کاربرد مدار پل ویتستون در اندازه گیری کمیت‌های مختلف، اندازه گیری در علوم تجربی و الکترونیک از اهمیت بالایی برخوردار است. برای اندازه گیری پارامتر های مختلف الکتریکی و الکترونیکی از مدارات پل استفاده می شود.
در درس ابزارهای اندازه گیری الکتریکی و الکترونیکی انواع مدارات پل را برسی می‌کنند و در جدول زیر خلاصه این مدارات پل را می‌توانید ببینید.
| ردیف | نام پل | نام لاتین پل | کاربرد (پارامترهای قابل اندازه گیری) |
| 1 | پل ویتستون | Wheatstone | اندازه گیری مقاومت مجهول |
| 2 | پل آندرسون | Anderson | اندازه گیری خودالقائی هسته |
| 3 | De-sauty | De-sauty | برای اندازه گیری ظرفیت خازنی خیلی کوچک |
| 4 | پل ماکسول | Maxwell | اندازه گیری اندوکتانس مجهول |
| 5 | پل کلوین | Kelvin | برای اندازه گیری مقاومت الکتریکی زیر 1 اهم |
| 6 | پل وین | Wein | اندازه گیری ظرفیت خازنی در شرایط مقاومت و فرکانس |
| 7 | پل هی | Hay | برای اندازه گیری سلف های بالا |
در اینجا ما می‌خواهیم در مورد پل ویتستون صحبت کنیم که برای اندازه گیری مقاوت مجهول بکار می‌رود. درسته حالا در این زمانه با مولتی متر‌ها مقدار مقاومت مجهول را بطور ساده اندازه گیری می‌کنند. ولی مزیت پل ویتستون این است که می‌تواند مقدار مقاومت‌های خیلی پایین در رنج میلی اهم را نیز اندازه گیری کند.
مدار پل ویتستون
سامل هانتر کریستی، پل ویتستون را در سال 1833 ابداع کرد و این پل توسط سیر چارلز ویتستون در سال 1843 بهینه و مشهور شد. پل ویتستون از اتصال چهار مقاومت که یک پل را شکل می‌دهند ساخته می‌شود.
پل برای پیدا کردن یک مقاومت مجهول متصل شده به دو مقاومت معلوم، یک مقاومت متغیر و یک گالوانومتر استفاده می‌شود.
برای پیدا کردن مقدار مقاومت مجهول مقاومت متغیر را تغییر می‌دهیم تا گالوانومتر صفر بشه. این نقطه، نقطه بالانس پل ویتستون است.
همانطور در شکل می‌بینیم R1 و R2 معلوم هستن و مقاومت R3 متغیر و مقاومت Rx مجهول است و مدار به تغذیه DC وصل شده است.
حال وقتی پل در حالت بالانس باشه، جریانی از گالوانومتر عبور نخواهد کرد و جریان I1 از R1 و R2 عبور می‌کند و جریان I2 از R2 و Rx عبور خواهد کرد. در این حالت با فرمول زیر می‌توانیم مقاومت مجهول را پیدا کنیم. دقت داشته باشید این فرمول در حالتی صادق هست که هیچ جریانی از بین دو نقطه C و D جریان پیدا نکنه.
V = IR (قانون اهم)
VR1 = I1 * R1 معادله 1
VR2 = I1 * R2 معادله 2
VR3 = I2 * R3 معادله 3
VRx = I2 * Rx معادله 4
افت ولتاژ روی مقاومت‌های R1 و R3 برابر افت ولتاژ روی مقاومت‌های R2 و R4 در حالت بالانس است.
I1 * R1 = I2 * R3 معدله 5
I1 * R2 = I2 * Rx معادله 6
از روی معادله‌های بالا به نتیجه زیر می‌رسیم:
R1 / R2 = R3 / Rx
Rx = (R2 * R3) / R1
بنابراین مقاومت Rx که مقاومت مجهول ما بود مقدارش پیدا شد و این نحوه عملکرد پل ویستون بود.
در عمل مقاومت متغیر را آنقدر تغییر می‌دهند تا جریان عبوری از از گالوانومتر صفر شود. این حالت پل را، بالانس پل ویتستون می‌گویند. صفر کردن جریان عبوری از گالوانومتر دقت بالایی را می‌دهد. اما کوچکترین تغییر در مقاومت متغیر می‌تونه وضعیت بالانس را بهم بزنه.
در شرایط بالانس معادله زیر درست است:
R1 / R2 = R3 / Rx
حال، دراین وضعیت ما مقادیر مقاومت‌های R1,R2 و همچنین R3 ، از فرمول بالا پیدا کردن Rx خیلی ساده است.
Rx = R2 * R3 / R1
نکته مهم و کاربردی: بازم تکرار می‌کنیم که معادلات بالا در شرایطی صادق هستن که جریان عبوری از بین نقاط C و D صفر باشد. وقتی جریان نقاط C و D صفر می‌شوند که ولتاژ دو نقطه برابر یا بعبارتی اختلاف پتانسیل دو نقطه C و D صفر باشد.
کاربردهای پل ویتستون
- اکثرا برای اندازه گیری مقاومت‌های خیلی پایین در رنج میلی اهم کاربرد دارد.
- اگر از یک وریستور (مقاومت متغیر با ولتاژ) با پل ویتستون استفاده کنیم می‌توانیم پارامترهای دیگر از جمله امپدانس خازنی و سلفی را نیز حساب کنیم.
- با ترکیب پل ویتستون و تقویت کننده عملیاتی می‌توانیم پارامترهای مختلف از جمله دما، فشار، نور و … را نیز اندازه گیری کنیم.
منابع:
