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·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

数 z = 6·ej2.4 の角度はラジアンで表されています。その虚部 b を求めてください。

r = 6θ = 2.4 rad
b =
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₁z₂

z³ − 4z² + z + 26 = 0 の解の 1 つは z₁ = 3 + j2 です。係数は実数です。実数の解 r を求めてください。

z₁ = 3 + j2
r =
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
12 V100 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 4.7 µFI

直列 RLC 回路を 12 V(実効値)、100 Hz の電源に接続する。 電流の実効値 I を求めよ。

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 4.7 µF
I = A
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
5 Vf0​R = 2 ΩL = 100 mHC = 10 µF

直列 RLC 回路を、周波数を回路の共振周波数に設定した 5 V(実効値)の電源で駆動する。コイルの両端の電圧の実効値 VL を求めよ。

V = 5 V (rms)R = 2 ΩL = 100 mHC = 10 µF
VL = V
5.交流電力と力率ふつう
120 VR + jXP = 1035 W11.5 A

誘導性負荷が 120 V(実効値)の単相電源から 11.5 A と 1035 W を消費する。これを抵抗 R とリアクタンス X の直列回路としてモデル化する。 R を求めよ。

V = 120 VI = 11.5 AP = 1035 W
R = Ω
6.交流電力と力率むずかしい
P1​ = 69 kWQ1​S1​φ

100 kVA の単相変圧器が、遅れ力率 0.85 で 69 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。

Smax = 100 kVAP1 = 69 kWpf1 = 0.85
ΔP = kW
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
V47 Ω4.7 mH100 pF

RLC 直列回路で R = 47 Ω、L = 4.7 mH、C = 100 pF です。Q 値 Q を求めなさい。

R = 47 ΩL = 4.7 mHC = 100 pF
Q =
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
C = 10 nFr = 1 ΩL = 100 mH

並列のタンク回路が、10 nF のコンデンサと、巻線抵抗 1 Ω の 100 mH のコイルでできています。共振では抵抗のようにふるまい、その動的抵抗は RD = L/(C·r) です。RD を kΩ で求めなさい。

L = 100 mHC = 10 nFr = 1 Ω
RD = kΩ
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M11 kW, η = 91%cos φ = 0.85

三相誘導電動機が全負荷で 11 kW の機械出力を出している。この負荷での効率は 91%、力率は遅れ 0.85 である。電源の線間電圧は 480 V である。線電流 IL を求めよ。

Pout = 11 kWη = 91%cos φ = 0.85VL = 480 V
IL = A
10.三相電力むずかしい
P = 300 kWφ1​S1​Q2​QC​

平衡三相負荷が、690 V(線間)、60 Hz の電源から遅れ力率 0.8 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 0.92 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 Cph を µF で求めよ。

P = 300 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​12 Vt = 0R = 100 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。 スイッチを閉じてからどれだけ後に、電流が最終値の 75% に達するか。t を求めよ。

Vs = 12 VR = 100 ΩL = 100 mH
t = ms
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​12 Vt = 0R = 6.8 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 4 V

t = 0 でスイッチが閉じる直前、コンデンサは図の極性で 4 V に充電されている。 vC が 6.4 V に達するまでの時間はいくらか。t を求めよ。

Vs = 12 VR = 6.8 kΩC = 10 µFvC(0) = 4 V
t = ms
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​2 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 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​25 ΩAIs​1.5 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 = 15 VIs = 1.5 AR1 = 8 ΩR2 = 25 ΩR3 = 6 ΩRL = 12 Ω
PL = W
15.ボード線図と余裕ふつう
vin​C = 47 nFR = 22 kΩvout​

図の RC ハイパスフィルタ は R = 22 kΩ, C = 47 nF です。310 Hz 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 = 22 kΩC = 47 nFf = 310 Hz
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) = 38/(s(s + 2)(s + 4)) である。 ∠L(jω) = −180° となる位相交差周波数 ω180 を求めよ。

L(s) = 38/(s(s + 2)(s + 4))
ω180 = rad/s

3溶液

1.複素数

答え: b = 4.053

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。

オイラーの公式

z = 6·(cos 2.4 + j sin 2.4)

成分(ラジアン)

a = 6·cos 2.4 = −4.424
b = 6·sin 2.4 = 4.053
b = 4.053

答え

b = 4.053
2.複素数

答え: r = −2

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。

共役な対

z₂ = 3 − j2
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·3·z + (3² + 2²) = z² − 6z + 13

2 次式でくくり出す

z³ − 4z² + z + 26 = (z² − 6z + 13)(z + 2)

実数の解

r = −2

答え

r = −2

解の和で確かめましょう:z₁ + z₂ + r = 6 + (−2) = 4 = −(−4)。

3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: I = 0.04545 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·100 = 628.3 rad/s
XL = ωL = 628.3·0.15 = 94.25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·4.7·10⁻⁶) = 338.6 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) = √(100² + (−244.4)²) = 264 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| = 12/264 = 0.04545 A

答え

I = 0.04545 A
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: VL = 250 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。

共振

共振時にはリアクタンスが打ち消し合うので、インピーダンスは R だけです。

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.1·10·10⁻⁶) = 1000 rad/s
I = V/R = 5/2 = 2.5 A

コイルの両端の電圧

XL = ω₀L = 1000·0.1 = 100 Ω
VL = I·XL = 2.5·100 = 250 V

答え

VL = 250 V

これは電源電圧の Q = 50 倍です。

5.交流電力と力率

答え: R = 7.826 Ω

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。

有効電力からの抵抗

R = P/I² = 1035/11.5² = 7.826 Ω

答え

R = 7.826 Ω
6.交流電力と力率

答え: ΔP = 21.4 kW

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。

既存の負荷の無効電力

Q1 = 69·tan(arccos 0.85) = 42.76 kvar

最大の全有効電力

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

P = √(Smax² − Q1²) = √(100² − 42.76²) = 90.4 kW

追加できる有効電力

ΔP = 90.4 − 69 = 21.4 kW

答え

ΔP = 21.4 kW
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Q = 145.9

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。

特性インピーダンス

√(L/C) = √(0.0047/1 × 10⁻¹⁰) = 6856 Ω

Q 値

Q = 6856/47 = 145.9

答え

Q = 145.9

共振周波数は 232.2 kHz なので、BW = f₀/Q = 1.592 kHz です。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: RD = 10000 kΩ

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。

動的抵抗

RD = 0.1/(1 × 10⁻⁸·1) = 1 × 10⁷ Ω = 10000 kΩ

Q で確認する

Q = (1/r)·√(L/C) = 3162, Q²·r = 1 × 10⁷ Ω

答え

RD = 10000 kΩ
9.三相電力

答え: IL = 17.11 A

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。

電気入力

Pin = Pout/η = 11/0.91 = 12.09 kW

線電流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 12088/(√3·480·0.85) = 17.11 A

答え

IL = 17.11 A
10.三相電力

答え: Cph = 180.5 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、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 0.8) = 300·0.75 = 225 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0.92) = 300·0.426 = 127.8 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 97.2 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 = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 32400/(377·690²) = 180.5 µF

答え

Cph = 180.5 µF
11.RC・RL 過渡現象

答え: t = 1.386 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。

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 / 100 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 12/100 = 0.12 A

時間について解く

0.75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.75)
t = −1·ln(0.25) = 1.386 ms

答え

t = 1.386 ms
12.RC・RL 過渡現象

答え: t = 24.25 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。

初期値、最終値、時定数

コンデンサの電圧は急変できないので、蓄えた値から始まり、電源電圧へ向かいます。

vC(0) = 4 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 6.8 kΩ · 10 µF = 68 ms
vC(t) = 12 + (4 − 12)·e−t/τ

時間について解く

6.4 = 12 + (−8)·e−t/τ → e−t/τ = (6.4 − 12)/(4 − 12) = 0.7
t = τ·ln((4 − 12)/(6.4 − 12)) = 68·ln(1.429) = 24.25 ms

答え

t = 24.25 ms
13.テブナン・ノートン

答え: IN = 0.6818 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​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω短絡R2​2 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 = 6·2/(6+2) = 1.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.5 + 4 = 5.5 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​2 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) = 15·2/(6+2) = 3.75 V
IN​0.6818 ARth​5.5 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 = 3.75/5.5 = 0.6818 A
14.テブナン・ノートン

答え: PL = 17.98 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​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω短絡R2​25 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 = 8·25/(8+25) = 6.061 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6.061 + 6 = 12.06 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​25 ΩAIs​1.5 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) = 11.36 + 1.5·6.061 = 20.45 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 20.45 + 1.5·6 = 29.45 V
Rth​ = 12.06 Ω+−Vth​29.45 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) = 29.45/(12.06 + 12) = 1.224 A
PL = IL²·RL = 1.224²·12 = 17.98 W
15.ボード線図と余裕

答え: φ = 26.41 °

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/(22000·4.7 × 10⁻⁸) = 967.1 rad/s
fc = 153.9 Hz → f/fc = 310/153.9 = 2.014

位相

φ = 90° − atan(2.014) = 26.41°

答え

φ = 26.41°
16.ボード線図と余裕

答え: ω180 = 2.828 rad/s

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/2)·(ω/4) = 1 → ω180 = √(2·4) = 2.828 rad/s

答え

ω180 = 2.828 rad/s

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