Home / Materi Fisika / Jembatan Wheatstone, Penjelasan , contoh dan aplikasi

Jembatan Wheatstone, Penjelasan , contoh dan aplikasi

kelas-fisika.com – Jembatan Wheatstone, Penjelasan , contoh dan aplikasi

Jembatan Wheatstone awalnya dikembangkan oleh Charles Wheatstone untuk mengukur nilai resistansi yang tidak diketahui dan sebagai alat untuk mengkalibrasi instrumen pengukuran, voltmeter, ammeter, dan lain-lain, dengan menggunakan kawat geser resistif yang panjang.

Meski saat ini multimeter digital memberikan cara termudah untuk mengukur resistansi. Jembatan Wheatstone masih dapat digunakan untuk mengukur nilai resistansi yang sangat rendah di kisaran mili-Ohms.

Rangkaian jembatan Wheatstone (atau jembatan resistensi) dapat digunakan di sejumlah aplikasi dan saat ini, dengan amplifier operasional modern, kita dapat menggunakan rangkaian Jembatan Wheatstone untuk menghubungkan berbagai transduser dan sensor ke rangkaian penguat ini.

Rangkaian Wheatstone tidak lebih dari dua pengaturan paralel rangkaian paralel yang sederhana yang dihubungkan antara terminal suplai tegangan dan ground yang menghasilkan perbedaan tegangan nol antara dua cabang paralel bila diimbangi. Rangkaian jembatan Wheatstone memiliki dua terminal input dan dua terminal keluaran yang terdiri dari empat resistor yang dikonfigurasi dalam susunan seperti berlian seperti yang ditunjukkan. Ini khas bagaimana jembatan Wheatstone digambar.

Jembatan Wheatstone

Bila seimbang, jembatan Wheatstone dapat dianalisis hanya sebagai dua deret seri secara paralel. Pertimbangkan rangkaian seri di bawah ini.

dua resistor dirangkai secara seri, arus yang sama (i) mengalir melalui keduanya. Oleh karena itu arus yang mengalir melalui kedua resistor ini secara seri diberikan sebagai: V / RT.

I = V ÷ R = 12V ÷ (10Ω + 20Ω) = 0.4 A

Tegangan pada titik C, yang juga jatuh pada resistor rendah, R2 dihitung sebagai:

VR2 = I × R2 = 0.4 A × 20 Ω = 8 volt

Kemudian kita dapat melihat bahwa tegangan sumber VS terbagi di antara dua resistor seri yang proporsional dengan resistansinya sebagai VR1 = 4 V dan VR2 = 8 V. Inilah prinsip pembagian voltase, menghasilkan apa yang biasa disebut pembagi potensial atau rangkaian pembagi tegangan.

Sekarang jika kita menambahkan rangkaian resistor seri lain dengan menggunakan nilai resistor yang sama secara paralel dengan yang pertama kita akan memiliki rangkaian berikut.

Karena rangkaian seri kedua memiliki nilai resistif yang sama dengan yang pertama, voltase pada titik D, yang juga merupakan penurunan voltase resistor, R4 akan sama pada 8 volt, berkenaan dengan nol (baterai negatif), sebagai voltase adalah umum dan dua jaringan resistif sama.

Tapi hal lain yang sama pentingnya adalah bahwa perbedaan voltase antara titik C dan titik D akan menjadi nol volt karena kedua titik berada pada nilai 8 volt yang sama seperti: C = D = 8 volt, maka perbedaan voltasenya adalah: 0 volt.

Bila ini terjadi, kedua sisi jaringan jembatan paralel dikatakan seimbang karena voltase pada titik C sama nilainya dengan tegangan pada titik D dengan perbedaannya menjadi nol.

Sekarang mari kita pertimbangkan apa yang akan terjadi jika kita membalikkan posisi kedua resistor, R3 dan R4 pada cabang paralel kedua berkenaan dengan R1 dan R2.

Dengan resistor, R3 dan R4 terbalik, arus yang sama mengalir melalui kombinasi seri dan voltase pada titik D, yang juga merupakan penurunan voltase resistor, R4 adalah:

VR4 = 0.4 A × 10 Ω = 4 volt

Sekarang dengan VR4 memiliki 4 volt yang terjatuh, perbedaan voltase antara titik C dan D akan menjadi 4 volt seperti: C = 8 volt dan D = 4 volt. Maka bedanya kali ini adalah: 8 – 4 = 4 volt.

Hasil swapping dua resistor adalah bahwa kedua sisi atau “lengan” dari jaringan paralel berbeda karena menghasilkan voltase voltase yang berbeda. Bila ini terjadi, jaringan paralel dikatakan tidak seimbang karena tegangan pada titik C berada pada nilai yang berbeda dengan voltase pada titik D.

Kemudian kita dapat melihat bahwa rasio ketahanan kedua lengan paralel, ACB dan ADB ini, menghasilkan perbedaan voltase antara 0 volt (seimbang) dan tegangan suplai maksimum (tidak seimbang), dan ini adalah prinsip dasar Rangkaian Jembatan Wheatstone.

Jadi kita dapat melihat bahwa rangkaian jembatan Wheatstone dapat digunakan untuk membandingkan RX yang tidak dikenal dengan yang lain dari nilai yang diketahui, misalnya R1 dan R2, memiliki nilai tetap, dan R3 dapat bervariasi. Jika kita menghubungkan voltmeter, ammeter atau klasik sebuah galvanometer antara titik C dan D, dan kemudian resistor bervariasi, R3 sampai meter terbaca nol, akan menghasilkan dua lengan yang seimbang dan nilai RX, (mengganti R4) yang dikenal seperti yang ditunjukkan. .

Rangkaian Jembatan Wheatstone

Dengan mengganti R4 di atas dengan resistansi dari nilai diketahui atau tidak diketahui pada lengan penginderaan jembatan Wheatstone yang sesuai dengan RX dan menyesuaikan resistor lawan, R3 untuk “menyeimbangkan” jaringan jembatan, akan menghasilkan keluaran tegangan nol. Kemudian kita dapat melihat bahwa keseimbangan terjadi ketika:

R1/R2 =R3/Rx =1 (seimbang)

Persamaan Jembatan Wheatstone yang dibutuhkan untuk memberi nilai hambatan yang tidak diketahui, RX pada keseimbangan diberikan sebagai:

Dimana resistor, R1 dan R2 diketahui atau nilai preset.

Contoh Soal Jembatan Wheatstone No. 1

Jembatan Wheatstone yang tidak seimbang ini dibangun. Hitung tegangan keluaran pada titik C dan D dan nilai resistor R4 yang dibutuhkan untuk menyeimbangkan rangkaian jembatan.

Untuk lengan seri pertama, ACB

Untuk lengan seri kedua, ADB

Tegangan pada titik C-D diberikan sebagai:

Nilai resistor, R4 yang dibutuhkan untuk menyeimbangkan jembatan diberikan sebagai:

Kita telah melihat di atas bahwa Jembatan Wheatstone memiliki dua terminal input (A-B) dan dua terminal output (C-D). Bila jembatan seimbang, tegangan pada terminal output adalah 0 volt. Bila jembatan tidak seimbang, tegangan outputnya bisa positif atau negatif tergantung pada arah ketidakseimbangan.

contoh soal no 2

Diberikan rangkaian seperti gambar dibawah.

Jika R1 = 50 Ω, R2 = 60 Ω, R3 = 40 Ω, R= 20 Ω, R5 = 30 Ω

Hitung hambatan pengganti dari rangkaian diatas!

Jawab!

Pada rangkaian diatas kondisinya adalah:

sehingga R5 tidak bisa dihilangkan begitu saja, harus dimasukkan dalam perhitungan. Solusinya adalah mengganti R1, Rdan R5 dengan 3 buah hambatan baru sebutlah Ra, Rb dan Rc agar rangkaian diatas bisa diselesaikan secara seri / paralel. Berikut ilustrasi dan rumus transformasinya:

sehingga rangkaian yang baru adalah seperti gambar berikut:

dengan

Langkah berikutnya adalah

seri antara Rb dan R2 didapat : 15 + 60 = 75 Ω

seri antara Rc dan R3 didapat : 6 + 40 = 46 Ω

paralel antara dua hasil diatas

erakhir serikan Rparalel dengan Ra sebagai Rtotal :

Dengan demikian didapatkan hambatan pengganti untuk rangkaian jembatan Wheatstone diatas adalah 37,89 Ω.

Wheatstone Bridge Light Detector

Rangkaian jembatan yang seimbang menemukan banyak aplikasi elektronika yang berguna seperti digunakan untuk mengukur perubahan intensitas cahaya, tekanan atau ketegangan. Jenis sensor resistif yang dapat digunakan dalam sirkuit jembatan Wheatstone meliputi: sensor fotoresistif (LDR), sensor posisional (potensiometer), sensor piezoresistif (alat pengukur regangan) dan sensor suhu (thermistor’s), dll.

Ada banyak aplikasi jembatan wheatsone untuk penginderaan berbagai macam kuantitas mekanis dan elektrikal, namun satu aplikasi jembatan Wheatstone yang sangat sederhana ada dalam pengukuran cahaya dengan menggunakan perangkat photoresistive. Salah satu resistor di dalam jaringan jembatan digantikan oleh resistor bergantung ringan, atau LDR.

LDR, yang juga dikenal sebagai fotosel kadmium-sulfida (Cds), adalah sensor resistif pasif yang mengubah perubahan tingkat cahaya tampak menjadi perubahan resistansi dan karenanya merupakan voltase. Resistor yang bergantung ringan dapat digunakan untuk memantau dan mengukur tingkat intensitas cahaya, atau apakah sumber cahaya menyala atau MATI.

Sel Cadmium Sulfida (CdS) khas seperti resistor bergantung ringan ORP12 biasanya memiliki ketahanan sekitar satu Megaohm (MΩ) dalam cahaya gelap atau redup, sekitar 900Ω pada intensitas cahaya 100 Lux (khas ruangan yang terang), sampai sekitar 30Ω di bawah sinar matahari terang. Kemudian seiring dengan meningkatnya intensitas cahaya maka resistance akan berkurang. Dengan menghubungkan resistor bergantung cahaya ke sirkuit jembatan Wheatstone di atas, kita dapat memantau dan mengukur setiap perubahan pada tingkat cahaya seperti yang ditunjukkan.

Wheatstone Bridge Light Detector

Fotosel LDR terhubung ke sirkuit Jembatan Wheatstone seperti yang ditunjukkan untuk menghasilkan saklar sensitif cahaya yang menyala saat tingkat cahaya yang dirasakan berjalan di atas atau di bawah nilai yang telah ditentukan yang ditentukan oleh VR1. Dalam contoh ini VR1 adalah potensiometer 22 k atau 47 k.

Op-amp dihubungkan sebagai komparator tegangan dengan tegangan referensi VD yang diterapkan pada pin pembalik. Dalam contoh ini, karena keduanya R3 dan R4 memiliki nilai 10 k the yang sama, voltase referensi yang ditetapkan pada titik D akan sama dengan setengah dari Vcc. Itu adalah Vcc / 2.

Potensiometer, VR1 menetapkan tegangan titik perjalanan VC, yang diterapkan pada input non-pembalik dan diatur ke tingkat cahaya nominal yang diinginkan. Relai ternyata “ON” bila voltase pada titik C kurang dari tegangan pada titik D.

Mengatur VR1 mengatur voltase pada titik C untuk menyeimbangkan rangkaian jembatan pada tingkat cahaya atau intensitas yang dibutuhkan. LDR dapat berupa perangkat sulfida kadmium yang memiliki impedansi tinggi pada tingkat cahaya rendah dan impedansi rendah pada tingkat cahaya tinggi.

Perhatikan bahwa rangkaian dapat digunakan untuk bertindak sebagai rangkaian pengalih “lampuaktif” atau sirkuit pengubah “yang diaktifkan dengan gelap” hanya dengan mentranspos posisi LDR dan R3 di dalam desain.

Jembatan Wheatstone memiliki banyak kegunaan di sirkuit elektronik selain membandingkan resistansi tak dikenal dengan resistansi yang diketahui. Bila digunakan dengan Amplifier Operasional, sirkuit jembatan Wheatstone dapat digunakan untuk mengukur dan memperkuat perubahan kecil pada resistansi, RX karena, misalnya, terhadap perubahan intensitas cahaya seperti yang telah kita lihat di atas.

Namun rangkaian jembatan juga cocok untuk mengukur perubahan ketahanan dari jumlah perubahan lainnya, jadi dengan mengganti sensor lampu LDR resistif foto di atas untuk termistor, sensor tekanan, pengukur regangan, dan transduser lainnya, serta menukar posisi LDR dan VR1, kita bisa menggunakannya dalam berbagai aplikasi jembatan Wheatstone lainnya.

Juga lebih dari satu sensor resistif dapat digunakan di dalam empat lengan (atau cabang) jembatan yang dibentuk oleh resistor R1 sampai R4 untuk menghasilkan rangkaian jembatan “jembatan penuh”, “setengah jembatan” atau “rangkaian jembatan kuartal yang memberikan kompensasi termal atau penyeimbangan otomatis jembatan Wheatstone.

Check Also

Apa Itu Medan Listrik ?

kelas-fisika.com – Apa Itu Medan Listrik ? Medan listrik adalah Daerah / Ruang disekitar muatan …

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *

Powered by themekiller.com