ACブリッジ回路：バランス比による精密インピーダンス測定

DCブリッジ回路が正確な抵抗測定を可能にするように、ACブリッジ回路はこの原理を拡張し、バランス電圧分圧器と感度の高いヌル検出器を用いて、未知インピーダンス（抵抗性、容量性、誘導性）を決定します。

ブリッジ回路の仕組み

ブリッジ回路は、同一電源電圧で駆動される2つの並列電圧分圧器で構成されます。ヌル検出器メータが分圧器間に接続され、ブリッジがバランスすると検出器はゼロボルトを示し、ヌル状態を示します。

バランスしたブリッジはインジケータに「ヌル」、または最小読み取りを示す

4つの抵抗のいずれかを未知コンポーネントとして使用でき、その値は3つの校正済み抵抗の比から導出されます。バランス時、ブリッジは次の式を満たします：

抵抗測定にブリッジを使用する利点の1つは、電源電圧が結果に影響しないことです。高い供給電圧はヌル検出器の感度を向上させ、より微細なアンバランス検出を可能にしますが、系統誤差を導入しません。

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原理で動作しますが、バランス方程式が複素量を含み、ブリッジアーム間で大きさと位相の両方が等しいことがヌル読み取りに必要です。ヌル検出器は非常に小さなAC電圧を検出できる必要があります。オシロスコープ、感度電気機械式メータ、ヘッドフォン（オーディオ範囲内）が一般的選択です。

AC用ヌル検出器

オーディオヘッドフォンは、インピーダンス整合トランスと組み合わせると効果的なヌル検出器になります。ヘッドフォンは通常低インピーダンス（≈8 Ω）なので、降圧トランスが低電流信号をヘッドフォンインピーダンスに整合し、感度を高めます。

密閉型ヘッドフォンペアを使用すると、このシンプル回路で0.1 µA以下の電流を検出可能。同じ性能は120/6 V電力トランスや1000:8 Ωオーディオトランスでも達成可能。プッシュボタンスイッチで、DCから2 MHz以上の信号に検出器が応答可能；各操作で「クリック」が聴取できます。

ブリッジ調整時、スイッチ操作中にヘッドフォンがクリックや音を出さなくなるとバランス状態に達します。

汎用ACインピーダンスブリッジ

任意の複素インピーダンスに対して、ブリッジ脚をインピーダンスZを持つ箱として表現できます。バランスには対向側で等しいインピーダンス比が必要です：

大きさと位相の両方が一致しなければ、残留電圧がヌル検出器に残ります。

多様なブリッジ構成

ブリッジ回路は、未知を既知標準とバランスさせることで、容量、インダクタンス、抵抗、品質因子など実質的にあらゆる電気パラメータを測定できます。構成に応じて、未知値は校正設定から直接読み取れるか、数学的関係で計算されます。

シンプルブリッジの例

以下の対称ブリッジは基本概念を示します。各ケースで、校正済みリアクティブコンポーネント（インダクタまたはコンデンサ）を調整してブリッジをバランスさせます。

未知インダクタ測定用対称ブリッジ

未知コンデンサ測定用対称ブリッジ

ウィーンブリッジ

ウィーンブリッジは、実コンデンサ固有の抵抗を打ち消すため、並列抵抗・コンデンサ標準を導入します。この構成は未知直列RC組み合わせをバランスさせ、容量と損失抵抗の同時測定を可能にします。

標準抵抗（Rs）とコンデンサ（Cs）を調整してブリッジをバランスさせ、未知容量（Cx）と抵抗（Rx）を測定設定から導出します。

マクスウェル-ウィーンブリッジ

マクスウェル-ウィーンブリッジ（しばしばマクスウェルブリッジと呼ばれる）は、校正済み抵抗とコンデンサペアを用いてインダクタンスを測定します。誘導と容量の位相シフトが逆であるため、コンデンサが対称レイアウトでインダクタのインピーダンスを打ち消し、相互インダクタンスによる誤差を排除します。

可変標準コンデンサ（Cs）と並列抵抗（Rs）で、ブリッジは周波数非依存点でバランスし、混合周波数条件下でも正確なインダクタンス測定を可能にします。

迷い容量への対処

ヌル検出器とグラウンド間の迷い容量は測定誤差を導入します。特にAC電源の片側が接地されている場合、リークパスが減少し迷い電流が増加するため問題です。

これを緩和するため、ワグナーアース（またはワグナーグラウンド）が使用されます。これはヌル検出器を直接接続せずに仮想グラウンドに配置する電圧分圧器で、リーク電流を排除します。

2位置スイッチで、ブリッジとワグナー構成の両方でヌル検出器読み取りを比較し、両方でゼロなら適切なグラウンド確認できます。

重要なポイント

• ACブリッジ回路はDCブリッジと同じ原理だが、バランスに複素インピーダンス比等価が必要
• ACブリッジ用ヌル検出器はオシロスコープ、電気機械式メータ、インピーダンス整合付きヘッドフォン
• バランスブリッジは大きさと位相の両方を一致させるため複数調整を伴う場合がある
• 周波数感受性ブリッジはコンポーネント値既知時に精密周波数計として機能
• ワグナーアース技法がヌル検出器を仮想グラウンドに維持し、迷い容量誤差を低減

関連ワークシート

• ACネットワーク解析ワークシート