ブリッジ回路
ブリッジ回路に関するセクションがなければ、電気計測に関するテキストは完全とは言えません。これらの独創的な回路は、実験室のバランススケールが2つの重量を比較し、それらがいつ等しいかを示すのと同じように、ヌルバランスメーターを使用して2つの電圧を比較します。単に未知の電圧を測定するために使用される「ポテンショメータ」回路とは異なり、ブリッジ回路は、抵抗など、あらゆる種類の電気的値を測定するために使用できます。
ホイートストンブリッジ
ホイートストンブリッジと呼ばれることが多い標準的なブリッジ回路 、次のようになります：
ポイント1とバッテリーのマイナス側の間の電圧がポイント2とバッテリーのマイナス側の間の電圧と等しい場合、ヌル検出器はゼロを示し、ブリッジは「平衡状態」であると言われます。ブリッジのバランス状態は、R a の比率にのみ依存します。 / R b およびR 1 / R 2 、および供給電圧（バッテリー）から完全に独立しています。
ホイートストンブリッジで抵抗を測定するには、R a の代わりに未知の抵抗を接続します。 またはR b 、他の3つの抵抗器は、既知の値の高精度デバイスです。ブリッジのバランスがとれるまで、他の3つの抵抗のいずれかを交換または調整できます。バランスに達したら、既知の抵抗の比率から未知の抵抗値を決定できます。
これが測定システムであるための要件は、参照標準として機能する、抵抗が正確にわかっている可変抵抗器のセットを利用できるようにすることです。たとえば、ブリッジ回路を接続して未知の抵抗R x を測定するとします。 、正確なを知る必要があります R x の値を決定するために、バランスの取れた他の3つの抵抗器の値 ：
ブリッジ回路の4つの抵抗のそれぞれは、アームと呼ばれます。 。未知の抵抗R x と直列の抵抗 （これはR a になります 上記の回路図では）は一般にレオスタットと呼ばれます 他の2つの抵抗器は比率と呼ばれます。 橋の腕。
ありがたいことに、正確で安定した抵抗基準を構築することはそれほど難しくありません。実際、それらは科学的な目的で作られた最初の電気的な「標準」デバイスの一部でした。これは、アンティークの抵抗標準ユニットの写真です：
ここに示されているこの抵抗基準は、個別のステップで変化します。接続端子間の抵抗の量は、ソケットに挿入された取り外し可能な銅プラグの数とパターンによって変化する可能性があります。
ホイートストンブリッジは、前のセクションで説明した直列のバッテリ-移動-抵抗計回路よりも優れた抵抗測定手段と見なされています。その回路とは異なり、すべての非線形性（非線形スケール）と関連する不正確さにより、ブリッジ回路は線形であり（その動作を説明する数学は単純な比率と比率に基づいています）、非常に正確です。
十分な精度の標準抵抗と十分な感度のヌル検出器デバイスが与えられると、ホイートストンブリッジを使用して少なくとも+/- 0.05％の抵抗測定精度を達成できます。精度が高いため、校正ラボでの抵抗測定に適した方法です。
基本的なホイートストンブリッジ回路には多くのバリエーションがあります。ほとんどのDCブリッジは抵抗の測定に使用されますが、交流（AC）を動力源とするブリッジは、インダクタンス、静電容量、周波数などのさまざまな電気量の測定に使用できます。
ケルビンダブルブリッジ
ホイートストンブリッジの興味深いバリエーションは、ケルビンダブルブリッジです。 、非常に低い抵抗（通常は1/10オーム未満）の測定に使用されます。その概略図は次のとおりです。
値の小さい抵抗は太い線の記号で表され、それらを電圧源（大電流を流す）に接続するワイヤも同様に回路図に太く描かれています。この奇妙な構成のブリッジは、低抵抗を測定するために設定された標準のホイートストンブリッジから始めて、標準のホイートストン構成で発生する特定の問題を克服するために段階的に最終的な形に進化させることによっておそらく最もよく理解されます。標準のホイートストンブリッジを使用して低抵抗を測定すると、次のようになります。
ヌル検出器がゼロ電圧を示している場合、ブリッジのバランスが取れており、比率R a / R x およびR M / R N 数学的には互いに等しい。 Ra、R M の値を知る 、およびR N したがって、R x を解くために必要なデータを提供します 。 。 。ほとんど。
R a 間の接続と接続ワイヤに問題があります。 およびR x 抵抗も持っており、この漂遊抵抗は、R a の低抵抗と比較してかなりのものになる可能性があります。 およびR x 。これらの漂遊抵抗は、大電流が流れるとかなりの電圧を低下させるため、ヌル検出器の表示に影響を与え、ブリッジのバランスに影響を与えます。
これらの漂遊ワイヤと接続抵抗を測定するのではなく、R x のみを測定するためです。 、ヌル検出器を接続して、電圧降下の影響を受けないようにする方法を見つける必要があります。ヌル検出器とR M を接続すると / R N R a の端を直接横切る比率アーム およびR x 、これにより、実用的なソリューションに近づくことができます：
次に、上位2つのE ワイヤー 電圧降下はヌル検出器には影響せず、R x の精度には影響しません。 の抵抗測定。ただし、残りの2つのE ワイヤー R a の下端を接続するワイヤが原因で、電圧降下が問題を引き起こします。 R x の上端を使用 は現在、これら2つの電圧降下を迂回しており、かなりの電流を流し、それ自体の長さに沿って迷走電圧降下を導入します。
ヌル検出器の左側がR a の2つの近端に接続する必要があることを知っている およびR x それらのE ワイヤーの導入を避けるために 電圧がヌル検出器のループに低下し、R a のこれらの端を接続する直接ワイヤ およびR x それ自体がかなりの電流を流し、より多くの迷走電圧降下を生成します。この苦境から抜け出す唯一の方法は、R a の下端間の接続パスを作成することです。 およびR x の上端 実質的に抵抗性：
R a 間の迷走電圧降下を管理できます およびR x 2つの新しい抵抗器のサイズを変更して、上から下への比率がヌル検出器の反対側にある2つの比率アームと同じ比率になるようにします。これが、これらの抵抗器にR m というラベルが付けられた理由です。 およびR n 元のケルビンダブルブリッジ回路図：R M との比例関係を示すため およびR N 。
比率R m / R n 比率R M に等しく設定します / R N 、レオスタットアーム抵抗R a ヌル検出器がバランスを示すまで調整され、R a / R x R M に等しい / R N 、または単にR x を見つけます 次の方程式で：
ケルビンダブルブリッジの実際のバランス方程式は次のとおりです（R ワイヤー は、低抵抗標準R a 間の太い接続ワイヤの抵抗です。 およびテスト抵抗R x ）：
R M 間の比率である限り およびR N がRmとRnの比率に等しい場合、バランス方程式は、R x の通常のホイートストンブリッジのバランス方程式よりも複雑ではありません。 / R a R N に等しい / R M 、方程式の最後の項がゼロになるため、R x を除くすべての抵抗の影響をキャンセルします。 、R a 、R M 、およびR N 。
多くのケルビンダブルブリッジ回路では、R M =R m およびR N =R n 。ただし、R m の抵抗は低くなります。 およびR n 、ヌル検出器と直列の抵抗が少ないため、ヌル検出器の感度が高くなります。検出器の感度を上げると、不均衡をより小さく検出できるため、ブリッジのバランスをより細かくすることができます。
したがって、一部の高精度ケルビンダブルブリッジはR m を使用します およびR n 対応する比率アームの1/100という低い値（R M およびR N 、 それぞれ）。ただし、残念ながら、R m の値は低くなります。 およびR n 、より多くの電流が流れるため、R m の場所に存在する接合抵抗の影響が大きくなります。 およびR n R a の端に接続します およびR x 。ご覧のとおり、計測器の精度が高いと、すべてが必要になります。 エラーを引き起こす要因が考慮され、多くの場合、達成できる最善の方法は、2つ以上の異なる種類のエラーを最小限に抑える妥協案です。
レビュー：
- ブリッジ回路は、感度の高いヌル電圧メーターを使用して、2つの電圧が等しいかどうかを比較します。
- ホイートストンブリッジ 未知の抵抗器を既知の値の高精度抵抗器と比較することで抵抗を測定するために使用できます。これは、実験室のスケールが未知の重量を既知の標準重量と比較して測定するのと同じです。
- ケルビンダブルブリッジ は、非常に低い抵抗を測定するために使用されるホイートストンブリッジの変形です。低抵抗標準と測定される抵抗の間の電流経路に沿った漂遊抵抗によって発生するエラーを回避するには、基本的なホイートストン設計に対する追加の複雑さが必要です。
関連するワークシート：
- DCブリッジ回路ワークシート
- ACブリッジ回路ワークシート
産業技術