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
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂w

z₁ = 1.5∠125°、z₂ = 4∠80° のとき、w = z₁/z₂ の虚部を求めてください。

z₁ = 1.5∠125°z₂ = 4∠80°
Im(w) =
2.複素数むずかしい
ReIm22−2−244−4−4z₀z₁z₂

n = 3、w = 64∠120° のとき、zⁿ = w の解は zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n)、k = 0, 1, 2 です。z₀ の実部を求めてください。

w = 64∠120°n = 3k = 0
Re(z₀) =
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
12 V500 HzR = 50 ΩL = 50 mHI

抵抗とコイルが並列に、12 V(実効値)、500 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 = 12 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩL = 50 mH
|Z| = Ω
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
120 V200 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 100 µF+−VC​

直列 RLC 回路を 120 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 = 120 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 100 µF
VC = V
5.交流電力と力率ふつう
240 V115 kW, 0.8225 kW, 0.7I

2 つの負荷が 240 V の単相電源に並列に接続されている:遅れ力率 0.8 の 15 kW の負荷と、遅れ力率 0.7 の 25 kW の負荷。 電源から見た全体の力率 cos φ を求めよ。

V = 240 VP1 = 15 kW, pf1 = 0.8 遅れP2 = 25 kW, pf2 = 0.7 遅れ
cos φ =
6.交流電力と力率むずかしい
P1​ = 93 kWQ1​S1​φ

200 kVA の単相変圧器が、遅れ力率 0.7 で 93 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 = 200 kVAP1 = 93 kWpf1 = 0.7
ΔP = kW
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
V2.2 kΩ470 µH10 nF

RLC 並列回路で R = 2.2 kΩ、L = 470 µH、C = 10 nF です。Q 値 Q を求めなさい。

R = 2.2 kΩL = 470 µHC = 10 nF
Q =
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
C = 47 nFr = 2 ΩL = 1 mH

並列のタンク回路が、47 nF のコンデンサと、巻線抵抗 2 Ω の 1 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 = 1 mHC = 47 nFr = 2 Ω
RD = kΩ
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M22 kW, η = 92%cos φ = 0.9

三相誘導電動機が全負荷で 22 kW の機械出力を出している。この負荷での効率は 92%、力率は遅れ 0.9 である。電源の線間電圧は 415 V である。線電流 IL を求めよ。

Pout = 22 kWη = 92%cos φ = 0.9VL = 415 V
IL = A
10.三相電力むずかしい
P = 250 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 0.75 で 250 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。 コンデンサは Y 結線である。各コンデンサの静電容量 Cph を µF で求めよ。

P = 250 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.95VL = 690 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​9 Vt = 0R = 68 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 90% に達するか。t を求めよ。

Vs = 9 VR = 68 ΩL = 100 mH
t = ms
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​10 Vt = 0 で開くR1​ = 3.3 kΩR2​ = 4.7 kΩi2​C47 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 = 300 ms で R2 を流れる電流 i2 を求めよ。

Vs = 10 VR1 = 3.3 kΩR2 = 4.7 kΩC = 47 µFt = 300 ms
i2 = mA
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAab

端子 a–b から見たテブナン抵抗 Rth を求めよ。

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 Ω
Rth = Ω
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAIs​5 ABRL​10 ΩIL​

a–b 間に負荷 RL = 10 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 = 18 VIs = 5 AR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 ΩRL = 10 Ω
PL = W
15.ボード線図と余裕ふつう
vin​L = 1 mHR = 220 Ωvout​

図の RL ローパスフィルタ は R = 220 Ω, L = 1 mH です。70 kHz の正弦波入力が加えられます。 ゲイン |H| = |vout/vin| を dB で求めよ。

R = 220 ΩL = 1 mHf = 70 kHz
|H| = dB
16.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

ユニティフィードバック系の開ループ伝達関数は L(s) = 24/(s(s + 8)) である。 |L(jω)| = 1 となるゲイン交差周波数 ωc を求めよ。

L(s) = 24/(s(s + 8))
ωc = rad/s

3溶液

1.複素数

答え: Im(w) = 0.2652

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。

w の絶対値と偏角

|w| = 1.5 / 4 = 0.375
θ = 125° − 80° = 45°

直交形式

Re(w) = 0.375·cos(45°) = 0.2652
Im(w) = 0.375·sin(45°) = 0.2652
Im(w) = 0.2652

答え

Im(w) = 0.2652
2.複素数

答え: Re(z₀) = 3.064

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

641/3 = 4

解の偏角

θ₀ = (120° + 360°·0)/3 = 40°

直交形式

z₀ = 4·(cos 40° + j sin 40°) = 3.064 + j2.571
Re(z₀) = 3.064

答え

Re(z₀) = 3.064

3 個の解は、半径 4 の円周上に 120° 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: |Z| = 47.64 Ω

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

XL = ωL = 2π·500·0.05 = 157.1 Ω

枝電流

両方の枝は電源に直接接続されているので、どちらにも電圧 V 全体がかかります。

IR = V/R = 12/50 = 0.24 A
IX = V/XL = 12/157.1 = 0.07639 A

全電流

抵抗の電流は V と同相で、リアクタンスの電流は 90° 位相がずれているので、直角三角形の辺のように合成されます。

I = √(IR² + IX²) = √(0.24² + 0.07639²) = 0.2519 A

インピーダンス

|Z| = V/I = 12/0.2519 = 47.64 Ω

答え

|Z| = 47.64 Ω
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: VC = 3.017 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 = 1257·0.25 = 314.2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·100·10⁻⁶) = 7.958 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 + (306.2)²) = 316.5 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| = 120/316.5 = 0.3792 A

コンデンサの電圧

VC = I·XC = 0.3792·7.958 = 3.017 V

答え

VC = 3.017 V
5.交流電力と力率

答え: cos φ = 0.7363

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。

各負荷の無効電力

遅れ負荷は無効電力を消費し(Q > 0)、進み負荷は無効電力を供給します(Q < 0)。

Q1 = 15·tan(arccos 0.8) = 11.25 kvar
Q2 = 25·tan(arccos 0.7) = 25.51 kvar

合計

P = 15 + 25 = 40 kW
Q = 11.25 + 25.51 = 36.76 kvar
S = √(40² + 36.76²) = 54.32 kVA

全体の力率

cos φ = P/S = 40/54.32 = 0.7363 遅れ

答え

cos φ = 0.7363
6.交流電力と力率

答え: ΔP = 83.06 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 = 93·tan(arccos 0.7) = 94.88 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) = √(200² − 94.88²) = 176.1 kW

追加できる有効電力

ΔP = 176.1 − 93 = 83.06 kW

答え

ΔP = 83.06 kW
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Q = 10.15

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。

共振周波数

ω₀ = 1/√(LC) = 461266 rad/s

Q 値

Q = R/(ω₀L) = 2200/(461266·0.00047) = 10.15

答え

Q = 10.15

帯域幅は 1/(2πRC) = 7.234 kHz です。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: RD = 10.64 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 = 0.001/(4.7 × 10⁻⁸·2) = 10638 Ω = 10.64 kΩ

Q で確認する

Q = (1/r)·√(L/C) = 72.93, Q²·r = 10638 Ω

答え

RD = 10.64 kΩ
9.三相電力

答え: IL = 36.96 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 = 22/0.92 = 23.91 kW

線電流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 23913/(√3·415·0.9) = 36.96 A

答え

IL = 36.96 A
10.三相電力

答え: Cph = 770.6 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 = 250·tan(acos 0.75) = 250·0.8819 = 220.5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0.95) = 250·0.3287 = 82.17 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 138.3 kvar

1 相あたりの静電容量

Y バンクでは、各コンデンサは線と中性点の間に接続されています。

V = 690/√3 = 398.4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 46103/(377·398.4²) = 770.6 µF

答え

Cph = 770.6 µF
11.RC・RL 過渡現象

答え: t = 3.386 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 / 68 Ω = 1.471 ms
i(∞) = Vs/R = 9/68 = 0.1324 A

時間について解く

0.9 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.9)
t = −1.471·ln(0.1) = 3.386 ms

答え

t = 3.386 ms
12.RC・RL 過渡現象

答え: i2 = 0.3214 mA

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) = 10·4.7/(3.3 + 4.7) = 5.875 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

vC(t) = 5.875·e−300/220.9 = 1.511 V
i2 = vC/R2 = 1.511/4.7 = 0.3214 mA

答え

i2 = 0.3214 mA
13.テブナン・ノートン

答え: Rth = 6.4 Ω

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​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω短絡R2​3 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 = 12·3/(12+3) = 2.4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.4 + 4 = 6.4 Ω
14.テブナン・ノートン

答え: PL = 105.4 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​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω短絡R2​4 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 = 6·4/(6+4) = 2.4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.4 + 12 = 14.4 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAIs​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) = 7.2 + 5·2.4 = 19.2 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 19.2 + 5·12 = 79.2 V
Rth​ = 14.4 Ω+−Vth​79.2 VRL​10 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) = 79.2/(14.4 + 10) = 3.246 A
PL = IL²·RL = 3.246²·10 = 105.4 W
15.ボード線図と余裕

答え: |H| = −6.987 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。

カットオフ周波数

ωc = R/L = 220/0.001 = 220000 rad/s
fc = 35014 Hz → f/fc = 70000/35014 = 1.999

利得

|H| = 1/√(1 + 1.999²) = 0.4474
20·log₁₀(0.4474) = −6.987 dB

答え

|H| = −6.987 dB
16.ボード線図と余裕

答え: ωc = 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。

ゲイン交差

ω⁴ + 64ω² − 576 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·576))/2 = 8
ωc = 2.828 rad/s

答え

ωc = 2.828 rad/s

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