Wie man die Wheatstone-Brücke berechnet V_out=Vs*(R3/(R1+R3)-R4/(R2+R4))
Berechnen Sie Wheatstone-Brücke V_out=Vs*(R3/(R1+R3)-R4/(R2+R4)). Abgleich R1*R4=R2*R3, V_out=0. Unbekannter Widerstand Rx=R2*R3/R1. Christie 1833 Wheatstone 1843. DMS HBM Darmstadt, RTD PT100 Heraeus Hanau IEC 60751, Wägezellen Mettler Bizerba Deutschland.
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Wie man die Wheatstone-Brücke berechnet: Präzisionsmessschaltung patentiert von Samuel Hunter Christie (Großbritannien 1784-1865) Royal Military Academy Woolwich 1833 und verfeinert von Charles Wheatstone (Großbritannien 1802-1875) King's College London 1843. Unbalance-Spannungsformel: V_out = V_s * (R3/(R1+R3) - R4/(R2+R4)), wobei V_s Versorgungsspannung (V), R1 R2 R3 R4 vier Brückenwiderstände. Abgleichbedingung: R1*R4 = R2*R3, V_out=0. Unbekannte Widerstandsmessung: R_x = R2*R3/R1, wenn V_out=0 durch Potentiometer-Einstellung. Wesentliches Werkzeug für: Dehnmessstreifen Strain Gauges (Vishay USA, HBM Hottinger Brüel & Kjær Darmstadt deutsches Hauptsitz historisch wichtige, Tokyo Sokki Japan, Kyowa Sapporo Japan), RTD PT100 PT1000 IEC 60751 Platin-Widerstandsthermometer (Heraeus Hanau Hessen Deutschland 1851 globaler Marktführer, Honeywell USA, Jumo Fulda Hessen Deutschland Industrieautomation, Endress+Hauser Reinach Schweiz, ABB Mannheim Deutschland), NTC PTC Thermistoren (TDK Murata Japan, Vishay PA, EPCOS München Deutschland TDK 2008-Akquisition), industrielle Wägezellen Load Cells (Mettler-Toledo Greifensee Schweiz-Columbus OH USA globaler Marktführer, Sartorius Göttingen Niedersachsen Deutschland 1870 Laborwaagen-Hersteller analytische Präzision 0,01 mg, Bizerba Balingen Baden-Württemberg deutsche Markenführer Wägetechnik).
DAQ-Instrumentierung: National Instruments Austin TX, Rohde&Schwarz München Deutschland Hochfrequenz-Messtechnik, Keithley Tektronix, Yokogawa Tokio. Deutsche Metrologie: PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig Niedersachsen deutsches Hauptsitz nationales Referenzlabor.
Wheatstone-Brücke-Formeln
Unbalance-Ausgangsspannung: V_out = V_s * (R3/(R1+R3) - R4/(R2+R4)). Auch: V_out = V_s * (R1*R4 - R2*R3) / ((R1+R3)*(R2+R4)). Für kleine Variation dR4 vom Abgleich: V_out ~ V_s * dR4 / (4*R_avg). Näherung gültig für dR/R<<1.
Abgleichbedingung: R1*R4 = R2*R3, äquivalent R1/R2 = R3/R4. Bei Abgleich V_out=0 unabhängig V_s. Maximale Empfindlichkeit: R1=R2=R3=R4=R. Brückenkonstante k=1 single arm, k=2 half bridge, k=4 full bridge.
Brückenempfindlichkeit: dV_out/dR = V_s/(4R) für single arm. Output mV/V typisch 1-3 mV/V Wägezelle, 5 mV/V Strain Gauge full bridge 1000 microstrain.
Strain Gauge Formel: dR/R = GF * epsilon, GF Gauge Factor (~2,0 Metalle Folie, 50-200 Halbleiter), epsilon=dL/L Verformung (microstrain ue=1e-6).
RTD PT100 Formel: R_T = R_0 * (1 + alpha*T) linear, R_0=100 Ohm bei 0°C, alpha=0,00385 Ohm/Ohm/°C IEC 60751 internationaler Standard. Callendar-Van Dusen Polynom Präzision. PT1000 R_0=1000 Ohm bessere Rauschimmunität.
Geschichte und Kontext
Samuel Hunter Christie (Großbritannien 1784-1865) Royal Military Academy Woolwich 1833 paper "Experimental Determination" Phil Trans R Soc 123:95. Charles Wheatstone (Großbritannien 1802-1875) King's College London 1843 paper "An Account of Several New Instruments" Phil Trans R Soc 133:303 - Erfinder Cooke-Wheatstone-Telegraph 1837. Lord Kelvin Thomson (Schottland 1824-1907) Glasgow modifizierte Kelvin-Galvanometer 1860. James Clerk Maxwell (Schottland 1831-1879) Cambridge Netzwerktheorie Maxwell-Kirchhoff. Werner von Siemens (Deutschland 1816-1892) Berlin Siemens AG Gründer 1847 - deutsche historisch wichtige Industriegeschichte. Edward Simmons (USA 1903-2004) Caltech 1938 erfand Strain Gauges. Industrie Strain Gauges Deutschland: HBM Hottinger Brüel & Kjær Darmstadt Hessen Deutschland 1950 Gründung deutsche Niederlassung historisch wichtige globale Marke (Spectris Group), Vishay USA, Tokyo Sokki Japan. Wägezellen-Industrie Deutschland: Mettler-Toledo Greifensee Schweiz-Columbus OH USA globaler Marktführer, Sartorius Göttingen Niedersachsen Deutschland 1870 Gründung Laborwaagen Premium-Marke deutsche, Bizerba Balingen Baden-Württemberg deutscher Marktführer Wägetechnik historisch, Soehnle Backnang Baden-Württemberg deutsche Wäge-Industrie Hausgebrauch.
RTD-Industrie Deutschland: Heraeus Hanau Hessen Deutschland 1851 globaler Marktführer Platin-RTD-Wire-wound Thin-film PT100 PT1000 historisch deutsche Materialwissenschaft, Jumo Fulda Hessen Deutschland Industrieautomation, ABB Mannheim Baden-Württemberg, Siemens Erlangen Bayern. Thermistoren NTC: TDK Tokio Murata Kyoto Japan, EPCOS München Bayern Deutschland TDK 2008-Akquisition deutsche historische Hauptsitz. DAQ-Instrumentierung: National Instruments Austin TX leader, Rohde&Schwarz München Bayern Deutschland Hochfrequenz-Messtechnik deutscher Marktführer historisch, Yokogawa Tokio Japan, Keithley Tektronix. Deutsche Metrologie: PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig Niedersachsen deutsches Hauptsitz nationales Referenzlabor präzise Widerstandskalibrierung Quantum Hall Standard R_K=h/e^2=25812,807 Ohm Klaus von Klitzing 1980 Nobelpreis Physik 1985 - deutsche historisch wichtige Entdeckung Stuttgart Universität. Universitäten: TU München Lehrstuhl für Elektrotechnik, RWTH Aachen Institut für Elektrotechnik, TU Berlin Fachgebiet Hochfrequenzelektronik, Uni Stuttgart Institut für Hochfrequenztechnik IHE, FAU Erlangen-Nürnberg, Karlsruher Institut für Technologie KIT, TU Hamburg-Harburg.
Tabelle Wheatstone-Brücke-Anwendungen
- Brücke balanced R1=R2=R3=R4=100 Ohm: V_out=0 V perfekter Abgleich
- Strain Gauge GF=2 R=350 Ohm 1000 ue: dR=0,7 Ohm
- Wägezelle Standard-Empfindlichkeit: 1-3 mV/V industriell
- RTD PT100 IEC 60751: R_0=100 Ohm 0°C, alpha=0,00385
- RTD PT1000 IEC 60751: R_0=1000 Ohm
- NTC Thermistor 10 kOhm 25°C: B=3950 K typisch
- Strain Gauge GF Metalle: GF=2,0 Konstantan
- Strain Gauge Halbleiter: GF=50-200
- Brückenkonstante single arm: k=1
- Brückenkonstante full bridge: k=4
- Standard-Widerstand: 120, 350, 700, 1000 Ohm
- Erregungsspannung typisch: 5-15 V
- Empfindlichkeitsformel: dV_out=V_s*dR/(4*R) single arm
- Quantum Hall Standard: R_K=25812,807 Ohm (von Klitzing 1980 Nobel 1985 deutsche Entdeckung)
Detaillierte numerische Beispiele
Beispiel 1 - Wheatstone balanced ideal. R1=R2=R3=R4=100 Ohm, V_s=5V. V_out=0V perfekter Abgleich. Anwendung: Kalibrierung PTB Braunschweig deutsches nationales Metrologie-Hauptsitz.
Beispiel 2 - Strain Gauge Zugbalken Metall. GF=2,0 R_0=350 Ohm 1000 microstrain. dR=0,7 Ohm. V_s=10V. V_out=-5 mV. Anwendung: HBM Darmstadt Strain-Gauge-Marktführer Deutschland, Brückenüberwachung deutsche Autobahnen DBV Berlin.
Beispiel 3 - PT100 RTD 50°C IEC 60751. R_T=119,25 Ohm. V_s=5V. V_out=-21,9 mV. Anwendung: pharmazeutische Industrie Bayer Leverkusen Bioreaktoren, BASF Ludwigshafen Chemieprozess, Brauwesen Bitburger Pilsner Urquell Brauerei-Fermentation.
Beispiel 4 - Brücke unbalanced R-Messung. R1=1000, R2=2000, R3=1500. R4=R_x=3000 Ohm. V_s=12V. V_out=0V Abgleich. R_x verifiziert. Anwendung: PTB Braunschweig deutsches nationales Referenzlabor.
Beispiel 5 - Wägezelle Vollbrücke 100 kg. Mettler Toledo MT 1503 4 Strain Gauges Vollbrücke 350 Ohm. V_out=10 mV. Anwendung: Supermarkt-Waagen Edeka Rewe Aldi Lidl Kaufland Deutschland, Bizerba Balingen Baden-Württemberg deutsche Marke historisch.
Grenzen und Überlegungen
- Lineare Näherung nur dR/R<<1.
- Power dissipation P=V^2/R Grenze.
- Self-heating PT100 1 mA verursacht 0,1°C Fehler.
- Lead wire compensation 3-Draht 4-Draht RTD.
- Temperaturdrift Widerstände 50-200 ppm/°C.
- Thermische EMK Seebeck 1-50 uV/°C.
- Galvanometer Eingangsimpedanz ideal unendlich.
- Brücke unbalanced nichtlinear bei großem dR.
- EMV-Rauschaufnahme abgeschirmtes Twisted-Pair.
- AC-Wheatstone-Brücke Impedanz Schering Maxwell.
Häufige Fehler
- Verwechslung R3/R1 mit R4/R2.
- Vernachlässigung Selbsterwärmung Sensoren R.
- Annahme Linearität für dR/R>5%.
- Verwechslung Vollbrücke 4x vs single arm.
- Vernachlässigung Lead-Wire-Kompensation.
- Verwendung R 1/8 W mit hohem V_s.
- Verwechslung mV/V mit mV gesamt.
- Vernachlässigung TC Widerstände 200 ppm/°C.
- Annahme Brücke balanced ohne Potentiometer.
- Verwechslung DC-Wheatstone mit AC-Impedanz-Brücke.
Nummerierte Anwendungen
- Dehnmessstreifen Strain Gauges Deutschland: HBM Darmstadt Hessen 1950 Marktführer historisch, Vishay USA, Tokyo Sokki Japan.
- Industrielle Wägezellen Deutschland: Mettler-Toledo Schweiz-USA Marktführer, Sartorius Göttingen Niedersachsen 1870 Premium-Laborwaagen, Bizerba Balingen Baden-Württemberg.
- RTD PT100 PT1000 Deutschland: Heraeus Hanau Hessen 1851 globaler Marktführer, Jumo Fulda Hessen Industrieautomation, Honeywell USA.
- NTC PTC Thermistoren: TDK Tokio Murata Kyoto Japan, Vishay PA, EPCOS München Bayern Deutschland TDK 2008-Akquisition.
- DAQ-Instrumentierung Deutschland: Rohde&Schwarz München Bayern Hochfrequenz-Messtechnik deutscher Marktführer, National Instruments USA.
- Industriewaagen Deutschland: Bizerba Balingen historisch, Sartorius Göttingen, Soehnle Backnang Baden-Württemberg.
- Prozessmesstechnik: Endress+Hauser Reinach Schweiz, ABB Mannheim Baden-Württemberg, Siemens Erlangen Bayern.
- Deutsche Metrologie PTB: PTB Braunschweig Niedersachsen deutsches Hauptsitz nationales Referenzlabor Quantum Hall Standard von Klitzing.
- Luft- und Raumfahrt-Strain-Monitoring: DLR Köln-Porz Bonn Hauptsitz, DLR Göttingen Aerodynamik Windkanal historisch Prandtl.
- Bildung Lehre: TU München, RWTH Aachen, TU Berlin, Uni Stuttgart IHE, FAU Erlangen-Nürnberg, KIT Karlsruhe Elektrotechnik-Kurse.
Unterstützung
Für technische Fragen: info@calcoi.com. Lehrwerkzeug für vorläufige Elektrotechnik. Für professionelle Ingenieurarbeit Christie SH 1833 Phil Trans R Soc 123:95, Wheatstone C 1843 Phil Trans R Soc 133:303, Hayt WH 'Engineering Circuit Analysis' 2018 McGraw-Hill, Sedra-Smith 'Microelectronic Circuits' 2020 Oxford, IEC 60751 RTD-Platin-Standard 2008.
Aktualisiert im Juli 2026
Häufig gestellte Fragen
Was misst die Wheatstone-Brücke?
Was ist Brückenkonstante k?
Wie funktioniert PT100 RTD?
Unterschied metallischer vs Halbleiter-DMS?
Wie reduziert man PT100-Selbsterwärmung?
Wann AC-Wheatstone-Brücke verwenden?
Häufige Fehler beim Wheatstone-Design?
Formel
V_out = V_s*(R3/(R1+R3) - R4/(R2+R4))
V_out = V_s*(R1*R4 - R2*R3)/((R1+R3)*(R2+R4))
R1*R4 = R2*R3 -> V_out=0
R_x = R2*R3/R1 (when V_out=0)
dV_out = V_s*dR/(4*R) for small dR (linear)
k=1 quarter bridge, k=2 half bridge, k=4 full bridge
dR/R = GF*epsilon; GF=2.0 metals, 50-200 semiconductor
R_T = R_0*(1+alpha*T); alpha=0.00385 Ohm/Ohm/°C IEC 60751
Steinhart-Hart: 1/T = a + b*ln(R) + c*ln(R)^3
Bilanciato R1=R2=R3=R4=100 Ohm V_out=0; PT100 50°C R_T=119.25 Ohm
Christie SH 1833 'Experimental Determination' Phil Trans R Soc 123:95; Wheatstone C 1843 'An Account of Several New Instruments' Phil Trans R Soc 133:303; Hayt WH 'Engineering Circuit Analysis' 2018 McGraw-Hill; Sedra-Smith 'Microelectronic Circuits' 2020 Oxford; IEC 60751 RTD platinum standard 2008
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