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
ReIm22−2−244−4−4θz

数 z = 4·ej1.2 の角度はラジアンで表されています。その虚部 b を求めてください。

r = 4θ = 1.2 rad
b =
2.複素数むずかしい
ReIm22−2−244−4−4z₀z₁

n = 2、w = 25∠120° のとき、zⁿ = w の解は zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n)、k = 0, 1 です。z₁ の虚部を求めてください。

w = 25∠120°n = 2k = 1
Im(z₁) =
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
120 V500 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 2.2 µFI

直列 RLC 回路を 120 V(実効値)、500 Hz の電源に接続する。 電流の実効値 I を求めよ。

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 100 ΩL = 50 mHC = 2.2 µF
I = A
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
VfR = 10 ΩL = 200 mHC = 2.2 µF

直列 RLC 回路の R = 10 Ω、L = 200 mH、C = 2.2 µF である。 帯域幅 B(半電力周波数の間の帯域の幅)を Hz で求めよ。

R = 10 ΩL = 200 mHC = 2.2 µF
B = Hz
5.交流電力と力率ふつう
240 VZ6 + j8 ΩI

インピーダンス Z = 6 + j8 Ω の負荷が 240 V(実効値)の単相電源に接続されている。 負荷が消費する無効電力 Q を求めよ。

V = 240 VZ = 6 + j8 Ω
Q = var
6.交流電力と力率むずかしい
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

単相負荷が 400 V、50 Hz の電源から遅れ力率 0.7 で 20 kW を消費する。並列にコンデンサをつないで力率を 0.92 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 = 20 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.92V = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
V22 Ω4.7 mH220 pF

RLC 直列回路で R = 22 Ω、L = 4.7 mH、C = 220 pF です。Q 値 Q を求めなさい。

R = 22 ΩL = 4.7 mHC = 220 pF
Q =
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
V10 Ω2.2 mH100 nF500 mA

RLC 直列回路(R = 10 Ω、L = 2.2 mH、C = 100 nF)を共振で駆動し、電流の振幅は 500 mA です。1 周期の間に R で消費されるエネルギー Ecycle を µJ で求めなさい。

R = 10 ΩL = 2.2 mHC = 100 nFIm = 500 mA
Ecycle = µJ
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 208 VZ = 12 + j16 Ω1 相あたり

1 相あたりのインピーダンスが 12 + j16 Ω の平衡 Δ 結線負荷が、線間電圧 208 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 = 208 VZ = 12 + j16 Ω 1 相あたり
P = kW
10.三相電力むずかしい
P = 80 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 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 0.92 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 = 80 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​10 Vt = 0R = 47 ΩL47 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 75% に達するか。t を求めよ。

Vs = 10 VR = 47 ΩL = 47 mH
t = ms
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​9 VR1​ = 20 ΩR2​ = 15 Ωt = 0 で閉じるL68 mHi(t)

R2 の両端のスイッチは長い間開いていたので、コイルの電流は定常である。t = 0 にスイッチが閉じて R2 を短絡する。 t = 0 からどれだけ後に、コイルの電流は 0.334 A に達するか。t を求めよ。

Vs = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩL = 68 mH
t = ms
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩARL​4 ΩIL​B

a–b 間に負荷 RL = 4 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 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩRL = 4 Ω
IL = A
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 15 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAIs​5 ABab

端子 a–b から見たテブナン電圧 Vth を求めよ。

V1 = 6 VIs = 5 AR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 25 Ω
Vth = V
15.ボード線図と余裕ふつう
vin​R = 220 ΩL = 100 mHvout​

図の RL ハイパスフィルタ は R = 220 Ω, L = 100 mH です。1.1 kHz 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 = 220 ΩL = 100 mHf = 1.1 kHz
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) = 22/(s(s + 3)(s + 7)) である。 ゲイン余裕 GM を dB で求めよ。

L(s) = 22/(s(s + 3)(s + 7))
GM = dB

3溶液

1.複素数

答え: b = 3.728

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。

オイラーの公式

z = 4·(cos 1.2 + j sin 1.2)

成分(ラジアン)

a = 4·cos 1.2 = 1.449
b = 4·sin 1.2 = 3.728
b = 3.728

答え

b = 3.728
2.複素数

答え: Im(z₁) = −4.33

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

251/2 = 5

解の偏角

θ₁ = (120° + 360°·1)/2 = 240° → −120°

直交形式

z₁ = 5·(cos −120° + j sin −120°) = −2.5 − j4.33
Im(z₁) = −4.33

答え

Im(z₁) = −4.33

2 個の解は、半径 5 の円周上に 180° 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 = 1.191 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0.05 = 157.1 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) = √(100² + (12.39)²) = 100.8 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| = 120/100.8 = 1.191 A

答え

I = 1.191 A
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: B = 7.958 Hz

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。

共振周波数

f0 = 1/(2π·√(0.2·2.2·10⁻⁶)) = 239.9 Hz

Q 値

Q は共振時のリアクタンスを抵抗と比べたものです:Q = ω₀L/R。

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0.2/(2.2·10⁻⁶)) = 30.15

帯域幅

B = f0/Q = 239.9/30.15 = 7.958 Hz

答え

B = 7.958 Hz
5.交流電力と力率

答え: Q = 4608 var

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。

電流

|Z| = √(6² + 8²) = 10 Ω
I = V/|Z| = 240/10 = 24 A

無効電力

Q = I²·X = 24²·8 = 4608 var

答え

Q = 4608 var
6.交流電力と力率

答え: QC = 11.88 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 = 20·tan(45.57°) = 20.4 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(23.07°) = 8.52 kvar
QC = Q1 − Q2 = 11.88 kvar

答え

QC = 11.88 kvar
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Q = 210.1

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。

特性インピーダンス

√(L/C) = √(0.0047/2.2 × 10⁻¹⁰) = 4622 Ω

Q 値

Q = 4622/22 = 210.1

答え

Q = 210.1

共振周波数は 156.5 kHz なので、BW = f₀/Q = 745 Hz です。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Ecycle = 116.5 µJ

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 = ½·0.0022·0.5² = 0.000275 J

Q 値

Q = (1/10)·√(0.0022/1 × 10⁻⁷) = 14.83

1 周期に失われるエネルギー

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·0.000275/14.83 = 0.0001165 J = 116.5 µJ
確認: ½·0.5²·10/10730 = 0.0001165 J

答え

Ecycle = 116.5 µJ
9.三相電力

答え: P = 3.894 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 = 208 V

相電流

|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
Iph = 208/20 = 10.4 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 = 3·10.4²·12 = 3.894 kW

答え

P = 3.894 kW

確認:cos φ = R/|Z| = 0.6 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 = 36.47 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 = 80·tan(acos 0.75) = 80·0.8819 = 70.55 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.92) = 80·0.426 = 34.08 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 36.47 kvar

答え

QC = 36.47 kvar
11.RC・RL 過渡現象

答え: t = 1.386 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 = 47 mH / 47 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 10/47 = 0.2128 A

時間について解く

0.75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.75)
t = −1·ln(0.25) = 1.386 ms

答え

t = 1.386 ms
12.RC・RL 過渡現象

答え: t = 1.728 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

t = 0 より前は両方の抵抗がループにありますが、その後は閉じたスイッチが R₂ を短絡します。

i(0) = 9/(20 + 15) = 0.2571 A
i(∞) = 9/20 = 0.45 A
τ = L/R = 68/20 = 3.4 ms
i(t) = 0.45 + (0.2571 − 0.45)·e−t/τ

時間について解く

e−t/τ = (0.334 − 0.45)/(0.2571 − 0.45) = 0.6015
t = 3.4·ln(1.663) = 1.728 ms

答え

t = 1.728 ms
13.テブナン・ノートン

答え: IL = 1.19 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​ = 2 Ω短絡R2​10 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 = 12·10/(12+10) = 5.455 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5.455 + 2 = 7.455 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​30 VR2​10 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) = 30·10/(12+10) = 13.64 V
Rth​ = 7.455 Ω+−Vth​13.64 VRL​4 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) = 13.64/(7.455 + 4) = 1.19 A
14.テブナン・ノートン

答え: Vth = −152.6 V

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​ = 15 ΩR3​ = 25 Ω短絡R2​10 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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 25 = 31 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​6 VR2​10 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) = 2.4 + (−5)·6 = −27.6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −27.6 + (−5)·25 = −152.6 V
15.ボード線図と余裕

答え: φ = 17.66 °

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 = 220/0.1 = 2200 rad/s
fc = 350.1 Hz → f/fc = 1100/350.1 = 3.142

位相

φ = 90° − atan(3.142) = 17.66°

答え

φ = 17.66°
16.ボード線図と余裕

答え: GM = 19.6 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。

位相交差

(ω/3)·(ω/7) = 1 → ω180 = √(3·7) = 4.583 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 49)) = K/(3·7·(3 + 7)) = K/210

ゲイン余裕

GM = 20·log₁₀(210/22) = 19.6 dB

答え

GM = 19.6 dB

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