DC 측정 회로 에서 보았듯이 브리지 라고 알려진 회로 구성은 알려지지 않은 저항 값을 측정하는 매우 유용한 방법이 될 수 있습니다 .
이는 AC에도 해당하며, 알려지지 않은 임피던스를 정확하게 측정하는 데에도 동일한 원리를 적용할 수 있습니다.
브리지 회로는 어떻게 작동하나요?
검토를 위해 브리지 회로는 동일한 소스 전압에 걸쳐 연결된 2성분 전압 분배기 쌍으로 작동하며 , 그 사이에 널 검출기 미터 이동이 연결되어 0볼트에서 "균형" 상태를 나타냅니다.
균형 브리지는 표시기에 "null" 또는 최소 판독값을 표시합니다.
위 브리지의 4개 저항기 중 어느 것이든 값을 알 수 없는 저항기가 될 수 있으며, 그 값은 "보정된" 다른 3개 저항기, 즉 저항 값이 정확한 정도로 알려진 다른 3개 저항기의 비율로 결정될 수 있습니다.
브리지가 균형 상태(널 검출기에 의해 표시된 대로 전압이 0인 상태)에 있을 때 비율은 다음과 같습니다.
균형 상태에서 :
브리지 회로를 사용하여 저항을 측정하는 장점 중 하나는 전원의 전압이 중요하지 않다는 것입니다.
실제적으로, 공급 전압이 높을수록 널 검출기로 4개 저항기 사이의 불균형 상태를 감지하는 것이 더 쉬워지고, 따라서 더 민감해질 것입니다.
더 높은 공급 전압은 측정 정밀도가 증가할 가능성이 있습니다. 그러나 다른 유형의 저항 측정 방식과 달리 더 낮거나 더 높은 전원 공급 전압으로 인해 근본적인 오류가 발생하지 않습니다.
임피던스 브릿지
임피던스 브리지도 동일하게 작동하지만 평형 방정식은 복소수 에 관한 것 입니다 . 즉, 널 검출기가 "0"을 나타내려면 두 분배기의 구성 요소에 걸친 크기와 위상이 모두 동일해야 합니다.
물론 널 검출기는 매우 작은 AC 전압을 검출할 수 있는 장치여야 합니다. 오실로스코프가 종종 사용되지만 소스 주파수가 오디오 범위 내에 있는 경우 매우 민감한 전기 기계식 미터 움직임과 헤드폰(작은 스피커)도 사용할 수 있습니다.
AC용 Null 검출기
오디오 헤드폰의 널 검출기로서의 효과를 극대화하는 한 가지 방법은 임피던스 매칭 변압기를 통해 오디오 헤드폰을 신호 소스에 연결하는 것입니다 .
헤드폰 스피커는 일반적으로 저임피던스 장치(8Ω)로 구동하는 데 상당한 전류가 필요하므로 스텝다운 변압기는 저전류 신호를 헤드폰 스피커의 임피던스와 "일치"시키는 데 도움이 됩니다.
오디오 출력 변압기는 이 목적에 적합합니다. (아래 그림)
"현대" 저옴 헤드폰은 민감한 널 검출기로 사용하기 위해 임피던스 매칭 변압기가 필요합니다.
귀를 완전히 감싸는 헤드폰(폐쇄형 컵 타입)을 사용하여 이 간단한 감지 회로로 0.1µA 미만의 전류를 감지할 수 있었습니다.
두 가지 서로 다른 스텝다운 변압기, 즉 소형 전원 변압기(120/6볼트 비율)와 오디오 출력 변압기(1000:8옴 임피던스 비율)를 사용하여 거의 동일한 성능을 얻었습니다.
전류를 차단하기 위한 푸시 버튼 스위치가 있는 이 회로는 DC에서 2MHz 이상의 신호를 감지하는 데 사용됩니다. 주파수가 오디오 범위보다 훨씬 높거나 낮더라도 스위치를 누르고 놓을 때마다 헤드폰에서 "클릭" 소리가 들립니다.
저항성 브리지에 연결된 전체 회로는 아래 그림과 같습니다.
민감한 AC 널 검출기를 갖춘 브리지입니다.
브리지의 저항기 "암" 중 하나 이상을 조정하면서 헤드폰을 들어보면 스위치가 작동할 때 헤드폰에서 "클릭"(또는 브리지의 전원 주파수가 오디오 범위 내에 있는 경우 톤)이 생성되지 않으면 균형 상태가 실현됩니다.
균형을 위해 저항 뿐만 아니라 임피던스도 적절한 비율이어야 하는 일반 AC 브리지를 설명할 때 각 브리지 다리를 상자 모양 구성 요소 형태로 그리는 것이 도움이 되는 경우가 있습니다. 각각은 특정 임피던스를 갖습니다. (아래 그림)
일반화된 AC 임피던스 브리지: Z = 비특정 복소 임피던스.
AC 브리지의 이러한 일반적인 형태가 균형을 이루려면 각 분기의 임피던스 비율이 동일해야 합니다.
다시 한번 강조하지만, 위 방정식의 임피던스 양은 크기와 위상각을 모두 설명하는 복소수여야 한다는 점이 강조되어야 합니다.
임피던스 크기만 균형을 이루는 것으로는 부족합니다. 위상각도 균형을 이루지 못하면 널 검출기 단자에 전압이 여전히 흐르고 브리지가 균형을 이루지 못합니다.
브리지 회로는 커패시턴스, 인덕턴스, 저항 또는 "Q" 등 원하는 모든 장치 값을 측정하도록 구성할 수 있습니다.
브리지 측정 회로에서 항상 그렇듯이, 알려지지 않은 양은 항상 고품질의 교정된 구성 요소에서 얻은 알려진 표준에 대해 "균형을 이룹니다". 이 구성 요소는 널 검출기 장치가 균형 상태를 나타낼 때까지 값을 조정할 수 있습니다.
브리지가 어떻게 설정되었는지에 따라, 알 수 없는 구성 요소의 값은 교정된 표준의 설정에서 직접 결정되거나 수학 공식을 통해 해당 표준에서 파생될 수 있습니다.
브리지 회로의 예
아래에 몇 가지 간단한 브리지 회로가 나와 있습니다. 하나는 인덕턴스용(아래 그림)이고 다른 하나는 커패시턴스용입니다.
대칭 브리지는 표준 인덕터와 비교하여 알려지지 않은 인덕터를 측정합니다.
대칭 브리지는 표준 커패시터와 비교하여 알려지지 않은 커패시터를 측정합니다.
이러한 간단한 "대칭" 브리지는 왼쪽에서 오른쪽으로 대칭(거울상 유사성)을 보이기 때문에 이런 이름이 붙었습니다.
위에 표시된 두 개의 브리지 회로는 교정된 반응성 요소(Ls 또는 Cs)를 조정하여 균형을 이룹니다.
실제 대칭 브리지 회로는 알려지지 않은 구성 요소의 누설 저항을 균형 잡기 위해 반응성 구성 요소와 직렬 또는 병렬로 교정된 가변 저항기를 갖는 경우가 많기 때문에 실제 환경에서는 약간 단순화되어 있습니다.
하지만 완벽한 부품이라는 가상 세계에서는 이러한 간단한 브리지 회로만으로도 기본 개념을 설명하기에 충분합니다.
빈 다리
실제 효과를 보상하기 위해 추가된 약간의 복잡성의 예는 소위 Wien 브리지 에서 찾을 수 있습니다 . 이는 병렬 커패시터-저항 표준 임피던스를 사용하여 알려지지 않은 직렬 커패시터-저항 조합을 균형 잡습니다 . (아래 그림)
모든 커패시터는 문자 그대로든 동등하든(유전 열 손실의 형태로) 어느 정도의 내부 저항을 가지는데, 이는 원래 완벽한 반응성 특성을 망치는 경향이 있습니다.
이 내부 저항은 측정에 관심이 있을 수 있으므로 Wien 브리지는 "순수"하지 않은 균형 임피던스를 제공하여 이를 시도합니다.
Wein Bridge는 "실제" 커패시터의 용량성 Cx와 저항성 Rx 구성 요소를 모두 측정합니다.
조정해야 할 표준 구성 요소가 두 가지( 저항기 와 커패시터 ) 있으므로 이 브리지는 지금까지 봐온 다른 브리지보다 균형을 맞추는 데 시간이 조금 더 걸립니다.
Rs와 Cs의 결합된 효과는 브리지가 균형 상태에 도달할 때까지 크기와 위상 각도를 변경하는 것입니다.
균형이 달성되면 Rs와 Cs의 설정을 교정된 손잡이에서 읽을 수 있고, 두 개의 병렬 임피던스는 수학적으로 결정되며, 알려지지 않은 정전용량과 저항은 균형 방정식(Z1/Z2 = Z3/Z4)에서 수학적으로 결정됩니다.
빈 브리지를 동작시킬 때 표준 커패시터의 내부 저항은 무시할 수 있을 만큼 작거나 적어도 그 저항은 이미 알려져 있어서 평형 방정식에 반영할 수 있다고 가정합니다.
빈 브리지는 내부 저항이 비교적 높은 전해 커패시터와 같은 "손실이 많은" 커패시터 설계의 값을 결정하는 데 유용합니다.
브리지의 균형이 주파수에 따라 달라지므로 주파수 측정기로도 사용됩니다.
이런 방식으로 사용할 경우, 커패시터는 고정되고(보통 값은 같음) 위쪽 두 개의 저항기는 가변적이 되어 같은 손잡이를 통해 조절됩니다.
이 주제에 대한 흥미로운 변형은 인덕턴스를 정확하게 측정하는 데 사용되는 다음 브리지 회로에서 발견됩니다.
맥스웰-바인 다리
맥스웰-바인 브리지는 커패시터 표준을 기준으로 인덕터를 측정합니다.
이 독창적인 브리지 회로는 맥스웰-빈 브리지 (때로는 맥스웰 브리지 라고도 함) 로 알려져 있으며 교정된 저항과 커패시턴스 측면에서 알려지지 않은 인덕턴스를 측정하는 데 사용됩니다. (위 그림)
교정 등급 인덕터는 유사한 정밀도의 커패시터보다 제조하기가 더 어렵기 때문에 간단한 "대칭" 인덕턴스 브리지를 사용하는 것이 항상 실용적인 것은 아닙니다.
인덕터와 커패시터의 위상 변화는 서로 정확히 반대이기 때문에, 이 두 개가 여기처럼 다리의 반대쪽 다리에 위치하면 용량성 임피던스가 유도성 임피던스와 균형을 이룰 수 있습니다.
대칭형 인덕턴스 브리지가 아닌 맥스웰 브리지를 사용하여 인덕턴스를 측정하는 또 다른 장점은 두 인덕터 사이의 상호 인덕턴스로 인한 측정 오류를 없앨 수 있다는 것입니다.
자기장은 차폐하기 어려울 수 있으며, 브리지의 코일 사이에 소량의 결합이 있어도 특정 조건에서는 상당한 오류가 발생할 수 있습니다. 맥스웰 브리지 내에서 반응할 두 번째 인덕터가 없으므로 이 문제는 해결됩니다.
가장 쉬운 작업을 위해 표준 커패시터(Cs)와 이와 병렬로 연결된 저항기(Rs)를 가변으로 만들고, 둘 다 균형을 이루도록 조정해야 합니다.
그러나 커패시터가 고정(불가변)되고 두 개 이상의 저항기가 가변(적어도 커패시터와 병렬로 연결된 저항기와 다른 두 개 중 하나)되면 브리지가 작동할 수 있습니다.
그러나 후자의 구성에서는 서로 다른 가변 저항기가 크기와 위상의 균형을 맞추는 데 상호 작용하기 때문에 균형을 이루기 위해 더 많은 시행착오 조정이 필요합니다.
일반적인 빈 브리지와는 달리 맥스웰-빈 브리지의 평형은 소스 주파수와 무관하며, 어떤 경우에는 이 브리지가 AC 전압 소스의 혼합 주파수가 존재하는 상황에서도 평형을 이루도록 만들 수 있습니다. 이때 제한 요소는 넓은 주파수 범위에 걸친 인덕터의 안정성입니다.
이러한 설계 외에도 더 많은 변형이 있지만, 여기서는 전체 논의가 필요하지 않습니다. 범용 임피던스 브리지 회로는 최대 사용 유연성을 위해 여러 구성으로 전환할 수 있도록 제조됩니다.
민감한 AC 브리지 회로에서 발생할 수 있는 문제 중 하나는 널 검출기 장치의 양쪽 끝과 접지 전위 사이의 스트레이 커패시턴스입니다.
용량은 충전 및 방전을 통해 교류 전류를 "전도"할 수 있으므로 AC 전압 소스에 대한 누설 전류 경로를 형성하여 브리지 균형에 영향을 미칠 수 있습니다.
지면에 대한 누설 용량으로 인해 브리지에 오류가 발생할 수 있습니다.
리드형 미터는 정확하지 않지만 작동 원리는 그렇지 않습니다. 기계적 공진 대신 전기적 공진을 대체 하고 탱크 회로(병렬 인덕터와 커패시터) 형태로 인덕터와 커패시터를 사용하여 주파수 미터를 설계할 수 있습니다.
하나 또는 두 구성 요소를 모두 조정할 수 있으며, 회로에 계측기를 배치하여 두 구성 요소에 걸리는 전압의 최대 진폭을 표시합니다.
조정 손잡이는 주어진 설정에 대한 공진 주파수를 표시하도록 교정되며, 장치가 미터의 최대 표시에 맞게 조정된 후 주파수를 읽습니다.
기본적으로 이것은 조정 가능한 필터 회로이며, 브리지 회로와 유사한 방식으로 조정된 후 읽힙니다(브리지 회로는 "null" 조건에 대해 균형을 맞춘 다음 읽어야 함).
AC 전압 소스가 한쪽 끝에서 단단히 접지되어 누설 전류에 대한 총 스트레이 임피던스가 훨씬 작아지고 결과적으로 이러한 스트레이 커패시턴스를 통한 누설 전류가 커지면 문제가 더 심각해집니다.
AC 전원 공급 장치의 한쪽이 접지된 경우, 부유 용량 오류가 더 심각해집니다.
와그너 그라운드
이 효과를 크게 줄이는 한 가지 방법은 널 검출기를 접지 전위로 유지하여 널 검출기와 접지 사이에 AC 전압이 없고, 따라서 부유 용량을 통해 전류가 흐르지 않도록 하는 것입니다.
그러나 널 검출기를 접지에 직접 연결하는 것은 선택 사항이 아닙니다. 이는 누설 전류에 대한 직류 경로를 생성하여 용량성 경로보다 더 나쁜 결과를 초래하기 때문입니다.
대신 Wagner 접지 또는 Wagner 접지 라고 하는 특수 전압 분배기 회로를 사용하여 널 검출기에 직접 연결할 필요 없이 널 검출기를 접지 전위로 유지할 수 있습니다. (아래 그림)
AC 공급을 위한 Wagner 접지는 브리지의 접지에 대한 누설 용량의 영향을 최소화합니다.
바그너 접지 회로는 브리지의 각 측면과 전압 비율과 위상 변이를 갖도록 설계된 전압 분배기에 불과합니다 .
Wagner 분배기의 중간 지점은 직접 접지되므로 Wagner 분배기와 동일한 전압 비율과 위상을 갖고 동일한 AC 전압 소스로 전원을 공급받는 다른 분배기 회로(브리지의 양쪽 포함)도 접지 전위에 있게 됩니다.
따라서, 바그너 접지 분배기는 검출기와 접지 사이에 직접적인 연결 없이 널 검출기가 접지 전위에 있도록 합니다.
종종 널 검출기 연결에는 와그너 접지 분배기 회로의 적절한 설정을 확인하기 위한 조치가 취해집니다. 즉, 널 검출기의 한쪽 끝을 브리지나 와그너 접지에 연결할 수 있도록 2위치 스위치(아래 그림)가 있는 것입니다.
널 검출기가 두 스위치 위치 모두에서 0 신호를 등록하면 브리지가 균형을 이룰 뿐만 아니라 널 검출기가 접지에 대해 0 전위에 있음이 보장되므로 스트레이 검출기-접지 커패시턴스를 통한 누설 전류로 인한 오류가 제거됩니다.
스위치업 위치로 Wagner 접지를 조정할 수 있습니다.
검토:
- AC 브리지 회로는 DC 브리지 회로와 동일한 기본 원리에 따라 작동합니다. 즉, 저항이 아닌 임피던스의 균형 비율이 널 검출기 장치에서 표시된 대로 "균형 잡힌" 상태를 초래합니다.
- AC 브리지용 널 검출기는 민감한 전기 기계식 미터 움직임, 오실로스코프(CRT), 헤드폰(증폭 또는 비증폭) 또는 매우 작은 AC 전압 레벨을 등록할 수 있는 다른 장치일 수 있습니다. DC 널 검출기와 마찬가지로 유일하게 필요한 교정 정확도 지점은 0입니다.
- AC 브리지 회로는 알려지지 않은 임피던스가 브리지의 같은 측면(위 또는 아래)에 있는 유사한 유형의 표준 임피던스로 균형을 이루는 "대칭" 유형일 수 있습니다. 또는 병렬 임피던스를 사용하여 직렬 임피던스를 균형 맞추거나 심지어 인덕턴스를 균형 맞추는 커패시턴스를 사용하여 "비대칭"일 수 있습니다.
- AC 브리지 회로는 임피던스 크기 와 위상각이 모두 적절하게 일치해야 균형을 유지할 수 있으므로 조정이 두 번 이상 필요한 경우가 많습니다 .
- 일부 임피던스 브리지 회로는 주파수에 민감한 반면 다른 회로는 그렇지 않습니다. 주파수에 민감한 유형은 모든 구성 요소 값을 정확하게 알고 있는 경우 주파수 측정 장치로 사용할 수 있습니다.
- 바그너 접지 는 널 검출기와 접지를 결합하는 부유 용량으로 인한 오류를 줄이는 데 도움이 되도록 AC 브리지에 추가된 전압 분배 회로입니다.