電圧ホロワ

電圧ホロワについて教えてください。

入力電圧がそのまま出力電圧になるというのは習いました。
これにより入力電圧がそのまま出力側の負荷に掛けられること、
入力インピーダンスが極めて高く、出力インピーダンスが極めて低いことが利点らしいですが、
何故これが利点といえるのですか？

何故電圧ホロワを繋いでいないと入力電圧がそのまま出力側の負荷にかからないのでしょうか？
何故インピーダンスの差が利点といえるのでしょうか？

基本的なことですみませんがお願いします。

No.3 ベストアンサー 回答者： joshua01 回答日時： 2013/09/12 19:41

こんにちは。

ちょっとお悩みですね。特に「入力・出力インピーダンス」の意味（影響）がわからないと理解しにくいところ。

最近、他の方のご質問に答えたものと同様ですが、次のような説明ではいかがでしょうか。
ポイントは、「入出力インピーダンスは、１Vを出力しようとして１Vとして受け取ってくれるかどうかの問題。直列に入った”出力妨害抵抗”と並列に入った”入力妨害抵抗”が邪魔をする」

・まず、出力装置。出力装置は電池です。
　理想的な出力装置を考えましょう。これは電池（発電機）の一種と考えることができ、「0.5Vを出力すべき」「１Vを出力すべき」とき、それぞれその電圧が確実に出力されるべきでしょう。
出力に100オームの負荷抵抗をつないだとき（電流がそれぞれ5mA、10mAの弱い電流）はもちろん、負荷抵抗が１オームのとき（電流はそれぞれ500mA、1Aの大量の消費電流）
でもでも負けず、出力端子には正確に0.5V、1Vが現れるべきです。
ところが現実には、出力回路内に妨害抵抗が生じます。これは、内蔵電池と出力端子との間に、例えば１オームが「直列に」入っている状態です。
このような出力端子に負荷抵抗をつないでみましょう。
電池が正確に0.5V（又は1V）を発生しており、出力端子の向こう側に100オームの負荷抵抗をつないであるなら、妨害抵抗によってわずかに電圧が低下し、
出力端子電圧は0.495V（又は0.99V）となって端子電圧としては誤差が発生し、さらに負荷抵抗が１オームになると、出力端子の電圧は0.25V（0.5V）で、大幅に不正確になってしまいますね。
「出力インピーダンス」とは、単純には「正確な電圧を発生させる電池と出力端子との間に直列に入っている妨害抵抗」ということができます。

・次に入力装置。テスター（電圧計）と考えましょう。
　理想的なアナログ電圧計を考えましょう。アナログ電圧計は、コイルに電流を流すと永久磁石との間で引力や反発力を生じて、ねじりバネをねじる強さとバランスさせることで所定の位置まで針を動かすことはご存知でしょう。
安物はコイルの巻き数が少ないので、大きく針を振るためにはたくさんの電流を流す必要がありますが、高価なもの（高感度）は、コイルの巻き数が多く、わずかな電流でも大きく振れます（感度が高い）。この延長で、理想的なアナログ電圧計とは、電流をまったく流さなくても針が大きく振れるものです。
このとき、理想的な電圧計と、安物の電圧計の違いは、「並列に入った妨害抵抗」と考えることができます。
理想的な電圧計はまったく電流が流れないのに、安物は大量に流れる。仮に１V表示するのに安物は１A流す必要があるとすると、抵抗値は１オームとなり、これは、理想的な電圧計に並列に１オームの抵抗を入れたのと同じになります。
　1Vを出力しようとする出力装置が理想的（直列の妨害抵抗が入っていない）なら、どちらの電圧計をつなごうが端子電圧は同じ１Vで、電圧計としても１Vを表示しますが、出力装置の中に１オームの妨害抵抗が直列に入っている場合（出力インピーダンス１オーム）、電圧計が理想的ならなら直列の妨害抵抗があっても電圧降下が生じないので１Vを表示しますが、安物の電圧計（又は等価的につくった、理想的な電圧計に１オームの並列妨害抵抗をつないだもの）では、大きな電圧降下が生じて出力（＝入力）端子電圧は0.5Vとなってしまいます。

・・・ということで、「出力インピーダンス」とは「出力に直列の妨害抵抗」と考えれば理解しやすく、「入力インピーダンス」とは「入力に並列の妨害抵抗」であり、「出力インピーダンスは小さく、入力インピーダンスは大きい」ほうが望ましいということになります。
他方、もし、出力側か入力側かのどちらか一方が理想的（「直列の妨害が０オーム」か、「並列の妨害が無限大オーム」）ならば他方は理想的である必要はないので、ある２つの回路が接続されるに当たり、
前段の出力インピーダンスも理想的でなく、後段の入力インピーダンスも理想的でない場合、中間に、「入力も理想的で出力も理想的」な回路をひとつ入れてやれば、接続点は増えてしまうが、その前段との問題も後段との問題もいずれも解決する・・・というのが「ボルテージフォロワ」（ボルテージバッファ）の考え方です。

さてさて、長くなってしまいましたがいかがでしょうか。
お役に立てば幸いです。

No.4 回答者： Nebusoku3 回答日時： 2013/09/13 06:13

入力インピーダンスが極めて高く、出力インピーダンスが極めて低い、電圧フォロワー回路の利点は次の通りです。

●入力インピーダンスが極めて高い　→　センサーやマイクなどからの微小信号を　「センサーの特性に影響を与えない様に」　受け取ることが出来る。
●出力インピーダンスが極めて低い　→　次にくる回路が大きな電流を必要とするものでも信号波形への影響を極めて少くドライブできる。
要するに元波形を次段の回路に関係なく、しかも忠実に次段に伝えるためのものです。　別名　「バッファー」　という場合もあります。

No.2 回答者： tance 回答日時： 2013/09/12 18:39

電圧フォロワは文字のとおり、電圧がそのまま伝わる、といった動作をする回路です。

入力インピーダンスが高いというのは必須条件ではありません。出力インピーダンスが低いのは必須でしょう。

電圧フォロワの必要性ですが、負荷が変動する場合など大変有用です。例えば、直流モータが負荷だとすると、これはメカニカルなトルクによって負荷抵抗としての値が大幅に変わります。無負荷だと12V 0.1Vのモータが、軸に力がかかると12V2A喰うようになったりします。この、負荷の変動があっても12Vを維持できれば回転数は変わりません。

ところで、モータに与える電圧をボリウムで作るとしましょう。ボリウムのツマミを右に回すとモータにかかる電圧が上がって、回転が速くなるわけです。しかし、多少のメカニカルな負荷がかかっても回転数は変動しないでほしい、こんな要求はよくあることです。

これを電圧フォロワなしに実現しようとすると、ボリウムとモータを直結することになるので、負荷電流が0.1Aのときも2Aのときも同じ電圧をボリウムから得なくてはなりません。同じ電圧と言っても0.1Vくらいの変動を許しましょう。すると0.1V / 2A = 0.05Ω以下の内部抵抗のボリウムでなくてはならないことになります。

このようなボリウムはボリウムとしての抵抗値が0.2Ωのボリウムということになります。（ボリウムの内部抵抗の最大値と端子間抵抗の関係による）　このボリウムに12V加えると、このボリウムに60A流れます。電源は720W必要です。たかが12V * 2A = 24Wのモータを回すのに720+36=756W（ほぼ１馬力）の電源が必要とは！ボリウムは流水で水冷しないともたないでしょう。

ところが、電圧フォロワを使うと、ボリウムは例えば10kΩで済みます。これならボリウムへの電流はたった1.2mAです。そして、フォロワの入力抵抗が無限大でなくても例えば100kΩでもちゃんと0Vから12V出せます。（多少ボリウム回転角と電圧の関係がノンリニアになりますが・・・）　

フォロワの出力インピーダンスは0.05Ω以下でなくてはなりませんが、これは負帰還で簡単に実現できます。（フォロワを普通に作ればだいたいこのくらいにはなります）

ここで大事なことは、フォロワを用いることで、負荷変動が信号源に伝わらなくなる、ということです。上の例では、モータの機械的な負荷が変化してもフォロワの入力はいつでも100kΩです。

もしフォロワの入力インピーダンスがそれほど高くなくて、1kΩだったとしても、それが変化しなければ、そこに0～12Vの電圧を与えることは簡単です。（理想は入力インピーダンス無限大ですが、必須ではない）

要約すると、電圧フォロワの役目は
１．その入力インピーダンスが変化しないことを利用して、負荷の変動を切り離す
２．その低い出力インピーダンスを利用して、負荷の変動による電圧変動をなくす
３．重い負荷を駆動するためのトータル電力を低減する
４．高い入力インピーダンスを利用して、ひ弱な信号源が使えるようになる

といったところです。

モータの例を出しましたが、もっと軽負荷でも変化する負荷はいくらでもあります。LEDをもう一つ点けたい、とか、モニター出力を出したい（外部に何が接続されるか解らない）とか、よくあることです。

No.1 回答者： TXV12003 回答日時： 2013/09/12 09:14

あなたは１kgの小石を１mの高さまで持ち上げることはできるでしょうが、１０００kgの石を同じ高さに持ち上げたいときはどうしますか？

あなたの手の動きに寄って動作する、外部からのエネルギーで動くロボット義手やパワードスーツのようなものが必要になると思います。これがボルテージフォロアの目的の一つです。