ACブリッジ回路
DC測定回路で見たように、ブリッジとして知られる回路構成 抵抗の未知の値を測定するための非常に便利な方法です。
これはACにも当てはまり、未知のインピーダンスの正確な測定にもまったく同じ原理を適用できます。
ブリッジ回路はどのように機能しますか？
確認すると、ブリッジ回路は、 null-detector を使用して、同じソース電圧の両端に接続された2成分分圧器のペアとして機能します。 ゼロボルトでの「バランス」の状態を示すためにそれらの間に接続されたメーターの動き：
バランスの取れたブリッジは、インジケーターに「ヌル」または最小の読み取り値を示します。
上記のブリッジの4つの抵抗器のいずれかが未知の値の抵抗器である可能性があり、その値は、「校正済み」または抵抗が正確にわかっている他の3つの抵抗の比率によって決定できます。
>ブリッジが平衡状態（ヌル検出器によって示されるゼロ電圧）にある場合、比率は次のようになります。
バランスの状態 ：
ブリッジ回路を使用して抵抗を測定する利点の1つは、電源の電圧が無関係であることです。
実際には、供給電圧が高いほど、ヌル検出器を使用して4つの抵抗間の不均衡状態を検出しやすくなるため、感度が高くなります。
供給電圧を高くすると、測定精度が向上する可能性があります。ただし、他のタイプの抵抗測定方式とは異なり、電源電圧が低くなったり高くなったりしても、基本的なエラーが発生することはありません。
インピーダンスブリッジ
インピーダンスブリッジは同じように機能しますが、バランス方程式のみが複雑を使用します。 ヌル検出器が「ゼロ」を示すためには、2つの分周器のコンポーネント全体の振幅と位相の両方が等しくなければならないため、量。
もちろん、ヌル検出器は非常に小さなAC電圧を検出できるデバイスでなければなりません。これにはオシロスコープがよく使用されますが、ソース周波数がオーディオ範囲内にある場合は、非常に敏感な電気機械式メーターの動きやヘッドホン（小型スピーカー）も使用できます。
AC用ヌル検出器
ヌル検出器としてのオーディオヘッドホンの効果を最大化する1つの方法は、インピーダンス整合トランスを介してオーディオヘッドホンを信号源に接続することです。
ヘッドホンスピーカーは通常、低インピーダンスユニット（8Ω）であり、駆動するにはかなりの電流が必要です。したがって、降圧トランスは、低電流信号をヘッドホンスピーカーのインピーダンスに「一致」させるのに役立ちます。
オーディオ出力トランスはこの目的に適しています:(下の図）
「最新の」低オームヘッドホンには、高感度ヌル検出器として使用するためのインピーダンス整合トランスが必要です。
耳を完全に囲むヘッドホン（「クローズドカップ」タイプ）を使用して、この単純な検出器回路で0.1 µA未満の電流を検出することができました。
小型電源トランス（120/6ボルト比）とオーディオ出力トランス（1000：8オームインピーダンス比）の2つの異なる降圧トランスを使用して、ほぼ同等の性能が得られました。
押しボタンスイッチを配置して電流を遮断すると、この回路はDCから2 MHzを超える信号を検出するために使用されます。周波数がオーディオ範囲をはるかに上回ったり下回ったりしても、ヘッドホンから「カチッ」という音が聞こえます。スイッチを押して放します。
抵抗ブリッジに接続すると、回路全体が次の図のようになります。
高感度ACヌル検出器を備えたブリッジ。
ブリッジの1つまたは複数の抵抗「アーム」が調整されているときにヘッドホンを聞くと、ヘッドホンが「クリック」（またはブリッジの電源周波数がオーディオ範囲内にある場合はトーン）を生成できないときにバランスの状態が実現されます。 ）スイッチが作動すると。
一般的なACブリッジを説明する場合、インピーダンス 抵抗がバランスのために適切な比率でなければならないだけでなく、それぞれが特定のインピーダンスを持つ箱型のコンポーネントの形でそれぞれのブリッジレッグを描くことが役立つ場合があります:(下の図）
一般化されたACインピーダンスブリッジ：Z =非特定の複素インピーダンス。
この一般的な形式のACブリッジのバランスをとるには、各ブランチのインピーダンス比が等しくなければなりません。
繰り返しになりますが、上記の式のインピーダンス量は でなければならないことを強調する必要があります。 複雑で、大きさと位相角の両方を考慮します。
インピーダンスの大きさだけでバランスを取るだけでは不十分です。バランスに位相角がない場合でも、ヌル検出器の端子間に電圧が存在し、ブリッジはバランスが取れません。
ブリッジ回路は、静電容量、インダクタンス、抵抗、さらには「Q」など、必要なほぼすべてのデバイス値を測定するように構築できます。
ブリッジ測定回路では常にそうであるように、未知の量は、ヌル検出器デバイスが平衡状態を示すまで値を調整できる高品質の校正済みコンポーネントから取得された既知の標準に対して常に「平衡」されます。
ブリッジの設定方法に応じて、未知のコンポーネントの値は、校正された標準の設定から直接決定されるか、数式を介してその標準から導き出される場合があります。
ブリッジ回路の例
いくつかの単純なブリッジ回路を以下に示します。1つはインダクタンス用（下図）、もう1つは静電容量用です。
対称ブリッジは、標準のインダクタと比較して未知のインダクタを測定します。
対称ブリッジは、標準のコンデンサと比較して未知のコンデンサを測定します。
このような単純な「対称」ブリッジは、左から右に対称（鏡像の類似性）を示すため、このように名付けられています。
上に示した2つのブリッジ回路は、校正された無効成分（LsまたはCs）を調整することによってバランスが取られています。
実際の対称ブリッジ回路には、未知のコンポーネントの漂遊抵抗のバランスをとるために、無効コンポーネントと直列または並列に校正された可変抵抗器があることが多いため、実際の対応物から少し単純化されています。
しかし、完璧なコンポーネントの架空の世界では、これらの単純なブリッジ回路は基本的な概念を説明するのに十分です。
ウィーンブリッジ
実世界の影響を補正するために追加された少し余分な複雑さの例は、いわゆるウィーンブリッジにあります。 、並列コンデンサ-抵抗標準インピーダンスを使用して、未知の直列コンデンサ-抵抗の組み合わせのバランスを取ります。 （下の図）
すべてのコンデンサには、文字通りまたは同等の（誘電加熱損失の形で）ある程度の内部抵抗があり、それ以外の場合は完全に反応性の性質を損なう傾向があります。
この内部抵抗は測定するのに役立つ可能性があるため、ウィーンブリッジは、どちらも「純粋」ではない平衡インピーダンスを提供することによって測定を試みます。
ウィーンブリッジは、「実際の」コンデンサの容量性Cx成分と抵抗性Rx成分の両方を測定します。
調整する標準コンポーネントが2つ（抵抗とコンデンサ）あるため、このブリッジのバランス調整には、これまでに見た他のコンポーネントよりも少し時間がかかります。
RsとCsの複合効果は、ブリッジがバランスの状態に達するまで、大きさと位相角を変更することです。
そのバランスが達成されると、RsとCsの設定は、キャリブレーションされたノブから読み取ることができ、2つの並列インピーダンスは数学的に決定され、未知の静電容量と抵抗はバランス方程式から数学的に決定されます（Z1 / Z2 =Z3 / Z4） 。
ウィーンブリッジの動作では、標準コンデンサの内部抵抗はごくわずかであるか、少なくとも抵抗が既知であるため、バランス方程式に含めることができると想定されています。
ウィーンブリッジは、内部抵抗が比較的高い電解コンデンサのような「損失のある」コンデンサ設計の値を決定するのに役立ちます。
ブリッジのバランスは周波数に依存するため、周波数計としても使用されます。
この方法で使用すると、コンデンサは固定され（通常は同じ値になり）、上部の2つの抵抗は可変になり、同じノブで調整されます。
このテーマの興味深いバリエーションは、インダクタンスを正確に測定するために使用される次のブリッジ回路にあります。
マクスウェル-ウィーンブリッジ
Maxwell-Weinブリッジは、コンデンサの標準の観点からインダクタを測定します。
この独創的なブリッジ回路は、マクスウェル-ウィーンブリッジとして知られています。 （マクスウェルブリッジとして明確に知られていることもあります ）そして、校正された抵抗と静電容量の観点から未知のインダクタンスを測定するために使用されます。 （上の図）
キャリブレーショングレードのインダクタは、同様の精度のコンデンサよりも製造が難しいため、単純な「対称」インダクタンスブリッジの使用が常に実用的であるとは限りません。
インダクタとコンデンサの位相シフトは互いに正反対であるため、容量性インピーダンスは、ここにあるように、ブリッジの反対側の脚に配置されている場合、誘導性インピーダンスのバランスをとることができます。
対称インダクタンスブリッジではなくマクスウェルブリッジを使用してインダクタンスを測定するもう1つの利点は、2つのインダクタ間の相互インダクタンスによる測定誤差がなくなることです。
磁場はシールドが難しい場合があり、ブリッジ内のコイル間のわずかな結合でさえ、特定の条件でかなりのエラーを引き起こす可能性があります。マクスウェルブリッジ内で反応する2番目のインダクタがないため、この問題は解消されます。
最も簡単な操作のために、標準コンデンサ（Cs）とそれに並列の抵抗（Rs）を可変にし、バランスをとるために両方を調整する必要があります。
ただし、コンデンサが固定されていて（可変ではない）、複数の抵抗が可変になっている場合（少なくともコンデンサと並列の抵抗と他の2つの抵抗の1つ）、ブリッジを機能させることができます。
ただし、後者の構成では、さまざまな可変抵抗器が振幅と位相のバランスをとるために相互作用するため、バランスをとるにはより多くの試行錯誤の調整が必要です。
プレーンなウィーンブリッジとは異なり、マクスウェル-ウィーンブリッジのバランスはソース周波数に依存しません。場合によっては、このブリッジは、AC電圧ソースからの混合周波数が存在する場合にバランスをとることができます。制限要因はインダクタの周波数です。広い周波数範囲での安定性。
これらの設計以外にもさまざまなバリエーションがありますが、ここで完全に説明する必要はありません。使用の柔軟性を最大化するために複数の構成に切り替えることができる汎用インピーダンスブリッジ回路が製造されています。
敏感なACブリッジ回路の潜在的な問題は、ヌル検出器ユニットの両端と接地（アース）電位の間の浮遊容量の問題です。
静電容量は、充電と放電によって交流を「伝導」できるため、AC電圧源への漂遊電流経路を形成し、ブリッジのバランスに影響を与える可能性があります。
地面への浮遊容量により、ブリッジにエラーが発生する可能性があります。
リードタイプのメーターは不正確ですが、動作原理は不正確です。機械的共振の代わりに、電気的共振を代用し、タンク回路の形のインダクターとコンデンサー（並列インダクターとコンデンサー）を使用して周波数計を設計する場合があります。
一方または両方のコンポーネントが調整可能になり、2つのコンポーネント間の電圧の最大振幅を示すメーターが回路に配置されます。
調整ノブは、任意の設定の共振周波数を示すように調整されており、デバイスがメーターの最大表示に調整された後、周波数がそれらから読み取られます。
基本的に、これは調整可能なフィルター回路であり、ブリッジ回路と同様の方法で調整されてから読み取られます（「ヌル」状態に対してバランスを取り、次に読み取る必要があります）。
AC電圧源の一端がしっかりと接地されていると、問題はさらに悪化し、漏れ電流の総漂遊インピーダンスははるかに小さくなり、その結果、これらの漂遊容量を通る漏れ電流は大きくなります。
AC電源の片側が接地されている場合、浮遊容量エラーはより深刻になります。
ワーグナーグラウンド
この影響を大幅に減らす1つの方法は、ヌル検出器を接地電位に保つことです。これにより、ヌル検出器と接地の間にAC電圧がなくなり、浮遊容量を流れる電流がなくなります。
ただし、ヌル検出器を地面に直接接続すると、直接が作成されるため、オプションではありません。 浮遊電流の電流経路。これは、どの容量性経路よりも悪いでしょう。
代わりに、ワーグナーグラウンドと呼ばれる特別な分圧回路 またはワーグナーアース ヌル検出器に直接接続する必要なしに、ヌル検出器を接地電位に維持するために使用できます。 （下の図）
AC電源用のワーグナーグランドは、ブリッジのグランドへの浮遊容量の影響を最小限に抑えます。
ワーグナーアース回路は分圧器にすぎず、ブリッジの両側に電圧比と位相シフトがあるように設計されています。
ワーグナー分周器の中点は直接接地されているため、ワグナー分周器と同じ電圧比率と位相を持ち、同じAC電圧源から電力が供給される他の分周器回路（ブリッジのいずれかの側を含む）は、次のように接地電位になります。よく。
したがって、ワーグナーアースディバイダーは、検出器とアースを直接接続せずに、ヌル検出器を強制的にアース電位にします。
ワーグナーアースディバイダー回路の適切な設定を確認するために、ヌル検出器の接続に多くの場合、ヌル検出器の一端をブリッジまたはワーグナーアース。
ヌル検波器が両方のスイッチ位置でゼロ信号を記録すると、ブリッジのバランスがとれるだけでなく、ヌル検波器がグランドに対してゼロ電位になることが保証されるため、漂遊検波器を通る漏れ電流によるエラーが排除されます。 -対地容量：
スイッチアップ位置により、ワーグナーの地面を調整できます。
レビュー：
- ACブリッジ回路は、DCブリッジ回路と同じ基本原理で動作します。つまり、（抵抗ではなく）インピーダンスのバランスの取れた比率により、ヌル検出器デバイスによって示される「バランスの取れた」状態になります。
- ACブリッジのヌル検出器は、高感度の電気機械式メーターの動き、オシロスコープ（CRT）、ヘッドホン（増幅または非増幅）、または非常に小さいAC電圧レベルを登録できるその他のデバイスである可能性があります。 DCヌル検出器と同様に、キャリブレーション精度に必要な唯一のポイントはゼロです。
- ACブリッジ回路は、未知のインピーダンスがブリッジの同じ側（上部または下部）にある同様のタイプの標準インピーダンスによって平衡化される「対称」タイプにすることができます。または、並列インピーダンスを使用して直列インピーダンスのバランスをとったり、静電容量でインダクタンスのバランスをとったりして、「非対称」にすることもできます。
- ACブリッジ回路では、インピーダンスの大きさがとの両方であるため、多くの場合、複数の調整が行われます。 位相角はバランスをとるために適切に一致する必要があります。
- インピーダンスブリッジ回路の中には周波数に敏感なものとそうでないものがあります。すべてのコンポーネント値が正確にわかっている場合は、周波数に敏感なタイプを周波数測定デバイスとして使用できます。
- ワーグナーアース またはワーグナーグラウンド は、ACブリッジに追加された分圧回路であり、ヌル検出器をグランドに結合する浮遊容量によるエラーを低減するのに役立ちます。
関連するワークシート：
- ACネットワーク分析ワークシート
産業技術