교류 회로의 구조와 작동 원리

브릿지 회로는 저항, 임피던스, 유도, 그리고 정전 용량과 같은 알려지지 않은 값을 측정하기 위해 사용되는 전기 회로 구성입니다. Wheatstone bridge, Maxwell Bridge, Kelvin Bridge 등 많은 브릿지들이 정확성을 유지하면서 동일한 원리로 작동합니다. 다음은 몇 가지 브릿지의 기능에 대한 간략한 설명입니다:

Wheatstone Bridge

Charles Wheatstone이 개발한 Wheatstone bridge는 회로 내에서 알려지지 않은 전기 저항 값을 결정하는 데 사용되는 전기 회로입니다. Wheatstone bridge는 다른 도구들(예: 멀티미터)가 정확하게 계산하지 못하는 매우 낮은 값의 저항을 계산하는데 매우 효과적입니다.

Wheatstone bridge 회로는 네 개의 저항기를 다이아몬드 형태로 배열한 것입니다. 이 회로는 두 개의 병렬 레그와 각각의 레그에 두 개의 저항기가 직렬로 연결되어 있습니다. 세 번째 레그는 두 병렬 레그 사이의 어떤 지점에 연결됩니다. 네 개의 저항기 중 하나의 저항값은 두 레그를 균형잡음으로써 결정할 수 있습니다. 네 개의 저항기 중 R1과 R3의 값은 알려져 있으며, R2의 값은 조정 가능하며, Rx의 값은 계산해야 합니다. 그런 다음 이 조정은 전기 공급과 단자 D와 단자 B 사이의 갈바노미터에 연결됩니다. 이제 조정 가능한 저항기의 값이 두 가지 브랜치의 저항비율이 같아질 때까지 (R1/ R2) = (R3/Rx)가 되도록 조정되며, 갈바노미터는 전류가 회로를 통해 흐르지 않으므로 0을 읽습니다. 이제 회로는 균형을 이루고 알려지지 않은 저항기의 값은 쉽게 측정할 수 있습니다. R3의 읽기는 전류의 흐름 방향을 결정합니다.

Maxwell’s Bridge

Maxwell의 인덕턴스 브릿지는 Wheatstone bridge와 동일한 원리로 작동합니다. Wheatstone bridge에 약간의 수정이 가해졌습니다. 이 브릿지의 네 가지 브랜치는 알려지지 않은 인덕턴스(L1), 변수 콘덴서(C4), 네 개의 저항기, 그리고 갈바노미터 대신 감지기로 구성됩니다. 이는 알려지지 않은 값과 표준 변수 캐패시턴스를 비교하여 인덕턴스 값을 측정하는 데 사용됩니다.

브릿지의 기본 원리는 부정적인 위상의 캐패시턴스를 반대쪽 브랜치에 배치하여 알려지지 않은 임피던스의 긍정적인 위상 각도를 상쇄하는 것입니다. 이를 통해 감지기의 전위차가 0이 되어 전류가 흐르지 않습니다. 캐패시터 C4와 저항기 R4는 병렬로 연결되며, 브릿지가 균형을 이루도록 두 값이 조정됩니다.

Kelvin Bridge는 Wheatstone bridge의 또 다른 변형으로, 1mΩ부터 1kΩ 범위의 저항을 매우 정확하게 측정하는 데 사용됩니다. 낮은 저항을 정확하게 측정하려면, 높은 전압 공급과 민감한 갈바노미터가 필요합니다. 낮은 저항을 측정할 때, 연결선의 저항이 중요한 역할을 합니다. Wheatstone bridge는 그림에 표시된 두 개의 추가 저항기를 사용합니다. 저항기 R1와 R2는 두 번째 비율암 세트에 연결되어 4단자 저항기를 구성합니다. 여기서 R은 알려지지 않은 값이고 S는 표준 저항기입니다. 갈바노미터는 c와 d 사이에 배치되어 연결선의 저항 r이 무시되고 측정값에 영향을 미치지 않습니다. 균형 상태에서는 갈바노미터가 0을 표시하고 회로를 통해 전류가 흐르지 않습니다. 균형 상태에서의 방정식은:

Hay’s Bridge Circuit

Hay’s bridge는 Maxwell의 브릿지 회로의 또 다른 변형입니다. Maxwell의 회로에서 저항은 캐패시터와 병렬로 배치되지만, Hay’s 회로에서는 저항이 표준 캐패시터와 직렬로 연결됩니다. 이는 인덕티브 임피던스의 위상각이 매우 큰 경우, 낮은 저항을 직렬로 사용하여 이를 극복하는 데 유용합니다.

Anderson’s Bridge

Anderson Bridge는 Maxwell’s inductor capacitance bridge의 수정된 버전입니다. 주로 표준 캐패시터와 저항기를 사용하여 코일의 자기 인덕턴스를 측정하는 데 사용됩니다. 이 브릿지의 주요 장점은 브릿지를 자주 균형잡지 않아도 된다는 것입니다. 일정한 전류로 브릿지를 균형잡기 위해 변수 저항 r을 조정하고, AC 소스를 배터리와 이동 코일 갈바노미터로 교체합니다. 브릿지가 균형을 이루면 D 단자의 전위는 E 단자의 전위와 같습니다. 각 브랜치를 통과하는 전류는 I1, I2, 및 I3로 표시됩니다.

Diode Bridge Circuit