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 = −3 − 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 = −3 − j8
θ = °
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

方程式 z² + 2z + 5 = 0 には 2 つの複素数の解があります。その絶対値 |z| を求めてください。

p = 2q = 5
|z| =
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
24 V50 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 100 µFI

直列 RLC 回路を 24 V(実効値)、50 Hz の電源に接続する。 電流の実効値 I を求めよ。

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 100 µF
I = A
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
2 Vf0​R = 5 ΩL = 5 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 2 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 = 2 V (rms)R = 5 ΩL = 5 mHC = 0.1 µF
VL = V
5.交流電力と力率ふつう
240 VR + jXP = 2016 W14 A

誘導性負荷が 240 V(実効値)の単相電源から 14 A と 2016 W を消費する。これを抵抗 R とリアクタンス X の直列回路としてモデル化する。 R を求めよ。

V = 240 VI = 14 AP = 2016 W
R = Ω
6.交流電力と力率むずかしい
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

単相負荷が 240 V、50 Hz の電源から遅れ力率 0.6 で 45 kW を消費する。並列にコンデンサをつないで力率を 0.9 に改善する。 必要な静電容量 C を求めよ。

P = 45 kWpf1 = 0.6pf2 = 0.9V = 240 Vf = 50 Hz
C = µF
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
V47 Ω2.2 mH22 nF

RLC 直列回路で R = 47 Ω、L = 2.2 mH、C = 22 nF です。帯域幅 BW を kHz で求めなさい。

R = 47 ΩL = 2.2 mHC = 22 nF
BW = kHz
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
C = 1 µFR = 20 ΩL = 10 mH

充電した 1 µF のコンデンサが、全直列抵抗 20 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 = 20 Ω
n =
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M7.5 kW, η = 92%cos φ = 0.82

三相誘導電動機が全負荷で 7.5 kW の機械出力を出している。この負荷での効率は 92%、力率は遅れ 0.82 である。電源の線間電圧は 415 V である。線電流 IL を求めよ。

Pout = 7.5 kWη = 92%cos φ = 0.82VL = 415 V
IL = A
10.三相電力むずかしい
P = 250 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 0.7 で 250 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 = 250 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.92VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.RC・RL 過渡現象ふつう
R = 100 Ωt = 0L100 mHi(t)

コイルには 1.5 A の定常電流が流れている。t = 0 にスイッチが R を通るループを閉じ、電源が切り離されるので、コイルの電流は R を通して減衰する。 電流が 0.15 A まで下がるのにどれだけかかるか。t を求めよ。

i(0) = 1.5 AR = 100 ΩL = 100 mH
t = ms
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​6 Vt = 0R = 2.2 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 8 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 8 V に充電されている。 vC が 6.4 V に達するまでの時間はいくらか。t を求めよ。

Vs = 6 VR = 2.2 kΩC = 47 µFvC(0) = 8 V
t = ms
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​8 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 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 ΩRL = 10 Ω
IL = A
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 30 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAIs​1.5 ABRL​10 ΩIL​

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 = 5 VIs = 1.5 AR1 = 30 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 ΩRL = 10 Ω
IL = A
15.ボード線図と余裕ふつう
vin​L = 1 mHC = 0.47 µFR = 20 Ωvout​

図の直列 RLC バンドパスフィルタでは、出力は R = 20 Ω の両端でとり、L = 1 mH、C = 0.47 µF である。 Q 値 Q を求めよ。

R = 20 ΩL = 1 mHC = 0.47 µF
Q =
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 + 9)) である。 ゲイン余裕が 2 dB となるゲイン K を求めよ。

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 9))GM = 2 dB
K =

3溶液

1.複素数

答え: θ = −110.6 °

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 = −3, b = −8 → III

基準角

α = atan(8/3) = 69.44°

偏角

θ = −(180° − α) = −110.6°

答え

θ = −110.6°

極形式では z = 8.544∠−110.6° です。

2.複素数

答え: |z| = 2.236

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。

判別式

p² − 4q = 4 − 20 = −16 < 0

2 次方程式の解の公式

z = (−2 ± j√16)/2 = −1 + j2, −1 − j2

答え

|z| = √((−1)² + 2²) = √5 = 2.236

答え

|z| = 2.236
3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: I = 0.4742 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·50 = 314.2 rad/s
XL = ωL = 314.2·0.2 = 62.83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314.2·100·10⁻⁶) = 31.83 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 + (31)²) = 50.61 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| = 24/50.61 = 0.4742 A

答え

I = 0.4742 A
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: VL = 89.44 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/√(0.005·0.1·10⁻⁶) = 44721 rad/s
I = V/R = 2/5 = 0.4 A

コイルの両端の電圧

XL = ω₀L = 44721·0.005 = 223.6 Ω
VL = I·XL = 0.4·223.6 = 89.44 V

答え

VL = 89.44 V

これは電源電圧の Q = 44.72 倍です。

5.交流電力と力率

答え: R = 10.29 Ω

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。

有効電力からの抵抗

R = P/I² = 2016/14² = 10.29 Ω

答え

R = 10.29 Ω
6.交流電力と力率

答え: C = 2111 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。

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 = 45·tan(53.13°) = 60 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(25.84°) = 21.79 kvar
QC = Q1 − Q2 = 38.21 kvar

静電容量

電源に並列につないだコンデンサは Q = V²·ωC を供給します。

C = QC/(2πf·V²) = 38206/(2π·50·240²) = 2111 µF

答え

C = 2111 µF
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: BW = 3.4 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。

rad/s での帯域幅

R/L = 47/0.0022 = 21364 rad/s

Hz での帯域幅

BW = 21364/(2π) = 3400 Hz = 3.4 kHz

答え

BW = 3.4 kHz

f₀ = 22.88 kHz なので、Q = 6.728 となります。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: n = 1.103

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 2/20 = 0.0006931 s

周期数

n = t·f0 = 0.0006931·1592 = 1.103

答え

n = 1.103

近道:Q = 5 を使って n = Q·ln 2/π。

9.三相電力

答え: IL = 13.83 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 = 7.5/0.92 = 8.152 kW

線電流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8152/(√3·415·0.82) = 13.83 A

答え

IL = 13.83 A
10.三相電力

答え: Cph = 1710 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 = 250·tan(acos 0.7) = 250·1.02 = 255.1 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0.92) = 250·0.426 = 106.5 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 148.6 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·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 49517/(377·277.1²) = 1710 µF

答え

Cph = 1710 µF
11.RC・RL 過渡現象

答え: t = 2.303 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

τ = L/R = 100 mH / 100 Ω = 1 ms

時間について解く

0.15 = 1.5·e−t/τ → t = τ·ln(1.5/0.15)
t = 1·ln(10) = 2.303 ms

答え

t = 2.303 ms
12.RC・RL 過渡現象

答え: t = 166.4 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) = 8 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 2.2 kΩ · 47 µF = 103.4 ms
vC(t) = 6 + (8 − 6)·e−t/τ

時間について解く

6.4 = 6 + (2)·e−t/τ → e−t/τ = (6.4 − 6)/(8 − 6) = 0.2
t = τ·ln((8 − 6)/(6.4 − 6)) = 103.4·ln(5) = 166.4 ms

答え

t = 166.4 ms
13.テブナン・ノートン

答え: IL = 0.4615 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​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω短絡R2​8 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 = 8·8/(8+8) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 12 = 16 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​8 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) = 24·8/(8+8) = 12 V
Rth​ = 16 Ω+−Vth​12 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) = 12/(16 + 10) = 0.4615 A
14.テブナン・ノートン

答え: IL = 0.4414 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​ = 30 ΩR3​ = 2 Ω短絡R2​2 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 = 30·2/(30+2) = 1.875 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.875 + 2 = 3.875 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAIs​1.5 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) = 0.3125 + 1.5·1.875 = 3.125 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 3.125 + 1.5·2 = 6.125 V
Rth​ = 3.875 Ω+−Vth​6.125 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) = 6.125/(3.875 + 10) = 0.4414 A
15.ボード線図と余裕

答え: Q = 2.306

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/√(0.001·4.7 × 10⁻⁷) = 46127 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 7341 Hz

Q 値

BW = R/L = 20/0.001 = 20000 rad/s = 3183 Hz
Q = ω₀/BW = 46127/20000 = 2.306

答え

Q = 2.306
16.ボード線図と余裕

答え: K = 157.3

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/9) = 1 → ω180 = √(2·9) = 4.243 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 81)) = K/(2·9·(2 + 9)) = K/198

必要なゲイン

198/K = 102/20 = 1.259
K = 198/1.259 = 157.3

答え

K = 157.3

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