センサーをつなぐと電圧が下がった

一言でいうと

分圧回路の出力は、抵抗の比率だけでは決まりません。出力につないだ機器も、回路の一部です。

なぜ必要なのか

5 Vのセンサーを読むために、同じ大きさの抵抗2つで電圧を半分に下げたとします。何もつないでいないときは2.5 Vと計算したのに、別の回路をつなぐと値が下がります。センサードライバーを直す前に、回路が今も同じ回路なのかを問わなければなりません。このコースは、電圧を調整する電源装置の作り方ではなく、信号入力の負荷効果を計算する方法です。

電圧は2点間の差であり、ここでのすべての出力は、接地に対する値です。電流の単位はA、抵抗はΩ、電力はWです。10 kΩは10,000 Ωで、1 mAは0.001 Aです。電圧と電流の単位を一緒に記録して初めて、電力が1,000倍ずれる間違いを見つけられます。

どう動くのか

電源と出力の間にRtop、出力と接地の間にRbottomがあります。出力から接地へRloadを追加すると、下側と負荷が並列になります。

Vin ── Rtop ──┬── Vout
              ├── Rbottom ── GND
              └── Rload   ── GND

負荷がなければ、Vout=Vin*Rbottom/(Rtop+Rbottom)です。負荷があれば、下側をRp=1/(1/Rbottom+1/Rload)に置き換えます。同じ内容を電流で書くと、(Vin-Vout)/Rtop=Vout/Rbottom+Vout/Rloadです。これは、ノードに入ってくる電流と出ていく電流が等しいという、電荷保存です。右辺の負荷電流を抜かすと、形は正しくても、別の回路を計算したことになります。

別の例として、Vin=6 V、上下の抵抗を2 kΩ、負荷を4 kΩとして計算してみてください。無負荷は3 V、接続後は2.4 Vです。電圧が下がっても、電源から流れる電流は1.5 mAから1.8 mAに増えます。出力が低くなったから消費も少ないという推測は、当たっていません。

電力は、各抵抗の両端の電圧の2乗を、抵抗で割った値です。上側にはVin-Vout、下側と負荷にはVoutを使います。理想的な静的回路では、3つの消費電力の合計が、電源電圧×供給電流と等しくなければなりません。この2つの帳簿を別々に計算すると、抵抗を誤って並列にまとめたり、単位を間違えたりした誤りを見つけられます。

現場での姿

ADCの入力は、いつも固定抵抗1つとは限りません。入力のリーク、サンプリングスイッチ、コンデンサのせいで、静的な負荷モデルだけでは、実際の精度を保証できません。今回のモデルは、負荷効果を切り分けて学ぶためのものです。マルチメーターをつなぐときも、入力インピーダンスを確認する必要があります。

NVIDIAのボード開発職は、ボードの故障原因の分析と検証計画を求めています。この計算は、その能力の入門段階であり、該当する経験者向け業務の全体の代わりにはなりません。採用の根拠は、2026-09-10に確認した公式求人です。検索インデックスで見た求人の内容であり、現在応募できるかどうかは確認されていません。

測定点を先に描く習慣

電圧がいくらかを尋ねる前に、基準点と部品の間の接続を描きます。上側の抵抗にかかる電圧を測ることは、出力から接地まで測ることとは違います。前の6 Vの例では、上側の電圧が3.6 Vで、下側は2.4 Vです。2つの値を足すと、供給電圧の6 Vに戻らなければなりません。電流の検算はノードで、電圧の検算は閉じた経路で行う理由が、ここにあります。

同じ例の電力も計算してみましょう。上側は3.6²/2000=0.00648 W、下側は2.4²/2000=0.00288 W、負荷は2.4²/4000=0.00144 Wです。合計は0.0108 Wで、電源は6×0.0018=0.0108 Wを出します。上側の電圧に2.4 Vを誤って入れると、この合計が合いません。式1つの答えを覚えるより、異なる保存則が同じ答えを出すかどうかを見る習慣のほうが、長く役に立ちます。

負荷抵抗が非常に大きければ、並列の合成抵抗は元の下側の抵抗に近づき、無負荷の結果に戻ります。逆に、負荷が0 Ωに近づくと、出力は接地のほうへ下がります。コードを書いたなら、この2つの極限をテストしてみてください。負荷を小さくしたのに出力が大きくなるなら、並列の合成式を逆に書いた可能性が高いです。極限の検査は、任意の数字1つを当てるよりも、広い条件を確認します。

分圧回路の2つの抵抗を10分の1にすれば、同じ負荷で揺れにくくなることがありますが、無負荷の電流は10倍になります。電池の寿命が重要なセンサーなら、単純に小さな抵抗が常に良いとは限りません。バッファーアンプを入れるという代案もありますが、電源・入出力範囲・オフセット・安定度の検討が加わります。「負荷誤差の低減」と「消費電流の低減」のように、目標を2つの欄に分けて書いて初めて、トレードオフが見えます。

今回の理想電源は、内部抵抗が0だという仮定です。実際のセンサーの出力抵抗が分かっているなら、それを上側の経路に加えなければなりません。分からない値を黙って0として扱わず、未確認の項目と、確認すべきデータシートの項目として残してください。

次の確認

すぐ後のクイズでは、接続・単位・電力の区別を確認します。最後のモジュールのラボでは、無負荷と負荷時の電圧を計算し、電流と電力の保存で検算します。実際の電源やUSBのピンはつなぎません。計算が合っているという事実だけで、部品の定格・温度・保護回路が安全だと結論づけないでください。