この記事は、「Electrical Information [インピーダンスマッチングとは]」のサイトを参考にさせてもらっています。
電気回路(RF回路)におけるマッチングとは、閉ループ回路における負荷の消費電力を最大にするようにインピーダンスを定めることです。
しかし、いきなりRF回路やインピーダンスとい言ってもなかなか理解が難しいものがあると思います。実はDC回路(直流回路)はRF回路の特別な状態(周波数=0)で、レジスタンス(抵抗)のみの回路はインピーダンス回路の特別な状態(C(キャパシタンス)=∞、L(インダクタンス)=0)です。
そこで、DC回路とレジスタンスのみの閉ループ回路でマッチングを考えてみたいと思います。
考察対象の等価回路
DC(直流)電源としては、電池を考えます。電池は必然的に内部抵抗を持ちます。逆に言えば、電源だけの部分というものを持ちません。そのため、DC電源デバイスを等価回路に置き換えた場合、単純な直流電源と抵抗に置き換わります。
それを踏まえて、DC電源と負荷抵抗を備えた閉ループ回路を示し、その等価回路を下図に示しました。この図から、一つの閉ループ回路内に独立した抵抗要素が2つあることになります。DC電源の内部抵抗は変更できないので、変更できるとすると負荷抵抗のみの変更ノブとなります。
直流電源電圧をE[V]、電池の内部抵抗をr[Ω]、負荷抵抗をR[Ω]、回路に流れる電流をI[A]、負荷抵抗の両端に掛かる電圧をV[V]とおきます。
回路を流れる電流Iはオームの法則により、次式となります。
したがって、Rの両端の電圧は、「抵抗 X 電流」より次式となります。
これらより、Rで消費される電力Pは「電流×電圧」より
具体的に数値を設定した方が分かりやすいと思われますで、理想の直流電源を1.5Vとして、その電池の内部抵抗を1Ωとします。その数値を入れた等価回路を下に示します。
この等価回路を基にして、負荷抵抗の値を増やしていった際の負荷抵抗での消費電力Pの表とグラフを示します。
この表とグラフから、消費電力は負荷抵抗を変化させることにより変わり、負荷抵抗が内部抵抗と同じ値になった時に最大になります。
もう少し、一般的に書くと
マッチング：
抵抗要素を1つだけ持つ閉ループ回路があった場合、電源ユニットには内部抵抗があるので、実質的に2つの抵抗要素を持つ閉ループ回路ということになります。普通電源ユニット内の内部抵抗ちは変えられないので、回路内の抵抗値ノブとしては負荷抵抗の値だけになります。この負荷抵抗の値を変化させていったとき、2つの抵抗値が同じになった時に、負荷抵抗の消費電力が最大になります。これをマッチングといいます。
これを拡張して、電源電圧が周波数をもって変化した場合(RF回路)や、回路内の抵抗値以外にもキャパシタンスやインダクタンスが入って来た場合、その場合のマッチングは複雑になりますので、それは別の記事で説明いたします。
コメント