Theorie und Prinzip des Wheatstone-Bridge-Schaltkreises

Wheatstone-Brücke

Um elektrische Widerstände präzise zu messen, wird die Wheatstone-Brücke häufig verwendet. Es gibt zwei bekannte Widerstände, einen verstellbaren Widerstand und einen unbekannten Widerstand, die in Brückenform wie unten dargestellt verbunden sind. Durch Einstellen des verstellbaren Widerstands wird der Strom durch den Galvanometer auf Null gebracht. Wenn der Strom durch den Galvanometer Null ist, entspricht das Verhältnis der beiden bekannten Widerstände genau dem Verhältnis des eingestellten Werts des verstellbaren Widerstands zum Wert des unbekannten Widerstands. Auf diese Weise kann der Wert des unbekannten elektrischen Widerstands leicht mit einer Wheatstone-Brücke gemessen werden.

Theorie der Wheatstone-Brücke

Die allgemeine Anordnung des Wheatstone-Brückenschaltkreises ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Es handelt sich um einen vierarmigen Brückenschaltkreis, bei dem die Arme AB, BC, CD und AD aus den elektrischen Widerständen P, Q, S und R bestehen.

Von diesen Widerständen sind P und Q bekannte feste elektrische Widerstände und diese beiden Arme werden als Verhältnisarme bezeichnet. Ein genauer und empfindlicher Galvanometer ist zwischen den Anschlüssen B und D über einen Schalter S2 angeschlossen.
Die Spannungsquelle dieser Wheatstone-Brücke ist über einen Schalter S1 an die Anschlüsse A und C angeschlossen, wie dargestellt. Ein verstellbarer Widerstand S ist zwischen den Punkten C und D angeschlossen. Das Potential am Punkt D kann durch Einstellen des verstellbaren Widerstands variiert werden. Angenommen, der Strom I1 und der Strom I2 fließen durch die Pfade ABC und ADC jeweils.

Wenn wir den elektrischen Widerstand des Arms CD variieren, variiert auch der Wert des Stroms I2, da die Spannung zwischen A und C fest ist. Wenn wir den verstellbaren Widerstand weiter einstellen, kann es passieren, dass der Spannungsabfall über den Widerstand S, also I2.S, genau gleich dem Spannungsabfall über den Widerstand Q, also I1.Q, wird. Somit wird das Potential am Punkt B gleich dem Potential am Punkt D, wodurch die Potentialdifferenz zwischen diesen beiden Punkten Null ist und somit kein Strom durch den Galvanometer fließt. Dann beträgt die Abweichung im Galvanometer Null, wenn der Schalter S2 geschlossen ist.

Nun, vom Wheatstone-Brückenschaltkreis

und

Das Potential des Punktes B in Bezug auf den Punkt C ist nichts anderes als der Spannungsabfall über den Widerstand Q und dies ist

Wiederum ist das Potential des Punktes D in Bezug auf den Punkt C nichts anderes als der Spannungsabfall über den Widerstand S und dies ist


Durch Gleichsetzen der Gleichungen (i) und (ii) erhalten wir,

In der obigen Gleichung sind die Werte von S und P/Q bekannt, so dass der Wert von R leicht bestimmt werden kann.
Die elektrischen Widerstände P und Q der Wheatstone-Brücke haben ein definiertes Verhältnis, z.B. 1:1, 10:1 oder 100:1, und werden als Verhältnisarme bezeichnet, während S, der Rheostatarm, stufenlos von 1 bis 1.000 Ω oder von 1 bis 10.000 Ω verstellbar ist.
Die obige Erklärung ist die grundlegendste Theorie der Wheatstone-Brücke.

Video-Präsentation der Theorie der Wheatstone-Brücke

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