ポテンショメータによる分圧
学習指導要領： GCSE, A-level, IB B.5
目的¶
ポテンショメータから調節できる電圧を取り出し、負荷によって分圧回路の出力がどう変わるかを観察します。
実験装置¶
10 V の電圧源が 1 kΩ のポテンショメータの両端の端子につながれていて、つまみは中央の位置にあります。電圧計は可動端子と−極のあいだにあります。1 kΩ の負荷がスイッチを通して出力につながれていて、スイッチは開いています。
手順¶
- 電圧計の示す値を記録します。
- ポテンショメータのつまみを一方へいっぱいまで回し、次に反対へいっぱいまで回します。
- つまみを中央の位置に戻し、負荷のスイッチを閉じます。
- 負荷をつないだときの電圧計の示す値を記録します。
予想される結果
中央の位置では、出力は約 5.00 V です。つまみを回すと出力は 0 から 10 V まで変わり、時計回りに回すと、可動端子は電圧源の+極につながった端子のほうへ動いて、電圧が上がります。1 kΩ の負荷をつなぐと、出力は約 4.0 V に下がります。負荷がポテンショメータの下半分に並列につながるからです。
問題¶
- 負荷をつなぐと分圧回路の電圧が下がるのはなぜですか。
- 電圧の低下を 1% 未満にするには、負荷の抵抗をいくらにしなければなりませんか。
解答
- 負荷はポテンショメータの下半分に並列につながり、500 Ω と 1 kΩ の並列は約 333 Ω になります。分圧回路の下側の抵抗は上側の 500 Ω より小さくなるので、10 V のうち下側が受けもつ分も小さくなり、10 V × 333 / 833 ≈ 4.0 V となります。
- 出力側から見ると、中央の位置の分圧回路は、出力抵抗 \(R_{out}\) = 250 Ω（500 Ω の2つの半分を並列にしたもの）をもつ 5 V の電圧源としてはたらきます。出力は \(R_{out} / (R_{out} + R_L)\) の割合だけ下がるので、低下を 1% 未満にするには、負荷 \(R_L\) は 99 × 250 Ω ≈ 25 kΩ、つまりポテンショメータの抵抗の25倍より大きくなければなりません。