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∠70°、z₂ = 3∠45° のとき、w = z₁·z₂ の偏角 θ を、−180° から 180° の間で、度で求めてください。

z₁ = 1.5∠70°z₂ = 3∠45°
θ = °
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 = √3 + j のときの z⁸ の実部を求めてください。

z = √3 + jn = 8
Re(z⁸) =
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
230 V500 HzR = 50 ΩL = 20 mHC = 2.2 µF

直列 RLC 回路を 230 V(実効値)、500 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 = 230 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩL = 20 mHC = 2.2 µF
φ = °
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
24 Vf0​R = 5 ΩL = 100 mHC = 10 µF

直列 RLC 回路を、周波数を回路の共振周波数に設定した 24 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 = 24 V (rms)R = 5 ΩL = 100 mHC = 10 µF
VL = V
5.交流電力と力率ふつう
230 V111 kW, 0.65214 kW, 0.85I = ?

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 0.65 の 11 kW の負荷と、遅れ力率 0.85 の 14 kW の負荷。 電源から流れる全電流 I を求めよ。

V = 230 VP1 = 11 kW, pf1 = 0.65 遅れP2 = 14 kW, pf2 = 0.85 遅れ
I = A
6.交流電力と力率むずかしい
P1​ = 60 kWQ1​S1​φ

200 kVA の単相変圧器が、遅れ力率 0.65 で 60 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 = 60 kWpf1 = 0.65
ΔP = kW
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
C = 1 nF+−2.25 VL = 1 mHiL​

1 nF のコンデンサを 9 V に充電し、理想的な 1 mH のインダクタと振動させます。コンデンサの電圧が 2.25 V になった瞬間にインダクタに蓄えられているエネルギー WL を nJ で求めなさい。

C = 1 nFV0 = 9 VvC = 2.25 V
WL = nJ
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
f|I|0.7071f0​ = ?100 kHz105 kHzBW

共振曲線の半電力周波数は 100 kHz と 105 kHz です。共振周波数をその幾何平均として求め、次に Q 値 Q を求めなさい。

f1 = 100 kHzf2 = 105 kHz
Q =
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M75 kW, η = 93%cos φ = 0.84

三相誘導電動機が全負荷で 75 kW の機械出力を出している。この負荷での効率は 93%、力率は遅れ 0.84 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 = 75 kWη = 93%cos φ = 0.84VL = 690 V
IL = A
10.三相電力むずかしい
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

平衡三相負荷が、400 V(線間)、50 Hz の電源から遅れ力率 0.72 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 0.98 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 = 100 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.98VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​20 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 1 kΩC22 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 = 20 ms におけるコンデンサの電圧 vC を求めよ。

Vs = 20 VR1 = 10 kΩR2 = 1 kΩC = 22 µFt = 20 ms
vC = V
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​6 Vt = 0 で開くR1​ = 4.7 kΩR2​ = 6.8 kΩi2​C10 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 = 50 ms で R2 を流れる電流 i2 を求めよ。

Vs = 6 VR1 = 4.7 kΩR2 = 6.8 kΩC = 10 µFt = 50 ms
i2 = mA
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAab

端子 a–b から見たテブナン抵抗 Rth を求めよ。

V1 = 15 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 Ω
Rth = Ω
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​36 VR2​8 ΩAIs​1 ABab

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 = 36 VIs = 1 AR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
15.ボード線図と余裕ふつう
vin​L = 5 mHC = 2.2 µFR = 1 Ωvout​

図の直列 RLC バンドパスフィルタでは、出力は R = 1 Ω の両端でとり、L = 5 mH、C = 2.2 µF である。 中心(共振)周波数 f0 を Hz で求めよ。

R = 1 ΩL = 5 mHC = 2.2 µF
f0 = Hz
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 + 1)(s + 10)) である。 ゲイン余裕が 6 dB となるゲイン K を求めよ。

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 10))GM = 6 dB
K =

3溶液

1.複素数

答え: θ = 115 °

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 · 3 = 4.5
θ = 70° + 45° = 115°

偏角

θ = 115°

答え

θ = 115°
2.複素数

答え: Re(z⁸) = −128

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 = √3 + j = 2∠30°

ド・モアブル

z⁸ = (2)⁸∠240° = 256∠−120°

直交形式

z⁸ = 256·(cos −120° + j sin −120°) = −128 − j221.7
Re(z⁸) = −128

答え

Re(z⁸) = −128
3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: φ = −58.58 °

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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0.02 = 62.83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·2.2·10⁻⁶) = 144.7 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) = √(50² + (−81.85)²) = 95.92 Ω

位相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−81.85/50) = −58.58°

答え

φ = −58.58°
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: VL = 480 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/√(0.1·10·10⁻⁶) = 1000 rad/s
I = V/R = 24/5 = 4.8 A

コイルの両端の電圧

XL = ω₀L = 1000·0.1 = 100 Ω
VL = I·XL = 4.8·100 = 480 V

答え

VL = 480 V

これは電源電圧の Q = 20 倍です。

5.交流電力と力率

答え: I = 143.5 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 = 11·tan(arccos 0.65) = 12.86 kvar
Q2 = 14·tan(arccos 0.85) = 8.676 kvar

合計

P = 11 + 14 = 25 kW
Q = 12.86 + 8.676 = 21.54 kvar
S = √(25² + 21.54²) = 33 kVA

全電流

I = S/V = 32998/230 = 143.5 A

答え

I = 143.5 A
6.交流電力と力率

答え: ΔP = 127.3 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 = 60·tan(arccos 0.65) = 70.15 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 − 70.15²) = 187.3 kW

追加できる有効電力

ΔP = 187.3 − 60 = 127.3 kW

答え

ΔP = 127.3 kW
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: WL = 37.97 nJ

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。

全エネルギー

½·1 × 10⁻⁹·9² = 4.05 × 10⁻⁸ J

コンデンサに残るエネルギー

½·1 × 10⁻⁹·2.25² = 2.531 × 10⁻⁹ J

インダクタのエネルギー

WL = 3.797 × 10⁻⁸ J = 37.97 nJ

答え

WL = 37.97 nJ
8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Q = 20.49

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

f0 = √(100000·105000) = 102470 Hz

帯域幅

BW = 105000 − 100000 = 5000 Hz

Q 値

Q = 102470/5000 = 20.49

答え

Q = 20.49
9.三相電力

答え: IL = 80.33 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 = 75/0.93 = 80.65 kW

線電流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 80645/(√3·690·0.84) = 80.33 A

答え

IL = 80.33 A
10.三相電力

答え: QC = 76.08 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 0.72) = 100·0.9639 = 96.39 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0.98) = 100·0.2031 = 20.31 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 76.08 kvar

答え

QC = 76.08 kvar
11.RC・RL 過渡現象

答え: vC = 1.149 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 = 10·1/(10 + 1) = 0.9091 kΩ
vC(∞) = 20·1/(10 + 1) = 1.818 V

時定数

τ = Rth·C = 0.9091·22 = 20 ms

充電曲線

vC(t) = 1.818·(1 − e−20/20) = 1.149 V

答え

vC = 1.149 V
12.RC・RL 過渡現象

答え: i2 = 0.2501 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) = 6·6.8/(4.7 + 6.8) = 3.548 V

スイッチが開いた後の時定数

τ = R2·C = 6.8·10 = 68 ms

放電

vC(t) = 3.548·e−50/68 = 1.701 V
i2 = vC/R2 = 1.701/6.8 = 0.2501 mA

答え

i2 = 0.2501 mA
13.テブナン・ノートン

答え: Rth = 22.4 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​ = 4 ΩR3​ = 20 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 = 4·6/(4+6) = 2.4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.4 + 20 = 22.4 Ω
14.テブナン・ノートン

答え: IN = 3 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​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω短絡R2​8 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 = 5·8/(5+8) = 3.077 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.077 + 8 = 11.08 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​36 VR2​8 ΩAIs​1 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) = 22.15 + 1·3.077 = 25.23 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 25.23 + 1·8 = 33.23 V
IN​3 ARth​11.08 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 = 33.23/11.08 = 3 A
15.ボード線図と余裕

答え: f0 = 1517 Hz

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。

共振周波数

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.005·2.2 × 10⁻⁶) = 9535 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1517 Hz

答え

f0 = 1517 Hz
16.ボード線図と余裕

答え: K = 55.13

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/1)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(1·10) = 3.162 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 100)) = K/(1·10·(1 + 10)) = K/110

必要なゲイン

110/K = 106/20 = 1.995
K = 110/1.995 = 55.13

答え

K = 55.13

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