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。

新しい問題科目に戻る

印刷ウィンドウで「PDF として保存」を選ぶと、コピーを端末に保存できます。

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

z = 6∠35° を直交形式 a + jb で表し、実部 a を答えてください。

r = 6θ = 35°
a =
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁z₂z₃z₄z₅

n = 6、w = 64∠120° のとき、zⁿ = w の解は zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n)、k = 0, 1, …, 5 です。z₅ の実部を求めてください。

w = 64∠120°n = 6k = 5
Re(z₅) =
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
100 V100 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 10 µFI

直列 RLC 回路を 100 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 = 100 V (rms)f = 100 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 10 µF
I = A
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
24 V60 HzR1​ = 15 ΩR2​ = 50 ΩC = 22 µF

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、24 V(実効値)、60 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 = 60 HzR1 = 15 ΩR2 = 50 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω
5.交流電力と力率ふつう
240 V124 kW, 0.85224 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 0.85 の 24 kW の負荷と、進み力率 0.7 の 24 kW の負荷。 電源から流れる全電流 I を求めよ。

V = 240 VP1 = 24 kW, pf1 = 0.85 遅れP2 = 24 kW, pf2 = 0.7 進み
I = A
6.交流電力と力率むずかしい
P = 50 kWQ1​S1​φ1​QC​

単相負荷が 230 V、60 Hz の電源から遅れ力率 0.7 で 50 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。 コンデンサが供給すべき無効電力 QC を求めよ。

P = 50 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.95V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
f|I|0.70712 kHzf1​ = ?f2​BW

RLC 直列回路が 2 kHz で共振し、Q = 1.5 です。下側の半電力周波数 f1 を厳密に kHz で求めなさい。

f0 = 2 kHzQ = 1.5
f1 = kHz
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
V1 Ω2.2 mH220 nF50 mA

RLC 直列回路(R = 1 Ω、L = 2.2 mH、C = 220 nF)を共振で駆動し、電流の振幅は 50 mA です。1 周期の間に R で消費されるエネルギー Ecycle を nJ で求めなさい。

R = 1 ΩL = 2.2 mHC = 220 nFIm = 50 mA
Ecycle = nJ
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M37 kW, η = 91%cos φ = 0.82

三相誘導電動機が全負荷で 37 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 0.82 である。電源の線間電圧は 400 V である。線電流 IL を求めよ。

Pout = 37 kWη = 91%cos φ = 0.82VL = 400 V
IL = A
10.三相電力むずかしい
P = 80 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 0.72 で 80 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 = 80 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.98VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​6 Vt = 0R = 15 ΩL68 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。 t = 5 ms におけるコイルの電圧 vL を求めよ。

Vs = 6 VR = 15 ΩL = 68 mHt = 5 ms
vL = V
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​5 Vt = 0R = 6.8 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 18 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 18 V に充電されている。 vC が 12.8 V に達するまでの時間はいくらか。t を求めよ。

Vs = 5 VR = 6.8 kΩC = 220 µFvC(0) = 18 V
t = ms
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAab

端子 a–b から見たテブナン抵抗 Rth を求めよ。

V1 = 10 VR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 Ω
Rth = Ω
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAIs​5 ABRL​20 ΩIL​

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 = 12 VIs = 5 AR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 ΩRL = 20 Ω
IL = A
15.ボード線図と余裕ふつう
|H| (dB)0.11101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 10

ω = 10 rad/s における G(s) = 2100/((s + 7)(s + 15)) の正確な大きさ |G(jω)| を dB で求めよ。

G(s) = 2100/((s + 7)(s + 15))ω = 10 rad/s
|G(jω)| = dB
16.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (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) = 400/(s(s + 20)) である。 位相余裕 PM を度で求めよ。

L(s) = 400/(s(s + 20))
PM = °

3溶液

1.複素数

答え: a = 4.915

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。

成分

a = 6·cos(35°) = 4.915
b = 6·sin(35°) = 3.441

直交形式

z = 4.915 + j3.441
a = 4.915

答え

a = 4.915
2.複素数

答え: Re(z₅) = 1.532

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

641/6 = 2

解の偏角

θ₅ = (120° + 360°·5)/6 = 320° → −40°

直交形式

z₅ = 2·(cos −40° + j sin −40°) = 1.532 − j1.286
Re(z₅) = 1.532

答え

Re(z₅) = 1.532

6 個の解は、半径 2 の円周上に 60° 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: I = 1.005 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 = 628.3·0.1 = 62.83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·10·10⁻⁶) = 159.2 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) = √(25² + (−96.32)²) = 99.51 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| = 100/99.51 = 1.005 A

答え

I = 1.005 A
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: |Z| = 60.32 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

XC = 1/(2π·60·22·10⁻⁶) = 120.6 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 = 42.66 − j17.69 Ω

合成インピーダンス

Z = 15 + 42.66 − j17.69 = 57.66 − j17.69 Ω
|Z| = √(57.66² + 17.69²) = 60.32 Ω

答え

|Z| = 60.32 Ω
5.交流電力と力率

答え: I = 204 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 = 24·tan(arccos 0.85) = 14.87 kvar
Q2 = −24·tan(arccos 0.7) = −24.48 kvar

合計

P = 24 + 24 = 48 kW
Q = 14.87 + (−24.48) = −9.611 kvar
S = √(48² + (−9.611)²) = 48.95 kVA

全電流

I = S/V = 48953/240 = 204 A

答え

I = 204 A
6.交流電力と力率

答え: QC = 34.58 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。

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 = 50·tan(45.57°) = 51.01 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(18.19°) = 16.43 kvar
QC = Q1 − Q2 = 34.58 kvar

答え

QC = 34.58 kvar
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: f1 = 1.442 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/(4·1.5²)) = 1.054

下側の半電力周波数

f1 = 2000·(1.054 − 0.3333) = 1442 Hz = 1.442 kHz

答え

f1 = 1.442 kHz

上側は f₂ = 2.775 kHz です。確認:f₂ − f₁ = 1.333 kHz = f₀/Q。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Ecycle = 172.8 nJ

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。

蓄積エネルギー

W = ½·0.0022·0.05² = 2.75 × 10⁻⁶ J

Q 値

Q = (1/1)·√(0.0022/2.2 × 10⁻⁷) = 100

1 周期に失われるエネルギー

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·2.75 × 10⁻⁶/100 = 1.728 × 10⁻⁷ J = 172.8 nJ
確認: ½·0.05²·1/7234 = 1.728 × 10⁻⁷ J

答え

Ecycle = 172.8 nJ
9.三相電力

答え: IL = 71.57 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 = 37/0.91 = 40.66 kW

線電流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 40659/(√3·400·0.82) = 71.57 A

答え

IL = 71.57 A
10.三相電力

答え: Cph = 840.9 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 = 80·tan(acos 0.72) = 80·0.9639 = 77.11 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.98) = 80·0.2031 = 16.24 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 60.86 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 = 480/√3 = 277.1 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 20288/(314.2·277.1²) = 840.9 µF

答え

Cph = 840.9 µF
11.RC・RL 過渡現象

答え: vL = 1.991 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。

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 = 68 mH / 15 Ω = 4.533 ms
i(∞) = Vs/R = 6/15 = 0.4 A

コイルの電圧

t = 0 では電源電圧がすべてコイルにかかり、その後 0 まで減衰します。

vL(t) = Vs·e−t/τ = 6·e−5/4.533 = 1.991 V

答え

vL = 1.991 V
12.RC・RL 過渡現象

答え: t = 764.2 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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 6.8 kΩ · 220 µF = 1496 ms
vC(t) = 5 + (18 − 5)·e−t/τ

時間について解く

12.8 = 5 + (13)·e−t/τ → e−t/τ = (12.8 − 5)/(18 − 5) = 0.6
t = τ·ln((18 − 5)/(12.8 − 5)) = 1496·ln(1.667) = 764.2 ms

答え

t = 764.2 ms
13.テブナン・ノートン

答え: Rth = 18.43 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​ = 8 ΩR3​ = 15 Ω短絡R2​6 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 = 8·6/(8+6) = 3.429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.429 + 15 = 18.43 Ω
14.テブナン・ノートン

答え: IL = 3.053 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​ = 20 Ω短絡R2​20 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 = 12·20/(12+20) = 7.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7.5 + 20 = 27.5 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​20 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) = 7.5 + 5·7.5 = 45 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 45 + 5·20 = 145 V
Rth​ = 27.5 Ω+−Vth​145 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) = 145/(27.5 + 20) = 3.053 A
15.ボード線図と余裕

答え: |G(jω)| = 19.59 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(j10)| = 2100/(√(10² + 7²)·√(10² + 15²)) = 2100/(12.21·18.03) = 9.543

結果

20·log₁₀(9.543) = 19.59 dB

答え

|G(jω)| = 19.59 dB
16.ボード線図と余裕

答え: PM = 51.83 °

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 + 400ω² − 160000 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·160000))/2 = 247.2
ωc = 15.72 rad/s

位相余裕

∠L(jωc) = −90° − atan(15.72/20) = −128.2°
PM = 180° + ∠L = 51.83°

答え

PM = 51.83°

ExamProblems · examproblems.com/courses/circuit-analysis-2