브리지 회로: 휘트스톤, 켈빈 및 정밀 전기 측정에서의 역할

전기 계측에 대한 포괄적 논의는 브리지 회로를 다루어야 합니다. 이 정교한 배열은 널 밸런스 미터로 두 전압을 비교하는데, 마치 실험실 저울이 두 무게를 비교해 같을 때 신호를 보내는 것과 같습니다. 단순 전위차계 회로가 미지 전압을 측정하는 반면, 브리지 회로는 그 원리를 확장해 다양한 전기 파라미터를 평가하며, 저항 측정이 가장 일반적인 응용입니다.

휘트스톤 브리지

클래식 휘트스톤 브리지는 다음과 같습니다:

포인트 1과 배터리 음극 사이의 전압이 포인트 2와 배터리 음단자 사이의 전압과 같으면, 널 검출기가 0을 읽고 브리지는 '밸런스'되었다고 합니다. 이 밸런스는 오직 비율 R_a/R_b와 R₁/R₂에만 의존하며, 본질적으로 전원 전압과 무관합니다.

미지 저항을 결정하려면, 미지 R_x를 R_a 또는 R_b 위치에 놓습니다. 나머지 세 저항은 고정밀 표준으로 그 값이 고정도로 알려져 있습니다. 알려진 저항 중 하나를 조정해 브리지를 밸런스시킨 후, 알려진 저항들의 비율로부터 R_x를 계산합니다:

브리지의 각 암은 단순히 저항입니다. 미지 R_x를 포함하는 암을 흔히 '류오스탯'이라 부르고, 다른 두 암을 '비율' 암이라 부릅니다.

정확하고 안정한 저항 표준은 비교적 쉽게 만들 수 있습니다. 초기 과학 실험실은 기계적 저항 표준에 의존했는데, 아래 사진의 골동품 장치처럼 탈착식 구리 플러그를 소켓에 꽂아 이산적 단계로 저항을 조정했습니다.

직렬 배터리-무브먼트-저항 미터와 비교해 휘트스톤 브리지는 전압과 저항 간 선형 관계를 제공해 훨씬 높은 정밀도를 달성합니다. 고품질 기준 저항과 민감한 널 검출기로 ±0.05% 이상의 정확도를 일상적으로 달성해, 휘트스톤 브리지는 전 세계 교정 실험실에서 선택받는 방법입니다.

기본 휘트스톤 브리지는 저항을 측정하지만, 그 DC 및 AC 변형은 인덕턴스, 커패시턴스, 심지어 교류 애플리케이션에서 주파수도 결정할 수 있습니다.

켈빈 이중 브리지

아주 낮은 저항(일반적으로 0.1Ω 미만)을 측정하기 위해 켈빈 이중 브리지가 필요한 정밀도를 제공합니다. 회로도는 아래와 같습니다:

표준 휘트스톤 브리지에서는 연결 리드의杂散 저항이 측정 대상이 아주 작을 때 측정을 지배할 수 있습니다. 켈빈 구성은 두 추가 저항(R_m, R_n)을 추가하고, 널 검출기를 미지 저항과 저저항 표준의 양쪽 근단 사이에 배치함으로써 이를 완화합니다. 이 배열로 리드 양단 전압 강하가 밸런스에 영향을 주지 않게 합니다.

브리지가 밸런스되면 다음 관계가 성립합니다:

실제로는 비율 R_m/R_n과 R_M/R_N을 일치시키므로, 밸런스 방정식은 친숙한 휘트스톤 형태 R_x/R_a = R_N/R_M으로 단순화됩니다. 이 단순화는 매칭 조건이 충족되면 리드 저항의 영향을 제거합니다.

많은 고정밀 설정에서 R_m과 R_n은 대응 비율 암의 1/100 정도로 낮게 선택됩니다. 이는 널 검출기의 직렬 저항을 줄여 감도를 높이지만, 이 작은 저항들을 통한 전류를 증가시키고 접합 저항 효과를 증폭할 수도 있습니다. 설계자는 따라서 원하는 정확도를 달성하기 위해 감도와 오차 소스 사이의 균형을 맞춰야 합니다.

요약

• 브리지 회로는 널 검출기로 두 전압을 비교해 고정밀 측정을 가능하게 합니다.
• 휘트스톤 브리지는 미지 저항을 정밀 표준과 비교해 측정하며, 실험실 저울과 유사합니다.
• 켈빈 이중 브리지는 저저항 측정에 특화되어 복잡성을 추가해 리드 저항 오차를 억제합니다.

관련 워크시트

• DC 브리지 회로 워크시트
• AC 브리지 회로 워크시트