บทที่ 11

วงจรบริดจ์

สาระการเรียนรู้

• 1. วีตสโตนบริดจ์
• 2. วงจรบริดจ์สมดุล
• 3. วงจรบริดจ์ไม่สมดุล
• 4. บทสรุป

​

1.วีตสโตนบริดจ์

วงจรบริดจ์ (Bridge Circuit)

เป็นวงจรที่ประกอบด้วยตัวต้านทาน 4 ตัว

ประกอบวงจรร่วมกัน 4 ด้าน ใช้ทำหน้าที่

ปรับเปรียบเทียบค่า เพื่อวัดค่าปริมาณไฟฟ้า

ที่ไม่ทราบค่าในวงจร เทียบกับค่าอ้างอิงมาตรฐานร่วมกับเครื่องวัดแสดงค่าการวัดออกมา วงจรบริดจ์ไฟตรงที่นิยมใช้งาน ได้แก่

วีตสโตนบริดจ์ (Wheatstone Bridge) ถูกพัฒนามาใช้งานโดย

ท่านเซอร์ ชาลส์ วีทสโตน (Sir Charles Wheatstone)

​

วีตสโตนบริดจ์ เป็นวงจรบริดจ์ไฟตรง

ที่สร้างขึ้นมาเพื่อวัดค่าความต้านทานที่ไม่ทราบ

ค่าประกอบร่วมในวงจรบริดจ์โดยการเปรียบเทียบ

กับความต้านทานมาตรฐานที่ปรับเปลี่ยนค่าได้

ใช้กัลป์วานอมิเตอร์เป็นตัวแสดงค่าความสมดุล

ของวงจรบริดจ์และใช้ตัวต้านทานมาตรฐานทราบค่าที่มีสัดส่วนพอเหมาะต่อประกอบร่วมในด้านที่เหลืออีก 2 ด้าน เพื่อทำให้วงจรบริดจ์เกิดความสมดุลได้

จากรูปแสดงวงจรวีตสโตนบริดจ์เบื้องต้น วงจรประกอบด้วยตัวต้านทาน R₁, R₂, R₃, R_X, กัลวานอมิเตอร์ G และแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้า E_T ตัว R₁, R₂ เป็นความต้านทานมาตรฐานทราบค่ามีค่าคงที่ จัดสัดส่วนค่าความต้านทานทั้งสองตัวให้สัมพันธ์กัน เช่น 100 Ω, 1 kΩ, 10 kΩ และ 100 kΩ เป็นต้น

ตัว R₃ เป็นความต้านทานมาตรฐานทราบค่าปรับเปลี่ยนค่าได้ ใช้ปรับความสมดุลของวงจรบริดจ์ และตัว R_X เป็นความต้านทานไม่ทราบค่าที่ต้องการหาค่า กัลวานอมิเตอร์ G เป็นตัวแสดงความสมดุลของวงจรบริดจ์

การใช้วงจรวีตสโตนบริดจ์หาค่าความต้านทานที่ไม่ทราบค่า จะหาค่าได้ต้องเป็นสภาวะบริดจ์สมดุลเท่านั้น ในสภาวะบริดจ์สมดุลสังเกตได้จากกัลวานอมิเตอร์ G จะแสดงค่า 0 ออกมา คือไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน (I_G = 0) หรือกล่าวได้ว่า ศักย์ไฟฟ้าที่จุด B เท่ากับศักย์ไฟฟ้าที่จุด D ทำให้กระแสไฟฟ้า I₁ – I₂ มีค่าเท่ากับกระแสไฟฟ้า I_X – I₃

กรณีที่วงจรวีตสโตนบริดจ์ไม่สมดุล กัลวานอมิเตอร์ G มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน เกิดการแสดงค่าออกมาไม่เป็นค่า 0 (I_G ≠ 0) ทำให้ค่ากระแสไฟฟ้า I₁ – I₂ ไม่เท่ากับกระแสไฟฟ้า I_X – I₃ นั่นคือศักย์ไฟฟ้าที่จุด B ไม่เท่ากับศักย์ไฟฟ้าที่จุด D ถ้าศักย์ไฟฟ้าที่จุด B สูงกว่าศักย์ไฟฟ้าที่จุด D เกิดกระแสไฟฟ้า I_G ไหลจากจุด B ไปจุด D กัลวานอมิเตอร์ G แสดงค่าไปทิศทางหนึ่ง และถ้าศักย์ไฟฟ้าที่จุด D สูงกว่าศักย์ไฟฟ้าที่จุด B เกิดกระแสไฟฟ้า I_G ไหลจากจุด D ไปจุด B กัลวานอมิเตอร์ G แสดงค่าไปอีกทิศทางหนึ่ง

การวิเคราะห์การทำงานของวงจรบริดจ์ สามารถทำได้ใน 2 ลักษณะ คือ

วงจรบริดจ์สมดุล (Balance Bridge Circuit)

วงจรบริดจ์ไม่สมดุล (Unbalance Bridge Circuit)

​

2.วงจรบริดจ์สมดุล

วงจรบริดจ์สมดุล

เป็นวงจรวีตสโตนบริดจ์ที่ทำงานในสภาวะสมดุล คือ ไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านกัลวานอมิเตอร์ G (I_G = 0) ลักษณะวงจรบริดจ์สมดุล แสดงดังรูป

​

จากรูปแสดงวงจรบริดจ์สมดุล ในขณะที่วงจรบริดจ์สมดุลไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านกัลวานอมิเตอร์ G (I_G = 0) เป็นผลให้ศักย์ไฟฟ้าที่จุด B เท่ากับศักย์ไฟฟ้าที่จุด D จึงเสมือนว่ากัลวานอมิเตอร์ G ถูกตัดออกจากวงจร ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน R₁ เท่ากับกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน R₂ มีค่ากระแส I₁ และกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน R₄ เท่ากับกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน R₃ มีค่า กระแส I₂

ผลจากวงจรบริดจ์สมดุล จะได้แรงดันไฟฟ้าตกคร่อม R₁ เท่ากับแรงดันไฟฟ้าตกคร่อม R₄ และแรงดันไฟฟ้าตกคร่อม R₂ เท่ากับแรงดันไฟฟ้าตกคร่อม R₃ เขียนออกมาเป็นสมการได้ดังนี้

V_AB = V_AD

หรือ I₁R₁ = I₂R₄

และ V_BC = V_DC

หรือ I₁R₂ = I₂R₃

​

นำสมการที่ (1) หารด้วย (2) จะได้

ตำแหน่งการต่อแหล่งจ่ายดันไฟฟ้า E_T และกัลวานอมิเตอร์ G เข้าวงจร สามารถสลับตำแหน่งกันได้ เมื่อปรับบริดจ์สมดุล สมการวงจรบริดจ์ยังคงเดิมไม่เปลี่ยนแปลง

3.วงจรบริดจ์ไม่สมดุล

วงจรบริดจ์ไม่สมดุล

เป็นวงจรวีตสโตนบริดจ์ที่ทำงานในสภาวะไม่สมดุล คือ มีกระแส ไฟฟ้าไหลผ่านกัลวานอมิเตอร์ G (I_G ≠ 0) ทำให้ศักย์ไฟฟ้าจ่ายให้กัลวานอมิเตอร์ G ทั้ง 2 ด้านไม่เท่ากัน เกิดกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวต้านทานทั้ง 4 ด้านของวงจรบริดจ์ไม่เท่ากัน ลักษณะวงจรบริดจ์ไม่สมดุล แสดงดังรูป

​

จากรูป แสดงวงจรบริดจ์ไม่สมดุล มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านกัลวานอมิเตอร์ G เมื่อศักย์ไฟฟ้าที่จุด B สูงกว่าศักย์ไฟฟ้าที่จุด D มีกระแสไฟฟ้า I1 – I2 ไหลมากกว่ากระแสไฟฟ้า I4 – I3 หรือเมื่อศักย์ไฟฟ้าที่จุด D สูงกว่าศักย์ไฟฟ้า ที่จุด B มีกระแสไฟฟ้า I4 – I3 ไหลมากกว่ากระแสไฟฟ้า I1 – I2 กัลวานอมิเตอร์ G แสดงค่ากระแสไฟฟ้าออกมาได้ดังนี้

เมื่อศักย์ไฟฟ้าจุด B สูงกว่าจุด D IG1 = (I1 – I2) – (I4 – I3)

เมื่อศักย์ไฟฟ้าจุด D สูงกว่าจุด B IG2 = (I4 – I3) – (I1 – I2)

การที่วงจรบริดจ์ไม่สมดุล ค่าความต้านทานภายในตัวกัลวานอมิเตอร์ G (RG) มีผลต่อการทำงานของวงจรบริดจ์ การหาค่าปริมาณไฟฟ้าต่างๆ จำเป็นต้องใช้กฎของโอห์ม กฎของเคอร์ชอฟฟ์ และการแปลงวงจรเดลตา () หรือวงจรสตาร์ (Y) เข้ามาช่วยแก้ปัญหา

การแก้ ปัญหาวงจรบริดจ์ไม่สมดุล แสดงดังรูป

​

​

​

​

​

จากรูปแสดงการแปลงวงจรเดลตา เป็นวงจรสตาร์ในวงจรบริดจ์ไม่สมดุล

ในส่วน R₁, R₄ และ R_G เป็น R_X, R_Y และ R_Z ทำให้การคำนวณหาค่าต่างๆ โดยใช้กฎของโอห์ม หรือใช้กฎการคำนวณวิธีต่างๆ ทำได้ง่ายขึ้น

4.บทสรุป

วีตสโตนบริดจ์ เป็นวงจรบริดจ์ไฟตรง

ที่สร้างขึ้นมาเพื่อวัดค่าความต้านทานที่ไม่ทราบค่าประกอบร่วมในวงจรบริดจ์ โดยการเปรียบเทียบกับความต้านทานมาตรฐานที่ปรับเปลี่ยนค่าได้ ใช้กัลวานอมิเตอร์เป็นตัวแสดงค่าความสมดุลของวงจรบริดจ์ และใช้ตัวต้านทานมาตรฐานทราบค่าที่มีสัดส่วนพอเหมาะต่อประกอบร่วมในด้านที่เหลืออีก 2 ด้าน เพื่อทำให้วงจรบริดจ์เกิดความสมดุลได้

การใช้วงจรวีตสโตนบริดจ์หาค่าความต้านทานที่ไม่ทราบค่า

จะหาค่าได้ต้องเป็นสภาวะบริดจ์สมดุลเท่านั้น

กรณีที่วงจรวีตสโตนบริดจ์ไม่สมดุล

กัลวานอมิเตอร์ G มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน เกิดการแสดงค่าออกมาไม่เป็นค่า 0

การหาค่าปริมาณไฟฟ้าต่างๆ

ต้องใช้กฎของโอห์ม กฎของเคอร์ชอฟฟ์ และการแปลงวงจรเดลตา หรือวงจรสตาร์

การวิเคราะห์การทำงานของวงจรบริดจ์ สามารถทำได้ใน 2 ลักษณะ คือ 1. วงจรบริดจ์สมดุล 2.วงจรบริดจ์ไม่สมดุล