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第7回 インピーダンス変換

 

センサ道場第7回は、インピーダンス変換についての考察です。少し難しいでしょうか。。。

 

 インピーダンス変換とは?

 

センサーから信号を取り出すことを考えて見ましょう。図の左側がセンサーで右半分が計測器です。センサーは信号源である電圧と内部抵抗Rで表されます。右側の計測器の内部抵抗をrとします。

センサーは大きな電流を出すことはできませんので、大きな内部抵抗Rでモデル化できます。

 

ここで、上図の計測される電圧Vを求めてみましょう。

上の回路は電圧源の内部抵抗Rと計測器の抵抗rとが直列に並んだ回路に他なりません。つまり、右図の回路と全く同じなのです。
右図の回路中の抵抗rにかかる電圧Vは、以下の式で表すことができます。

・・・(式1)

もしrがRに比べて非常に小さい(R≫r)とき、上の(式1)において、Vは0に近くなってしまいます。
つまり、センサからの信号はほとんど観測されないことになるのです。

 

みなさんの中にも、センサからの出力を見るときにセンサをテスターにつなげるとよく分らないけれど、オシロスコープに接続すると出力が見える、といった経験をお持ちの方がいらっしゃるのではないでしょうか。
それらはこのような原理で生じている現象なのです。

 

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それでは、どうやったら計測器からの出力を見ることができるのでしょうか?!

ここでいよいよインピーダンス変換の登場です!

センサーの信号を計測するためには、(1)式のrを大きくすれば良いのです。そこでインピーダンス変換回路では、まずセンサーからの信号を高いインピーダンスを持った回路で計測し、その電圧を低いインピーダンスを持った回路として出力してやるのです。こうすれば、次の段以降の入力インピーダンスが低くても信号を伝えることが出来るのです。
どうやってやるかって?それは後のお楽しみ!

特に微弱な信号しか出力しない(ハイインピーダンス)センサーからの信号を伝送するときは、できるだけセンサーの近くでインピーダンス変換をしてやることが大切です。以前の回で説明したように、ハイインピーダンスの回路というのは雑音を拾い易いという性質ももっていますから、むやみにセンサーからのリード線を引き回すのは考え物です。

 

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一方で、インピーダンス変換とよく勘違いしてしまう「インピーダンスマッチング」とはどんなものなのでしょうか。

 インピーダンスマッチング

 

例えば電池に豆電球をつなげたとき、最も電球を明るく点灯させるために必要な条件は何でしょう。
えっ、電池をたくさんつなげば明るくなるって?
それはそうなんですが、もうちょっと高尚なお話をしてみましょう。

電池の内部抵抗がRであるときに電球rで消費するエネルギーを最大にするためには、rの値をいくらにすればよいのでしょうか。
詳しい説明は省きますが、

R = r

のとき最も効率よく電池のエネルギーが電球に伝えられるのです。

これをインピーダンスマッチングと呼び、とても大切な概念です。
信号を大きくとりだすこととエネルギーをたくさん取り出す場合では話が異なることを覚えておきましょう。

 

ちょっと難しくなってきましたか。まだまだおちこぼれてはいけません。
質問があればどんどんお寄せください。答えられるものはお答えします。

 

 「センサ道場」はこれからもどんどん続きます!ご期待ください!!

 

 

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