出力インピーダンスの大小と整合について

質問

増幅器では出力インピーダンスは小さいほどよいと知りました。その導出式も理解できます。

しかし、
最大電力伝送にはインピーダンスは出力側とマッチングさせるのがよいとも知りました。

どっちなんでしょうか？
何か勘違いをしてる気がしますが、素人なのでよく分かりません・・・

回答No.1

kbtkny · ベストアンサー

信号の伝達と電力の伝達を混同されているのだと思います。

>増幅器では出力インピーダンスは小さいほどよいと知りました。

この場合は、信号の伝達についての話です。信号の伝達に必要な
情報は、電圧が高いか低いかだけで、電力は関係ありません。

そのため、増幅器の出力インピーダンスはできるだけ小さく、
次に繋がるデバイスの入力インピーダンスは、できるだけ大きい方が、
たくさんのデバイスを増幅器の後に（パラレルに）繋ぐ事ができる
ので有利です。

>最大電力伝送にはインピーダンスは出力側とマッチングさせるのが
>よいとも知りました。

この場合、伝達したいものは電力です。できるだけ多くの電力を送る
為には、インピーダンスマッチングが必要となります。

参考まで

お礼

ありがとうございます。
なるほど、用途によるのですね。

増幅器は電圧増幅度を求めるから出力インピーダンスは小さく。
送電などでは電力をもとめるからマッチングを。
というところでしょうか

回答No.6

soramist

>信号発生器の出力インピーダンス５０Ωと書いてあって、1kHzぐらいならば、電圧を求めるならつなぐ機器の入力インピーダンスは大きいものを、電力の供給を求めるなら５０Ωを、という認識でいいでしょうか

その通りです。

お礼

度々、大変ありがとうございます。

電力、電圧等々電気は身近に溢れていて、分かったようなつもりになってましたが奥が深いですね。とても勉強になりました。
お世話になりました。

回答No.5

kbtkny

>増幅器は電圧増幅度を求めるから出力インピーダンスは小さく。
>送電などでは電力をもとめるからマッチングを。
>というところでしょうか

話は増幅器からずれますが、出力インピーダンスを身近なことで
説明すると

家庭用電源は、非常に低い出力インピーダンスになっています。
これは、たくさんの機器を繋いでも、100Vを確保するためです。
もし、出力インピーダンスが高いと、電子機器、電気機器を繋ぐ
毎に出力電圧が低下してしまいます。このように、繋ぐ機器、素子
を定電圧で動かしたい場合は、出力インピーダンスを低くする必要
があります。

家庭用電源で最大の電力を得たい、（例えばヒーターのようなもので）
あれば、電源のインピーダンスと整合がとれるようにします。実際は
電流が多く流れすぎてブレーカーが落ちるので出来ませんが理論的には
このようになります。参考までに、その機器を稼動している時の電源
電圧は、100Vが50Vになっています。

これが、
　　(1)信号を伝達したい、定電圧で動かしたい時には、出来るだけ
　　低い出力インポーダンスにする。
　　(2)出来るだけ多くの電力を伝えたい時には、インピーダンス
　　マッチングを取る。
意味です。

以上参考まで

お礼

度々、大変ありがとうございます。

そういう観点で考えたことはありませんでした。
とても勉強になりました。

電圧、電流、電力等々勉強してみると分かってるようで分かってないことが多いものです。
今後に生かしていきます。お世話になりました。

回答No.4

imoriimori

ごく素朴なレベルでは私は次のように解釈しております。
マッチングとは、信号源インピーダンスが与えられたとき最大の電力を取り出すためには負荷インピーダンスがどのようにあるべきかという話。
負荷インピーダンスが与えられたとき最大の電力を負荷に提供できるのは信号源インピーダンスがゼロのときであるのは自明、マッチングとは関係ない別の話。
高周波の反射などのレベルアップした話になると、負荷に対して出力インピーダンスを合わせるなどということにはなりますが。

お礼

ありがとうございます。

＞負荷インピーダンスが与えられたとき最大の電力を・・・
電力→電圧ではないのでしょうか？

高周波の話になると電圧の供給も、単純に出力インピーダンスを低くすれば良いわけではないようですね・・勉強していきます。

とても勉強になりました。お世話になりました。

回答No.3

soramist

失礼しました。(-_-;)

[訂正]
最初から３行目、
　[誤]　「電圧の伝達と、電力の電圧・・・」
　[正]　「電圧の伝達と、電力の伝達・・・」

回答No.2

soramist

>信号の伝達と電力の伝達・・・

・・・ではなくて、
「電圧の伝達と、電力の電圧・・・」とすべきでしょう。

[説明]
電源が定電圧源(*)であり、かつ、一定の出力抵抗Ro(インピーダンスZoとしてもよい）を
持っていることが前提条件です。
　* 電源には、定電圧源、定電流源、定抵抗源がある。
　　大抵は定電圧源であるので、これを省略することが多いが、いうまでもなく、
　　後２者では、この考え方は成り立たない。

　　　ーーーーRoーーーーーー
　　　　　　　　　　　　　　　　　　｜
　　　　　　　　　　　　　　　　　　｜
　電源 Vo　　　　　　　　　　負荷 Ri Vi
　　　　　　　　　　　　　　　　　　｜
　　　　　　　　　　　　　　　　　　｜
　　　ーーーーーーーーーーー

（例題で説明）
例えば電源Voが100Vで、出力抵抗Roが50Ωであり、入力抵抗が100,50,25Ωの３ケースを
考えると、受け側の電力は下記のように計算されます。
　　入力抵抗(Ω)　　消費電力(W)
　　　　100　　　　　　　50
　　　　 50　　　　　　　44.4
　　　　 25　　　　　　　44.4
このように、インピーダンスマッチングがとれた状態で、伝達電力は最大になります。

（式で説明）
　　P=(Vo/(Ro+Ri)^2 xRi
　上式を展開し、分母が最小となるRiを求めると
　　Ro=Ri　　となる。

いうまでもなく、伝達電圧は入力（負荷）抵抗が大きいほど、大きくなります。
（入力抵抗が大きいということは、相対的に、出力抵抗が小さい、ということと同じ）

以上で、電圧伝達と電力伝送の違いがおわかりになりましたでしょうか？
http://www.orixrentec.jp/cgi/tmsite/knowledge/know_zmachi21.html

蛇足ですが、ここで高周波伝送と低周波（直流を含む）伝送の違いが出てきます。
低周波では上記２つの選択肢がありますが、高周波では、伝送ケーブルによるL,Cの影響が
無視できなくなり、これら要素のために反射が起きますので、「電圧伝達」を取ることができません。
そのため、所定のインピーダンスを持った伝送ケーブル（例えば50Ω）を用意し、
送電側、受電側とも、これにマッチングさせるようにします。

[補足]
「・・・導出式は理解できます」と書いておられるので、「導出式がわかっていれば、
こんな質問は出ない筈なんだけどな？」と疑問が出て、回答をためらいました。
導出式がわかっている方に、上記の説明は余分なことだったかな、とも思っています。
できれば、「どこまでわかっていて、どこからがわからないのか？」をはっきりさせる
ためにも、ご理解されたという「導出式」を書いておいていただけたら、もっと
スマートな回答が出来たのではないかと思っています。

なお、不明な点がありましたら、遠慮なく再質問してください。

お礼

ありがとうございます。
とても参考になるリンクですね。よく分かりました。

信号発生器の出力インピーダンス５０Ωと書いてあって、1kHzぐらいならば、電圧を求めるならつなぐ機器の入力インピーダンスは大きいものを、電力の供給を求めるなら５０Ωを、という認識でいいでしょうか