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 = 5·ej2.8 の角度はラジアンで表されています。その実部 a を求めてください。

r = 5θ = 2.8 rad
a =
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−2θz

ド・モアブルの定理を使って、z = −2 − j2 のときの z⁸ の実部を求めてください。

z = −2 − j2n = 8
Re(z⁸) =
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
24 V200 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 2.2 µFI

直列 RLC 回路を 24 V(実効値)、200 Hz の電源に接続する。 電流の実効値 I を求めよ。

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 150 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
50 V500 HzR1​ = 20 ΩR2​ = 80 ΩC = 10 µFI

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、50 V(実効値)、500 Hz の電源に接続されている。 電流の実効値 I を求めよ。

V = 50 V (rms)f = 500 HzR1 = 20 ΩR2 = 80 ΩC = 10 µF
I = A
5.交流電力と力率ふつう
120 VZ7 + j24 ΩI

インピーダンス Z = 7 + j24 Ω の負荷が 120 V(実効値)の単相電源に接続されている。 負荷が消費する有効電力 P を求めよ。

V = 120 VZ = 7 + j24 Ω
P = W
6.交流電力と力率むずかしい
P1​ = 48 kWQ1​S1​φ

100 kVA の単相変圧器が、遅れ力率 0.7 で 48 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 = 48 kWpf1 = 0.7
ΔP = kW
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
f|I|0.70715 kHzf1​ = ?f2​BW

RLC 直列回路が 5 kHz で共振し、Q = 2 です。下側の半電力周波数 f1 を厳密に kHz で求めなさい。

f0 = 5 kHzQ = 2
f1 = kHz
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
C = 220 nFR = 2 ΩL = 1 mH

充電した 220 nF のコンデンサが、全直列抵抗 2 Ω の 1 mH 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 = 1 mHC = 220 nFR = 2 Ω
n =
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 415 VZ = 12 + j5 Ω1 相あたり

1 相あたりのインピーダンスが 12 + j5 Ω の平衡 Δ 結線負荷が、線間電圧 415 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 = 415 VZ = 12 + j5 Ω 1 相あたり
P = kW
10.三相電力むずかしい
P = 50 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

平衡三相負荷が、690 V(線間)、50 Hz の電源から遅れ力率 0.78 で 50 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 0.98 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 = 50 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.98VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​20 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 2.2 kΩC100 µF+−vC​

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。 t = 500 ms におけるコンデンサの電圧 vC を求めよ。

Vs = 20 VR1 = 10 kΩR2 = 2.2 kΩC = 100 µFt = 500 ms
vC = V
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​5 Vt = 0R = 10 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 2 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 2 V に充電されている。 vC が 2.9 V に達するまでの時間はいくらか。t を求めよ。

Vs = 5 VR = 10 kΩC = 47 µFvC(0) = 2 V
t = ms
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩARL​20 ΩIL​B

a–b 間に負荷 RL = 20 Ω を接続する。回路の残りをテブナン等価回路に置き換え、負荷電流 IL を求めよ。

V1 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩRL = 20 Ω
IL = A
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAIs​2 ABRL​20 ΩIL​

a–b 間に負荷 RL = 20 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 = 9 VIs = 2 AR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩRL = 20 Ω
PL = W
15.ボード線図と余裕ふつう
|H| (dB)0.11101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 30

ω = 30 rad/s における G(s) = 594/((s + 6)(s + 11)) の正確な大きさ |G(jω)| を dB で求めよ。

G(s) = 594/((s + 6)(s + 11))ω = 30 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = 128/(s(s + 2)(s + 8)) である。 ゲイン余裕 GM を dB で求めよ。

L(s) = 128/(s(s + 2)(s + 8))
GM = dB

3溶液

1.複素数

答え: a = −4.711

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 = 5·(cos 2.8 + j sin 2.8)

成分(ラジアン)

a = 5·cos 2.8 = −4.711
b = 5·sin 2.8 = 1.675
a = −4.711

答え

a = −4.711
2.複素数

答え: Re(z⁸) = 4096

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。

極形式

z = −2 − j2 = 2√2∠−135°

ド・モアブル

z⁸ = (2√2)⁸∠−1080° = 4096∠0°

直交形式

z⁸ = 4096·(cos 0° + j sin 0°) = 4096
Re(z⁸) = 4096

答え

Re(z⁸) = 4096
3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: I = 0.1258 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.15 = 188.5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·2.2·10⁻⁶) = 361.7 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 + (−173.2)²) = 190.8 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| = 24/190.8 = 0.1258 A

答え

I = 0.1258 A
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: I = 1.208 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

XC = 1/(2π·500·10·10⁻⁶) = 31.83 Ω

並列回路

分子と分母に共役複素数を掛けて、Zp を実部と虚部に分けます。

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 10.93 − j27.48 Ω

合成インピーダンス

Z = 20 + 10.93 − j27.48 = 30.93 − j27.48 Ω
|Z| = √(30.93² + 27.48²) = 41.38 Ω

電流

I = V/|Z| = 50/41.38 = 1.208 A

答え

I = 1.208 A
5.交流電力と力率

答え: P = 161.3 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。

電流

|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 120/25 = 4.8 A

有効電力

P = I²·R = 4.8²·7 = 161.3 W

答え

P = 161.3 W
6.交流電力と力率

答え: ΔP = 39.19 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 = 48·tan(arccos 0.7) = 48.97 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 − 48.97²) = 87.19 kW

追加できる有効電力

ΔP = 87.19 − 48 = 39.19 kW

答え

ΔP = 39.19 kW
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: f1 = 3.904 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/(4·2²)) = 1.031

下側の半電力周波数

f1 = 5000·(1.031 − 0.25) = 3904 Hz = 3.904 kHz

答え

f1 = 3.904 kHz

上側は f₂ = 6.404 kHz です。確認:f₂ − f₁ = 2.5 kHz = f₀/Q。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: n = 7.438

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。

振幅の半減期

t = 2·0.001·ln 2/2 = 0.0006931 s

周期数

n = t·f0 = 0.0006931·10730 = 7.438

答え

n = 7.438

近道:Q = 33.71 を使って n = Q·ln 2/π。

9.三相電力

答え: P = 36.69 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 = 415 V

相電流

|Z| = √(12² + 5²) = 13 Ω
Iph = 415/13 = 31.92 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 = 3·31.92²·12 = 36.69 kW

答え

P = 36.69 kW

確認:cos φ = R/|Z| = 0.9231 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 = 29.96 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 = 50·tan(acos 0.78) = 50·0.8023 = 40.11 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0.98) = 50·0.2031 = 10.15 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 29.96 kvar

答え

QC = 29.96 kvar
11.RC・RL 過渡現象

答え: vC = 3.381 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。

コンデンサから見たテブナン等価回路

電源を短絡して Rth 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。

Rth = R1 ∥ R2 = 10·2.2/(10 + 2.2) = 1.803 kΩ
vC(∞) = 20·2.2/(10 + 2.2) = 3.607 V

時定数

τ = Rth·C = 1.803·100 = 180.3 ms

充電曲線

vC(t) = 3.607·(1 − e−500/180.3) = 3.381 V

答え

vC = 3.381 V
12.RC・RL 過渡現象

答え: t = 167.6 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) = 2 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 10 kΩ · 47 µF = 470 ms
vC(t) = 5 + (2 − 5)·e−t/τ

時間について解く

2.9 = 5 + (−3)·e−t/τ → e−t/τ = (2.9 − 5)/(2 − 5) = 0.7
t = τ·ln((2 − 5)/(2.9 − 5)) = 470·ln(1.429) = 167.6 ms

答え

t = 167.6 ms
13.テブナン・ノートン

答え: IL = 0.04054 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​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω短絡R2​4 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 = 15·4/(15+4) = 3.158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.158 + 8 = 11.16 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​4 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) = 6·4/(15+4) = 1.263 V
Rth​ = 11.16 Ω+−Vth​1.263 VRL​20 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) = 1.263/(11.16 + 20) = 0.04054 A
14.テブナン・ノートン

答え: PL = 5.615 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​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω短絡R2​12 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 = 5·12/(5+12) = 3.529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.529 + 8 = 11.53 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​12 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) = 6.353 + (−2)·3.529 = −0.7059 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −0.7059 + (−2)·8 = −16.71 V
Rth​ = 11.53 Ω−+Vth​16.71 VRL​20 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) = −16.71/(11.53 + 20) = −0.5299 A
PL = IL²·RL = −0.5299²·20 = 5.615 W
15.ボード線図と余裕

答え: |G(jω)| = −4.327 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。

大きさを掛ける

|G(j30)| = 594/(√(30² + 6²)·√(30² + 11²)) = 594/(30.59·31.95) = 0.6076

結果

20·log₁₀(0.6076) = −4.327 dB

答え

|G(jω)| = −4.327 dB
16.ボード線図と余裕

答え: GM = 1.938 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/2)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(2·8) = 4 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 64)) = K/(2·8·(2 + 8)) = K/160

ゲイン余裕

GM = 20·log₁₀(160/128) = 1.938 dB

答え

GM = 1.938 dB

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