Pont de Wheatstone

Circuits Divers / Various Circuits

Un circuit en pont de Wheatstone est couramment utilisé pour mesurer la résistance, l'inductance, la capacité et l'impédance.

Ceux-ci sont constitués de quatre parties ou bras qui sont reliés en série dans une configuration de pont en forme de diamant.

Ces quatre bras portent les composants individuels tels qu'une résistance, une inductance ou un condensateur connectés aux jonctions.

Un courant alternatif (AC) ou un courant continu (DC) est fourni entre une paire de jonctions opposées, et un compteur d'affichage ou un circuit de sortie est couplé entre l'autre paire de jonctions opposées.

Avec cet arrangement, lorsque les quatre composants sont ajustés pour avoir des valeurs égales, cela produit une lecture nulle ou 0 sur le compteur connecté. C'est le principe de fonctionnement de base d'un circuit en pont de Wheatstone.

Caractéristiques principales

Certaines des principales caractéristiques d'un circuit en pont sont indiquées ci-dessous :

Les circuits en pont fonctionnent sur la base de la théorie de l'indication nulle.

La sortie d'un pont équilibré est nulle.

L'indication est déterminée par l'étalonnage d'un équipement indicateur ou du compteur.

Des circuits en pont peuvent être utilisés pour prendre des mesures précises.

Des circuits externes supplémentaires peuvent être contrôlés par des circuits en pont.

Un bras du pont peut comprendre un dispositif détecteur sensible à des paramètres physiques tels que la température ou la pression tout en travaillant comme contrôleur.

Histoire

Le circuit en pont de Wheatstone est le circuit en pont le plus connu et le plus étudié dans les cours d'électronique. Il est constitué de deux bras de résistance parallèles, chacun comportant deux composants en série, souvent des résistances.

Pour inclure une source de courant via la connexion, une source de tension continue est reliée entre un réseau en forme de losange.

Pour identifier un état d'équilibre, un détecteur nul, à l'origine un galvanomètre bon marché et fiable, est fixé entre les bras parallèles.

Un chercheur nommé S. H. Christie a conçu ce circuit comme le montre la figure ci-dessus, en 1833.

Malheureusement, son importance n'a été appréciée qu'en 1847, lorsque Sir Charles Wheatstone a démontré la méthode par laquelle son circuit en pont pouvait être utilisé pour produire des mesures électriques. Ce circuit de pont est devenu connu sous le nom de pont de Wheatstone grâce à ses réflexions et à ses expériences.

Le pont de Wheatstone a probablement survécu à tous les outils de mesure électriques précédents. Bien qu'il s'agisse toujours d'un appareil fiable et précis, il n'est pas aussi convivial que les derniers multimètres numériques.

 Néanmoins, le pont de Wheatstone est capable de fournir une précision allant jusqu'à 0,1 %.

La précision peut être comparable à une erreur de 3 % à 5 % généralement trouvée dans les valeurs de résistance mesurées avec des ohmmètres analogiques. La précision du multimètre numérique est déterminée par les spécifications du compteur, telles que la précision et la résolution de la tension continue.

Calculs du pont de Wheatstone

Lors de la mesure d'une résistance inconnue (Rx) à travers un pont de Wheatstone, l'une des résistances existantes est modifiée jusqu'à ce que le courant traversant le détecteur nul commence à tomber à zéro.

Le pont peut désormais être considéré dans un état d’équilibre.

Cela indique que la chute de tension aux bornes de la résistance R3 est égale à la chute de tension aux bornes de la résistance inconnue Rx et que les deux résistances diviseuses R1 et R2 délivrent des tensions identiques.

En conséquence, cette opération peut être exprimée comme donnée par l’équation suivante :

(1) I1 x R1 = Ix x R

À l'état équilibré, la chute de tension aux bornes des résistances R2 et R3 doit être égale, ce qui signifierait que :

(2) I2 x R2 = I3 x R3

Dans cette situation équilibrée puisqu’aucun courant ne circule dans le compteur connecté, on peut supposer que :

(3) I2 = I1 et I3 = Ix

En remplaçant I2 par I1 et I3 par Ix dans la première équation, on obtient :

(4) I2 x R1 = I3 x R

Maintenant, en divisant l'équation 2 par l'équation 4, nous obtenons :

(5) R2/R1 = R3/Rx

L'équation ci-dessus peut être réorganisée comme suit :

(6) R2 x Rx = R3 x R1

L'équation 6 ci-dessus décrit les conditions dans lesquelles un pont de Wheatstone peut être équilibré avec précision et peut être utilisée pour prédire la valeur d'une résistance inconnue une fois que le pont a atteint l'état d'équilibre.

L'équation du pont de Wheatstone la plus fréquente est obtenue en divisant les deux côtés de l'équation par R1 :

Rx = R3 x R1/R2

Le pont de Wheatstone original se distinguait par sa sensibilité nulle extrêmement élevée.

Lorsque le pont est alimenté par une source de 10 volts CC, 5 volts sont créés sur toutes les résistances en condition d'équilibre, et l'aiguille de l'appareil de mesure reste au centre.

Sur un compteur analogique à bobine mobile calibré, un mouvement de 0,1 pour cent entraîne une lecture de 5 millivolts.

Ce circuit peut avoir un élément de sensibilité nul (c'est-à-dire une valeur de détection de proportion déséquilibrée) d'environ 0,003 % en utilisant un amplificateur CC de base à détection de zéro.

Jusqu'en 1847, le principal inconvénient du circuit en pont d'origine était que R3 devait disposer d'une large plage de résistances afin d'équilibrer toutes les valeurs potentielles de Rx.

Wilhelm von Siemens, un ingénieur allemand a pu surmonter ce problème en 1848 en appliquant les changements décrits dans la figure ci-dessous.

En réglant R2 sur une valeur constante et en permettant à R1 d'être commutable, le pont pourrait être encore amélioré, comme illustré sur la figure ci-dessous. Cette conception est basée sur un appareil de mesure scientifique de haute précision des années 1970.

Pont de Wheatstone commutable

Le sélecteur comportant six plages de décades commutables, comme illustré sur la figure ci-dessous, peut être utilisé pour déterminer les résistances CC entre presque zéro et 1 mégohm.

La sensibilité du compteur du centre zéro de détection d'équilibre est régie par la résistance R3, qui est un potentiomètre réglable standardisé de 10 kilohms. Le courant du pont est limité à quelques milliampères par la valeur de la résistance 470 ohms.

Le problème fondamental de ce pont de Wheatstone de 1970 est répertorié dans le tableau ci-dessous : sa sensibilité nulle (qui équivaut à la tension de test Rx) s'aggrave proportionnellement à l'écart du rapport R1/R2 par rapport à l'unité.

En conséquence, la sensibilité minimale est de 0,003 pour cent sur la plage de 10 k où le rapport R1/R2 est de 1/1, mais d'une manière ou d'une autre, elle se détériore à 0,3 pour cent sur les plages de 100 ohms et 1 M où ses rapports R1/R2 sont de 1/100 et 100/1, respectivement.

Le réseau de la figure du Pont de Wheatstone commutable doit intégrer un capteur d'équilibre nul sensible afin d'être un dispositif fonctionnel.

La figure ci-dessus représente une conception d'amplificateur différentiel DC x10 qui peut être utilisé conjointement avec un volt-ohmmètre analogique externe pour créer un tel circuit de détection. Ce circuit nécessite sa propre alimentation séparée de 9 volts.

Le LF351 dispose d'une entrée JFET permettant une faible tension de décalage d'entrée, ainsi que de la technologie BIFET pour une large bande passante et des taux de balayage efficaces avec de faibles courants de polarisation, courants de décalage d'entrée et courants d'alimentation.

Le LF347 est un homologue jumeau du LF353, et c'est l'équivalent approximatif du LF353.

Pour les observations à faible sensibilité, un volt-ohmmètre auxiliaire peut être réglé sur sa plage de 2,5 volts CC, ou sur sa plage de 50 μA ou 100 μA pour les mesures à haute sensibilité.

Le circuit doit être initialement équilibré dans la plage de 100 μA en court-circuitant ses connexions d'entrée ensemble et en ajustant la commande multi tours 10k SET-BALANCE pour une déviation nulle sur le compteur.