アンプ：アクティブデバイスを活用した電力増幅

アクティブデバイスの実用的利点

アクティブデバイスの実用的利点はその増幅能力にあります。電圧制御であれ電流制御であれ、制御信号に必要な電力は、制御される電流で利用可能な電力より通常ははるかに小さいです。言い換えれば、アクティブデバイスは電気が電気を制御するだけでなく、小さな電気で大きな電気を制御できるようにします。

この制御側と被制御側の電力の差異により、アクティブデバイスは少量の電力（制御）を適用することで大量の電力（被制御）を支配できます。この振る舞いは増幅として知られています。

機械におけるエネルギー保存則

エネルギーは創造も消滅もしないという物理学の基本原則があります。これはエネルギー保存則として正式に知られ、これまで例外が発見されていません。この法則が真実なら——圧倒的実験データが支持——少量のエネルギーを取り込み、魔法のように大量のエネルギーに変換するデバイスを構築することは不可能です。電気・電子回路を含むすべての機械は、効率の上限が100%です。最高でも、電力出力は電力入力に等しい（下図）。

機械の電力出力は100%効率を上限として入力電力に近づくことはできますが、超えることはできません。

通常、機械はこの限界さえ満たせず、入力エネルギーの一部を熱として周囲空間に放射し、出力エネルギーストリームの一部とはならない（下図）。

現実的な機械は、入力エネルギーを出力エネルギーストリームに変換する際、一部を熱として失うことが多い。

永久運動機関

多くの人々が、取り込む電力より多くを出力する機械の設計・構築を試みましたが成功していません。そんな永久運動機関は、エネルギー保存則が法則でなかったことを証明するだけでなく、自らのエネルギー出力で自己駆動し余剰電力を「無料」で生成できるため、世界がかつて見たことのない技術革命をもたらすでしょう（下図）。

仮想的な「永久運動機関」は自己駆動可能か？

多大な努力と「フリーエネルギー」やオーバーユニティ機関の不誠実な主張にもかかわらず、自らのエネルギー出力で自己駆動し、余剰エネルギーを生成するというシンプルなテストをパスしたものは1つもありません。

アンプ

しかし、アンプと呼ばれる機械クラスは存在し、小電力信号を取り込み、はるかに大きな電力の信号を出力できます。アンプがエネルギー保存則に違反せずに存在できる鍵は、アクティブデバイスの振る舞いにあります。

アクティブデバイスが少量の電気で大量の電気を制御できるため、外部電源から供給されるより大きな電力から入力信号電力の形状を複製するように回路に配置できます。結果は、小さな電気信号（通常はAC電圧波形）の電力を魔法のように拡大し、同形だが大きな振幅の波形に見えるデバイスです。

追加電力が外部ソース（通常DCバッテリ等）から供給されるため、エネルギー保存則は違反されません。アンプはエネルギーを創造も破壊もしませんが、望ましい波形に再形成するだけです（下図）。

アンプは小さな入力信号を大きな出力にスケーリングできますが、そのエネルギー源は外部電源です。

 

言い換えると、アクティブデバイスの電流制御振る舞いを用いて、外部電源からの「生」DC電力を入力信号と同一波形に成形し、同じ形状だが異なる（より大きい）電力大きさの出力信号を生成します。アンプ内のトランジスタや他のアクティブデバイスは、バッテリや他の電源から提供される「生」DC電力から入力信号波形のより大きなコピーを単に形成するだけです。

アンプの限界

アンプもすべての機械と同様、効率は最大100%に制限されます。通常、電子アンプはそれよりはるかに低効率で、相当量のエネルギーを廃熱として散逸します。アンプ効率が常に100%以下であるため、アンプを「永久運動」デバイスとして機能させることは決してできません。

外部電源要件は、電気的・非電気的を問わずすべてのアンプタイプに共通です。非電気的増幅システムの一般例は自動車のパワーステアリング：ドライバーの腕力（ステアリングホイールを回す）を増幅して前輪を動かします。増幅に必要な動力源はエンジン。ドライバーの「入力信号」を制御するアクティブデバイスは、エンジンに取り付けられたポンプから油圧ピストンに流体動力をシャトルする油圧バルブ。エンジンが停止すれば、増幅システムはドライバーの腕力を増幅できず、車は非常に回しにくくなります。

関連ワークシート：

• 基礎増幅理論ワークシート