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CR · 直流解析

テブナンの等価回路

箱の中がどれほど複雑でも、二つの端子から見れば電圧源一つと抵抗一つにまとまります。負荷を変えながら端子の V-I が一本の直線であることを確かめ、その直線で回路全体を置き換える方法を、このユニットで学びます。

負荷を掃くと端子は一本の直線だけを描く

グラフの直線は端子から見た電圧と電流の関係で、その上の点がいまの負荷での動作点です。負荷抵抗 R_L を変えると動作点は直線に沿って滑ります。端子電圧が開放電圧のちょうど半分になる位置を探してください。そのときの R_L が、箱の内部抵抗 R_th です。

負荷抵抗 R_LR_L = 18.0 Ω
端子電圧 V_L
V_L = 9.0 V
75% 開放電圧の (V_th = 12 V)
半分から遠い

テブナン電圧 = 開放電圧

負荷を完全に外すと、電流は 0 になります。すると内部抵抗にかかる電圧も 0 なので、箱の中の電圧がそのまま端子に現れ、これが箱の出せる最大の電圧です。この値がテブナン電圧 V_th で、開放電圧とも呼びます。

テブナン抵抗 = 直線の傾き

負荷抵抗を小さくすると電流が増え、端子電圧は下がります。電流が 1 アンペア増えるごとに端子電圧がどれだけ下がるか、つまり直線の傾きが内部抵抗 R_th です。負荷を 0 にして短絡すると端子電圧は 0 になり、電流は短絡電流 I_sc = V_th/R_th まで上がります。

半分の電圧がR_thを指す

負荷抵抗が内部抵抗と等しくなった瞬間、両者は電圧をちょうど半分ずつ分け合うので、端子電圧は開放電圧のちょうど半分になります。ですから、端子電圧が半分に下がる負荷を見つければ、その値が R_th です。図の箱は V_th = 12 V、R_th = 6 Ω なので、R_L を 6 Ω に合わせると端子電圧は 6 V になります。箱を一度も開けずに内部抵抗を測ったことになります。

観察VL = Vth RL(RL + Rth)
箱は分圧器のようにふるまいます。
選ぶIsc = Vth / ?
短絡電流は Vth を Rth で割った値です。
空欄VL = Vth2 → RL = ?
半分の電圧になる負荷が Rth です。
自分でRth = Voc / ?
開放電圧を短絡電流で割ればRth。

箱を一本の直線に畳む

開放電圧 V_th 一つと内部抵抗 R_th 一つさえわかれば、箱の中に抵抗が十個あろうと電源がいくつあろうと、外からは区別できません。二つの値が決める一本の V-I 直線が、箱全体の代わりになるのです。この節の図のように、疑問符の箱を電圧源一つと抵抗一つに描き替えても、端子 a と b から見ればまったく同じです。大きな回路の一部を切り出して解析するとき、残りをこの一本の線にたたんでおけば、問題はずっと簡単になります。

最初の画面に戻ると

R_L を変えている間、動作点はいつも同じ直線の上を滑りました。負荷を外すと直線は横軸で開放電圧 V_th を指し、短絡すると縦軸で短絡電流 I_sc を指しました。端子電圧が半分になるところで、R_L はちょうど R_th でした。箱の中を一度ものぞかないのに、一本の直線がその中のすべてを代わりに表したのです。

テブナンの等価回路は、任意の線形二端子回路を電圧源一つと直列抵抗一つに置き換えたものです。Vth は負荷を外した開放電圧、Rth は端子の直線の傾きで決まる内部抵抗で、Rth = Vth/Isc です。端子の V-I 直線一本が箱全体の代わりになり、端子電圧が開放電圧の半分になる負荷がそのまま Rth です。