브리지 회로는 기본적으로 회로 출력이 두 분배기 사이의 전위차로 간주되는 한 쌍의 전압 분배기입니다. 브리지 회로는 H자형 또는 다이아몬드 모양의 개략도 형식으로 그릴 수 있지만 다이아몬드 구성이 더 일반적입니다.
브리지 회로에 전원을 공급하는 전압 소스를 여기 소스라고 합니다. 이 소스는 브리지 회로의 애플리케이션에 따라 DC 또는 AC일 수 있습니다. 브리지를 구성하는 구성 요소는 저항기일 필요가 없습니다: 응용 분야에 따라 커패시터, 인덕터, 전선 길이, 감지 소자 및 기타 구성 요소 형태가 가능합니다.
1. 휘트스톤 브리지 회로 측정
브리지 회로는 구성 요소를 테스트하는 데 사용할 수 있습니다. 이 용량에서 브리지 회로의 "암" 중 하나는 테스트 중인 구성 요소로 구성되고 다른 "암" 중 적어도 하나는 조정 가능합니다. 저항 측정을 위한 일반적인 휘트스톤 브리지 회로는 다음과 같습니다.
고정 저항 R1와 R2는 정확하게 알려진 값과 높은 정밀도를 가지고 있습니다. 가변 저항 Radjust에는 노브가 표시되어 있어 사람이 값을 높은 정밀도로 조정하고 읽을 수 있습니다. 시편 저항에 대한 가변 저항의 비율이 두 고정 저항기의 비율과 같을 때 민감한 검류계는 여기 소스의 값에 관계없이 정확히 0볼트를 등록합니다. 이를 브리지 회로의 고정 저항기 상태라고 합니다.
두 저항 비율이 같으면 각 저항의 전압 강하도 동일합니다. Kirchhoff의 전압 법칙은 두 개의 동일 전압 강하와 반대 전압 강하 사이의 전압 차이가 0이어야한다고 선언하여 미터의 균형 표시를 설명합니다.
이것을 실험실 저울의 작동과 연관시키는 것은 부적절하지 않을 것이며, 알려지지 않은 질량의 표본과 알려진 질량의 세트를 비교합니다. 두 경우 모두 계측기는 알 수 없는 수량을 (조정 가능한) 알려진 수량과 비교하여 둘 사이의 동일 조건을 나타냅니다.
많은 레거시 계측기는 전기 서보 모터가 전위차계를 구동하여 일부 공정 센서에서 생성된 전압에 대해 균형 잡힌 조건을 달성하는 자체 균형 브리지 회로의 개념을 중심으로 설계되었습니다. 아날로그 전자 종이 차트 레코더는 종종 이 원리를 사용했습니다. 거의 모든 공압 공정 기기는 이 원리를 사용하여 감지 요소의 힘을 가변 공기 압력으로 변환합니다.
최신 브리지 회로는 주로 실험실에서 매우 정밀한 구성 요소 측정을 위해 사용됩니다. 공정 산업에서 사용되는 휘트스톤 브리지 회로를 만나는 경우는 매우 드뭅니다.
2. 센서 신호 컨디셔닝
브리지 회로의 또 다른 응용 분야는 전기 센서의 출력을 일부 물리적 측정을 나타내는 전압 신호로 변환하는 것입니다. 이것은 업계에서 브리지 측정 회로의 가장 보편적인 사용이며, 여기서는 동일한 회로가 평형 휘트스톤 브리지 회로와 완전히 다른 방식으로 사용되는 것을 볼 수 있습니다.
여기서 브리지는 하나의 특정 저항 값에 있을 때만 균형을 이룹니다. 회로가 균형을 이룰 때 구성 요소의 값을 측정하는 역할을 하는 휘트스톤 브리지와 달리 이 브리지 회로는 아마도 대부분의 수명을 불균형 상태에서 보낼 것입니다.
출력 전압은 센서 저항의 함수로 변하며, 이로 인해 해당 전압은 센서의 물리적 상태를 반영합니다. 위의 회로에서 Rsensor저항이 증가함에 따라 출력 전압이 증가하는 것을 볼 수 있습니다.
1) 스트레인 게이지 센서 측정
이러한 종류의 브리지 회로에 대한 가장 일반적인 응용 분야 중 하나는 물체의 기계적 변형률이 전기 신호로 변환되는 변형률 측정입니다. 여기에 사용된 센서는 스트레인 게이지로 알려진 장치로, 테스트 대상 물체와 함께 늘어나고 압축되도록 설계된 접힌 와이어로, 그에 따라 전기 저항을 변경합니다. 스트레인 게이지는 일반적으로 이 사진에서 볼 수 있듯이 매우 작습니다.
스트레인 게이지는 금속 시편에 접착할 때 유용하며, 변형률을 전기적으로 감지하는 수단("시편의 "스트레칭" 또는 "압축")을 제공합니다. 다음 브리지 회로는 스트레인 게이지의 일반적인 응용 분야입니다.
시편이 긴 축을 따라 늘어나면 스트레인 게이지의 금속 와이어가 함께 늘어나 길이가 늘어나고 단면적이 줄어들며, 이 두 가지 모두 와이어의 전기 저항을 증가시키는 역할을 합니다. 이 스트레칭은 크기는 미세하지만 저항 변화는 측정 가능하고 시편의 탄성 한계 내에서 반복 가능합니다. 위의 회로 예제에서 시편을 스트레칭하면 전압계가 업스케일링(극성 표시로 정의됨)을 읽을 수 있습니다. 시편을 긴 축을 따라 압축하면 반대 효과가 발생하여 스트레인 게이지 저항이 감소하고 미터가 다운스케일링됩니다.
2) 로드셀 센서
스트레인 게이지는 기계 요소의 변형률(스트레칭 또는 압축 동작)을 정밀하게 측정하는 데 사용됩니다. 스트레인 게이지의 한 가지 응용 분야는 설계 개발 테스트를 진행 중인 자동차나 비행기의 프레임 구성 요소와 같은 기계 구성 요소의 변형률을 측정하는 것입니다. 또 다른 응용 분야는 로드셀이라고 하는 장치의 힘을 측정하는 것입니다.
"로드셀"은 정확하게 알려진 탄성 특성을 갖는 금속 구조물의 표면에 접착된 하나 이상의 스트레인 게이지로 구성된다. 이 금속 구조는 마치 매우 뻣뻣한 스프링처럼 가해진 힘으로 매우 정밀하게 늘어나고 압축됩니다. 이 구조물에 부착된 스트레인 게이지는 변형률을 측정하여 적용된 힘을 전기 저항 변화로 변환합니다.
스트레인 게이지는 브리지 회로에 적용할 수 있는 유일한 동적 요소가 아닙니다. 실제로, 모든 저항 기반 센서는 물리적 측정을 전기(전압) 신호로 변환하기 위해 브리지 회로에 사용될 수 있습니다. 서미스터(온도에 따라 저항이 변함)와 광전지(빛 노출에 따라 저항이 변함)는 스트레인 게이지의 두 가지 대안일 뿐입니다.
이 브리지 회로에서 출력되는 전압의 양은 센서의 저항 변화량과 여자 소스의 값에 따라 달라집니다. 소스 전압 값에 대한 이러한 의존성은 감지 브리지 회로와 휘트스톤(평형) 브리지 회로 간의 주요 차이점입니다. 완벽하게 균형 잡힌 브리지에서 여자 전압은 관련이 없습니다: 어떤 소스 전압 값을 사용하든 출력 전압은 0입니다.
그러나 언밸런스 브리지 회로에서는 소스 전압 값이 중요합니다! 이러한 이유로 이러한 브리지 회로는 물리적 측정 단위당 여기 볼트당 생성하는 출력 밀리볼트(스트레인 미크론, 응력 뉴턴 등)로 평가되는 경우가 많습니다.
3. 휘트스톤 브리지의 온도 보상
감지 브리지 회로의 특징은 원치 않는 변수를 상쇄할 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 스트레인 게이지의 경우, 기계적 스트레인이 게이지 저항에 영향을 미치는 유일한 변수는 아닙니다. 온도는 게이지 저항에도 영향을 미칩니다.
스트레인 게이지가 온도에 의한 저항 변화를 무효화할 수 있는 방법을 찾아야 합니다. 그 해결책은 "더미" 스트레인 게이지를 브리지의 또 다른 암으로 창의적으로 사용하는 것입니다:
"더미" 게이지는 활성 스트레인 게이지와 동일한 온도를 유지하면서도 변형이 발생하지 않는 방식으로 시편에 부착됩니다. 따라서 게이지 저항의 차이는 전적으로 시편 변형률에 기인해야 합니다. 브리지 회로의 차동 특성은 자연스럽게 두 게이지의 차동 저항을 스트레인을 나타내는 하나의 전압 신호로 변환합니다.
스트레인 게이지 대신 서미스터를 사용하면 이 회로가 차동 온도 센서가 됩니다. 차동 온도 감지 회로는 태양열 집열기가 가열되는 실내 또는 열 저장 질량보다 뜨거울 때를 감지하기 위해 태양열 난방 제어 시스템에 사용됩니다.
감지 브리지 회로에는 하나 이상의 활성 "암"도 있을 수 있습니다. 지금까지 살펴본 예는 모두 쿼터 액티브 브리지 회로였습니다. 그러나 두 개 이상의 센서를 동일한 브리지 회로에 통합할 수 있습니다. 센서의 저항 변화가 조정되는 한, 센서의 결합된 효과는 측정의 감도(그리고 종종 선형성)를 증가시키는 것입니다.
예를 들어, 풀 액티브 브릿지 회로는 때때로 4개의 스트레인 게이지로 구축되며, 각 스트레인 게이지는 브릿지의 한 암으로 구성됩니다. 스트레인 게이지 중 두 개는 압축되어야 하고 다른 두 개는 동일한 기계적 힘을 가할 때 늘어나야 브리지가 변형으로 인해 불균형해집니다.
풀 액티브 브릿지 회로는 쿼터 액티브 브릿지보다 더 높은 감도와 선형성을 제공할 뿐만 아니라, 시편 온도가 변하면 4개의 스트레인 게이지 모두의 저항이 동일한 비율로 변하기 때문에 "더미" 스트레인 게이지 없이도 자연스럽게 온도 보상을 제공합니다.
- 휘트스톤 브리지 회로를 사용하면 두 개의 병렬 전압 분배기가 포지티브 또는 네거티브 조정 가능한 출력을 제공할 수 있습니다.
- 휘트스톤 브리지는 하나의 가변 저항기처럼 간단할 수도 있고, 교정을 위한 가변 저항기를 포함할 수도 있습니다.
- 일부 감지 회로는 최대 감도를 위해 2개 또는 4개의 개별 쌍을 이루는 가변 저항을 비교합니다.
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