전기 계량에 대한 텍스트는 브리지 회로에 대한 섹션 없이는 완전하다고 할 수 없습니다. 이 독창적인 회로는 실험실 저울이 두 개의 무게를 비교하여 같은지 표시하는 것처럼 두 전압을 비교하기 위해 널 밸런스 미터를 사용합니다. 단순히 알려지지 않은 전압을 측정하는 데 사용되는 "전위차계" 회로와 달리 브리지 회로는 모든 종류의 전기적 값을 측정하는 데 사용할 수 있으며, 그 중 가장 중요한 것은 저항입니다.
휘트스톤 브리지
표준 브리지 회로는 휘트스톤 브리지 라고도 불리며 다음과 같습니다.
지점 1과 배터리의 음극 간 전압이 지점 2와 배터리의 음극 간 전압과 같을 때, 널 검출기는 0을 표시하고 브리지는 "균형 잡혔다"고 합니다. 브리지의 평형 상태는 R a /R b 와 R 1 /R 2 의 비율에만 의존하며 , 공급 전압(배터리)과는 전혀 무관합니다.
휘트스톤 브리지로 저항을 측정하려면 R a 또는 R b 대신 알려지지 않은 저항을 연결 하고 다른 세 개의 저항은 알려진 값의 정밀 장치입니다. 다른 세 개의 저항 중 하나를 교체하거나 브리지가 균형을 이룰 때까지 조정할 수 있으며, 균형에 도달하면 알려진 저항의 비율에서 알려지지 않은 저항 값을 결정할 수 있습니다.
이것이 측정 시스템이 되기 위한 요건은 저항이 정확히 알려진 가변 저항기 세트를 사용하여 참조 표준으로 사용할 수 있어야 한다는 것입니다. 예를 들어, 브리지 회로를 연결하여 알려지지 않은 저항 R x 를 측정하는 경우, R x 의 값을 결정하기 위해 평형 상태에서 다른 세 저항기의 정확한 값을 알아야 합니다 .
브리지 회로의 네 가지 저항은 각각 암(arm) 이라고 합니다 . 알려지지 않은 저항 R x ( 위의 회로도에서는 R a )와 직렬로 연결된 저항은 일반적으로 브리지의 가변저항 이라고 하며, 다른 두 저항은 브리지의 비율 암 (ratio arm) 이라고 합니다 .
다행히도 정확하고 안정적인 저항 표준은 구축하기 어렵지 않습니다. 사실, 그것은 과학적 목적으로 만들어진 최초의 전기 "표준" 장치 중 일부였습니다. 다음은 골동품 저항 표준 장치의 사진입니다.
여기에 표시된 저항 표준은 개별 단계로 가변적입니다. 연결 단자 사이의 저항 양은 소켓에 삽입된 제거 가능한 구리 플러그의 수와 패턴에 따라 달라질 수 있습니다.
휘트스톤 브리지는 이전 섹션에서 논의한 직렬 배터리-이동-저항기 미터 회로보다 우수한 저항 측정 수단으로 간주됩니다. 모든 비선형성(비선형 스케일)과 관련된 부정확성을 지닌 그 회로와 달리 브리지 회로는 선형적이며(그 작동을 설명하는 수학은 간단한 비율과 비례에 기반함) 매우 정확합니다.
충분한 정밀도의 표준 저항과 충분한 감도의 널 검출기 장치가 주어지면 휘트스톤 브리지로 최소 +/- 0.05%의 저항 측정 정확도를 얻을 수 있습니다. 높은 정확도로 인해 교정 실험실에서 선호하는 저항 측정 방법입니다.
기본 휘트스톤 브리지 회로에는 많은 변형이 있습니다. 대부분의 DC 브리지는 저항을 측정하는 데 사용되는 반면 교류(AC)로 구동되는 브리지는 인덕턴스, 커패시턴스 및 주파수와 같은 다양한 전기적 양을 측정하는 데 사용될 수 있습니다.
켈빈 더블 브릿지
휘트스톤 브리지의 흥미로운 변형은 켈빈 더블 브리지 로 , 매우 낮은 저항(일반적으로 1/10옴 미만)을 측정하는 데 사용됩니다. 그 개략도는 다음과 같습니다.
낮은 값의 저항은 두꺼운 선 기호로 표시되고, 전압 소스(높은 전류를 전달)에 연결하는 전선도 마찬가지로 회로도에서 두껍게 그려집니다. 이 이상하게 구성된 브리지는 아마도 낮은 저항을 측정하기 위해 설정된 표준 휘트스톤 브리지로 시작하여 표준 휘트스톤 구성에서 발생하는 특정 문제를 극복하기 위해 단계적으로 최종 형태로 발전시키면 가장 잘 이해할 수 있을 것입니다. 표준 휘트스톤 브리지를 사용하여 낮은 저항을 측정한다면 다음과 같을 것입니다.
널 검출기가 0 전압을 나타낼 때, 우리는 브리지가 균형을 이루고 있으며 비율 R a /R x 와 R M /R N 이 수학적으로 서로 동일하다는 것을 압니다. Ra, R M , R N 의 값을 알면 R x 를 풀기 위한 필요한 데이터를 얻을 수 있습니다 ... 거의.
우리는 R a 와 R x 사이의 연결 및 연결 와이어에도 저항이 있다는 문제가 있으며 , 이 스트레이 저항은 R a 와 R x 의 낮은 저항에 비해 상당할 수 있습니다 . 이러한 스트레이 저항은 높은 전류를 통해 상당한 전압을 떨어뜨릴 것이고, 따라서 널 검출기의 표시와 브리지의 균형에 영향을 미칠 것입니다.
우리는 이러한 떠도는 전선과 연결 저항을 측정하지 않고 R x 만 측정하고자 하기 때문에 , 전압 강하에 영향을 받지 않도록 널 검출기를 연결할 방법을 찾아야 합니다. 널 검출기와 R M /R N 비율 암을 R a 와 R x 의 끝에 직접 연결하면 실용적인 솔루션에 더 가까워집니다.
이제 위쪽 두 개의 E 와이어 전압 강하는 널 검출기에 영향을 미치지 않으며 R x 의 저항 측정 정확도에 영향을 미치지 않습니다. 그러나 나머지 두 개의 E 와이어 전압 강하는 R a 의 하단 과 R x 의 상단을 연결하는 와이어가 이제 두 전압 강하를 가로질러 션트하고 상당한 전류를 전도하여 자체 길이를 따라 스트레이 전압 강하를 발생시키기 때문에 문제를 일으킬 것입니다.
널 검출기의 왼쪽은 널 검출기 루프에 E 와이어 전압 강하가 발생하지 않도록 R a 와 R x 의 두 가까운 끝에 연결해야 하며, R a 와 R x 의 두 끝을 연결하는 모든 직접 와이어는 상당한 전류를 전달하고 더 많은 누설 전압 강하를 생성하므로 이 곤경을 벗어날 수 있는 유일한 방법은 R a 의 하단과 R x 의 상단 사이의 연결 경로를 실질적으로 저항성으로 만드는 것입니다.
두 개의 새로운 저항의 크기를 조정하여 위쪽과 아래쪽의 비율이 널 검출기의 반대쪽에 있는 두 개의 비율 암과 같도록 하면 R a 와 R x 사이의 스트레이 전압 강하를 관리할 수 있습니다 . 이것이 원래 켈빈 더블 브리지 회로도에서 이러한 저항이 R m 과 R n 으로 표시된 이유입니다. 즉, R M 과 R N 과의 비례성을 나타내기 위해서입니다 .
비율 R m /R n 을 비율 R M /R N 과 동일하게 설정 하면 , 가변저항기 암 저항기 R a 는 널 검출기가 평형을 나타낼 때까지 조정되며, 그러면 R a /R x 가 R M /R N 과 같다고 할 수 있습니다 . 또는 다음 방정식으로 간단히 R x 를 찾을 수 있습니다.
켈빈 더블브릿지의 실제 평형 방정식은 다음과 같습니다. (R 선은 저저항 표준 R a 와 시험 저항 R x 사이를 연결하는 굵은선의 저항입니다 .)
RM 과 R N 의 비율이 Rm과 Rn의 비율과 같을 때 평형 방정식은 R x /R a 가 R N /R M 과 같은 일반 휘트스톤 브리지의 방정식보다 복잡하지 않습니다 . 그 이유는 방정식의 마지막 항이 0이 되어 R x , R a , RM 및 RN 을 제외한 모든 저항의 효과가 취소되기 때문입니다 .
많은 켈빈 더블 브리지 회로에서 R M = R m 및 R N = R n 입니다. 그러나 R m 및 R n 의 저항 이 낮을수록 직렬로 저항이 적기 때문에 널 검출기가 더 민감해집니다. 검출기 감도가 높아지면 더 작은 불균형을 검출할 수 있고 따라서 더 미세한 브리지 균형을 얻을 수 있으므로 좋습니다.
따라서 일부 고정밀 켈빈 더블 브리지는 비율 암 대응물(각각 R M 및 R N ) 의 1/100만큼 낮은 R m 및 R n 값을 사용합니다 . 하지만 불행히도 R m 및 R n 값이 낮을수록 더 많은 전류를 전달하게 되어 R m 및 R n 이 R a 및 R x 의 끝에 연결되는 곳에 존재하는 모든 접합 저항의 효과가 증가합니다 . 보시다시피, 높은 계측 정확도는 모든 오류 생성 요소를 고려해야 하며, 종종 달성할 수 있는 최선은 두 가지 이상의 다른 종류의 오류를 최소화하는 타협입니다.
검토:
- 브리지 회로는 민감한 영전압계를 사용하여 두 전압의 동일성을 비교합니다.
- 휘트 스톤 브리지는 알려지지 않은 저항기를 알려진 값의 정밀 저항기와 비교하여 저항을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 이는 실험실 저울이 알려지지 않은 무게를 알려진 표준 무게와 비교하여 측정하는 것과 비슷합니다.
- 켈빈 더블 브리지는 매우 낮은 저항을 측정하는 데 사용되는 휘트스톤 브리지의 변형입니다. 기본 휘트스톤 설계에 비해 복잡성이 더해져 저저항 표준과 측정되는 저항 사이의 전류 경로를 따라 스트레이 저항으로 인해 발생하는 오류를 방지하는 데 필요합니다.