기본 브리지 회로

브리지 회로는 입력 전압을 두 경로로 나눈 뒤, 서로 다른 분기의 전압을 비교하여 출력을 내보내는 회로입니다. 전기적 특성을 비교하거나, 평형을 맞추거나, 측정하는 데 있어 정확성과 범용성이 뛰어나 널리 활용됩니다. 센싱, 교정, 나아가 필터링에도 사용됩니다. 브리지 회로는 측정 용도에 따라 저항, 커패시터, 인덕터 소자 4개를 사각형(다리 모양) 구조로 조합하여 구성합니다. 회로도에서는 H자 형태나 다이아몬드 형태로 그릴 수 있지만, 다이아몬드 형태가 더 일반적입니다.

브리지 회로에 전원을 공급하는 전압원을 여기(excitation) 전원이라고 합니다. 이 전원은 브리지 회로의 용도에 따라 DC일 수도, AC일 수도 있습니다. 19세기 초 새뮤얼 헌터 크리스티(Samuel Hunter Christie)가 처음 고안한 브리지 회로는 미지의 전기 저항을 측정하는 일부터 오늘날의 첨단 센서 구현에 이르기까지 기술 발전에 중추적인 역할을 해왔습니다. 브리지 회로는 실험실과 산업 현장 모두에서 폭넓게 사용되며, 전기 공학의 기본 원리를 잘 보여주는 회로입니다. 이제 브리지 회로를 깊이 있게 알아보겠습니다. 브리지가 다른 부품과 함께 회로도에서 어떻게 구현되는지도 확인해 보십시오.

기본 브리지 회로의 종류:

브리지 회로는 여러 세대에 걸쳐 전기 측정 기술의 최전선에 서 있었습니다. 정밀성과 범용성을 널리 인정받고 있으며, 다양한 토폴로지가 각각의 측정 요구에 맞춰 사용됩니다. 다음은 현대 전자공학에서 널리 쓰이는 대표적인 브리지 회로 10가지입니다.

1. 휘트스톤 브리지:

휘트스톤 브리지는 기본적으로 저항 4개를 다이아몬드 형태로 배치한 회로로, 미지의 저항을 측정하는 데 사용됩니다. 평형 상태에서는 인접한 두 저항의 비가 나머지 두 저항의 비와 같아지므로, 이를 이용해 미지의 저항값을 구할 수 있습니다. 즉, 세 저항값을 알면 네 번째 미지의 저항값을 얻을 수 있습니다. 실험실에서 정확한 저항 측정에 널리 쓰이며, 물리량에 따라 저항이 변하는 센서를 사용하는 산업 분야에서도 많이 활용됩니다.

기계적 측정을 위한 스트레인 게이지와 온도 측정을 위한 저항 온도계에 응용됩니다. 예를 들어, 기계 구조물에 부착된 스트레인 게이지는 저항 변화를 통해 변형을 감지합니다. 휘트스톤 브리지는 이 저항 변화를 측정 가능한 전압으로 변환합니다.  

2. 켈빈 브리지:

켈빈 브리지는 휘트스톤 브리지와 비슷하지만, 낮은 저항(일반적으로 1 Ω 미만)을 매우 정확하게 측정하도록 특별히 설계된 회로입니다. 4단자(켈빈) 센싱 구성을 적용하여 리드선 저항과 접촉 저항으로 인한 오차를 제거합니다.

PCB 레이아웃 및 JLCPCB 제조 팁: PCB에 켈빈 센싱 브리지를 구현할 때는 트레이스 저항이 측정 결과를 쉽게 왜곡할 수 있습니다(1 oz 동박의 얇은 트레이스는 약 0.5 mΩ/sq의 저항을 가집니다). 설계자는 전류 션트나 센싱 부품에서 포스(전류) 라인과 센스(전압) 라인을 각각 따로 직접 배선해야 합니다. JLCPCB의 정밀 PCB 제조는 최소 트레이스 폭/간격 3/3 mil(0.075mm)과 최대 2 oz의 외층 동박 두께를 지원하여, 고정밀 켈빈 브리지 설계에서 낮은 열 노이즈와 엄격한 기생 성분 관리를 보장합니다.

3. 맥스웰 브리지:

맥스웰 브리지는 미지의 인덕턴스를 측정하는 데 사용됩니다. 제임스 C. 맥스웰이 고안한 이 브리지는 알고 있는 커패시턴스와 저항을 이용해 미지의 인덕턴스를 평가하는 데 특화되어 있습니다. 검출기의 바늘이 움직이지 않을 때까지 저항과 커패시턴스를 조정하여 브리지의 평형을 맞춥니다. 특히 품질 계수(Q)가 1~10 사이인 중간 수준의 인덕터를 측정하는 데 적합합니다.

4. 헤이 브리지:

헤이 브리지는 맥스웰 브리지를 개량한 회로로, 특히 인덕터의 품질 계수가 높은 경우 인덕턴스를 더 정확하게 측정하도록 설계되었습니다. 일반적으로 품질 계수가 10을 넘는 고품질 인덕터에 가장 적합합니다.

5. 셰링 브리지:

셰링 브리지는 미지의 커패시턴스와 유전 손실을 측정하는 데 사용되며, 고주파 애플리케이션에서 매우 중요합니다. 일반적인 구성에서는 한쪽 암(arm)에 알고 있는 커패시터와 저항을 직렬로 연결하고, 다른 암에는 미지의 커패시터와 그 병렬 저항을 배치합니다. 이 구성은 커패시터 제조 공정의 품질 검사와 실험실의 정밀 커패시턴스 측정에 널리 사용됩니다.

6. AC 브리지:

인덕턴스, 커패시턴스, 임피던스 같은 복소량을 측정하는 데 사용됩니다. 교류로 동작하며, 고주파 애플리케이션에 필수적입니다.

예를 들어, 빈 브리지(Wien bridge) 회로는 주파수와 저항을 이용해 커패시턴스를 정확하게 측정하는 데 사용됩니다. 오디오 주파수 측정에도 쓰입니다. 한쪽 레그의 임피던스 비가 다른 레그의 비와 같아질 때 평형을 이룹니다.

7. 다이오드 브리지:

다이오드 브리지(또는 브리지 정류기)는 다이오드 4개를 브리지 토폴로지로 연결하여 교류(AC)를 직류(DC)로 변환하며, 입력 AC의 극성과 관계없이 출력 극성을 하나로 유지합니다. 순방향 전류가 계속 흐르는 동안 도통 중인 다이오드 쌍에서 열이 발생하므로, 실제 AC/DC 전원 공급 장치 레이아웃에서는 부품 패드 주변의 효과적인 열 관리 가 필요합니다. 넓은 동박 푸어, 써멀 비아 어레이를 적용하거나 JLCPCB의 2 oz 후동박 및 알루미늄 기판을 활용하면 작동 온도를 낮게 유지하고 회로의 장기 신뢰성을 높일 수 있습니다.

8. H 브리지:

H 브리지 회로는 스위칭 소자 4개(MOSFET 또는 BJT 등)를 사용해 부하에 흐르는 전류의 방향을 바꿈으로써, DC 모터와 인버터의 양방향 속도 및 방향을 정밀하게 제어할 수 있게 해줍니다. H 브리지의 고주파 PWM 스위칭은 표유 루프 인덕턴스로 인해 심한 전압 스파이크와 전자기 간섭(EMI)을 일으킬 수 있습니다. 이를 줄이려면 PCB 설계자는 스위칭 소자와 디커플링 커패시터 사이의 전류 루프 면적을 최소화해야 합니다. 이는 저임피던스 전류 귀환 경로를 위한 전용 내층 그라운드 플레인을 갖춘 JLCPCB 4층 스택업을 사용하면 쉽게 최적화할 수 있습니다.

9. 폰타나 브리지:

폰타나 브리지는 저항 브리지와 연산 증폭기를 결합한 능동 회로로, 넓은 주파수 대역에서 임피던스 평형을 유지하는 광대역 전압-전류 변환기를 구성합니다. 고주파 능동 브리지는 표유 기생 커패시턴스에 매우 민감하기 때문에, 연산 증폭기의 불안정을 막으려면 대칭적인 신호 배선과 짧은 트레이스 길이를 유지하는 것이 필수적입니다. JLCPCB의 정밀한 3/3 mil 트레이스/간격 배선과 ENIG(무전해 니켈 침지 금) 표면 처리를 적용하면, 고정밀 능동 브리지 설계에 필요한 정밀한 물리적 매칭과 평탄한 패드 표면을 확보할 수 있습니다.

커패시터의 시험과 교정에 흔히 사용되며, 높은 감도와 신뢰성을 제공합니다. 고정밀 측정과 저손실 커패시터 시험을 모두 처리할 수 있도록 설계되어 있습니다. 이러한 범용성 덕분에 고급 전자 시험에서 유용한 도구로 쓰입니다.

10. 캐리 포스터 브리지:

캐리 포스터 브리지 회로는 두 큰 저항 사이의 미세한 차이를 측정하여 낮은 저항을 계산하는 데 사용됩니다. 알고 있는 표준 저항과 비교하여 전선이나 부품의 미지 저항을 구할 때 특히 유용합니다. 영위법(null method)으로 브리지의 평형을 맞추기 때문에, 측정 구성에 포함된 전선 저항으로 인한 오차를 제거하여 정확도를 확보합니다.

이처럼 브리지 회로들은 각기 다른 목적으로 수많은 애플리케이션에 쓰이며, 전기 공학에서 정밀 측정이 얼마나 중요한지를 잘 보여줍니다.

브리지 회로가 중요한 이유

브리지 회로는 평형 상태에서 외부 영향을 상쇄하기 때문에 매우 높은 정확도를 제공합니다. 주요 장점은 다음과 같습니다.  

1. 측정 정밀도: 실험실과 산업 분야의 애플리케이션에 필수적입니다.  

2. 동적 범위: 낮은 값부터 높은 값까지 다양한 전기적 특성을 다룰 수 있습니다.  

3. 유연성: 부품을 조정하면 브리지 회로로 다양한 파라미터를 측정할 수 있습니다.  

4. 단순성: 효과적이면서도 설계가 간단하고 응용하기 쉽습니다.

브리지 회로의 활용 분야

브리지 회로는 전자공학에서 다음과 같이 매우 폭넓게 활용됩니다.  

• 센싱 및 계측: 스트레인 게이지, 서미스터, 압전 센서에 사용됩니다.  
• 전기 시험: 커패시턴스 및 저항 교정에 사용됩니다.  
• 신호 처리: 필터링과 신호 비교에 사용됩니다.  
• AC/DC 변환: 교류를 직류로 변환하는 정류기에 사용됩니다.  
• 인덕터 및 커패시터 시험: 맥스웰 브리지, 셰링 브리지 등이 실험실에서 널리 사용됩니다.  

브리지 회로를 위한 고정밀 PCB 설계 고려 사항

고정밀 브리지 회로 설계는 회로도상의 수식에서 끝나지 않습니다. 기생 간섭, 열 드리프트, 신호 열화를 없애는 데는 실제 PCB 레이아웃이 결정적인 역할을 합니다. JLCPCB의 제조 역량에 맞춘 핵심 레이아웃 가이드라인은 다음과 같습니다.

1. 열 대칭과 제벡 효과:

휘트스톤 스트레인 게이지 브리지에서 저항 간 열 분포가 고르지 않으면 열기전력(제벡 효과)이 발생합니다. 저항들은 열적으로 가까운 위치에 배치하고 동박 푸어 패턴도 대칭으로 구성해야 합니다. JLCPCB의 High-TG FR-4 소재(TG170)를 사용하면 열팽창과 저항 온도 계수(TCR) 드리프트를 최소화할 수 있습니다.

2. 차동 배선과 임피던스 제어:

AC 브리지(맥스웰 브리지, 셰링 브리지 등)에서는 고주파에서 트레이스 간 기생 커패시턴스가 브리지의 평형을 깨뜨릴 수 있습니다. 차동 신호 쌍(V_out)은 트레이스 길이를 맞춰 대칭으로 배선해야 합니다. JLCPCB는 무료 임피던스 제어 계산과 엄격한 제조 공차(±10% 임피던스 제어)를 제공하여 신호 충실도를 보장합니다.

3. 소형 센서 노드를 위한 HDI 기술과 비아 인 패드:

최신 센서 브리지에는 소형화된 신호 체인이 필요합니다. 레이저 드릴 마이크로비아(최소 비아 직경 0.1mm)를 적용한 JLCPCB HDI(고밀도 인터커넥트) 기술과 비아 인 패드(POFV) 공정을 이용하면, 솔더 위킹 문제 없이 정밀 0201/0402 브리지 저항을 그라운드 플레인 비아 바로 위에 배치할 수 있어 루프 인덕턴스를 크게 줄일 수 있습니다.

표: 정밀 브리지 회로 레이아웃 요구 사항 vs. JLCPCB 제조 역량

기본 브리지 회로에 관한 FAQ

결론

브리지 회로는 전자공학에서 정밀 측정과 신호 처리의 근간을 이룹니다. 저항 측정을 위한 휘트스톤 브리지부터 커패시턴스 시험을 위한 셰링 브리지까지, 그 다양성과 유용성은 견줄 데가 없습니다. 브리지 회로의 기본 원리를 이해하면 엔지니어와 기술자는 다양한 분야에서 정확하고 신뢰성 높은 시스템을 구현할 수 있습니다. 학생이든, 취미로 전자를 다루는 분이든, 전문가이든, 브리지 회로를 익히는 것은 전자공학의 세계를 탐구하는 데 꼭 필요한 단계입니다.