ACブリッジの製作

1. 概要

   抵抗値、静電容量(キャパシタンス)、インダクタンスを測定するためのブリッジです。
   抵抗測定の原理はホイートストン・ブリッジです。
   静電容量(キャパシタンス)の測定には交流ブリッジの一種である ソーティの容量ブリッジを
   またインダクタンスの測定にはマクスウェル・ブリッシを 使用しています。
   回路図はネットから拾ってきたものを一部定数を変更しました。
   (オリジナルはどこだったか判らなくなりました。)
   本製作においては更に周波数ブリッジ を使った正弦周波数の測定機能も追加しました。
   
   

2. 仕様

   1. 抵抗[R]、キャパシタンス[C]、インダクタンス[L]の測定範囲とレンジ
      
      
      
   2. 周波数(F)
      
      • 約34Hz〜(上限?)
        正弦波に限ります。(波形が歪んでいると平衡しません。)
        

3. 外観

   
   
   
   

4. 回路図

   
   

5. 回路構成

   1. 抵抗(R)
      
      抵抗測定の原理はホイートストン・ブリッジ です。
      
      
      
   2. コンデンサ(C)
      
      静電容量(キャパシタンス)の測定には交流ブリッジの一種である
      ソーティの容量ブリッジを 使用します。
      
      
      
   3. コイル(L)
      
      インダクタンス測定には マクスウェル・ブリッシを使用しています。
      
      
      
   4. 周波数(F)の測定範囲
      
      周波数測定には周波数ブリッジ の一種であるウィーン・ブリッジを使用します。
      
      
      

6. 設計

   ほとんど原理図に近いので、とくに設計はしていないのですが(笑)
   以下にレンジ毎の測定範囲の計算を示します。
   
   
   1. 抵抗測定(ホイートストン・ブリッジ)
      
      
      ホイートストン・ブリッジの原理より
      X = RB/Q
      
      S = 1kΩ、B = 47〜1047Ωであることから
      
      
      • レンジ1(1〜10Ω)　　R = 10Ω　X = 0.47〜10.47Ω
        
      • レンジ2(10〜100Ω)　R = 100Ω　X = 4.7〜104.7Ω
        
      • レンジ3(100〜1kΩ)　R = 1kΩ　X = 47〜1047Ω
        
      • レンジ4(1k〜10kΩ)　R = 10kΩ　X = 470〜10.47kΩ
        
      • レンジ5(10k〜100kΩ)　R = 100kΩ　X = 4.7k〜104.7kΩ
        
      • レンジ6(100k〜1MΩ)　R = 1MΩ　X = 47k〜1047kΩ
        
      
      
   2. キャパシタンス測定(ソーティの容量ブリッジ)
      
      
      ソーティ・ブリッジの原理より
      Cx = B/R・Cs
      
      Cs = 0.01μF、B = 47〜1047Ωであることから
      
      
      • レンジ1(0.1〜1μF)　　R = 10Ω　Cx = 0.047〜1.047μF
        
      • レンジ2(0.01〜0.1μF)　R = 100Ω　Cx = 0.0047〜0.1047μF
        
      • レンジ3(0.001〜0.01μF)　R = 1kΩ　Cx = 470p〜0.01047μF
        
      • レンジ4(100p〜1000pF)　R = 10kΩ　Cx = 47p〜1047pF
        
      • レンジ5(10p〜100pF)　R = 100kΩ　Cx = 4.7p〜104.7pF
        
      • レンジ6(1p〜10F)　 R = 1MΩ　Cx = 0.47p〜10.47pF
        
      
      
   3. インダクタンス測定(マクスウェル・ブリッシ)
      
      
      マクスウェル・ブリッジの原理より
      Lx = RB・Cq
      
      Cq = 1000pF、B = 47〜1047Ωであることから
      
      
      • レンジ1(1〜10μH)　　R = 10Ω　Lx = 0.47〜10.47μF
        
      • レンジ2(10〜100μH)　　R = 100Ω　Lx = 0.47〜10.47μF
        
      • レンジ3(100μ〜1mH)　　R = 1kΩ　Lx = 0.47〜10.47μF
        
      • レンジ4(1m〜10mH)　　R = 10kΩ　Lx = 0.47〜10.47μF
        
      • レンジ5(10m〜100mH)　　R = 100kΩ　Lx = 0.47〜10.47μF
        
      • レンジ6(100m〜1H)　　R = 1MΩ　Lx = 0.47〜10.47μF
        
      
      
   4. 周波数測定(ウィーン・ブリッジ)
      
      
      ウィーン・ブリッジの原理より
      f = 1/(2πC・F)
      
      C = 4.7μF、F = 0〜1000Ωであることから
      
      
      • f = 約34Hz〜(上限?)
        
      
      
   
   

7. 使用部品

   1. 固定抵抗器
      47Ω以外は出来るだけ精密な金属皮膜抵抗器を使用します。
      
      
   2. 固定コンデンサ
      出来るだけ精密で経年変化の少ないコンデンサを使用します。
      容量の観点からフィルム系のコンデンサを使用しました。
      
      
   3. 可変抵抗器
      機械構造の安定したものが望まれます。通信工業規格品を使用しました。
      カーブは全てBカーブです。
      
      

8. 製作

   1. ケース
      タカチのYM-180を使用しました。
      
      
   2. 寸法
      
      
      
   3. 刻印文字
      
      
      

9. 使用方法

   1. レンジの設定によるRの値
      以下の測定手順において、抵抗値Rの値はレンジの設定(1〜6)により以下の値を使用します。
      
      
      
      
   2. 電気抵抗(R)測定(直流ブリッジによる方法)
      • 接続方法
        
        
        
      • 測定手順
        (1)ブリッジの機能設定で「R」を選択します。トグルスイッチはTと反対側(M)にします。
        (2)センターメータに感度設定がある場合「低感度」に設定します。
        (3)回路を組立ます。乾電池は最後に接続します。
        (4)被測定抵抗器を接続します。
        
        (5)レンジのスイッチとBALANCEのVRを交互に調整してセンターメーター の指示が0になる設定を探します。
        (6)センターメーターに感度設定があれば「高感度」に設定します。
        (7)BALANCEのVRを調整してセンターメーターの指示を0にします。
        (8)センターメータに感度設定がある場合「低感度」に設定します。
        　　　(次の(9)でバランスがくずれメーターが振り切れるからです。)
        (9)ブリッジのトグルスイッチをT側に倒します。
        (10)その時の抵抗値を読み取ります。(この値をBとします)
        (11)以下の計算式により、測定値Xを求めます。Sは1kΩです。
        
        X = R*B/S
        
        Rはレンジの設定によります。1項を参照してください。
        
        (12)被測定抵抗を交換する場合は、ブリッジのトグルスイッチをTと反対側(M)倒し
        　　(5)〜(11)の手順を繰り返します。
        
      
      
   3. 電気抵抗(R)測定(交流ブリッジによる方法)
      • 接続方法
        
        
        
      • 測定手順
        (1)ブリッジの機能設定で「R」を選択します。トグルスイッチはTと反対側(M)にします。
        (2)発振器の出力を最小にします。
        (3)回路を組立ます。発振器の電源は最後にONにします。。
        (4)被測定抵抗器を接続します。
        
        (5)発振器の出力を適当な音量になるまで上げます。
        (6)レンジのスイッチとBALANCEのVRを交互に調整して音が消える点を探します。
        (7)音が小さくなったら発振器の出力を上げます。
        (8)BALANCEのVRを調整して音が消える範囲の中央に設定します。
        (9)発振器の出力を最小にします。
        　　　(次の(10)でバランスがくずれイヤホンから大きな音が出るからです。)
        (10)ブリッジのトグルスイッチをT側に倒します。
        (11)その時の抵抗値を読み取ります。(この値をBとします)
        (12)以下の計算式により、測定値Xを求めます。Sは1kΩです。
        
        X = R*B/S
        
        Rはレンジの設定によります。1項を参照してください。
        
        (13)被測定抵抗を交換する場合は、ブリッジのトグルスイッチをTと反対側(M)倒し
        　　(5)〜(12)の手順を繰り返します。
        
      
      
   4. キャパシタンス(C)測定
      • 接続方法
        
        
        
      • 測定手順
        (1)ブリッジの機能設定で「C」を選択します。トグルスイッチはTと反対側(M)にします。
        　　また、可変抵抗の「D/F」は最小に設定します。
        (2)発振器の出力を最小にします。
        (3)回路を組立ます。発振器の電源は最後にONにします。
        (4)被測定インダクターを接続します。
        
        (5)発振器の出力を適当な音量になるまで上げます。
        (6)レンジのスイッチとBALANCEのVR、可変抵抗D/Fをそれぞれを調整して
        　　音が消える点を探します。
        (7)音が小さくなったら発振器の出力を上げます。
        (8)BALANCEのVRと可変抵抗D/Fを調整してBALANCEのVRを音が消える範囲の中央に設定します。
        (9)発振器の出力を最小にします。
        　　　(次の(10)でバランスがくずれイヤホンから大きな音が出るからです。)
        (10)ブリッジのトグルスイッチをT側に倒します。
        (11)その時の抵抗値を読み取ります。(この値をBとします)
        (12)以下の計算式により、測定値Xを求めます。Csは0.01μFです。
        
        Cx = B/R・Cs
        
        Rはレンジの設定によります。1項を参照してください。
        
        (13)被測定抵抗を交換する場合は、ブリッジのトグルスイッチをTと反対側(M)倒し
        　　(5)〜(12)の手順を繰り返します。
        
        (14)測定容量がpFオーダーのときは浮遊容量の値を測定値から引きます。
        　　浮遊容量は、測定端子Xに何も接続しない状態で容量を測定します。
        　　本製作においては20〜25pF程度の浮遊容量がありました。
        
      
      
   5. インダクタンス(L)測定
      • 接続方法
        
        
        
      • 測定手順
        (1)ブリッジの機能設定で「L」を選択します。トグルスイッチはTと反対側(M)にします。
        　　また、可変抵抗の「Q」は最大に設定します。
        (2)発振器の出力を最小にします。
        (3)回路を組立ます。発振器の電源は最後にONにします。
        (4)被測定インダクターを接続します。
        
        (5)発振器の出力を適当な音量になるまで上げます。
        (6)レンジのスイッチとBALANCEのVR、可変抵抗Qをそれぞれを調整して
        　　音が消える点を探します。
        (7)音が小さくなったら発振器の出力を上げます。
        (8)BALANCEのVRと可変抵抗Qを調整してBALANCEのVRを音が消える範囲の中央に設定します。
        (9)発振器の出力を最小にします。
        　　　(次の(10)でバランスがくずれイヤホンから大きな音が出るからです。)
        (10)ブリッジのトグルスイッチをT側に倒します。
        (11)その時の抵抗値を読み取ります。(この値をBとします)
        (12)以下の計算式により、測定値Xを求めます。Cqは1000pFです。
        
        Lx = R*B・Cq
        
        Rはレンジの設定によります。1項を参照してください。
        
        (13)被測定抵抗を交換する場合は、ブリッジのトグルスイッチをTと反対側(M)倒し
        　　(5)〜(12)の手順を繰り返します。
        
      
      
   6. 周波数(F)測定
   • 接続方法
     
     
     
   • 測定手順
     (1)回路を組立ます。このとき測定に影響しないよう、テスターは接続しません。
     (2)被測定端子には2kΩの精密抵抗器を接続します。
     (3)ブリッジの機能設定で「F」(周波数測定)を選択します。
     (4)ブリッジのRANGEは「3」に設定します。
     (5)測定信号源の出力を最小にして接続(または電源ON)します。
     
     (6)検出器のメータが適度に振れる位置まで測定信号の出力を上げます。
     (7)D/FのVRを調整して検出器のメータが最小になる点を探します。
     (8)検出器のメータの振れが大きくなるよう5kΩVRの出力を上げます。
     (9)7〜8を繰り返して検出器の振れが最小になるD/FのVRの設定点を見つけます。
     (10)テスターの読み取りに影響しないよう、測定信号の出力を0にします。
     (11)テスターをF端子とDET端子のマイナス側(黒ターミナル)間に接続します。
     (12)その時の抵抗値を読み取ります。(数回測定し、平均値をFとします)
     (13)以下の計算式により、測定周波数f[Hz]を求めます。Cは4.7μFです。
     
     f = 1/(2*π*C*F)
     
     【重要】周波数ブリッジでは信号源の高調波により、平衡点が判りづらいことがあります。
     とくに検出器がイヤホンの場合、ほとんど分からないことがありました。
     その場合は、検出器としてミリバルやアナログ電圧計またはオシロスコープなどを
     使用すると良いです。
     

10. 関連項目

    1. ホイートストン・ブリッジ
       
    2. ソーティの容量ブリッジ
       
    3. マクスウェル・ブリッシ
       
    4. 周波数ブリッジ
       

11. 参考文献

    1. 入門電気計測(第16刷 1980)、西野治著、実教出版
       
    2. 電気工学入門演習　電気計測(3版 1988)、堤捨男・金古喜代治 共著、学献社