分圧器

部品と材料

• 電卓（または算術を行うための鉛筆と紙）
• 6ボルトバッテリー
• 値が1KΩから100kΩの抵抗器の品揃え

メーターで正確な電圧と電流の読み取り値を取得するために、抵抗値を意図的に1kΩから100kΩに制限しています。

抵抗値が非常に低い場合、電流計の内部抵抗は測定精度に大きな影響を与えます。

抵抗値が非常に高いと、電圧測定で問題が発生する可能性があります。電圧計の内部抵抗は、値の高い抵抗と並列に接続すると、回路抵抗を大幅に変化させます。

相互参照

電気回路の教訓 、第1巻、第6章：「分周器回路とキルヒホッフの法則」

学習目標

• 電圧計の使用
• 電流計の使用
• 抵抗計の使用
• オームの法則の使用
• キルヒホッフの電圧法則（「KVL」）の使用
• 分圧器の設計

回路図

イラスト

手順

ここに示されているのは、ブレッドボード、端子台、および「フリーフォーム」の3つの異なる回路構築方法です。

それぞれの方法で同じ回路を構築して、さまざまな構築手法とそれぞれのメリットを理解してください。

すべてのコンポーネントが「ワニ」スタイルのジャンパー線で接続される「フリーフォーム」方式は、専門性が最も低いですが、このような単純な実験には適しています。

ブレッドボードの構造は用途が広く、高いコンポーネント密度（小さなスペースに多くの部品）が可能ですが、非常に一時的なものです。

端子台は、部品密度が低いという犠牲を払って、はるかに永続的な構造を提供します。

抵抗器の品揃えから3つの抵抗器を選択し、抵抗計でそれぞれの抵抗器を測定します。

回路計算で参照できるように、これらの抵抗値をペンと紙でメモしてください。

図に示すように、3つの抵抗器を直列に接続し、6ボルトのバッテリーに接続します。

抵抗器を接続した後、電圧計でバッテリー電圧を測定します。この電圧の数値も紙に書き留めておきます。

この電圧は無負荷状態とわずかに異なる可能性があるため、抵抗回路に電力を供給しながらバッテリー電圧を測定することをお勧めします。

高ワット数のランプに電力を供給しているときの「並列バッテリー」実験では、この効果が誇張されていることがわかりました。バッテリー電圧は、負荷がかかると「低下」または「垂下」する傾向があります。

この3抵抗回路は、大きな電圧の「サグ」を引き起こすほど重い負荷（十分な電流が流れない）を示すべきではありませんが、負荷がかかった状態でのバッテリ電圧の測定は、より現実的なデータを提供するため、優れた科学的手法です。

オームの法則（I =E / R）を使用して回路電流を計算し、次のような電流計で電流を測定してこの計算値を確認します（回路の「端子台」バージョンは構築方法の任意の選択肢として示されています）：

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抵抗値が実際に1kΩから100kΩの間で、バッテリー電圧が約6ボルトである場合、電流はミリアンペア（mA）またはマイクロアンペア（µA）の範囲の非常に小さい値になります。

デジタルメーターで電流を測定すると、メーターのディスプレイの隅に適切なメートル法の接頭辞記号（mまたはµ）が表示される場合があります。

これらのメトリックプレフィックスのテルテールは、デジタルメーターの表示を読み取るときに見落とされがちなので、細心の注意を払ってください。

電流の測定値は、オームの法則の計算と厳密に一致している必要があります。

次に、計算された電流値を取得し、各抵抗器のそれぞれの抵抗を掛けて、電圧降下を予測します（E =IR）。

マルチメータを「電圧」モードに切り替え、各抵抗器で降下する電圧を測定して、予測の精度を確認します。

繰り返しになりますが、計算された電圧の数値と測定された電圧の数値の間には密接な一致があるはずです。

各抵抗器の電圧降下は、総電圧の一部またはパーセンテージになるため、分圧器という名前が付けられています。 この回路に与えられます。

この小数値は、特定の抵抗器の抵抗と合計抵抗によって決まります。

分圧回路で抵抗が総バッテリ電圧の50％を低下させた場合、抵抗値が変更されない限り、その50％の割合は同じままです。

したがって、合計電圧が6ボルトの場合、その抵抗の両端の電圧は6の50％、つまり3ボルトになります。合計電圧が20ボルトの場合、その抵抗器は10ボルト、つまり20ボルトの50％低下します。

この実験の次の部分は、キルヒホッフの電圧法則の検証です。

このためには、回路内の一意の各ポイントを番号で識別する必要があります。

電気的に共通のポイント（相互にわずかな抵抗で直接接続されている）は、同じ番号を持っている必要があります。

ここでは、0から3までの数字を使用した例を、説明と概略の両方の形式で示しています。

この図では、回路内のポイントに小さなテープでラベルを付け、テープに数字を記入する方法を示しています。

デジタルを使用する 電圧計（これは重要です！）、ポイント0-1-2-3-0によって形成されるループの周りの電圧降下を測定します。

メーターで示されるそれぞれの記号とともに、これらの各電圧を紙に書いてください。

つまり、電圧計が-1.325ボルトなどの負の電圧を記録する場合は、その数値を負の数として書き込む必要があります。

しない メータープローブの回路との接続を逆にして、数字を「正しく」読み取らせます。

実験のこの段階では、数学的な符号が非常に重要です。これは、ポイント0で開始および終了する、回路ループを「ステップアラウンド」する方法を示す一連の図です。

電圧計を使用してこの方法で回路を「ステップ」すると、3つの正の電圧値と1つの負の電圧値が得られます。

これらの数字は、代数的に追加され（「代数的に」=数字の符号を尊重する）、ゼロに等しくなるはずです。

これは、キルヒホッフの電圧法則の基本原理です。「ループ」内のすべての電圧降下の代数和はゼロに加算されます。

ステップアラウンドする「ループ」は、電流が回路を通る経路と同じである必要はなく、正当な電流経路である必要さえないことを理解することが重要です。

電圧降下を集計するループは、任意のポイントの集まりです。 、同じポイントで開始および終了する限り。

たとえば、ループ1-2-3-1の電圧を測定して加算すると、それらの合計もゼロになります。

回路の周りの任意の点のセット間を任意の順序でステップしてみて、代数の合計が常にゼロに等しいことを確認してください。

この法則は、回路の構成（直列、並列、直並列、または既約ネットワーク）に関係なく当てはまります。

キルヒホッフの電圧法則は強力な概念であり、ループ内のすべての電圧の真理に基づいて分析用の数式を作成することにより、回路内の電圧の大きさと極性を予測できます。

この実験は、一般原則としてのキルヒホッフの電圧法則の経験的証拠と深い理解を与えることを目的としています。

コンピューターシミュレーション

ネットリスト（次のテキストを逐語的に含むテキストファイルを作成します）：

分圧器 v1 3 0 r1 3 2 5k r2 2 1 3k r3 1 0 2k .dc v1 6 6 1 * 0-1-2-3-0ループ周辺の電圧は、代数的にゼロに加算されます。 .print dc v（1,0）v（2,1）v（3,2）v（0,3）* 1-2-3-1ループ周辺の電圧は代数的にゼロに加算されます： .print dc v（2,1）v（3,2）v（1,3） 。終わり 

このコンピューターシミュレーションは、キルヒホッフの電圧法則を説明するために前の図に示したポイント番号（ポイント0から3）に基づいています。

抵抗値は、R ₁ の両端の合計電圧の50％、30％、および20％の比率を提供するように選択されました。 、R ₂ 、およびR ₃ 、 それぞれ。電圧源の値を自由に変更してください（「 .dc 」内） 」の線、ここでは6ボルトとして示されています）、および/または抵抗値。

実行すると、SPICEは、4つの電圧値を含むテキスト行を印刷し、次に3つの電圧値を含む別のテキスト行を、分析プロセスを説明する他の多くのテキスト行とともに印刷します。各行に電圧の数値を追加して、合計がゼロであることを確認します。

関連するワークシート：

分圧回路ワークシート