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
ReIm22−2−244−4−466−6−6θz

z = 6 + j6 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 = 6 + j6
θ = °
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

z³ − 8z − 32 = 0 の解の 1 つは z₁ = −2 + j2 です。係数は実数です。実数の解 r を求めてください。

z₁ = −2 + j2
r =
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
120 V1000 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 4.7 µF

直列 RLC 回路を 120 V(実効値)、1000 Hz の電源に接続する。 インピーダンスの位相角 φ を度で求めよ(電流が電圧より遅れるとき正)。

V = 120 V (rms)f = 1000 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 4.7 µF
φ = °
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
230 V200 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

直列 RLC 回路を 230 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 = 230 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 100 µF
I = A
5.交流電力と力率ふつう
P = 12 kWQ = ?Sφ

単相モーターが 240 V の電源から、遅れ力率 0.6 で 12 kW を消費する。 モーターの無効電力 Q を求めよ。

P = 12 kWpf = 0.6V = 240 V
Q = kvar
6.交流電力と力率むずかしい
120 V50 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j5 ΩZL​ = ?

120 V(実効値)、50 Hz の電源の内部インピーダンスは Zs = 25 + j5 Ω である。負荷インピーダンス ZL は自由に選べる。 最大電力を得る負荷を、抵抗とコンデンサの直列回路でつくる。静電容量 C を求めよ。

Vs = 120 V (rms)f = 50 HzZs = 25 + j5 Ω
C = µF
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
tvC​iL​T/4 = ?T/2TL = 1 mHC = 2.2 µF

理想的な LC 回路で L = 1 mH、C = 2.2 µF とし、t = 0 でコンデンサが満充電されています。エネルギーがすべてインダクタに移るまでにどれだけかかりますか。t を µs で答えなさい。

L = 1 mHC = 2.2 µF
t = µs
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
C = 10 nFr = 5 ΩL = 2.2 mH

並列のタンク回路が、10 nF のコンデンサと、巻線抵抗 5 Ω の 2.2 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 = 2.2 mHC = 10 nFr = 5 Ω
RD = kΩ
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M11 kW, η = 94%cos φ = 0.88

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 94%、力率は遅れ 0.88 である。電源の線間電圧は 690 V である。線電流 IL を求めよ。

Pout = 11 kWη = 94%cos φ = 0.88VL = 690 V
IL = A
10.三相電力むずかしい
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

平衡三相負荷が、480 V(線間)、60 Hz の電源から遅れ力率 0.8 で 150 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 = 150 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.98VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​10 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 3.3 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 = 10 kΩR2 = 3.3 kΩC = 220 µF
τ = ms
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​6 Vt = 0 で開くR1​ = 4.7 kΩR2​ = 10 kΩC10 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 = 30 ms におけるコンデンサの電圧 vC を求めよ。

Vs = 6 VR1 = 4.7 kΩR2 = 10 kΩC = 10 µFt = 30 ms
vC = V
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩARL​10 ΩIL​B

a–b 間に負荷 RL = 10 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 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩRL = 10 Ω
IL = A
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAIs​2 ABRL​6 ΩIL​

a–b 間に負荷 RL = 6 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 = 2 AR1 = 25 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩRL = 6 Ω
PL = W
15.ボード線図と余裕ふつう
vin​L = 10 mHR = 22 Ωvout​

図の RL ローパスフィルタ は R = 22 Ω, L = 10 mH です。70 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 ΩL = 10 mHf = 70 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) = K/(s(s + 2)(s + 5)) である。 ゲイン余裕が 4 dB となるゲイン K を求めよ。

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))GM = 4 dB
K =

3溶液

1.複素数

答え: θ = 45 °

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 = 6, b = 6 → I

基準角

α = atan(6/6) = 45°

偏角

θ = α = 45°

答え

θ = 45°

極形式では z = 8.485∠45° です。

2.複素数

答え: r = 4

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 − j2
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·(−2)·z + ((−2)² + 2²) = z² + 4z + 8

2 次式でくくり出す

z³ − 8z − 32 = (z² + 4z + 8)(z − 4)

実数の解

r = 4

答え

r = 4

解の和で確かめましょう:z₁ + z₂ + r = −4 + 4 = 0 = −(0)。

3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: φ = 79.89 °

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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0.05 = 314.2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·4.7·10⁻⁶) = 33.86 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) = √(50² + (280.3)²) = 284.7 Ω

位相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(280.3/50) = 79.89°

答え

φ = 79.89°
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: I = 5.284 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 = 1257·0.02 = 25.13 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) = √(40² + (17.17)²) = 43.53 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| = 230/43.53 = 5.284 A

答え

I = 5.284 A
5.交流電力と力率

答え: Q = 16 kvar

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。

位相角

φ = arccos(0.6) = 53.13°, tan φ = 1.333

無効電力

Q = P·tan φ = 12·1.333 = 16 kvar

答え

Q = 16 kvar
6.交流電力と力率

答え: C = 636.6 µF

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 − j5 Ω

静電容量

XC = 5 Ω → C = 1/(2π·50·5) = 636.6 µF

答え

C = 636.6 µF
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: t = 73.68 µs

LC 共振:充電したコンデンサをインダクタにつなぐと、電流が流れて逆向きに充電されます:エネルギーは、固有周波数 f0 = 1/(2π√(LC)) で C の電界(½Cv²)と L の磁界(½Li²)の間を行き来します。抵抗がなければ全エネルギー ½CV0² は一定なので、ピーク電流は Imax = V0√(C/L) です。1 周期は T = 1/f0 で、エネルギーはその 4 分の 1 の時間で C から L に移ります。

周期

T = 2π√(0.001·2.2 × 10⁻⁶) = 294.7 µs

4 分の 1 周期

t = T/4 = 73.68 µs

答え

t = 73.68 µs
8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: RD = 44 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 = 0.0022/(1 × 10⁻⁸·5) = 44000 Ω = 44 kΩ

Q で確認する

Q = (1/r)·√(L/C) = 93.81, Q²·r = 44000 Ω

答え

RD = 44 kΩ
9.三相電力

答え: IL = 11.13 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 = 11/0.94 = 11.7 kW

線電流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 11702/(√3·690·0.88) = 11.13 A

答え

IL = 11.13 A
10.三相電力

答え: QC = 82.04 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 = 150·tan(acos 0.8) = 150·0.75 = 112.5 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.98) = 150·0.2031 = 30.46 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 82.04 kvar

答え

QC = 82.04 kvar
11.RC・RL 過渡現象

答え: τ = 545.9 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 = 10·3.3/(10 + 3.3) = 2.481 kΩ
vC(∞) = 10·3.3/(10 + 3.3) = 2.481 V

時定数

τ = Rth·C = 2.481·220 = 545.9 ms

答え

τ = 545.9 ms
12.RC・RL 過渡現象

答え: vC = 3.024 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) = 6·10/(4.7 + 10) = 4.082 V

スイッチが開いた後の時定数

τ = R2·C = 10·10 = 100 ms

放電

vC(t) = 4.082·e−30/100 = 3.024 V

答え

vC = 3.024 V
13.テブナン・ノートン

答え: IL = 0.1604 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​ = 4 ΩR3​ = 15 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 = 4·3/(4+3) = 1.714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.714 + 15 = 16.71 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​3 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) = 10·3/(4+3) = 4.286 V
Rth​ = 16.71 Ω+−Vth​4.286 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) = 4.286/(16.71 + 10) = 0.1604 A
14.テブナン・ノートン

答え: PL = 16.74 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​ = 25 ΩR3​ = 15 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 = 25·6/(25+6) = 4.839 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.839 + 15 = 19.84 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​18 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) = 3.484 + 2·4.839 = 13.16 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 13.16 + 2·15 = 43.16 V
Rth​ = 19.84 Ω+−Vth​43.16 VRL​6 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) = 43.16/(19.84 + 6) = 1.67 A
PL = IL²·RL = 1.67²·6 = 16.74 W
15.ボード線図と余裕

答え: φ = −11.31 °

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 = 22/0.01 = 2200 rad/s
fc = 350.1 Hz → f/fc = 70/350.1 = 0.1999

位相

φ = − atan(0.1999) = −11.31°

答え

φ = −11.31°
16.ボード線図と余裕

答え: K = 44.17

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/5) = 1 → ω180 = √(2·5) = 3.162 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 25)) = K/(2·5·(2 + 5)) = K/70

必要なゲイン

70/K = 104/20 = 1.585
K = 70/1.585 = 44.17

答え

K = 44.17

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