Mengenal Jembatan Wheatstone
Jembatan Wheatstone adalah nama yang diberikan untuk kombinasi empat resistansi yang terhubung untuk memberikan nilai pusat nol.
Jembatan Wheatstone pada awalnya dikembangkan oleh Charles Wheatstone untuk mengukur nilai resistansi yang tidak diketahui dan sebagai alat kalibrasi alat ukur, voltmeter, amperemeter, dll, dengan menggunakan kawat geser resistif panjang.
Meskipun saat ini alat ukur listrik multimeter digital menyediakan cara paling sederhana untuk mengukur resistansi. Jembatan Wheatstone masih dapat digunakan untuk mengukur nilai-nilai yang sangat rendah resistansi turun di kisaran mili-ohm.
Rangkaian Jembatan Wheatstone (atau jembatan resistansi) dapat digunakan dalam sejumlah aplikasi dan saat ini, dengan Penguat Operasional (op-amp) modern kita dapat menggunakan rangkaian Jembatan Wheatstone untuk menghubungkan berbagai Transduser dan Sensor ke rangkaian penguat ini.
Rangkaian Jembatan Wheatstone tidak lebih dari dua rangkaian resistansi seri-paralel sederhana yang terhubung antara terminal supply tegangan dan ground yang menghasilkan perbedaan tegangan nol antara dua cabang paralel saat seimbang.
Rangkaian Jembatan Wheatstone memiliki dua terminal input dan dua terminal output yang terdiri dari empat resistor yang dikonfigurasi dalam pengaturan seperti berlian seperti yang ditunjukkan. Ini khas bagaimana Jembatan Wheatstone digambar.
Ketika seimbang, Jembatan Wheatstone dapat dianalisis hanya sebagai dua seri string secara paralel. Dalam tutorial kami tentang Resistor dalam Seri, kami melihat bahwa setiap resistor dalam rantai seri menghasilkan penurunan IR, atau penurunan tegangan pada dirinya sendiri sebagai konsekuensi dari arus yang mengalir melaluinya sebagaimana ditentukan oleh Hukum Ohm. Pertimbangkan rangkaian seri di bawah ini.
Karena dua Resistor dalam rangkaian, arus yang sama ( i ) mengalir melalui keduanya. Oleh karena itu arus yang mengalir melalui dua resistor ini di seri diberikan sebagai: V/RT.
Tegangan pada titik C, yang juga merupakan penurunan tegangan pada resistor yang lebih rendah, R2 dihitung sebagai:
Kemudian kita dapat melihat bahwa sumber tegangan VS dibagi di antara dua seri resistor berbanding lurus dengan resistansi mereka sebagai VR1 = 4V dan VR2 = 8V. Ini adalah prinsip pembagian tegangan, menghasilkan apa yang biasa disebut rangkaian Beda Potensial atau jaringan Pembagi Tegangan.
Sekarang jika kita menambahkan rangkaian resistor seri lain menggunakan nilai-nilai resistor yang sama secara paralel dengan yang pertama kita akan memiliki rangkaian berikut.
Sebagai rangkaian seri kedua memiliki nilai resistif yang sama dari yang pertama, tegangan pada titik D, yang juga turun tegangan resistor, R4 akan sama di 8 volt, sehubungan dengan nol (baterai negatif), sebagai tegangan umum dan dua jaringan resistif adalah sama.
Tetapi hal lain yang sama pentingnya adalah bahwa perbedaan tegangan antara titik C dan titik D akan menjadi nol volt karena kedua titik tersebut memiliki nilai yang sama dengan 8 volt seperti: C = D = 8 volt, maka perbedaan tegangannya adalah: 0 volt
Ketika ini terjadi, kedua sisi jaringan jembatan paralel dikatakan seimbang (balanced) karena tegangan pada titik C adalah nilai yang sama dengan tegangan pada titik D dengan selisihnya nol.
Sekarang mari kita mempertimbangkan apa yang akan terjadi jika kita membalikkan posisi dua resistor, R3 dan R4 di cabang paralel kedua sehubungan dengan R1 dan R2.
Dengan resistor, R3 dan R4 terbalik, arus yang sama mengalir melalui kombinasi seri dan tegangan pada titik D, yang juga merupakan penurunan tegangan resistor, R4 akan menjadi:
Sekarang dengan V R4 memiliki 4 volt jatuh di atasnya, perbedaan tegangan antara titik C dan D akan menjadi 4 volt sebagai: C = 8 volt dan D = 4 volt. Maka perbedaannya kali ini adalah: 8 - 4 = 4 volt
Hasil dari menukar kedua resistor adalah bahwa kedua sisi atau "lengan" dari jaringan paralel berbeda karena mereka menghasilkan penurunan tegangan yang berbeda. Ketika ini terjadi jaringan paralel dikatakan tidak seimbang (unbalanced) sebagai tegangan pada titik C adalah pada nilai yang berbeda untuk tegangan pada titik D.
Kemudian kita dapat melihat bahwa rasio resistansi dari kedua lengan paralel ini, ACB dan ADB, menghasilkan perbedaan tegangan antara 0 volt (seimbang) dan tegangan supply maksimum (tidak seimbang), dan ini adalah prinsip dasar dari Rangkaian Jembatan Wheatstone.
Jadi kita bisa melihat bahwa rangkaian Jembatan Wheatstone dapat digunakan untuk membandingkan resistansi tidak diketahui RX dengan yang lain dari nilai yang diketahui, misalnya, R1 dan R2, memiliki nilai tetap, dan R3 bisa menjadi variabel.
Jika kita menghubungkan voltmeter, ammeter atau galvanometer klasik antara titik C dan D, dan kemudian variasi resistor, R3 sampai meter membaca nol, akan menghasilkan dua lengan yang seimbang dan nilai RX, (mengganti R4) dikenal seperti yang ditunjukkan.
Dengan mengganti R4 di atas dengan resistansi dari nilai yang diketahui atau tidak diketahui di lengan penginderaan jembatan Wheatstone sesuai dengan RX dan menyesuaikan resistor lawan, R3 untuk keseimbangan jaringan jembatan, akan menghasilkan output tegangan nol. Maka kita dapat melihat bahwa keseimbangan terjadi ketika:
Persamaan Jembatan Wheatstone diperlukan untuk memberikan nilai resistansi yang tidak diketahui, RX pada keseimbangan diberikan sebagai:
Di mana resistor, R1 dan R2 dikenal atau nilai-nilai yang telah ditetapkan.
Untuk lengan seri pertama, ACB
Untuk kelompok seri kedua, ADB
Tegangan lintas titik C-D diberikan sebagai:
Nilai resistor, R4 yang akan dibutuhkan untuk menyeimbangkan jembatan diberikan sebagai berikut:
Kita telah melihat di atas bahwa Jembatan Wheatstone memiliki dua terminal input ( A-B ) dan dua terminal output ( C-D ). Ketika jembatan seimbang, tegangan melintasi terminal output adalah 0 volt. Namun, ketika jembatan tidak seimbang, tegangan output bisa positif atau negatif tergantung pada arah ketidakseimbangan.
Jembatan Wheatstone pada awalnya dikembangkan oleh Charles Wheatstone untuk mengukur nilai resistansi yang tidak diketahui dan sebagai alat kalibrasi alat ukur, voltmeter, amperemeter, dll, dengan menggunakan kawat geser resistif panjang.
Meskipun saat ini alat ukur listrik multimeter digital menyediakan cara paling sederhana untuk mengukur resistansi. Jembatan Wheatstone masih dapat digunakan untuk mengukur nilai-nilai yang sangat rendah resistansi turun di kisaran mili-ohm.
Rangkaian Jembatan Wheatstone (atau jembatan resistansi) dapat digunakan dalam sejumlah aplikasi dan saat ini, dengan Penguat Operasional (op-amp) modern kita dapat menggunakan rangkaian Jembatan Wheatstone untuk menghubungkan berbagai Transduser dan Sensor ke rangkaian penguat ini.
Rangkaian Jembatan Wheatstone tidak lebih dari dua rangkaian resistansi seri-paralel sederhana yang terhubung antara terminal supply tegangan dan ground yang menghasilkan perbedaan tegangan nol antara dua cabang paralel saat seimbang.
Rangkaian Jembatan Wheatstone memiliki dua terminal input dan dua terminal output yang terdiri dari empat resistor yang dikonfigurasi dalam pengaturan seperti berlian seperti yang ditunjukkan. Ini khas bagaimana Jembatan Wheatstone digambar.
Jembatan Wheatstone
Ketika seimbang, Jembatan Wheatstone dapat dianalisis hanya sebagai dua seri string secara paralel. Dalam tutorial kami tentang Resistor dalam Seri, kami melihat bahwa setiap resistor dalam rantai seri menghasilkan penurunan IR, atau penurunan tegangan pada dirinya sendiri sebagai konsekuensi dari arus yang mengalir melaluinya sebagaimana ditentukan oleh Hukum Ohm. Pertimbangkan rangkaian seri di bawah ini.
I = V ÷ R = 12V ÷ (10Ω + 20Ω) = 0.4A
VR2 = I × R2 = 0.4A × 20Ω = 8 volt
Sekarang jika kita menambahkan rangkaian resistor seri lain menggunakan nilai-nilai resistor yang sama secara paralel dengan yang pertama kita akan memiliki rangkaian berikut.
Tetapi hal lain yang sama pentingnya adalah bahwa perbedaan tegangan antara titik C dan titik D akan menjadi nol volt karena kedua titik tersebut memiliki nilai yang sama dengan 8 volt seperti: C = D = 8 volt, maka perbedaan tegangannya adalah: 0 volt
Ketika ini terjadi, kedua sisi jaringan jembatan paralel dikatakan seimbang (balanced) karena tegangan pada titik C adalah nilai yang sama dengan tegangan pada titik D dengan selisihnya nol.
Sekarang mari kita mempertimbangkan apa yang akan terjadi jika kita membalikkan posisi dua resistor, R3 dan R4 di cabang paralel kedua sehubungan dengan R1 dan R2.
V R4 = 0,4A × 10Ω = 4 volt
Hasil dari menukar kedua resistor adalah bahwa kedua sisi atau "lengan" dari jaringan paralel berbeda karena mereka menghasilkan penurunan tegangan yang berbeda. Ketika ini terjadi jaringan paralel dikatakan tidak seimbang (unbalanced) sebagai tegangan pada titik C adalah pada nilai yang berbeda untuk tegangan pada titik D.
Kemudian kita dapat melihat bahwa rasio resistansi dari kedua lengan paralel ini, ACB dan ADB, menghasilkan perbedaan tegangan antara 0 volt (seimbang) dan tegangan supply maksimum (tidak seimbang), dan ini adalah prinsip dasar dari Rangkaian Jembatan Wheatstone.
Jadi kita bisa melihat bahwa rangkaian Jembatan Wheatstone dapat digunakan untuk membandingkan resistansi tidak diketahui RX dengan yang lain dari nilai yang diketahui, misalnya, R1 dan R2, memiliki nilai tetap, dan R3 bisa menjadi variabel.
Jika kita menghubungkan voltmeter, ammeter atau galvanometer klasik antara titik C dan D, dan kemudian variasi resistor, R3 sampai meter membaca nol, akan menghasilkan dua lengan yang seimbang dan nilai RX, (mengganti R4) dikenal seperti yang ditunjukkan.
Rangkaian Jembatan Wheatstone
Dengan mengganti R4 di atas dengan resistansi dari nilai yang diketahui atau tidak diketahui di lengan penginderaan jembatan Wheatstone sesuai dengan RX dan menyesuaikan resistor lawan, R3 untuk keseimbangan jaringan jembatan, akan menghasilkan output tegangan nol. Maka kita dapat melihat bahwa keseimbangan terjadi ketika:
Di mana resistor, R1 dan R2 dikenal atau nilai-nilai yang telah ditetapkan.
Contoh Jembatan Wheatstone No.1
Jembatan Wheatstone berikut tidak seimbang dibangun. Hitung tegangan output melintasi titik C dan D dan nilai resistor R4 yang diperlukan untuk menyeimbangkan rangkaian jembatan.Untuk lengan seri pertama, ACB
Untuk kelompok seri kedua, ADB
Tegangan lintas titik C-D diberikan sebagai:
VOUT = VC - VD
∴ VOUT = 60 - 25 = 35volt
Nilai resistor, R4 yang akan dibutuhkan untuk menyeimbangkan jembatan diberikan sebagai berikut:
Detektor Cahaya Jembatan Wheatstone
Rangkaian jembatan seimbang menemukan banyak aplikasi elektronik yang bermanfaat seperti yang digunakan untuk mengukur perubahan intensitas cahaya, tekanan atau regangan. Jenis-jenis sensor resistif yang dapat digunakan dalam rangkaian jembatan wheatstone meliputi: Sensor Foto-resistif (LDR), Sensor Posisional (Potensiometer), Sensor Piezoresistif (pengukur regangan) dan Sensor Suhu (termistor), dll.
Ada banyak aplikasi Jembatan Wheatstone untuk merasakan berbagai jumlah mekanis dan listrik, tetapi satu aplikasi Jembatan Wheatstone yang sangat sederhana adalah dalam pengukuran cahaya dengan menggunakan perangkat photo-resistif. Salah satu resistor dalam jaringan jembatan diganti oleh resistor bergantung cahaya, atau LDR.
LDR (Light Dependent Resistor), juga dikenal sebagai photocell cadmium-sulphide (Cds), adalah sensor resistif pasif yang mengubah perubahan level cahaya tampak menjadi perubahan resistansi dan karenanya menjadi tegangan. Resistor bergantung cahaya (LDR) dapat digunakan untuk memantau dan mengukur tingkat intensitas cahaya, atau apakah sumber cahaya ON atau OFF.
Sel Cadmium Sulphide (CdS) yang khas seperti resistor bergantung cahaya (LDR) ORP12 biasanya memiliki resistansi sekitar satu Megaohm (MΩ) dalam cahaya gelap atau redup, sekitar 900Ω pada intensitas cahaya 100 Lux (khas ruangan yang menyala), turun menjadi sekitar 30Ω di bawah sinar matahari cerah.
Kemudian ketika intensitas cahaya meningkat, resistansi berkurang. Dengan menghubungkan resistor yang tergantung cahaya (LDR) ke rangkaian jembatan Wheatstone di atas, kita dapat memantau dan mengukur setiap perubahan dalam tingkat cahaya seperti yang ditunjukkan.
Rangkaian Detektor Cahaya Jembatan Wheatstone
Fotosel LDR terhubung ke rangkaian Jembatan Wheatstone seperti yang ditunjukkan untuk menghasilkan sakelar peka cahaya yang aktif ketika level cahaya yang dirasakan melampaui atau di bawah nilai yang ditentukan sebelumnya yang ditentukan oleh VR1. Dalam contoh ini VR1 potensiometer 22k atau 47kΩ.
Op-amp dihubungkan sebagai pembanding tegangan dengan tegangan referensi V D yang diterapkan pada pin non-pembalik. Dalam contoh ini, baik sebagai R3 dan R4 adalah yang sama 10kΩ nilai, tegangan referensi ditetapkan pada titik D akan karena itu sama dengan setengah dari Vcc. Itu adalah Vcc/2.
Potensiometer, VR1 mengatur tegangan titik perjalanan VC, diterapkan pada input pembalik dan diatur ke tingkat cahaya nominal yang diperlukan. Relai ternyata “ON” ketika tegangan pada titik C kurang dari tegangan pada titik D.
Menyesuaikan VR1 mengatur tegangan pada titik C untuk menyeimbangkan rangkaian jembatan pada tingkat cahaya atau intensitas yang diperlukan. LDR dapat berupa perangkat cadmium sulphide yang memiliki impedansi tinggi pada level cahaya rendah dan impedansi rendah pada level cahaya tinggi.
Perhatikan bahwa rangkaian dapat digunakan untuk bertindak sebagai rangkaian switching “yang diaktifkan cahaya” atau rangkaian switching yang “diaktifkan gelap” hanya dengan mentransposisi posisi LDR dan R3 dalam desain rangkaian.
Jembatan Wheatstone memiliki banyak kegunaan dalam rangkaian elektronik selain membandingkan resistansi yang tidak diketahui dengan resistansi dikenal. Ketika digunakan dengan Penguat Operasional (Op-amp), rangkaian Jembatan Wheatstone dapat digunakan untuk mengukur dan memperkuat perubahan kecil dalam resistansi, RX karena, misalnya, perubahan intensitas cahaya seperti yang telah kita lihat di atas.
Tetapi rangkaian jembatan juga cocok untuk mengukur perubahan resistansi dari perubahan kuantitas lain, jadi dengan mengganti sensor cahaya LDR foto-resistif di atas untuk termistor, sensor tekanan, pengukur regangan, dan transduser lain seperti itu, serta menukar posisi yang LDR dan VR1, kita dapat menggunakannya dalam berbagai aplikasi jembatan Wheatstone lainnya.
Juga lebih dari satu sensor resistif dapat digunakan dalam empat lengan (atau cabang) jembatan yang dibentuk oleh resistor R1 hingga R4 untuk menghasilkan "jembatan penuh", "setengah jembatan" atau "pengaturan rangkaian jembatan seperempat" yang menyediakan kompensasi panas atau penyeimbangan otomatis jembatan Wheatstone.