ponte através de um transformador. O oscilador também pode ser alimentado por sua própria fonte “flutuante”, como mostrado na Fig. 11 -b. Esta segunda alternativa é a mais prática.
O conceito para uma fonte de energia de ponte alimentada por bateria é mostrado na Figura 12 abaixo.
Ele pode gerar um sinal DC de 9 volts ou um sinal de ondas de alta qualidade de 1 kHz com uma magnitude de pico para pico de 5 volts. O oscilador é na verdade um oscilador de ponte Wien estabilizado usando diodos que retira energia da bateria através dos resistores R1 e R2. O circuito possui uma saída de baixa impedância com uma corrente quiescente inferior a 4 miliamperes. A fim de configurar a saída do oscilador para um bom osciloscópio, ajuste o potencialiômetro R1 para obter uma saída de ondas sines relativamente pura de aproximadamente 5 volts de pico a pico.
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