⚡ 分圧計算ツール

分圧器（ボルテージディバイダ）は、電圧を降圧する最も簡単な方法です。電源に直列に抵抗を 2 本つなぎ、その中間点から降圧された電圧を取り出します。センサーの読み取り、トランジスタのバイアス設定、コンパレータへの基準電圧供給といった定番の用途に使われ、並列抵抗やLED 用抵抗と並ぶ電子回路の基本構成ブロックです。

出力は 2 本の抵抗の比だけで決まり、絶対値には依存しません。両方の抵抗を 2 倍にしても出力電圧は同じですが、電流は半分になります。消費電力を抑えたいときには便利な性質です。

実際には、分圧器は万能ナイフのようなものです。0–12 V のセンサー信号をマイコンが読める 0–3.3 V にスケーリングし、コンパレータ用の固定基準を作り、R2 を可変抵抗器に置き換えれば連続可変のつまみにもなります。トランジスタのベースバイアスやオペアンプのゲイン設定でも同じ比の計算が登場するため、一度覚えれば電子回路全般で応用が利きます。

5 V 電源のとき、よく使う抵抗比で得られる出力は次の表の通りです：

この公式はオームの法則の直接の帰結です。2 本の抵抗には同じ電流が流れるため、各抵抗の両端電圧は抵抗値に比例します。出力は、電源電圧のうち R2 にかかる割合になります：

V_out = V_in × R₂ / (R₁ + R₂)

直列回路に流れる電流は I = V_in / (R₁ + R₂)、各抵抗で消費される電力は P = I²R です。この電力の値こそ必要な電力定格を決める要素で、10 kΩ 抵抗で作った分圧器はほとんど発熱しませんが、10 Ω 抵抗で作るとかなり熱くなります。

検算の目安として、V_out / V_in は R₂ / (R₁ + R₂) に等しくなります。必要な割合が分かっているなら、抵抗比を直接解けます。さらに実用の経験則があります：出力に接続するものの入力抵抗は、少なくとも R2 の10 倍必要です。そうしないと、負荷が出力電圧を引き下げます（分圧器の「負荷」による誤差です）。

この負荷の影響は正確に予測できます。分圧器は出力側から見るとテブナン等価源、つまり理想電圧源 V_out に抵抗 R₁ ∥ R₂ が直列に入った形です。そこへ負荷 R_L を接続すると、実際の出力は V_out × R_L / (R_L + (R₁ ∥ R₂)) になります。R_L が非常に大きいと補正は無視でき、R_L が R₁ ∥ R₂ に近づくと出力は半分に落ち込みます。「10 倍」の経験則とは結局、誤差 10% の予算配分のことです。両方の抵抗値を上げればより厳密にできます（ただし電源インピーダンスは増加します）。

1. 入力（電源）電圧 Vin を入力します。
2. 上部の抵抗 R1 と下部の抵抗 R2 を入力します。
3. 「計算」を押すと接続点の出力電圧が表示されます。
4. 直列回路の電流と、各抵抗の消費電力を確認します。
5. 負荷を駆動する場合は、出力が正確に保たれるよう、負荷抵抗を R2 の 10 倍以上に保ちましょう。

負荷を接続すると出力が下がるのはなぜですか？

負荷は R2 と並列になるため、実効的な下側抵抗が下がり出力電圧も下がります。ハイインピーダンスの負荷（オペアンプ入力や MCU の ADC）ならほとんど影響しませんが、スピーカーやモーターでは出力が崩れます。大きな負荷にはバッファ（電圧フォロワ）を使いましょう。

抵抗値そのものは重要ですか、比だけでいいですか？

電圧を決めるのは比です。絶対値は電流と電力を決めます。大きな抵抗は電流を減らせます（電池に優しい）が、負荷の影響を受けやすくなります。

分圧器で機器を駆動できますか？

直接はできません。分圧器は信号や基準電圧のためのもので、電力を供給する用途には向きません。エネルギーの大半は抵抗で熱として浪費され、負荷で電圧が垂れ下がります。レギュレータやバックコンバータを使いましょう。

R1 と R2 を入れ替えるとどうなりますか？

相補的な電圧になります。出力は Vin x R1/(R1+R2) になります。入れ替えるだけで、取り出し点が比の反対側へ移動します。

抵抗の電力定格はどう選べばいいですか？

各抵抗について P = I²R を計算し（計算ツールが表示します）、その 2 倍以上の定格を選びましょう。ほとんどの信号用分圧器の消費電力は 1 mW を大きく下回るため、¼ W 品で十分です。

低消費電力設計では大きな抵抗（例：10 kΩ – 100 kΩ）を使って分圧器の消費を数マイクロアンペアに抑え、電池をほとんど消耗させないようにしましょう。電源を選定するときは電池寿命計算ツールと組み合わせて検討してください。

E12 標準値で多くの比が簡単に作れます。10 kΩ と 10 kΩ でちょうど半分、22 kΩ と 10 kΩ で入力の約 0.31 倍になります。

変動する負荷でも出力を安定させたい場合は、抵抗を下げるのではなくオペアンプの電圧フォロワを後段に付けましょう。抵抗を下げると消費電力が増えます。

可変の分圧器には、R2 を可変抵抗器に置き換えます。ワイパーが V_out の取り出し点になり、固定の段階ではなく連続的な範囲が得られます。

マイコンの ADC に接続する場合、分圧器の電源抵抗（R₁ ∥ R₂）が ADC の推奨入力インピーダンスを十分に下回っていることを確認してください。そうしないと、サンプルホールド容量が変換の間に充電しきれず、垂れ下がった誤った電圧を読むことになります。

熱ドリフトは高精度分圧器の静かな敵です。100 ppm/°C の抵抗ペアがマッチングしていないと、基板が暖まると比がずれます。基準用途では、2 つの抵抗が 1 つの基板に載って追従する抵抗ネットワークを使うか、分圧器をやめて専用の電圧リファレンス IC を使いましょう。

分圧器がハイインピーダンス入力に接続される場合、直列回路の電流もその入力のバイアス電流より十分大きく保ちましょう。現代の CMOS ならピコアンペア、古い部品ならマイクロアンペアです。回路電流がバイアス電流を下回ると、バイアス電流自体がタップの電圧を歪めます。これも、マイクロワット単位の節電のために抵抗を大きくしすぎてはいけない理由の 1 つです。

具体的な設計例でまとめましょう：0–12 V の電池を 3.3 V の ADC で読むには V_out/V_in = 3.3/12 ≈ 0.275 が必要で、比の表から R₂/R₁ ≈ 0.38 となります。上部を 10 kΩ、下部を 3.8 kΩ（最寄りの E12 値 3.9 kΩ）にすれば 1% 以内に収まります。満充電のセルがタップを ADC のレール以上に押し上げられないよう、必ずヘッドルームを確保してください。