AC測定ブリッジとその使用法

AC 回路では、測定目的でブリッジ回路が使用されます。これらのスキームにより、コンデンサとインダクタンスの値、コンデンサの誘電損失の角度の正接、およびコイルの相互インダクタンスを決定することができます。

ACブリッジの測定はまったく異なるスキームであるため、以下で説明します。最も一般的なのは 4 つのアームを備えたバランス型ブリッジで、インダクタンス、キャパシタンス、誘電正接の測定プロセスに寄生パラメータの補償を伴うことができます。

AC 測定ブリッジ回路の 2 つのグループは、特に表現力豊かです。トランス ブリッジ (誘導結合アーム付き) と容量性ブリッジです。容量性ブリッジは、アームに容量性素子と能動素子が取り付けられた 4 つのアームを備えた回路です。変圧器ブリッジは、ブリッジに電力を供給する役割を果たす 2 つのアームに変圧器の二次巻線が存在することを特徴としています。

容量性回路に関しては、定容量と可変 (アクティブ) 抵抗、および定 (アクティブ) 抵抗と可変容量の両方を含めることができます。定容量ブリッジは、特別に定格された可変コンデンサを必要とせず、代わりに十分な抵抗器 (アクティブ抵抗) が用意されているため、構築が容易です。

可変抵抗器のおかげで、ブリッジ回路は無効電圧成分と有効電圧成分に関してバランスを取ることができます。一方の可変抵抗器は静電容量値に従って校正され、もう一方の可変抵抗器は誘電正接値に従って校正されます。その結果、検討したコンデンサの等価直列回路が得られます。次の等式は橋のこの平衡状態を反映しており、虚数部と実数部を等しくすると、求める量の値のみが得られます。

しかし実際には、寄生パラメータは常に現れ、可聴周波数ですでにエラーを引き起こします。寄生インダクタンス、静電容量、コンダクタンスがこれらの誤差の原因となり、誘電体損失角測定の精度が脅かされます。これらの要因の影響を軽減するための手段は、最初の抵抗器の無誘導性および容量性巻線です。しかし実際には、これらの影響を適切に補償することが必要なだけです。

したがって、寄生インダクタンスを補償するために、トリマー コンデンサが 2 番目の抵抗と並列に接続されます。また、絶縁部品やトランスの存在により寄生容量や寄生抵抗が発生するため、トランス自体を二重シールドする必要があります。部品の静電容量と導電率の影響を軽減するために、部品はフッ素樹脂などの高品質の誘電体で作られています。オーディオ周波数発生器は電源として適しています。

ブリッジで使用される一定の抵抗には、可変抵抗器を校正する必要がないという利点があります。アーム内には、一定の抵抗、一定のコンデンサ、および可変コンデンサだけがあります。それらの能力を直接測定することが可能です。研究中の静電容量は単に端子に接続され、その後、可変コンデンサを調整することによってブリッジのバランスがとられます。計算は式に従って実行され、接線のスケールが式から直接得られることがわかります。可変容量の場合、抵抗と周波数は変化しないため、次のようになります。

誘導接続されたアームを備えた測定ブリッジ（変圧器ブリッジ）は、多くの点で容量性ブリッジよりも優れています。接線と静電容量の点で感度が高く、とにかくアームに並列に接続された寄生コンダクタンスの影響が少ないです。

複数セクションの変圧器を使用すると、橋の動作範囲 (測定スケール) を大幅に拡大できます。代表的なトランス ブリッジの設計はいくつかありますが、最も人気のあるのはダブル トランス ブリッジです。

チェーンは巻き数を数えることによって完全に制御されます。可変コンデンサや可変抵抗器は必要ありません。このようにして、広範囲のマルチセクショントランスを備えたメーターを作成することができ、必要なサンプル要素は最小限で済みます。

ここで、回路は電気的に絶縁されています。つまり、寄生接続による干渉が最小限であることは明らかなので、接続ワイヤは比較的長くても構いません。次の式は、ブリッジが平衡状態にある場合に有効です。

ご存知のとおり、コンデンサの静電容量を測定する場合、誘電正接の形での能動損失が重要になります。したがって、このパラメータに従って、コンデンサは 3 つのグループに分けられます (そして、この周波数での等価回路はそれぞれ異なります)。

次の比率は、AC 回路内のコンデンサのインピーダンスと、直列および並列等価回路におけるそのタンジェントを反映しています。

無損失コンデンサの静電容量の測定は、次のスキームに従って実行されます。2 つのアクティブ アームがそれらの値の比率によって測定限界を決定し、サンプル静電容量は可変です。ここで、測定プロセスでは、抵抗の比率が選択され、サンプル静電容量の値が変更されます。橋の平衡式は次のとおりです。

低損失静電容量測定は、静電容量とアクティブ抵抗を変更してブリッジのバランスをとりながら、コンデンサ交換シーケンス方式に従って実行され、ゼロインジケータスケールの最小読み取り値に達します。等価条件では次の式が得られます。

誘電損失が大きいコンデンサでは、上記のスキームに従って、等価回路内で抵抗をサンプルと並列に接続する必要があります。接線の式は次のようになります。

したがって、ブリッジを使用すると、実際のコンデンサの静電容量を公称値で pF から数十マイクロファラッドの単位で、高精度 (1 ～ 3 桁) で測定することができます。

正確な可変インダクタンスを作成するのは簡単な作業ではないため、上記のアプローチを使用してインダクタンスを測定すると、必ずしもインダクタンスと比較する必要はありませんが、キャパシタンスと比較することができます。そのため、インダクタの代わりにサンプル容量の等価回路を使用します。平衡状態により抵抗とインダクタンスを求めることができ、結果は次の形式で記述されます。

Q ファクターを見つけることもできます。

もちろん、ターン間の静電容量によって小さな歪みが生じますが、多くの場合、これらは無視できる程度であることがわかります。