基本橋式電路
1 分鐘
橋式電路將輸入電壓分成兩條路徑，比較不同分支上的電壓，並提供輸出。這些電路因其在比較、平衡或測量電氣特性時的準確性與多功能性而廣受重視，廣泛應用於感測、校準甚至濾波。它們由四個電阻、電容或電感元件組成，依測量應用排列成四邊形（橋狀）結構。橋式電路在示意圖中可繪製成 H 形或菱形，後者較為常見。
為橋式電路供電的電壓源稱為激勵源，依應用需求可為直流或交流。橋式電路最早由 Samuel Hunter Christie 於 19 世紀初發明，從測量未知電阻到實現現代先進感測器，一直是技術進步的關鍵。無論在實驗室或工業現場，橋式電路都見證了電機工程的基本原理。讓我們深入了解橋式電路，看看它們如何與其他元件一起實現於電路圖中。
基本橋式電路類型：
橋式電路數十年來始終居於電氣量測技術前沿，其中五種橋式電路因其精度與通用性舉世公認。以下深入介紹各類型。十大常見橋式電路概覽如下：
1. 惠斯登電橋：
由四顆電阻構成菱形，用於量測未知電阻。平衡時，兩相鄰電阻比值等於另兩電阻比值，即可求得未知電阻；若已知三個電阻值，即可算出第四個。廣泛應用於實驗室精密電阻量測，以及工業上利用感測器電阻隨物理量變化的場合。
應用實例：應變規量測機械形變、電阻溫度計量測溫度。例如，貼於結構上的應變規因變形改變電阻，惠斯登電橋將此電阻變化轉換為可量測電壓。
2. 克耳文電橋：
與惠斯登電橋類似，專用於量測 1 Ω 以下的低電阻，特別適合四端電阻結構。可消除引線電阻誤差，實現高精度低阻量測。
3. 馬克士威電橋：
由 James C. Maxwell 提出，用於量測未知電感。利用已知電容與電阻平衡電橋，直到檢測器無偏轉。適合品質因數 1–10 的電感。
4. 海氏電橋：
為馬克士威電橋的改良版，專為高品質因數（>10）電感提供更精準的量測。
5. 雪林電橋：
用於量測未知電容與介電損耗，適合高頻應用。常見接法為一臂串聯已知電容與電阻，另一臂放置待測電容及其並聯電阻，廣泛用於電容製造品檢與實驗室精密量測。
6. 交流電橋：
用於量測電感、電容與阻抗等複數量，以交流運作，為高頻應用必備。例如：維恩電橋可精準量測電容（與頻率、電阻相關），亦用於音頻頻率量測，平衡時一腿阻抗比等於另一腿阻抗比。
7. 二極體電橋：
由四顆二極體組成，不論輸入極性皆輸出相同極性，又稱橋式整流器，常見於電源供應器將交流轉為直流。AC-DC 轉換分半波、全波與橋式整流三種。
8. H 橋：
讓機器人直流馬達正反向運轉，透過控制訊號驅動馬達順時針或逆時針旋轉，常用於馬達驅動應用。
9. 豐塔納電橋：
實現寬頻帶電壓-電流轉換器，專用於精密量測電容與電阻。透過平衡阻抗原理，在實驗室與工業現場提供高靈敏度、低損耗的電容測試與校準。
其設計可同時滿足高精度量測與低損耗電容測試，是進階電子測試的利器。
10. 卡瑞-福斯特電橋：
用於量測兩大電阻間微小差異，進而計算低阻值。透過與標準電阻比較，並以零位法平衡，消除導線電阻誤差，特別適合線材或元件的低阻量測。
綜觀以上橋式電路，凸顯了電機工程對精密量測的重視，各自服務於多元應用。
橋式電路的重要性
橋式電路平衡時可抵消外部干擾，提供卓越精度，優點包括：
1. 量測精度：實驗室與工業應用必備。
2. 動態範圍：可處理低至高電性參數。
3. 靈活性：調整元件即可量測不同參數。
4. 簡潔性：設計簡單，易於改裝。
橋式電路的應用
橋式電路在電子領域應用廣泛，包括：
- 感測與儀表：應變規、熱敏電阻、壓電感測器。
- 電性測試：電容與電阻校準。
- 訊號處理：濾波與訊號比較。
- 交直流轉換：整流器將交流轉為直流。
- 電感與電容測試：馬克士威、雪林電橋廣泛用於實驗室。
結語
橋式電路是電子精密量測與訊號處理的基石，從惠斯登電橋量電阻到雪林電橋測電容，多樣性與實用性無與倫比。掌握橋式電路原理，能讓工程師與技術人員在各領域建立準確可靠的系統。無論學生、玩家或專業人士，精通橋式電路都是踏入電子世界的關鍵一步。
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