電気回路 II：交流回路：直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、16 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

複素数

直交形式: z = a + jb, j² = −1, z̄ = a − jb
絶対値と偏角: |z| = √(a² + b²), tan θ = b/a (check the quadrant)
極形式と指数形式: z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·e^jθ
割り算: z₁/z₂ = z₁z̄₂/|z₂|²
積と商: r₁∠θ₁ · r₂∠θ₂ = r₁r₂∠(θ₁ + θ₂), r₁∠θ₁ / r₂∠θ₂ = (r₁/r₂)∠(θ₁ − θ₂)
ド・モアブル: (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ
n 乗根: z_k = R^1/n∠((φ + 360°·k)/n), k = 0 … n − 1
p² < 4q の 2 次方程式: z = −p/2 ± j√(q − p²/4)

解き方

演算に合った形を選びましょう：足し算と引き算には直交形式 a + jb、掛け算・割り算・冪・累乗根には極形式 r∠θ です。
展開するときは j² = −1 を使います。割り算は、分子と分母に分母の共役複素数を掛けて行います。
変換には r = √(a² + b²) と、点の図（象限を確認）から求めた θ を使い、戻すには a = r cos θ、b = r sin θ を使います。
冪にはド・モアブルの定理 (r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ を使います。zⁿ = R∠φ では、n 個の解 R^1/n∠((φ + 360°k)/n) をすべて挙げます。

交流インピーダンスとフェーザ

インピーダンス: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
角周波数: ω = 2πf
大きさと偏角: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
フェーザ表示のオームの法則: V = I·Z

解き方

周波数を換算します：ω = 2πf。
各リアクタンスを求めます：X_L = ωL、X_C = 1/(ωC)。
インピーダンスは抵抗と同じように足します。Z = R + jX です。
大きさ |Z| = √(R² + X²) と角度 φ = atan(X/R) を求め、フェーザでオームの法則を使います。

交流電力と力率

有効電力: P = V·I·cos φ
無効電力: Q = V·I·sin φ
皮相電力: S = V·I = √(P² + Q²)
力率: pf = cos φ = P/S
力率改善用コンデンサ: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(ωV²)

LC 共振、Q 値、帯域幅

固有振動数: ω₀ = 1/√(LC), f₀ = 1/(2π√(LC))
エネルギー: W = ½CV₀² = ½Cv² + ½Li²
ピーク電流: I_max = V₀√(C/L)
Q 値: Q = 2π·(energy stored)/(energy lost per cycle)
RLC 直列: Q = (1/R)√(L/C), BW = R/(2πL)
RLC 並列: Q = R√(C/L), BW = 1/(2πRC)
帯域幅: BW = f₂ − f₁ = f₀/Q, f₀ = √(f₁f₂)
半電力周波数: f_1,2 = f₀(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
コイル抵抗 r をもつタンク回路: R_D = L/(C·r) = Q²·r
振幅の減衰: e^−Rt/(2L)

解き方

まず共振周波数を求めます：ω₀ = 1/√(LC)、f₀ = ω₀/(2π)。
回路が直列か並列かを判断します：直列は Q = (1/R)√(L/C)、並列は Q = R√(C/L)。
帯域幅は BW = f₀/Q で求めるか、近道の公式 R/(2πL)（直列）、1/(2πRC)（並列）を使います。
エネルギーの問題では、理想的な LC 回路の全エネルギー ½CV₀² が一定で、4 分の 1 周期ごとに C と L の間を行き来することを使います。

三相電力

Y 結線: V_L = √3·V_ph, I_L = I_ph
Δ 結線: V_L = V_ph, I_L = √3·I_ph
全有効電力: P = √3·V_L·I_L·cos φ = 3·I_ph²·R
皮相電力と無効電力: S = √3·V_L·I_L, Q = P·tan φ
力率改善用コンデンサ: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(3ωV²)
各コンデンサにかかる電圧: Δ：V_L Y：V_L/√3
モーターの入力: P_in = P_out/η

RC・RL 過渡現象

時定数: τ = RC | τ = L/R
応答: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
直流でのコンデンサ: 開放；v_C は急変しない
直流でのインダクタ: 短絡；i_L は急変しない
定常値: t ≈ 5τ

解き方

切り替え直後の初期値を求めます：コンデンサの電圧とインダクタの電流は急に変化できません。
切り替えから十分時間がたったあとの最終値を求めます：コンデンサは開放、インダクタは短絡として扱えます。
時定数を求めます：τ = RC または τ = L/R。抵抗はコンデンサまたはインダクタから見た抵抗を使います。
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ を使います。

テブナン・ノートン

テブナン電圧: V_th = V_{open circuit}
テブナン抵抗: R_th：すべての電源を取り除き、a–b から見た抵抗
ノートン電流: I_N = V_th/R_th
負荷電流: I_L = V_th/(R_th + R_L)
最大電力伝送: R_L = R_th, P_max = V_th²/(4R_th)

解き方

負荷を外し、2 つの端子を a と b とします。
a と b の間の開放電圧を求めます：これが V_th です。
独立電源をすべて取り除き、a–b から見た抵抗を求めます：これが R_th です。
負荷を等価回路に戻します：V_th と R_th の直列です。
ノートン等価回路には変換します：I_N = V_th/R_th、R_N = R_th を並列に接続します。

2演習問題

1.複素数ふつう

z = 2.5∠−20° を直交形式 a + jb で表し、実部 a を答えてください。

r = 2.5θ = −20°

a =

2.複素数むずかしい

z³ − z² + 2 = 0 の解の 1 つは z₁ = 1 + j です。係数は実数です。実数の解 r を求めてください。

z₁ = 1 + j

r =

3.交流インピーダンスとフェーザふつう

直列 RLC 回路を 230 V（実効値）、50 Hz の電源に接続する。電流の実効値 I を求めよ。

V = 230 V (rms)f = 50 HzR = 100 ΩL = 20 mHC = 2.2 µF

I = A

4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい

抵抗 R₁ が、R₂ とコンデンサ C の並列回路と直列に接続され、230 V（実効値）、50 Hz の電源に接続されている。インピーダンスの大きさ |Z| を求めよ。

V = 230 V (rms)f = 50 HzR₁ = 40 ΩR₂ = 50 ΩC = 47 µF

|Z| = Ω

5.交流電力と力率ふつう

単相モーターが 230 V の電源から、遅れ力率 0.7 で 35 kW を消費する。線電流 I を求めよ。

P = 35 kWpf = 0.7V = 230 V

I = A

6.交流電力と力率むずかしい

200 kVA の単相変圧器が、遅れ力率 0.85 で 129 kW の負荷に電力を供給している。変圧器が kVA 定格に達するまでに、抵抗負荷（力率 1）としてあとどれだけの有効電力 ΔP を追加できるか。

S_max = 200 kVAP₁ = 129 kWpf₁ = 0.85

ΔP = kW

7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう

RLC 並列回路で R = 22 kΩ、L = 1 mH、C = 1 nF です。Q 値 Q を求めなさい。

R = 22 kΩL = 1 mHC = 1 nF

Q =

8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい

充電した 1 µF のコンデンサが、全直列抵抗 1 Ω の 47 µH のコイルを通して放電するので、振動はゆっくり減衰します。振幅は e^−Rt/(2L) に従って減衰します。振幅が半分になるまでに、振動は何周期 n 起こりますか。（損失は小さいので、周波数は f₀ とします。）

L = 47 µHC = 1 µFR = 1 Ω

n =

9.三相電力ふつう

1 相あたりのインピーダンスが 7 + j24 Ω の平衡 Y 結線負荷が、線間電圧 400 V の平衡三相電源に接続されている。負荷が吸収する全有効電力 P を kW で求めよ。

V_L = 400 VZ = 7 + j24 Ω 1 相あたり

P = kW

10.三相電力むずかしい

平衡三相負荷が、480 V（線間）、50 Hz の電源から遅れ力率 0.72 で 300 kW を消費している。負荷と並列に三相コンデンサバンクを接続し、全体の力率を遅れ 0.9 に改善する。有効電力は変わらない。コンデンサは Δ 結線である。各コンデンサの静電容量 C_ph を µF で求めよ。

P = 300 kWpf₁ = 0.72pf₂ = 0.9V_L = 480 Vf = 50 Hz

C_ph = µF

11.RC・RL 過渡現象ふつう

電源 Vₛ は R₁ を通してコンデンサを充電し、R₂ は C と並列に接続されています。 t = 0 でスイッチが閉じるとき、コンデンサは充電されていない。スイッチを閉じた後の回路の時定数 τ を求めよ。

V_s = 24 VR₁ = 1 kΩR₂ = 6.8 kΩC = 68 µF

τ = ms

12.RC・RL 過渡現象むずかしい

スイッチは長い間閉じていたので、回路は定常状態にある。t = 0 にスイッチが開く。 t = 75 ms におけるコンデンサの電圧 v_C を求めよ。

V_s = 9 VR₁ = 1 kΩR₂ = 4.7 kΩC = 47 µFt = 75 ms

v_C = V

13.テブナン・ノートンふつう

端子 a–b から見たテブナン抵抗 R_th を求めよ。

V₁ = 18 VR₁ = 10 ΩR₂ = 6 ΩR₃ = 3 Ω

R_th = Ω

14.テブナン・ノートンむずかしい

ノートン電流 I_N を求めよ：端子を短絡したとき a から b へ流れる電流。

V₁ = 10 VI_s = 6 AR₁ = 3 ΩR₂ = 25 ΩR₃ = 20 Ω

I_N = A

15.ボード線図と余裕ふつう

図の RC ハイパスフィルタは R = 22 kΩ, C = 22 nF です。82 Hz の正弦波入力が加えられます。ゲイン |H| = |v_out/v_in| を dB で求めよ。

R = 22 kΩC = 22 nFf = 82 Hz

|H| = dB

16.ボード線図と余裕むずかしい

ユニティフィードバック系の開ループ伝達関数は L(s) = 23.2/(s(s + 8)) である。位相余裕 PM を度で求めよ。

L(s) = 23.2/(s(s + 8))

PM = °

3溶液

1.複素数

答え: a = 2.349

極形式：z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·e^jθ、r = |z|、θ = arg z です。直交形式に戻すには：a = r cos θ、b = r sin θ。偏角には象限の考慮が必要です：θ = atan(b/a) が使えるのは a > 0 のときだけで、a < 0 のときは 180° を足すか引きます。極形式では掛け算が簡単です：絶対値を掛けて偏角を足します。割り算では絶対値を割って偏角を引きます。

成分

a = 2.5·cos(−20°) = 2.349

b = 2.5·sin(−20°) = −0.8551

直交形式

z = 2.349 − j0.8551

a = 2.349

答え

a = 2.349

2.複素数

答え: r = −1

ド・モアブルの定理と累乗根：(r∠θ)ⁿ = rⁿ∠nθ。方程式 zⁿ = R∠φ にはちょうど n 個の解があり、すべて絶対値は R^1/n で、偏角は (φ + 360°·k)/n（k = 0, 1, …, n − 1）です：円周上に 360°/n ずつ等間隔に並びます。p² < 4q のとき、2 次方程式 z² + pz + q = 0 は複素数の解 z = −p/2 ± j√(q − p²/4) をもちます。実数係数の多項式の複素数の解は、必ず共役な対 a ± jb として現れます。

共役な対

z₂ = 1 − j

(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·1·z + (1² + 1²) = z² − 2z + 2

2 次式でくくり出す

z³ − z² + 2 = (z² − 2z + 2)(z + 1)

実数の解

r = −1

答え

r = −1

解の和で確かめましょう：z₁ + z₂ + r = 2 + (−1) = 1 = −(−1)。

3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: I = 0.1593 A

フェーザによる交流回路：抵抗、コイル、コンデンサのインピーダンスは R、jωL、1/(jωC)（ω = 2πf）です。直列では抵抗と同じように足しますが、複素数として計算します。電流と電圧の実効値は |Z| を使ったオームの法則に従います。

リアクタンス

ω = 2πf = 2π·50 = 314.2 rad/s

X_L = ωL = 314.2·0.02 = 6.283 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(314.2·2.2·10⁻⁶) = 1447 Ω

インピーダンス

直列ではインピーダンスを複素数として足します：Z = R + j(X_L − X_C)。

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(100² + (−1441)²) = 1444 Ω

電流

直列回路ではすべての素子に同じ電流が流れます。

I = V/|Z| = 230/1444 = 0.1593 A

答え

I = 0.1593 A

4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: |Z| = 76.2 Ω

リアクタンス

X_C = 1/(2π·50·47·10⁻⁶) = 67.73 Ω

並列回路

分子と分母に共役複素数を掛けて、Z_p を実部と虚部に分けます。

Z_p = R₂·(−jX_C)/(R₂ − jX_C) = (R₂·X_C² − jR₂²·X_C)/(R₂² + X_C²)

Z_p = 32.36 − j23.89 Ω

合成インピーダンス

Z = 40 + 32.36 − j23.89 = 72.36 − j23.89 Ω

|Z| = √(72.36² + 23.89²) = 76.2 Ω

答え

|Z| = 76.2 Ω

5.交流電力と力率

答え: I = 217.4 A

交流電力：皮相電力 S = V·I (VA) は、有効な仕事をする有効電力 P = S·cos φ (W) と、電源と負荷の間を行き来する無効電力 Q = S·sin φ (var) に分かれます。力率は cos φ です。並列コンデンサは無効電力をその場で供給するので、同じ有効電力でも線電流が減ります。

線電流

仕事をするのは有効分だけなので、力率で割ります。

I = P/(V·cos φ) = 35000/(230·0.7) = 217.4 A

答え

I = 217.4 A

6.交流電力と力率

答え: ΔP = 54.33 kW

既存の負荷の無効電力

Q₁ = 129·tan(arccos 0.85) = 79.95 kvar

最大の全有効電力

定格いっぱいでは S = S_max で、Q は抵抗負荷によって変わりません。

P = √(S_max² − Q₁²) = √(200² − 79.95²) = 183.3 kW

追加できる有効電力

ΔP = 183.3 − 129 = 54.33 kW

答え

ΔP = 54.33 kW

7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Q = 22

Q 値と帯域幅：共振回路では Q = 2π·（蓄えられたエネルギー）/（1 周期に失われるエネルギー）です。RLC 直列では Q = ω₀L/R = (1/R)√(L/C)、RLC 並列では Q = R/(ω₀L) = R√(C/L) です。半電力周波数 f₁ と f₂（電力が半分になり、電流または電圧がピークの 1/√2 になる周波数）の間の帯域幅は BW = f₂ − f₁ = f₀/Q で、直列では R/(2πL)、並列では 1/(2πRC) です。共振周波数は幾何平均 f₀ = √(f₁f₂) で、f_1,2 = f₀(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q)) です。損失は振動の減衰ももたらします：RLC 直列では振幅は e^−Rt/(2L) に従って減ります。

共振周波数

ω₀ = 1/√(LC) = 1000000 rad/s

Q 値

Q = R/(ω₀L) = 22000/(1000000·0.001) = 22

答え

Q = 22

帯域幅は 1/(2πRC) = 7.234 kHz です。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: n = 1.513

振幅の半減期

t = 2·4.7 × 10⁻⁵·ln 2/1 = 6.516 × 10⁻⁵ s

周期数

n = t·f₀ = 6.516 × 10⁻⁵·23215 = 1.513

答え

n = 1.513

近道：Q = 6.856 を使って n = Q·ln 2/π。

9.三相電力

答え: P = 1.792 kW

相電圧

V_ph = 400/√3 = 230.9 V

相電流

|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω

I_ph = 230.9/25 = 9.238 A

全有効電力

有効電力を吸収するのは、各インピーダンスの抵抗分だけです。

P = 3·I_ph²·R = 3·9.238²·7 = 1.792 kW

答え

P = 1.792 kW

確認：cos φ = R/|Z| = 0.28 で、√3·V_L·I_L·cos φ からも同じ電力が得られます。

10.三相電力

答え: C_ph = 662.5 µF

平衡三相回路：Y（星形）結線では線間電圧は相電圧の √3 倍、V_L = √3·V_ph で、線電流は相電流に等しくなります。Δ（三角）結線では線間電圧は相電圧に等しく、線電流は相電流の √3 倍、I_L = √3·I_ph です。全電力は 1 相分の電力の 3 倍です：P = 3·V_ph·I_ph·cos φ = √3·V_L·I_L·cos φ。 力率改善：コンデンサは無効電力をその場で供給します：Q_C = P·(tan φ₁ − tan φ₂)。3 個のコンデンサはそれぞれ Q_C/3 = V²·ω·C を供給します。V はそのコンデンサにかかる電圧で、Δ バンクでは V_L、Y バンクでは V_L/√3 です。

改善前後の無効電力

有効電力は変わらないので、それぞれの力率から無効電力が決まります：Q = P·tan φ。

Q₁ = 300·tan(acos 0.72) = 300·0.9639 = 289.2 kvar

Q₂ = 300·tan(acos 0.9) = 300·0.4843 = 145.3 kvar

コンデンサが供給する無効電力

Q_C = Q₁ − Q₂ = 143.9 kvar

1 相あたりの静電容量

Δ バンクでは、各コンデンサは 2 本の線の間に接続されています。

V = 480 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 47953/(314.2·480²) = 662.5 µF

答え

C_ph = 662.5 µF

11.RC・RL 過渡現象

答え: τ = 59.28 ms

1 次の過渡現象：コンデンサまたはコイルを 1 つ含む回路では、すべての電圧・電流が初期値から最終値へ指数関数的に変化します：x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ、τ = RC または τ = L/R。約 5τ で回路は定常状態になります。

コンデンサから見たテブナン等価回路

電源を短絡して R_th を求め、コンデンサを開放して最終的に落ち着く電圧を求めます。

R_th = R₁ ∥ R₂ = 1·6.8/(1 + 6.8) = 0.8718 kΩ

v_C(∞) = 24·6.8/(1 + 6.8) = 20.92 V

時定数

τ = R_th·C = 0.8718·68 = 59.28 ms

答え

τ = 59.28 ms

12.RC・RL 過渡現象

答え: v_C = 5.285 V

コンデンサの初期電圧

定常状態ではコンデンサは開放なので、R₁ と R₂ は分圧回路になります。スイッチが開いてもコンデンサの電圧は急変できません。

v_C(0) = 9·4.7/(1 + 4.7) = 7.421 V

スイッチが開いた後の時定数

τ = R₂·C = 4.7·47 = 220.9 ms

放電

v_C(t) = 7.421·e^−75/220.9 = 5.285 V

答え

v_C = 5.285 V

13.テブナン・ノートン

答え: R_th = 6.75 Ω

テブナンの定理：線形な 2 端子回路は、1 つの電圧源 V_th と抵抗 R_th の直列回路と同じに振る舞います。ノートンの定理は同じ回路を、電流源 I_N = V_th/R_th と R_th の並列回路として表します。

すべての電源を止めて R_th を求める

電圧源を短絡に、電流源を開放に置き換え、a–b から回路を見ます。

R₁ ∥ R₂ = 10·6/(10+6) = 3.75 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 3.75 + 3 = 6.75 Ω

14.テブナン・ノートン

答え: I_N = 6.394 A

すべての電源を止めて R_th を求める

電圧源を短絡に、電流源を開放に置き換え、a–b から回路を見ます。

R₁ ∥ R₂ = 3·25/(3+25) = 2.679 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 2.679 + 20 = 22.68 Ω

開放電圧 V_th を求める

a–b が開放のとき、Iₛ の経路は R₃ を通って節点 A へ向かうものだけです。V₁ と Iₛ の重ね合わせで V_A を求め、R₃ の電圧降下を加えます。

V_A = V₁·R₂/(R₁+R₂) + I_s·(R₁∥R₂) = 8.929 + 6·2.679 = 25 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = 25 + 6·20 = 145 V

ノートン等価回路

ノートン電源は、同じ回路を R_th と並列な電流源として見たものです。その電流は a–b の短絡電流です。

I_N = V_th/R_th = 145/22.68 = 6.394 A

15.ボード線図と余裕

答え: |H| = −12.33 dB

周波数応答：伝達関数に s = jω を代入します。デシベルでの大きさは 20·log₁₀|H(jω)|、位相は分子の因子の角の和から分母の因子の角を引いたものです。1 次の RC または RL フィルタのカットオフ（−3 dB）周波数は ω_c = 1/(RC) または R/L、f_c = ω_c/(2π) で、ローパスフィルタでは |H| = 1/√(1 + (ω/ω_c)²)、φ = −atan(ω/ω_c) です。漸近的な（直線近似の）ボード線図では、各極はそのコーナー周波数で大きさを 20 dB/decade ずつ下向きに折り曲げ、各零点は 20 dB/decade ずつ上向きに折り曲げ、積分器 1/s はすべての周波数で −20 dB/decade を与えます。ゲイン交差周波数 ω_c：|L(jω)| = 1（0 dB）、位相余裕 PM = 180° + ∠L(jω_c)。位相交差周波数 ω₁₈₀：∠L(jω) = −180°、ゲイン余裕 GM = −20·log₁₀|L(jω₁₈₀)| dB。両方の余裕が正のとき、閉ループは安定です。

カットオフ周波数

ω_c = 1/(RC) = 1/(22000·2.2 × 10⁻⁸) = 2066 rad/s

f_c = 328.8 Hz → f/f_c = 82/328.8 = 0.2494

利得

|H| = 0.2494/√(1 + 0.2494²) = 0.242

20·log₁₀(0.242) = −12.33 dB

答え

|H| = −12.33 dB

16.ボード線図と余裕

答え: PM = 71.07 °

ゲイン交差

ω⁴ + 64ω² − 538.2 = 0

ω² = (−64 + √(4096 + 4·538.2))/2 = 7.525

ω_c = 2.743 rad/s

位相余裕

∠L(jω_c) = −90° − atan(2.743/8) = −108.9°

PM = 180° + ∠L = 71.07°

答え

PM = 71.07°

ExamProblems · examproblems.com/courses/circuit-analysis-2

電気回路 II：交流回路：直前対策パック

1公式と解法

複素数

解き方

交流インピーダンスとフェーザ

解き方

交流電力と力率

LC 共振、Q 値、帯域幅

解き方

三相電力

RC・RL 過渡現象

解き方

テブナン・ノートン

解き方

2演習問題

3溶液

成分

直交形式

答え

共役な対

2 次式でくくり出す

実数の解

答え

リアクタンス

インピーダンス

電流

答え

リアクタンス

並列回路

合成インピーダンス

答え

線電流

答え

既存の負荷の無効電力

最大の全有効電力

追加できる有効電力

答え

共振周波数

Q 値

答え

振幅の半減期

周期数

答え

相電圧

相電流

全有効電力

答え

改善前後の無効電力

コンデンサが供給する無効電力

1 相あたりの静電容量

答え

コンデンサから見たテブナン等価回路

時定数

答え

コンデンサの初期電圧

スイッチが開いた後の時定数

放電

答え

すべての電源を止めて Rth を求める

すべての電源を止めて Rth を求める

開放電圧 Vth を求める

ノートン等価回路

カットオフ周波数

利得

答え

ゲイン交差

位相余裕

答え

すべての電源を止めて R_th を求める

すべての電源を止めて R_th を求める

開放電圧 V_th を求める