Sirkuit Jembatan: Wheatstone, Kelvin, dan Peranannya dalam Pengukuran Listrik Presisi

Setiap diskusi komprehensif tentang metering listrik harus membahas sirkuit jembatan. Pengaturan canggih ini menggunakan meter null-balance untuk membandingkan dua tegangan, mirip dengan nalar laboratorium yang membandingkan dua beban dan memberikan sinyal saat mereka sama. Meskipun sirkuit potensiometer sederhana mengukur tegangan yang tidak diketahui, sirkuit jembatan memperluas prinsip ini untuk mengevaluasi berbagai parameter listrik, dengan pengukuran resistansi sebagai aplikasi paling umum.

Jembatan Wheatstone

Jembatan Wheatstone klasik terlihat seperti ini:

Saat tegangan antara titik 1 dan sisi negatif baterai sama dengan tegangan antara titik 2 dan terminal negatif baterai, detektor null membaca nol dan jembatan dikatakan “seimbang.” Keseimbangan ini hanya bergantung pada rasio \(R_a/R_b\) dan \(R_1/R_2\), dan pada dasarnya independen dari tegangan suplai.

Untuk menentukan resistansi yang tidak diketahui, tempatkan \(R_x\) yang tidak diketahui dalam peran \(R_a\) atau \(R_b\). Tiga resistor yang tersisa adalah standar presisi yang nilainya diketahui dengan akurasi tinggi. Sesuaikan salah satu resistor standar hingga jembatan seimbang, lalu hitung \(R_x\) dari rasio resistor standar:

Setiap lengan jembatan hanyalah sebuah resistor. Lengan yang termasuk \(R_x\) yang tidak diketahui sering disebut “rheostat,” sementara dua lengan lainnya disebut “rasio” arms.

Standar resistansi yang akurat dan stabil relatif mudah dibuat. Laboratorium ilmiah awal mengandalkan standar resistansi mekanis, seperti perangkat antik yang ditunjukkan di bawah ini, yang menyesuaikan resistansi dalam langkah diskret dengan memasukkan sok tanam tembaga yang dapat dilepas ke soket.

Dibandingkan dengan meter baterai-seri-resistor, jembatan Wheatstone menawarkan hubungan linier antara tegangan dan resistansi, menghasilkan presisi yang jauh lebih tinggi. Dengan resistor referensi berkualitas tinggi dan detektor null yang sensitif, akurasi lebih baik dari ±0.05 % secara rutin dicapai, menjadikan jembatan Wheatstone metode pilihan di laboratorium kalibrasi di seluruh dunia.

Meskipun jembatan Wheatstone dasar mengukur resistansi, varian DC dan AC-nya juga dapat menentukan induktansi, kapasitansi, dan bahkan frekuensi dalam aplikasi arus bolak-balik.

Jembatan Ganda Kelvin

Untuk mengukur resistansi yang sangat rendah—biasanya di bawah 0.1 Ω—Jembatan Ganda Kelvin menyediakan presisi yang diperlukan. Skematiknya ditunjukkan di bawah ini:

Dalam jembatan Wheatstone standar, resistansi sembarangan dalam kabel penghubung dapat mendominasi pengukuran saat resistansi yang diuji sangat kecil. Konfigurasi Kelvin mengatasi ini dengan menambahkan dua resistor tambahan (\(R_m\) dan \(R_n\)) dan dengan menempatkan detektor null antara dua ujung dekat dari resistor yang tidak diketahui dan standar resistansi rendah. Pengaturan ini menghilangkan penurunan tegangan di seluruh kabel dari mempengaruhi keseimbangan.

Saat jembatan seimbang, hubungan berikut berlaku:

Dalam praktiknya, rasio \(R_m/R_n\) dan \(R_M/R_N$ disesuaikan, sehingga persamaan keseimbangan berkurang menjadi bentuk Wheatstone yang familiar \(R_x/R_a = R_N/R_M$. Penyederhanaan ini menghilangkan pengaruh resistansi kabel, asalkan kondisi pencocokan terpenuhi.

Dalam banyak pengaturan presisi tinggi, \(R_m$ dan \(R_n$ dipilih untuk sebesar 1/100 dari lengan rasio yang sebanding. Ini mengurangi resistansi seri di detektor null dan meningkatkan sensitivitas, meskipun juga meningkatkan arus melalui resistor kecil ini dan dapat memperkuat efek resistansi sambungan. Desainer oleh karena itu harus mencari keseimbangan antara sensitivitas dan sumber error untuk mencapai akurasi yang diinginkan.

Review

• Sirkuit jembatan membandingkan dua tegangan menggunakan detektor null, memungkinkan pengukuran yang sangat akurat.
• Jembatan Wheatstone mengukur resistansi dengan membandingkan resistor yang tidak diketahui dengan standar presisi, analog dengan nalar laboratorium.
• Jembatan Ganda Kelvin disesuaikan untuk pengukuran resistansi rendah, menambahkan kompleksitas untuk menekan error resistansi kabel.

Lembar Kerja Terkait

• Lembar Kerja Sirkuit Jembatan DC
• Lembar Kerja Sirkuit Jembatan AC