Sirkuit Jembatan

Tidak ada teks tentang pengukuran listrik yang dapat disebut lengkap tanpa bagian tentang sirkuit jembatan. Sirkuit yang cerdik ini menggunakan meteran keseimbangan nol untuk membandingkan dua voltase, sama seperti skala keseimbangan laboratorium membandingkan dua bobot dan menunjukkan saat keduanya sama. Tidak seperti rangkaian “potensiometer” yang digunakan untuk mengukur tegangan yang tidak diketahui, rangkaian jembatan dapat digunakan untuk mengukur semua jenis nilai listrik, tidak terkecuali hambatan.

Jembatan Wheatstone

Sirkuit jembatan standar, sering disebut jembatan Wheatstone , terlihat seperti ini:

Ketika tegangan antara titik 1 dan sisi negatif baterai sama dengan tegangan antara titik 2 dan sisi negatif baterai, detektor nol akan menunjukkan nol dan jembatan dikatakan "seimbang". Keadaan keseimbangan jembatan hanya bergantung pada rasio R_a /R_b dan R₁ /R₂ , dan cukup independen dari tegangan suplai (baterai).

Untuk mengukur resistansi dengan jembatan Wheatstone, resistansi yang tidak diketahui dihubungkan di tempat R_a atau R_b , sedangkan tiga resistor lainnya adalah perangkat presisi yang nilainya diketahui. Salah satu dari tiga resistor lainnya dapat diganti atau disesuaikan sampai jembatan seimbang, dan ketika keseimbangan telah tercapai, nilai resistor yang tidak diketahui dapat ditentukan dari rasio resistansi yang diketahui.

Persyaratan untuk sistem pengukuran ini adalah memiliki satu set resistor variabel yang resistansinya diketahui secara tepat, sebagai standar referensi. Misalnya, jika kita menghubungkan rangkaian jembatan untuk mengukur resistansi yang tidak diketahui R_x , kita harus mengetahui tepatnya nilai tiga resistor lainnya dalam keadaan seimbang untuk menentukan nilai R_x :

Masing-masing dari empat hambatan dalam rangkaian jembatan disebut sebagai lengan . Resistor yang dirangkai seri dengan hambatan yang tidak diketahui R_x (ini akan menjadi R_a dalam skema di atas) biasanya disebut rheostat jembatan, sedangkan dua resistor lainnya disebut rasio lengan jembatan.

Untungnya, standar ketahanan yang akurat dan stabil tidak terlalu sulit untuk dibuat. Faktanya, mereka adalah beberapa perangkat "standar" listrik pertama yang dibuat untuk tujuan ilmiah. Berikut adalah foto unit standar resistensi antik:

Standar resistansi yang ditunjukkan di sini adalah variabel dalam langkah-langkah terpisah:jumlah resistansi antara terminal koneksi dapat bervariasi dengan jumlah dan pola colokan tembaga yang dapat dilepas yang dimasukkan ke dalam soket.

Jembatan Wheatstone dianggap sebagai sarana pengukuran resistansi yang unggul untuk rangkaian meteran resistor-gerakan-baterai yang dibahas di bagian terakhir. Tidak seperti sirkuit itu, dengan semua nonliniernya (skala nonlinier) dan ketidakakuratan terkait, sirkuit jembatan adalah linier (matematika yang menjelaskan operasinya didasarkan pada rasio dan proporsi sederhana) dan cukup akurat.

Mengingat resistansi standar dengan presisi yang cukup dan perangkat detektor nol dengan sensitivitas yang cukup, akurasi pengukuran resistansi setidaknya +/- 0,05% dapat dicapai dengan jembatan Wheatstone. Ini adalah metode pengukuran resistansi yang disukai di laboratorium kalibrasi karena akurasinya yang tinggi.

Ada banyak variasi rangkaian dasar jembatan Wheatstone. Sebagian besar jembatan DC digunakan untuk mengukur resistansi, sedangkan jembatan yang ditenagai oleh arus bolak-balik (AC) dapat digunakan untuk mengukur besaran listrik yang berbeda seperti induktansi, kapasitansi, dan frekuensi.

Jembatan Ganda Kelvin

Variasi yang menarik dari jembatan Wheatstone adalah Jembatan Kelvin Double , digunakan untuk mengukur resistansi yang sangat rendah (biasanya kurang dari 1/10 ohm). Diagram skematiknya seperti ini:

Resistor bernilai rendah diwakili oleh simbol garis tebal, dan kabel yang menghubungkannya ke sumber tegangan (membawa arus tinggi) juga ditarik tebal dalam skema. Jembatan dengan konfigurasi aneh ini mungkin paling baik dipahami dengan memulai dengan jembatan Wheatstone standar yang dibuat untuk mengukur resistansi rendah, dan mengembangkannya selangkah demi selangkah ke bentuk akhirnya dalam upaya untuk mengatasi masalah tertentu yang dihadapi dalam konfigurasi Wheatstone standar. Jika kita menggunakan jembatan Wheatstone standar untuk mengukur resistansi rendah, akan terlihat seperti ini:

Ketika detektor nol menunjukkan tegangan nol, kita tahu bahwa jembatan seimbang dan rasio R_a /R_x dan R_M /R_N secara matematis sama satu sama lain. Mengetahui nilai Ra, R_M , dan R_N karena itu memberi kami data yang diperlukan untuk menyelesaikan R_x . . . hampir.

Kami memiliki masalah, karena koneksi dan kabel penghubung antara R_a dan R_x memiliki resistensi juga, dan resistensi nyasar ini mungkin substansial dibandingkan dengan resistensi rendah R_a dan R_x . Resistansi nyasar ini akan menurunkan tegangan substansial, mengingat arus tinggi yang melaluinya, dan dengan demikian akan mempengaruhi indikasi detektor nol dan dengan demikian keseimbangan jembatan:

Karena kami tidak ingin mengukur hambatan kabel dan sambungan ini, tetapi hanya mengukur R_x , kita harus menemukan beberapa cara untuk menghubungkan detektor nol sehingga tidak akan terpengaruh oleh tegangan yang dijatuhkan di atasnya. Jika kita menghubungkan detektor nol dan R_M /R_N lengan rasio tepat di ujung R_a dan R_x , ini membawa kita lebih dekat ke solusi praktis:

Sekarang dua E_kawat top teratas penurunan tegangan tidak berpengaruh pada detektor nol dan tidak memengaruhi keakuratan R_x pengukuran resistansi Namun, dua E_kawat yang tersisa penurunan tegangan akan menyebabkan masalah, karena kabel yang menghubungkan ujung bawah R_a dengan ujung atas R_x sekarang melintasi dua penurunan tegangan tersebut, dan akan mengalirkan arus yang cukup besar, menyebabkan penurunan tegangan yang menyimpang di sepanjang panjangnya sendiri.

Mengetahui bahwa sisi kiri detektor nol harus terhubung ke dua ujung dekat R_a dan R_x untuk menghindari pengenalan E_kawat tegangan turun ke loop detektor nol, dan bahwa setiap kabel langsung yang menghubungkan ujung-ujung R_a dan R_x itu sendiri akan membawa arus besar dan membuat lebih banyak penurunan tegangan, satu-satunya jalan keluar dari kesulitan ini adalah membuat jalur penghubung antara ujung bawah R_a dan ujung atas R_x secara substansial resistif:

Kami dapat mengelola penurunan tegangan yang menyimpang antara R_a dan R_x dengan mengukur dua resistor baru sehingga rasio mereka dari atas ke bawah adalah rasio yang sama dengan dua lengan rasio di sisi lain dari detektor nol. Inilah sebabnya mengapa resistor ini diberi label R_m dan R_n dalam skema jembatan Ganda Kelvin asli:untuk menandakan proporsionalitasnya dengan R_M dan R_N .

Dengan rasio R_m /R_n atur sama dengan rasio R_M /R_N , resistor lengan rheostat R_a disesuaikan sampai detektor nol menunjukkan keseimbangan, dan kemudian kita dapat mengatakan bahwa R_a /R_x sama dengan R_M /R_N , atau cukup temukan R_x dengan persamaan berikut:

Persamaan keseimbangan sebenarnya dari jembatan Kelvin Double adalah sebagai berikut (R_kawat adalah resistansi kabel penghubung yang tebal antara standar resistansi rendah R_a dan resistansi uji R_x ):

Selama rasio antara R_M dan R_N sama dengan rasio antara Rm dan Rn, persamaan keseimbangan tidak lebih kompleks daripada jembatan Wheatstone biasa, dengan R_x /R_a sama dengan R_N /R_M , karena suku terakhir dalam persamaan akan menjadi nol, menghilangkan efek dari semua hambatan kecuali R_x , R_a , R_M , dan R_N .

Di banyak sirkuit jembatan Kelvin Double, R_M =R_m dan R_N =R_n . Namun, semakin rendah resistansi R_m dan R_n , semakin sensitif detektor nol, karena resistansi seri dengannya lebih kecil. Peningkatan sensitivitas detektor adalah baik, karena memungkinkan ketidakseimbangan yang lebih kecil untuk dideteksi, dan dengan demikian tingkat keseimbangan jembatan yang lebih baik dapat dicapai.

Oleh karena itu, beberapa jembatan Kelvin Double presisi tinggi menggunakan R_m dan R_n nilai serendah 1/100 dari rekan-rekan lengan rasio mereka (R_M dan R_N , masing-masing). Sayangnya, semakin rendah nilai R_m dan R_n , semakin banyak arus yang akan dibawanya, yang akan meningkatkan efek dari setiap resistansi sambungan yang ada di mana R_m dan R_n sambungkan ke ujung R_a dan R_x . Seperti yang Anda lihat, akurasi instrumen yang tinggi menuntut semua faktor penyebab kesalahan diperhitungkan, dan seringkali yang terbaik yang dapat dicapai adalah kompromi yang meminimalkan dua atau lebih jenis kesalahan yang berbeda.

TINJAUAN:

• Sirkuit jembatan mengandalkan meter tegangan nol yang sensitif untuk membandingkan dua tegangan agar setara.
• Sebuah Jembatan Wheatstone dapat digunakan untuk mengukur resistansi dengan membandingkan resistor yang tidak diketahui dengan resistor presisi yang nilainya diketahui, seperti timbangan laboratorium yang mengukur bobot yang tidak diketahui dengan membandingkannya dengan bobot standar yang diketahui.
• Sebuah Jembatan Kelvin Ganda adalah varian dari jembatan Wheatstone yang digunakan untuk mengukur resistansi yang sangat rendah. Kompleksitas tambahannya di atas desain dasar Wheatstone diperlukan untuk menghindari kesalahan yang disebabkan oleh hambatan menyimpang di sepanjang jalur arus antara standar resistansi rendah dan resistansi yang diukur.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

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