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定電圧源

電源の内部抵抗が $0\,\Omega$ で、接続される負荷によらず常に一定の電圧を出力する電源(電圧源)を定電圧源(または理想電圧源)といいます。

 

定電圧源

 

例えば次の図のように、$V$[$\mathrm{V}$]の電圧を出力する定電圧源に、可変抵抗 $R$(抵抗の大きさを変えることができる抵抗)が接続された回路があるとします。

 

定電圧源に可変抵抗が接続された回路

 

この回路において、負荷の抵抗(可変抵抗)$R$ の大きさを変化させると回路に流れる電流 $I$ の大きさも変わりますが、

 

可変抵抗の大きさを変化させると回路に流れる電流の大きさも変わる

 

電源は定電圧源なので、回路に流れる電流 $I$ の大きさが変わっても電源から出力される電圧は常に $V$[$\mathrm{V}$]一定になります。

 

負荷の抵抗の大きさや回路に流れる電流が変わっても定電圧源からの出力電圧は一定になる

 

このように、負荷の抵抗の大きさや回路に流れる電流が変わっても常に一定の電圧を出力する電源が定電圧源です。

 

ちなみに、定電圧源を回路図に書くときは、次のような図記号が使われます。

 

定電圧源の図記号

 

 

なぜ定電圧源の出力電圧は常に一定になるのか?

例えば電池のような電源の場合、電源の内部に内部抵抗 $r$ があります。

 

電池には内部抵抗がある

 

電源の内部に内部抵抗 $r$ があると、電源の内部で電圧降下が生じるため電源の出力電圧 $V$ は小さくなります。この内部抵抗 $r$ による電圧降下( $rI$ )は回路に流れる電流 $I$ が大きくなればなるほど大きくなるため、回路に流れる電流 $I$ が大きくなるほど電源の出力電圧 $V$ は小さくなっていきます。

 

電源の内部抵抗により電圧降下が生じる

 

なので、内部抵抗がある電源の出力電圧は回路に流れる電流の大きさによって変わるため、内部抵抗がある電源の出力電圧は一定にはなりません。

 

内部抵抗がある電源の出力電圧と回路に流れる電流の関係

 

※電池の内部抵抗と出力電圧(端子電圧)について詳しくは、こちらの電池の内部抵抗と端子電圧のページを参考にしてみてください。

 

一方、定電圧源の場合は内部抵抗 $r$ が $0\,\Omega$(=内部抵抗がない)なので、内部抵抗による電圧降下は生じません( $\because rI=0\times I=0$ )。

 

定電圧源の場合は電圧降下は生じない

 

なので、定電圧源の出力電圧は一定になるんです。

 

定電圧源の出力電圧と回路に流れる電流の関係

 

このように定電圧源は、負荷が変わっても回路に流れる電流が変わっても常に一定の電圧を出力するので、理想的な電源(電圧源)といえます。

 

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定電圧源はいくらでも電流を流せる

ここまでの解説のとおり、定電圧源は、負荷が変わっても回路に流れる電流が変わっても常に一定の電圧を出力します。

 

ということは…。

 

例えば次の図のように、$10\,\mathrm{V}$ の電圧を出力する定電圧源 $V$ に $5\,\Omega$ の抵抗 $R$ が接続された回路があるとします。

 

10Vの定電圧源に5Ωの抵抗が接続された回路

 

この回路に流れる電流 $I$[$\mathrm{A}$]は、オームの法則より、

 

$I=\dfrac{10\,\mathrm{V}}{5\,\Omega} =2\,\mathrm{A}$

 

$\therefore I=2\,\mathrm{A}$ ( 抵抗 $R$ が $5\,\Omega$ のときの回路に流れる電流 $I$ )

 

となり、抵抗 $R$ が $5\,\Omega$ のときは回路に流れる電流 $I$ は $2\,\mathrm{A}$ になりますね。

 

では、抵抗 $R$ がもっと小さいときはどうなるのでしょうか?

 

同じ回路で抵抗 $R$ を $0.05\,\Omega$ としてみましょう。

 

10Vの定電圧源に0.05Ωの抵抗が接続された回路

 

すると、回路に流れる電流 $I$ は、

 

$I=\dfrac{10\,\mathrm{V}}{0.05\,\Omega} =200\,\mathrm{A}$

 

$\therefore I=200\,\mathrm{A}$ ( 抵抗 $R$ が $0.05\,\Omega$ のときの回路に流れる電流 $I$ )

 

となり、抵抗 $R$ が $0.05\,\Omega$ のときは回路に流れる電流 $I$ は $200\,\mathrm{A}$ になります。さきほどの $5\,\Omega$ のときと比べると、なんと $100$ 倍です!

 

ではでは、抵抗 $R$ をもっと極端に小さくして、同じ回路で抵抗 $R$ を $0\,\Omega$ にしてみましょう。

 

10Vの定電圧源に0Ωの抵抗が接続された回路

 

すると、回路に流れる電流 $I$ は、

 

$I=\dfrac{10\,\mathrm{V}}{0\,\Omega} =\infty$[$\mathrm{A}$] ( 定数をゼロで割ると無限大になります)

 

$\therefore I=\infty$[$\mathrm{A}$] ( 抵抗 $R$ が $0\,\Omega$ のときの回路に流れる電流 $I$ )

 

となり、抵抗 $R$ が $0\,\Omega$ のときは回路に流れる電流 $I$ は $\infty$(無限大)になります。

 

このように、定電圧源は常に一定の電圧を出力するので、負荷の抵抗の大きさを変えるといくらでも電流を流すことができるんです。(理論上)

 

ちなみに、抵抗 $R$ が $0\,\Omega$ というのは、定電圧源を短絡した場合に相当します。

 

定電圧源を短絡した場合はものすごく大きな電流(計算上は無限大の電流)が流れるので、定電圧源は短絡しないようにしなければなりません。

 

定電圧源を短絡すると危険

 

電圧源の短絡はこわいですねー、こわいですよー。

 

※短絡について詳しくは、こちらの短絡(ショート)のページを参考にしてみてください。

 

定電圧源のまとめ
  • 電源の内部抵抗が $0\,\Omega$ で、接続される負荷によらず常に一定の電圧を出力する電源を定電圧源(または理想電圧源)という
  • 定電圧源の内部抵抗は $0\,\Omega$ なので、内部抵抗による電圧降下は生じない(なので、一定の電圧(定電圧)を出力できる)
  • 定電圧源から流れる電流は最大で無限大になる(なので、定電圧源を短絡するのは危険!)

 

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定電圧源から流れる電流は最大で無限大になるので、定電圧源から取り出せる電力(=電圧×電流)も最大で無限大になります。ですが、実際の電源には内部抵抗があるため、実際の電源から取り出せる最大電力には上限があります。
実際の電源から取り出せる最大電力については、こちらの電源から供給できる最大電力(最大有能電力)のページを参考にしてみてください。

 

定電圧源は一定の電圧を出力する電源ですが、電圧ではなく一定の電流を出力する電源として定電流源があります。定電流源については、こちらの定電流源のページを参考にしてみてください。



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