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
ReIm55−5−5θz

z = −2 + j8 の偏角 θ を、−180° から 180° の間の主値として、度で求めてください。

z = −2 + j8
θ = °
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

z³ + 9z² + 25z + 25 = 0 の解の 1 つは z₁ = −2 + j です。係数は実数です。実数の解 r を求めてください。

z₁ = −2 + j
r =
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
24 V100 HzR = 30 ΩL = 100 mHI

抵抗とコイルが並列に、24 V(実効値)、100 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 = 24 V (rms)f = 100 HzR = 30 ΩL = 100 mH
|Z| = Ω
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
10 Vf0​R = 15 ΩL = 10 mHC = 0.1 µF

直列 RLC 回路を、周波数を回路の共振周波数に設定した 10 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 = 10 V (rms)R = 15 ΩL = 10 mHC = 0.1 µF
VL = V
5.交流電力と力率ふつう
230 V15 kW, 0.85212 kW, 0.8I = ?

2 つの負荷が 230 V の単相電源に並列に接続されている:遅れ力率 0.85 の 5 kW の負荷と、遅れ力率 0.8 の 12 kW の負荷。 電源から流れる全電流 I を求めよ。

V = 230 VP1 = 5 kW, pf1 = 0.85 遅れP2 = 12 kW, pf2 = 0.8 遅れ
I = A
6.交流電力と力率むずかしい
P = 10 kWQ1​S1​φ1​QC​

単相負荷が 400 V、50 Hz の電源から遅れ力率 0.6 で 10 kW を消費する。並列にコンデンサをつないで力率を 0.95 に改善する。 新しい線電流 Inew を求めよ。

P = 10 kWpf1 = 0.6pf2 = 0.95V = 400 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
V4.7 kΩ10 mH10 nF

RLC 並列回路で R = 4.7 kΩ、L = 10 mH、C = 10 nF です。Q 値 Q を求めなさい。

R = 4.7 kΩL = 10 mHC = 10 nF
Q =
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
C = 1 µFR = 1 ΩL = 10 mH

充電した 1 µF のコンデンサが、全直列抵抗 1 Ω の 10 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 = 10 mHC = 1 µFR = 1 Ω
n =
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 480 VZ = 5 + j12 Ω1 相あたり

1 相あたりのインピーダンスが 5 + j12 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 = 5 + j12 Ω 1 相あたり
P = kW
10.三相電力むずかしい
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

平衡三相負荷が、480 V(線間)、50 Hz の電源から遅れ力率 0.78 で 100 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 = 100 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.95VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​10 Vt = 0R1​ = 6.8 kΩR2​ = 10 kΩC220 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。 スイッチを閉じた後の回路の時定数 τ を求めよ。

Vs = 10 VR1 = 6.8 kΩR2 = 10 kΩC = 220 µF
τ = ms
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​6 Vt = 0R = 6.8 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 15 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 15 V に充電されている。 t = 60 ms におけるコンデンサの電圧 vC を求めよ。

Vs = 6 VR = 6.8 kΩC = 33 µFvC(0) = 15 Vt = 60 ms
vC = V
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​5 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 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 12 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAIs​0.5 ABRL​30 ΩIL​

a–b 間に負荷 RL = 30 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 = 9 VIs = 0.5 AR1 = 12 ΩR2 = 3 ΩR3 = 25 ΩRL = 30 Ω
IL = A
15.ボード線図と余裕ふつう
vin​R = 100 ΩL = 100 mHvout​

図の RL ハイパスフィルタ は R = 100 Ω, L = 100 mH です。32 Hz 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 = 100 ΩL = 100 mHf = 32 Hz
|H| = dB
16.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (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) = 88/(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) = 88/(s(s + 8))
ωc = rad/s

3溶液

1.複素数

答え: θ = 104 °

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。

象限

a = −2, b = 8 → II

基準角

α = atan(8/2) = 75.96°

偏角

θ = 180° − α = 104°

答え

θ = 104°

極形式では z = 8.246∠104° です。

2.複素数

答え: r = −5

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 = −2 − j
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·(−2)·z + ((−2)² + 1²) = z² + 4z + 5

2 次式でくくり出す

z³ + 9z² + 25z + 25 = (z² + 4z + 5)(z + 5)

実数の解

r = −5

答え

r = −5

解の和で確かめましょう:z₁ + z₂ + r = −4 + (−5) = −9 = −(9)。

3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: |Z| = 27.07 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·100·0.1 = 62.83 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 = 24/30 = 0.8 A
IX = V/XL = 24/62.83 = 0.382 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) = √(0.8² + 0.382²) = 0.8865 A

インピーダンス

|Z| = V/I = 24/0.8865 = 27.07 Ω

答え

|Z| = 27.07 Ω
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: VL = 210.8 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/√(0.01·0.1·10⁻⁶) = 31623 rad/s
I = V/R = 10/15 = 0.6667 A

コイルの両端の電圧

XL = ω₀L = 31623·0.01 = 316.2 Ω
VL = I·XL = 0.6667·316.2 = 210.8 V

答え

VL = 210.8 V

これは電源電圧の Q = 21.08 倍です。

5.交流電力と力率

答え: I = 90.72 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。

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 = 5·tan(arccos 0.85) = 3.099 kvar
Q2 = 12·tan(arccos 0.8) = 9 kvar

合計

P = 5 + 12 = 17 kW
Q = 3.099 + 9 = 12.1 kvar
S = √(17² + 12.1²) = 20.87 kVA

全電流

I = S/V = 20866/230 = 90.72 A

答え

I = 90.72 A
6.交流電力と力率

答え: Inew = 26.32 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。

改善前後の無効電力

有効電力 P は変わらず、電源から取る無効電力だけが変わります。

Q1 = P·tan φ1 = 10·tan(53.13°) = 13.33 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(18.19°) = 3.287 kvar
QC = Q1 − Q2 = 10.05 kvar

新しい線電流

Inew = P/(V·cos φ2) = 10000/(400·0.95) = 26.32 A

答え

Inew = 26.32 A
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Q = 4.7

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) = 100000 rad/s

Q 値

Q = R/(ω₀L) = 4700/(100000·0.01) = 4.7

答え

Q = 4.7

帯域幅は 1/(2πRC) = 3.386 kHz です。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: n = 22.06

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 = 2·0.01·ln 2/1 = 0.01386 s

周期数

n = t·f0 = 0.01386·1592 = 22.06

答え

n = 22.06

近道:Q = 100 を使って n = Q·ln 2/π。

9.三相電力

答え: P = 20.45 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| = √(5² + 12²) = 13 Ω
Iph = 480/13 = 36.92 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 = 3·36.92²·5 = 20.45 kW

答え

P = 20.45 kW

確認:cos φ = R/|Z| = 0.3846 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 = 47.36 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 = 100·tan(acos 0.78) = 100·0.8023 = 80.23 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0.95) = 100·0.3287 = 32.87 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 47.36 kvar

答え

QC = 47.36 kvar
11.RC・RL 過渡現象

答え: τ = 890.5 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 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 = 6.8·10/(6.8 + 10) = 4.048 kΩ
vC(∞) = 10·10/(6.8 + 10) = 5.952 V

時定数

τ = Rth·C = 4.048·220 = 890.5 ms

答え

τ = 890.5 ms
12.RC・RL 過渡現象

答え: vC = 12.89 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。

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) = 15 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 6.8 kΩ · 33 µF = 224.4 ms
vC(t) = 6 + (15 − 6)·e−t/τ

指定時刻の電圧

vC(60) = 6 + (9)·e−60/224.4 = 12.89 V

答え

vC = 12.89 V
13.テブナン・ノートン

答え: IN = 0.24 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​ = 20 Ω短絡R2​5 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 = 6·5/(6+5) = 2.727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.727 + 20 = 22.73 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​5 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) = 12·5/(6+5) = 5.455 V
IN​0.24 ARth​22.73 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 = 5.455/22.73 = 0.24 A
14.テブナン・ノートン

答え: IL = 0.27 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​ = 12 ΩR3​ = 25 Ω短絡R2​3 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 = 12·3/(12+3) = 2.4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.4 + 25 = 27.4 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAIs​0.5 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) = 1.8 + 0.5·2.4 = 3 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 3 + 0.5·25 = 15.5 V
Rth​ = 27.4 Ω+−Vth​15.5 VRL​30 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) = 15.5/(27.4 + 30) = 0.27 A
15.ボード線図と余裕

答え: |H| = −14.11 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 = 100/0.1 = 1000 rad/s
fc = 159.2 Hz → f/fc = 32/159.2 = 0.2011

利得

|H| = 0.2011/√(1 + 0.2011²) = 0.1971
20·log₁₀(0.1971) = −14.11 dB

答え

|H| = −14.11 dB
16.ボード線図と余裕

答え: ωc = 7.851 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 − 7744 = 0
ω² = (−64 + √(4096 + 4·7744))/2 = 61.64
ωc = 7.851 rad/s

答え

ωc = 7.851 rad/s

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