Wheatstone Bridge

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

Sirkuit Wheatstone tidak lebih dari dua pengaturan rangkaian paralel yang sederhana yang dihubungkan antara terminal suplai tegangan dan ground yang menghasilkan perbedaan tegangan nol antara dua cabang paralel bila diimbangi. Sirkuit jembatan Wheatstone memiliki dua terminal input dan dua terminal keluaran yang terdiri dari empat resistor yang dikonfigurasi dalam susunan seperti diamond seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1 Konsep Wheatstone bridge

Bila seimbang, jembatan Wheatstone dapat dianalisis hanya sebagai dua deret seri secara paralel. Dalam pembahasan resistor seri sebelumnya, kita melihat bahwa setiap resistor dalam rangkaian seri menghasilkan penurunan IR, atau penurunan voltase pada dirinya sendiri sebagai konsekuensi arus yang mengalir melewatinya seperti yang didefinisikan oleh Hukum Ohms. Mari kita lihat rangkaian seri di bawah ini.

Gambar 2 Resistor seri tunggal

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

Tegangan pada titik C, yang juga voltage drop pada tahanan yang rendah (R₂) dihitung sebagai:

Kemudian kita dapat melihat bahwa tegangan sumber VS terbagi di antara dua resistor seri yang proporsional dengan resistansinya sebagai V_R1 = 4V dan V_R2 = 8V. Inilah prinsip pembagian voltase, menghasilkan apa yang biasa disebut pembagi potensial atau rangkaian pembagi tegangan.

Sekarang, jika kita akan menambahkan rangkaian resistor seri lain dengan menggunakan nilai resistor yang sama secara paralel dengan yang pertama (Gambar 2), kita akan memiliki rangkaian berikut.

Gambar 3 Resistor seri ganda sejajar

Karena rangkaian seri kedua memiliki nilai resistif yang sama dengan yang pertama, voltase pada titik D, yang juga merupakan voltage drop pada resistor, V_R4 akan sama sebesar 8 volt. Namun demikian, hal lain yang sama pentingnya adalah bahwa perbedaan voltase antara titik C dan titik D akan menjadi nol volt karena kedua titik sama sama pada nilai 8 volt (C = D = 8 volt), maka perbedaan voltasenya adalah: 0 volt. Bila ini terjadi, kedua sisi sirkuit 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 yang mengimbangi R₁ dan R₂.

Gambar 4 Resistor seri ganda berbalik nilai

Dengan resistor R₃ dan R₄ terbalik, arus yang sama mengalir melalui kombinasi seri dan voltase pada titik D, yang juga merupakan voltage drop pada resistor, V_R4 akan menjadi:

V_R4= 0.4A × 10Ω = 4 volts

Sekarang dengan V_R4 memiliki voltage drop 4 volt, perbedaan voltase antara titik C dan D akan menjadi 4 volt ( C = 8 volt dan D = 4 volt). Sehingga, perbedaan volatasenya  adalah: 8 – 4 = 4 volt. Hasil swapping (pertukaran) dua resistor adalah bahwa kedua sisi atau “arm” dari jaringan paralel berbeda karena menghasilkan voltage drop yang berbeda. Bila ini terjadi, jaringan paralel dikatakan tidak seimbang karena voltase pada titik C berbeda dengan voltase pada titik D.

Dari Gambar 4, kita bisa melihat bahwa rasio resistor kedua lengan paralel, ACB dan ADB menghasilkan perbedaan voltase antara 0 volt dan voltase suplai maksimum (tidak seimbang), dan ini adalah prinsip dasar Sirkuit Jembatan Wheatstone. Jadi, kita dapat melihat bahwa rangkaian jembatan Wheatstone dapat digunakan untuk membandingkan R_X 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 sebuah galvanometer klasik antara titik C dan D, dan kemudian variabel resistor R₃ sampai meter terbaca nol, akan menghasilkan dua lengan yang seimbang dan nilai R_X, (pengganti R₄) sebagai berikut.

Gambar 5 Konsep dasar Sirkuit Jembatan Wheatstone

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

Persamaan Jembatan Wheatstone yang dibutuhkan untuk memberi nilai hambatan yang tidak diketahui (R_X) pada keseimbangan diberikan sebagai:

Dimana nilai resistor R₁ dan R₂ diketahui sebagai nilai pre-set.

Contoh Aplikasi Wheatstone Bridge

Sirkuit jembatan yang seimbang menemukan banyak aplikasi elektronika yang berguna seperti 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 Wheatsnote untuk sensor berbagai macam kuantitas mekanikal 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 LDR.

LDR, yang juga dikenal sebagai photocell kadmium-sulfida (CdS), adalah sensor resistif pasif yang mengubah perubahan tingkat cahaya menjadi perubahan resistansi. LDR dapat digunakan untuk memantau dan mengukur tingkat intensitas cahaya, atau apakah sumber cahaya harus menyala atau mati.

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

Gambar 6 Aplikasi Jembatan Wheatstone pada LDR

Photocell LDR terhubung ke sirkuit Jembatan Wheatstone seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.25 untuk menghasilkan saklar sensitif cahaya yang menyala saat tingkat cahaya yang terbaca di atas atau di bawah nilai yang telah ditentukan, yang ditentukan oleh V_R1. Dalam contoh ini V_R1 adalah potensiometer 22k atau 47k.

Op-amp dihubungkan sebagai komparator tegangan dengan tegangan referensi V_D yang diterapkan pada pin pembalik. Dalam contoh ini, karena R₃ dan R₄ memiliki nilai 10k the yang sama, voltase referensi yang ditetapkan pada titik D akan sama dengan setengah dari V_cc. Potensiometer V_R1 mengatur tegangan V_C, yang diatur ke tingkat cahaya nominal yang diinginkan. Relai akan “ON” bila voltase pada titik C kurang dari tegangan pada titik D.

V_R1 mengatur voltase pada titik C untuk menyeimbangkan sirkuit 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 sebagai rangkaian pengalih “light activated” atau “dark activated” hanya dengan mentranspos posisi LDR dan R₃ di dalam desain rangkaian.

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

Rangkaian jembatan juga cocok untuk mengukur perubahan resistansi dari jumlah perubahan lainnya. Jadi, dengan mengganti sensor lampu LDR untuk termistor, sensor tekanan, pengukur regangan, dan transduser lainnya, serta menukar posisi LDR dan V_R1, kita bisa menggunakannya dalam berbagai aplikasi jembatan Wheatstone lainnya. Juga, sensor resistif lebih dari satu dapat digunakan di dalam empat lengan 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.

Baca Juga:

• Teori Dasar Listrik
• Besaran Listrik
• Pengukuran Besaran Listrik
• Hukum Kirchhoff
• Elektromagnetik dan Aplikasinya
• Elektrokimia dan Aplikasinya

Referensi:
Setiyo, M. (2017) Listrik & Elektronika Dasar Otomotif (Basic Automotive Electricity and Electronics). Edited by A. Burhanudin. Magelang: UNIMMA Press.