Puntea Wheatstone este numele dat unei combinații de patru rezistențe conectate pentru a da o valoare centrală nulă.

Puntea Wheatstone a fost inițial dezvoltată de Charles Wheatstone pentru măsurarea valorilor rezistenței necunoscute și ca mijloc de calibrare a instrumentelor de măsurare, voltmetre, ampermetre, etc, prin utilizarea unui fir, tip lamelă, rezistiv lung.

Deși multimetrele digitale oferă astăzi cea mai simplă modalitate de măsurare a rezistenței, puntea Wheatstone poate fi încă folosită pentru a măsura valori foarte scăzute ale rezistențelor, în intervalul mili-Ohmi.

Circuitul punții Wheatstone (sau punte de rezistențe) poate fi utilizat într-o serie de aplicații și astăzi, cu amplificatoare operaționale moderne, pentru a interconecta diferite traductoare și senzori la aceste circuite de amplificare.

Circuitul punte Wheatstone nu este altceva decât două aranjamente simple serie-paralel de rezistențe conectate între un terminal de alimentare cu tensiune și o masă care produce diferență zero de tensiune între cele două ramuri paralele atunci când este echilibrată. Un circuit de punte Wheatstone are două terminale de intrare și două terminale de ieșire, constând din patru rezistoare configurate într-un aranjament asemănător diamantului, așa cum se arată. Acest lucru este tipic pentru modul în care este trasată puntea Wheatstone.

Puntea Wheatstone

Atunci când este echilibrată, puntea Wheatstone poate fi analizată pur și simplu ca două șiruri serie în paralel. În tutorialul despre Rezistoare în serie, am văzut că fiecare rezistor din lanțul serie produce o cădere IR sau o cădere de tensiune pe sine, ca o consecință a curentului care curge prin el, așa cum este definit de Legea lui Ohm. Luați în considerare circuitul serie de mai jos.

Atunci vedem că raportul de rezistențe al acestor două brațe paralele, ACB și ADB, are ca rezultat o diferență de tensiune între 0 volți (echilibrat) și tensiunea maximă de alimentare (neechilibrată), iar acesta este principiul circuitului Punte Wheatstone.

Deci, putem vedea că un circuit punte Wheatstone poate fi folosit pentru a compara o rezistență necunoscută RX cu alele de o valoare cunoscută, de exemplu R1 și R2, ce au valori fixe, iar R3 poate fi variabilă. Dacă am conectat un voltmetru, ampermetru sau un galvanometru clasic între punctele C și D și apoi am variat rezistorul R3 până când aparatele citesc zero, rezultă că cele două brațe vor fi echilibrate, iar valoarea lui RX (înlocuind R4) cunoscută, așa cum se arată.

Circuitul punții Wheatstone

Prin înlocuirea lui R4 de mai sus, cu o rezistență de valoare cunoscută sau necunoscută, în brațul de detectare al punții Wheatstone corespunzător lui RX și reglarea rezistorului opus R3 pentru „echilibrarea“ punții, va rezulta o tensiune de ieșire zero. Atunci vedem că echilibrarea apare atunci când:

Ecuația punții Wheatstone necesară pentru a da valoarea rezistenței necunoscute RX la echilibru este dată de:

unde: rezistoarele R1 și R2 sunt cunoscute sau valori prestabilite.

Puntea Wheatstone. Exemplul nr. 1

Se construiește următoarea punte Wheatstone dezechilibrată. Calculați tensiunea de ieșire la punctele C și D și valoarea rezistorului R4, necesară pentru a echilibra circuitul punții.

Pentru primul braț serie ACB:

Pentru al doilea braț serie ADB:

Tensiunea la punctele CD este dată de:

Valoarea rezistorului R4 necesar pentru a echilibra puntea este dată de:

Am văzut mai sus că Puntea Wheatstone are două terminale de intrare (A-B) și două terminale de ieșire (C-D). Atunci când puntea este echilibrată, tensiunea la bornele de ieșire este de 0 volți. Dar, când puntea este dezechilibrată, tensiunea de ieșire poate fi pozitivă sau negativă în funcție de direcția dezechilibrului.

Detector de lumină în punte Wheatstone

Circuitele de punte echilibrată găsesc multe aplicații electronice utile, cum ar fi utilizarea pentru a măsura variațiile în intensitate ale luminii, presiunii sau deformației. Tipurile de senzori rezistivi care pot fi utilizați în cadrul unui circuit de punte Wheatstone includ: senzori fotorezistivi (LDR), senzori de poziție (potențiometre), senzori piezorezistivi (mărci tensometrice) și senzori de temperatură (termistoare) etc.

Există multe aplicații pentru puntea Wheatstone pentru a detecta o gamă întreagă de cantități mecanice și electrice, dar o aplicație foarte ușoară a punții este în măsurarea luminii prin utilizarea unui dispozitiv fotorezistiv. Unul din rezistoare este înlocuit cu un rezistor dependent de lumină sau LDR.

Un LDR, cunoscut și sub denumirea de fotocelulă cadmiu-sulfură (CdS), este un senzor pasiv rezistiv, care transformă modificările nivelului luminii vizibile într-o schimbare a rezistenței și, prin urmare, o tensiune. Rezistoarele dependente de lumină pot fi utilizate pentru monitorizarea și măsurarea nivelului intensității luminii sau dacă o sursă de lumină este ON sau OFF.

O celulă tipică de sulfură de cadmiu (CdS), cum ar fi rezistorul dependent de lumină ORP12, are de obicei o rezistență de aproximativ un Megohm (MΩ) în lumină întunecată sau slabă, aproximativ 900 Ω la o intensitate a luminii de 100 Lux (tipic pentru o cameră bine luminată) până la aproximativ 30 Ω în lumina puternică a soarelui. Atunci când intensitatea luminii crește rezistența se reduce. Prin conectarea unui rezistor dependent de lumină în circuitul punții Wheatstone de mai sus, putem monitoriza și măsura orice schimbări în nivelul de lumină, după cum se arată.

Detector de lumină în punte Wheatstone

Celula foto LDR este conectată în circuitul punții Wheatstone, așa cum se arată, pentru a produce un comutator sensibil la lumină, care se activează când nivelul de lumină care este detectat trece peste sau sub valoarea prestabilită dată de VR1. În acest exemplu VR1 este un potențiometru de 22 kΩ, sau 47 kΩ.

Amplificatorul operațional (op-amp) este conectat ca un comparator de tensiune cu tensiunea de referință VD aplicată pe pinul de inversare. În acest exemplu, deoarece ambii R3 și R4 sunt de aceeași valoare 10 kΩ, tensiunea de referință stabilită la punctul D va fi egală cu jumătate din Vcc. Asta este Vcc/2.

Potențiometrul VR1 stabilește tensiunea punctului de declanșare VC, aplicată la intrarea neinversoare și este setată la nivelul nominal de lumină necesar. Releul comută „ON“ când tensiunea la punctul C este mai mică decât tensiunea de la punctul D.

Reglarea lui VR1 stabilește tensiunea la punctul C pentru a echilibra circuitul punții la nivelul luminii sau intensității necesare. LDR poate fi orice dispozitiv de sulfură de cadmiu care are o impedanță mare la nivel scăzut de lumină și o impedanță scăzută la nivel ridicat de lumină.

Rețineți că circuitul poate fi utilizat pentru a acționa ca un circuit de comutare "activat prin lumină" sau un circuit de comutare "activat la întuneric" prin simpla transpunere a pozițiilor LDR și R3 în cadrul schemei.

Puntea Wheatstone are multe utilizări în circuite electronice, altele decât compararea unei rezistențe necunoscute, cu o rezistență cunoscută. Atunci când este utilizată cu amplificatoare operaționale, circuitul punte Wheatstone poate fi folosit pentru a măsura și amplifica mici schimbări în rezistența RX datorate, de exemplu, la variații ale intensității luminii așa cum am văzut mai sus.

Dar circuitul punții este potrivit și pentru măsurarea schimbării de rezistență a altor cantități în schimbare, prin înlocuirea senzorului de lumină foto-rezistiv LDR de mai sus cu un termistor, senzor de presiune, marcă tensometrică și alte traductoare, precum și schimbarea pozițiilor LDR și VR1, le putem folosi într-o varietate de alte aplicații cu punte Wheatstone.

De asemenea, pot fi utilizați mai mulți senzori rezistivi în cele patru brațe (sau ramuri) ale punții formate de rezistoarele R1 la R4 pentru a produce aranjamente de circuit „punte completă“, „jumătate de punte“ sau „sfert de punte“ oferind compensare termică sau echilibrare automată a punții Wheatstone.