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。

新しい問題科目に戻る

印刷ウィンドウで「PDF として保存」を選ぶと、コピーを端末に保存できます。

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·ejθ
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
zk = R1/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

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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 R1/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
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 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

  1. 周波数を換算します:ω = 2πf。
  2. 各リアクタンスを求めます:XL = ωL、XC = 1/(ωC)。
  3. 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。
  4. 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
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(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
Imax = 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
f1,2 = f0(√(1 + 1/(4Q²)) ∓ 1/(2Q))
コイル抵抗 r をもつタンク回路
RD = L/(C·r) = Q²·r
振幅の減衰
e−Rt/(2L)

解き方

  1. まず共振周波数を求めます:ω₀ = 1/√(LC)、f₀ = ω₀/(2π)。
  2. 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)。
  3. 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。
  4. 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
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ 結線
VL = Vph, IL = √3·Iph
全有効電力
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
皮相電力と無効電力
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
力率改善用コンデンサ
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
各コンデンサにかかる電圧
Δ:VL Y:VL/√3
モーターの入力
Pin = Pout/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;vC は急変しない
直流でのインダクタ
短絡;iL は急変しない
定常値
t ≈ 5τ

解き方

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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
Vth = Vopen circuit
テブナン抵抗
Rth: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
IN = Vth/Rth
負荷電流
IL = Vth/(Rth + RL)
最大電力伝送
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

解き方

  1. 負荷を外し、2 つの端子を a と b とします。
  2. a と b の間の開放電圧を求めます:これが Vth です。
  3. 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 Rth です。
  4. 負荷を等価回路に戻します:Vth と Rth の直列です。
  5. ノートン等価回路には変換します:IN = Vth/Rth、RN = Rth を並列に接続します。

2演習問題

1.複素数ふつう
ReIm22−2−244−4−4θz

z = −4 + j5 を指数形式 r·ejθ で表してください。θ をラジアンで、−π から π の間で答えてください。

z = −4 + j5
θ = rad
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₀z₁z₂z₃z₄

n = 5、w = 243∠−60° のとき、zⁿ = w の解は zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n)、k = 0, 1, …, 4 です。z₁ の偏角を、−180° から 180° の間で、度で求めてください。

w = 243∠−60°n = 5k = 1
θ₁ = °
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
Vf0​ = 200 HzRL = ?C = 2.2 µF

C = 2.2 µF の直列 RLC 回路を 200 Hz で共振させなければならない。必要なインダクタンス L を求めよ。

f0 = 200 HzC = 2.2 µF
L = mH
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
100 V200 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 1 µF+−VC​

直列 RLC 回路を 100 V(実効値)、200 Hz の電源に接続する。 コンデンサの両端電圧の実効値 VC を求めよ。

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 1 µF
VC = V
5.交流電力と力率ふつう
P = 22 kWQSφ

単相モーターが 400 V の電源から、遅れ力率 0.75 で 22 kW を消費する。 線電流 I を求めよ。

P = 22 kWpf = 0.75V = 400 V
I = A
6.交流電力と力率むずかしい
12 V50 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j20 ΩZL​ = ?

12 V(実効値)、50 Hz の電源の内部インピーダンスは Zs = 25 + j20 Ω である。負荷インピーダンス ZL は自由に選べる。 負荷に供給できる最大の有効電力 Pmax を求めよ。

Vs = 12 V (rms)f = 50 HzZs = 25 + j20 Ω
Pmax = W
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
f|I|0.7071500 kHzf1​ = ?f2​BW

RLC 直列回路が 500 kHz で共振し、Q = 1.5 です。下側の半電力周波数 f1 を厳密に kHz で求めなさい。

f0 = 500 kHzQ = 1.5
f1 = kHz
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
V100 ΩLC = ?

全抵抗 100 Ω、共振周波数 10 kHz、帯域幅 400 Hz の RLC 直列フィルタを設計します。静電容量 C を nF で求めなさい。

R = 100 Ωf0 = 10 kHzBW = 400 Hz
C = nF
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 480 VZ = 8 + j6 Ω1 相あたり

1 相あたりのインピーダンスが 8 + j6 Ω の平衡 Δ 結線負荷が、線間電圧 480 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。

VL = 480 VZ = 8 + j6 Ω 1 相あたり
P = kW
10.三相電力むずかしい
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

平衡三相負荷が、415 V(線間)、50 Hz の電源から遅れ力率 0.78 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 0.95 に改善する。有効電力は変わらない。 コンデンサバンクが供給すべき全無効電力 QC を kvar で求めよ。

P = 300 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.95VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​9 Vt = 0R = 15 ΩL100 mHi(t)

t = 0 でスイッチが閉じる前、コイルに電流は流れていない。 t = 15 ms におけるコイルの電圧 vL を求めよ。

Vs = 9 VR = 15 ΩL = 100 mHt = 15 ms
vL = V
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​9 Vt = 0 で開くR1​ = 1 kΩR2​ = 10 kΩC47 µF+−vC​

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 = 150 ms におけるコンデンサの電圧 vC を求めよ。

Vs = 9 VR1 = 1 kΩR2 = 10 kΩC = 47 µFt = 150 ms
vC = V
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAab

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

V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAIs​2 ABRL​12 ΩIL​

a–b 間に負荷 RL = 12 Ω を接続する。テブナン等価回路を使って、負荷で消費される電力 PL を求めよ。

V1 = 12 VIs = 2 AR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩRL = 12 Ω
PL = W
15.ボード線図と余裕ふつう
vin​C = 10 nFR = 1 kΩvout​

図の RC ハイパスフィルタ は R = 1 kΩ, C = 10 nF です。80 kHz の正弦波入力が加えられます。 vin に対する vout の位相のずれ φ を度で求めよ。

R = 1 kΩC = 10 nFf = 80 kHz
φ = °
16.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

ユニティフィードバック系の開ループ伝達関数は L(s) = 334/(s(s + 5)(s + 7)) である。 ゲイン余裕 GM を dB で求めよ。

L(s) = 334/(s(s + 5)(s + 7))
GM = dB

3溶液

1.複素数

答え: θ = 2.246 rad

極形式:z = r∠θ = r(cos θ + j sin θ) = r·ejθ、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。

絶対値

r = √(16 + 25) = 6.403

ラジアンでの偏角

θ = 128.7° = 128.7·π/180 = 2.246 rad

指数形式

z = 6.403·ej2.246

答え

θ = 2.246 rad
2.複素数

答え: θ₁ = 60 °

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 R1/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。

解の絶対値

2431/5 = 3

解の偏角

θ₁ = (−60° + 360°·1)/5 = 60°

偏角

θ₁ = 60°

答え

θ₁ = 60°

5 個の解は、半径 3 の円周上に 72° ずつ離れて並びます。

3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: L = 287.8 mH

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。

共振条件

共振時には誘導性リアクタンスと容量性リアクタンスが打ち消し合います:ωL = 1/(ωC)。

ω₀ = 2π·200 = 1257 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(1257²·2.2·10⁻⁶) = 287.8 mH

答え

L = 287.8 mH
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: VC = 129.9 V

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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.15 = 188.5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·1·10⁻⁶) = 795.8 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(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−607.3)²) = 612.5 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| = 100/612.5 = 0.1633 A

コンデンサの電圧

VC = I·XC = 0.1633·795.8 = 129.9 V

答え

VC = 129.9 V
5.交流電力と力率

答え: I = 73.33 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) = 22000/(400·0.75) = 73.33 A

答え

I = 73.33 A
6.交流電力と力率

答え: Pmax = 1.44 W

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。

共役整合

負荷のリアクタンスは電源のリアクタンスを打ち消し、負荷抵抗は電源抵抗に等しくなります。

ZL = Zs* = 25 − j20 Ω

最大電力

I = Vs/(2Rs) = 12/50 = 0.24 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 12²/(4·25) = 1.44 W

答え

Pmax = 1.44 W
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: f1 = 360.4 kHz

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、f1,2 = 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。

平方根の項

√(1 + 1/(4·1.5²)) = 1.054

下側の半電力周波数

f1 = 500000·(1.054 − 0.3333) = 360380 Hz = 360.4 kHz

答え

f1 = 360.4 kHz

上側は f₂ = 693.7 kHz です。確認:f₂ − f₁ = 333.3 kHz = f₀/Q。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: C = 6.366 nF

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、f1,2 = 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。

帯域幅から求めるインダクタンス

L = R/(2π·BW) = 100/(2π·400) = 0.03979 H

共振周波数から求める静電容量

C = 1/((2π·10000)²·0.03979) = 6.366 × 10⁻⁹ F = 6.366 nF

答え

C = 6.366 nF

Q = f₀/BW = 25。

9.三相電力

答え: P = 55.3 kW

平衡三相回路:Y(星形)結線では線間電圧は相電圧の √3 倍、VL = √3·Vph 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、IL = √3·Iph です。全電力は 1 相分の電力の 3 倍です:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ。

相電圧

Vph = VL = 480 V

相電流

|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 480/10 = 48 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·Iph²·R = 3·48²·8 = 55.3 kW

答え

P = 55.3 kW

確認:cos φ = R/|Z| = 0.8 で、√3·VL·IL·cos φ からも同じ電力が得られます。

10.三相電力

答え: QC = 142.1 kvar

平衡三相回路:Y(星形)結線では線間電圧は相電圧の √3 倍、VL = √3·Vph 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、IL = √3·Iph です。全電力は 1 相分の電力の 3 倍です:P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·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:QC = P·(tan φ1 − tan φ2)。3 個のコンデンサはそれぞれ QC/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 VL、Y バンクでは VL/√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 0.78) = 300·0.8023 = 240.7 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0.95) = 300·0.3287 = 98.61 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 142.1 kvar

答え

QC = 142.1 kvar
11.RC・RL 過渡現象

答え: vL = 0.9486 V

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。

時定数と最終電流

スイッチを閉じて十分時間がたつと、コイルは短絡と同じに振る舞うので、最終電流は R だけで決まります。

τ = L/R = 100 mH / 15 Ω = 6.667 ms
i(∞) = Vs/R = 9/15 = 0.6 A

コイルの電圧

t = 0 では電源電圧がすべてコイルにかかり、その後 0 まで減衰します。

vL(t) = Vs·e−t/τ = 9·e−15/6.667 = 0.9486 V

答え

vL = 0.9486 V
12.RC・RL 過渡現象

答え: vC = 5.946 V

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。

vC(0) = 9·10/(1 + 10) = 8.182 V

スイッチが開いた後の時定数

τ = R2·C = 10·47 = 470 ms

放電

vC(t) = 8.182·e−150/470 = 5.946 V

答え

vC = 5.946 V
13.テブナン・ノートン

答え: IN = 0.1929 A

テブナンの定理:線形な 2 端子回路は、1 つの電圧源 Vth と抵抗 Rth 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 IN = Vth/Rth と Rth の並列回路として表します。

R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω短絡R2​12 ΩAabRth​

すべての電源を止めて Rth 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 = 20·12/(20+12) = 7.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7.5 + 10 = 17.5 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAab+−Vth​

開放電圧 Vth を求める

a–b が開放のとき R₃ には電流が流れないので電圧降下はなく、V_b = V_A です。R₁ と R₂ は分圧回路になります。

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 9·12/(20+12) = 3.375 V
IN​0.1929 ARth​17.5 Ωab

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。

IN = Vth/Rth = 3.375/17.5 = 0.1929 A
14.テブナン・ノートン

答え: PL = 18.53 W

テブナンの定理:線形な 2 端子回路は、1 つの電圧源 Vth と抵抗 Rth 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 IN = Vth/Rth と Rth の並列回路として表します。

R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω短絡R2​6 ΩA開放BabRth​

すべての電源を止めて Rth 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
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.75 + 10 = 13.75 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAIs​2 ABab+−Vth​

開放電圧 Vth 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。

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 4.5 + 2·3.75 = 12 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12 + 2·10 = 32 V
Rth​ = 13.75 Ω+−Vth​32 VRL​12 ΩIL​

負荷をテブナン等価回路につなぐ

テブナン電源と直列の R_th は a–b で元の回路とまったく同じに振る舞うので、負荷からは単純な直列回路に見えます。

IL = Vth/(Rth + RL) = 32/(13.75 + 12) = 1.243 A
PL = IL²·RL = 1.243²·12 = 18.53 W
15.ボード線図と余裕

答え: φ = 11.25 °

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 ωc = 1/(RC) または R/L、fc = ωc/(2π) で、ローパスフィルタでは |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)、φ = −atan(ω/ωc) 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 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB)、位相余裕 PM = 180° + ∠L(jωc)。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

ωc = 1/(RC) = 1/(1000·1 × 10⁻⁸) = 100000 rad/s
fc = 15915 Hz → f/fc = 80000/15915 = 5.027

位相

φ = 90° − atan(5.027) = 11.25°

答え

φ = 11.25°
16.ボード線図と余裕

答え: GM = 1.99 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 ωc = 1/(RC) または R/L、fc = ωc/(2π) で、ローパスフィルタでは |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)、φ = −atan(ω/ωc) 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 ωc:|L(jω)| = 1(0 dB)、位相余裕 PM = 180° + ∠L(jωc)。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。

位相交差

(ω/5)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(5·7) = 5.916 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 49)) = K/(5·7·(5 + 7)) = K/420

ゲイン余裕

GM = 20·log₁₀(420/334) = 1.99 dB

答え

GM = 1.99 dB

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