Schering Bridgeとは：回路、動作、およびそのアプリケーション

Schering Bridgeは、電気ケーブルおよび機器の絶縁特性を測定するために使用される電気回路です。これは、Harald Ernst Malmsten Schering（1880年11月25日-1959年4月10日）によって開発されたACブリッジ回路です。平衡方程式が周波数に依存しないという最大の利点があります。元の電流ブリッジはACブリッジであり、AC抵抗、静電容量、およびインダクタンスの測定に使用される、最も人気があり、便利で、目立つ、または正確な機器です。 ACブリッジはDCと同じです 橋 しかし、交流ブリッジと直流ブリッジの違いは電源です。

シェリングブリッジとは何ですか？

定義： シェリングブリッジはACブリッジの一種であり、コンデンサの未知の静電容量、比透磁率、誘電正接、および誘電損失を測定するために使用されます。このブリッジの高電圧は、昇圧トランスを使用して得られます。このブリッジの主な目的は、静電容量値を見つけることです。接続に必要な主な装置は、トレーナーキット、ディケード静電容量ボックス、マルチメーター、CRO、およびパッチコードです。静電容量値を取得するために使用される式は、CX = Cです。_二（R₄/ R₃）。

基本的なACブリッジ回路

ACブリッジでは、電力線は低周波数での励起源として使用されます。 オシレーター 高周波測定のソースとして使用されます。発振器の周波数範囲は40Hz〜125Hzです。 ACブリッジは、抵抗、静電容量、インダクタンスを測定するだけでなく、力率、ストレージ係数も測定します。すべてのACブリッジは、ホイートストンブリッジに基づいています。交流ブリッジの基本回路図を下図に示します。

基本ACブリッジ回路

ACブリッジ回路の基本的な回路図は、Z1、Z2、Z3、およびZ4の4つのインピーダンス、検出器、およびAC電圧源で構成されています。検出器は点「b」と「d」の間に配置され、この検出器はブリッジのバランスを取るために使用されます。 AC電圧源は、ポイント「a」と「c」の間に配置され、ブリッジネットワークに電力を供給します。ポイント「b」のポテンシャルは、ポテンシャルポイント「d」と同じです。振幅と位相に関しては、bとdのような両方の潜在的なポイントは等しいです。大きさと位相の両方で、電圧降下の「a」から「b」の点は、aからdの電圧降下点に等しくなります。

ACブリッジが低周波数での測定に使用される場合、電力線が電源として使用され、測定が高周波数で行われる場合、電子発振器が電源に使用されます。電子発振器は電源として使用され、発振器によって提供される周波数は固定されており、電子発振器の出力波形は本質的に正弦波です。 ACブリッジで使用される検出器には、ヘッドホン、振動の3種類があります。 検流計 、および調整可能 増幅器 回路。

さまざまな周波数範囲があり、その中で、特定の検出器が使用されます。ヘッドフォンの低周波数範囲は250Hzで、高周波数範囲は最大3〜4KHzです。振動検流計の周波数範囲は5Hzから1000Hzで、200Hz未満ではより感度が高くなります。調整可能なアンプ回路の周波数範囲は10Hzから100KHzです。

高電圧シェーリングブリッジ回路図

高圧シェリングブリッジの回路図を下図に示します。ブリッジは4つのアームで構成され、最初のアームには2つの未知の静電容量C1とC2があり、抵抗R1が接続され、2番目のアームには可変静電容量C4と抵抗R3とR4が接続されています。橋の中央には「D」検出器が接続されています。

高電圧-Schering-bridge

この図で、「C1」は容量を開発する必要のあるコンデンサ、「R1」はコンデンサC1の損失を表す直列抵抗、C2は標準コンデンサ、「R3」は非誘導抵抗、「C4」です。 「」は可変コンデンサであり、「R4」は可変コンデンサ「C4」と並列の可変非誘導抵抗です。

ブリッジの平衡状態を使用すると、インピーダンス「Z1＆Z2」の比率はインピーダンス「Z3＆Z4」に等しくなり、次のように表されます。

Z1 / Z2 = Z3 / Z4

Z1 * Z4 = Z3 * Z2…………………eq（1）

どこ と_{1 =}R₁+ 1 / jwC₁と_{2 =}1 / jwC_二と_{3 =}R₃と_{4 =}（R₄+ 1 / jwC₄R₄）/（R₄– 1 / jwC₄R₄）

ここで、式1のインピーダンスZ1、Z2、Z3、およびZ4の値を代入すると、C1およびR1の値が得られます。

（R₁+ 1 / jw C₁）[（R₄+ 1 / jwC₄R₄）/（R₄– 1 / jwC₄R₄）] = R₃（1 / jwC_二）………..eq（2）

インピーダンスを単純化することにより、Z4は

と_{4 =}（R₄+ 1 / jwC₄R₄）/（R₄– 1 / jwC₄R₄）

と_{4 =}R₄/ jwC₄R₄…………….eq（3）

式（2）に式（3）を代入すると、次のようになります。

（R₁+ 1 / jw C₁）（R₄/ jwC₄R₄）= R₃（1 / jwC_二）

（R₁R₄）+（R₄/ jw C₁）=（R₃/ jwC_二）（1+ jwC₄R₄）

上記の方程式を単純化することにより、

（R₁R₄）+（R₄/ jw C₁）=（R₃/ jwC_二）+（R₃* R₄C₄/ C_二）…………eq（4）

式（4）の実数部R1R4とR3 * R4C4 / 2を比較すると、未知の抵抗R1値が得られます

R1 R4 = R3 * R4C4 / C2

R1 = R3 * C4 / C2…………eq（5）

同様に虚数部Rを比較します₄/ jw C₁およびR₃/ jwC_二未知の静電容量Cを取得します₁値

R₄/ jw C₁= R₃/ jwC_二

R₄/ C₁= R₃/ C_二

C₁=（R₄/ R3）C_二…………eq（6）

式（5）と（6）は、未知の抵抗と未知の静電容量です。

ScheringBridgeを使用したタンデルタ測定

誘電損失

効率的な電気材料は、熱の形でのエネルギーの散逸を最小限に抑えながら、さまざまな量の電荷蓄積をサポートします。この熱損失は、事実上誘電損失と呼ばれ、誘電固有のエネルギー散逸です。これは、損失角デルタまたは損失正接タンデルタの観点から安全にパラメータ化されています。絶縁体内でエネルギーを消費する可能性のある損失には、基本的に2つの主要な形式があります。それらは、伝導損失と誘電損失です。伝導損失では、材料を通る電荷の流れがエネルギー散逸を引き起こします。たとえば、絶縁体を通る漏れ電流の流れ。誘電率が高い材料では、誘電損失が高くなる傾向があります。

誘電体の等価回路

導体間の誘電体として電気回路に接続された誘電体は、実用的なコンデンサとして機能すると仮定します。このようなシステムの電気的等価物は、典型的な集中定数モデルとして設計できます。これには、等価直列抵抗またはESRと​​呼ばれる抵抗と直列の無損失の理想的なコンデンサが含まれます。 ESRは特にコンデンサの損失を表し、ESR値は良好なコンデンサでは非常に小さく、ESRの値は不良コンデンサでは非常に大きくなります。

誘電正接

これは、印加されたAC電圧による誘電体材料の振動による、誘電体のエネルギーの損失率の尺度です。品質係数の逆数は、Q = 1 / Dとして表される誘電正接として知られています。コンデンサの品質は誘電正接で知られています。誘電正接の式は次のとおりです。

D = wR₄C₄

Schering-bridge-phasor-diagram

数学的解釈については、フェーザ図を見てください。これは、ESRと静電容量リアクタンスの比率です。これは、損失角の接線とも呼ばれ、一般に次のように表されます。

タンデルタ= ESR / X_C

タンデルタテスト

タンデルタテストは、巻線とケーブルの絶縁について実施されます。このテストは、ケーブルの劣化を測定するために使用されます。

タンデルタテストの実行

タンデルタテストを実行するために、ケーブルまたは巻線の絶縁をテストし、最初に分離して切断します。低周波電源から試験電圧を印加し、タンデルタコントローラで必要な測定を行い、ケーブル定格電圧まで段階的に試験電圧を上げていきます。上記のシェリングブリッジのフェーザ図から、D（誘電正接）とも呼ばれるタンデルタの値を計算できます。タンデルタは次のように表されます。

タンデルタ= トイレ₁R₁= W *（C_二R₄/ R3）*（R₃C₄/ C_二）= WC₄R₄

ScheringBridgeによる相対透磁率の測定

誘電体の低透磁率は、シェリングブリッジを使用して測定されます。比透磁率の平行板配置は数学的に次のように表されます。

e_r=C_sd /ε₀に

ここで、「Cs」は試料を誘電率または試料の静電容量と見なして測定した静電容量、「d」は電極間の間隔、「A」は電極の有効面積、「d」は試料の厚さ、「t」はギャップ電極と試料の間の「x」は電極と試料の間の分離の減少であり、ε0は自由空間の静電容量です。

比透磁率の測定

電極と試験片の間の静電容量は数学的に次のように表されます。

C = C_SC₀/ C_S+ C₀………eq（a）

どこ C_S=ε_re₀A / d C₀=ε₀A / t

代替C_SおよびC₀式（a）の値は次のようになります

C =（e_re₀A / d）（e₀A / t）/（e_re₀A / d）+（e₀A / t）

標本を減らすための数式を以下に示します。

e_r= d / d – x

これは、シェリング橋による比透磁率の測定の説明です。

特徴

Scheringブリッジの特徴は次のとおりです。

• 電位増幅器から、高電圧電源が得られます。
• 橋の振動については、検流計が検出器として使用されます
• アームabとadには、高電圧コンデンサが配置されています。
• アームbcとcdのインピーダンスは低く、アームabとadのインピーダンスは高くなっています。
• 図の「c」ポイントはアースされています。
• アームの「ab」と「ad」のインピーダンスは高く保たれます。
• アーム「ab」と「ad」では、アームabとadのインピーダンスが高いため、電力損失は非常に小さくなります。

接続

次のように、Scheringブリッジ回路キットに接続しました。

• 入力のプラス端子を回路のプラス端子に接続します
• 入力のマイナス端子を回路のマイナス端子に接続します
• 抵抗値R3をゼロ位置に設定し、静電容量値C3をゼロ位置に設定します
• 抵抗R2を1000オームに設定します
• 電源をオンにします
• これらすべての接続の後、ヌル検出器で読み取り値が表示されます。次に、10進抵抗R1を調整して、デジタルヌル検出器で最小の読み取り値を取得します。
• 抵抗R1、R2、および静電容量C2の読み取り値を書き留め、次の式を使用して未知のコンデンサの値を計算します。
• 抵抗R2値を調整して、上記の手順を繰り返します。
• 最後に、式を使用して静電容量と抵抗を計算します。シェリング橋の工事と接続の説明です

予防

ブリッジに接続する際に取るべき注意事項のいくつかは次のとおりです。

• 電圧が5ボルトを超えないようにしてください
• 電源を入れる前に、接続を正しく確認してください

アプリケーション

Scheringブリッジを使用するアプリケーションのいくつかは次のとおりです。

• 発電機が使用するシェリングブリッジ
• パワーエンジンで使用
• 家庭用産業ネットワークなどで使用

シェリングブリッジの利点

Scheringブリッジの利点は次のとおりです。

• 他の橋と比較して、この橋の費用は少ないです
• 周波数からバランス方程式は自由です
• 低電圧では、小さなコンデンサを測定できます

ScheringBridgeのデメリット

低電圧Scheringブリッジにはいくつかの欠点があります。これらの欠点があるため、小さな静電容量を測定するには高周波および電圧Scheringブリッジが必要です。

よくある質問

1）。倒立シェリングブリッジとは何ですか？

シェリングブリッジは、コンデンサの静電容量を測定するために使用される交流ブリッジの一種です。

2）。 ACブリッジではどのタイプの検出器が使用されていますか？

ACブリッジで使用される検出器のタイプは、平衡型検出器です。

3）。ブリッジ回路とはどういう意味ですか？

ブリッジ回路は、2つの分岐で構成される電気回路の一種です。

4）。 Scheringブリッジはどのような測定に使用されますか？

Scheringブリッジは、コンデンサの静電容量を測定するために使用されます。

5）。ブリッジ回路のバランスをどのように取っていますか？

ブリッジ回路は、振幅と位相角の2つの平衡条件に従って平衡化する必要があります。

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