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
ReIm11−1−122−2−2θz

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

r = 2θ = 1.2 rad
a =
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

z² − 5z + 12.5 = 0 を解いてください。解は a ± jb です。実部 a を求めてください。

p = −5q = 12.5
a =
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
50 V200 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 22 µFI

直列 RLC 回路を 50 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 = 50 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 22 µF
I = A
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
24 V100 HzR1​ = 30 ΩR2​ = 80 ΩC = 10 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)、100 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 = 100 HzR1 = 30 ΩR2 = 80 ΩC = 10 µF
|Z| = Ω
5.交流電力と力率ふつう
P = 30 kWQSφ

単相モーターが 400 V の電源から、遅れ力率 0.6 で 30 kW を消費する。 線電流 I を求めよ。

P = 30 kWpf = 0.6V = 400 V
I = A
6.交流電力と力率むずかしい
400 V60 Hz負荷29 kW, 0.8C220 µFI

単相負荷が 400 V、60 Hz の電源から、遅れ力率 0.8 で 29 kW を消費する。220 µF のコンデンサを負荷と並列に接続する。 電源から見た新しい力率 cos φ を求めよ。

P = 29 kWpf1 = 0.8V = 400 Vf = 60 HzC = 220 µF
cos φ =
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
V10 Ω1 mH220 pF

RLC 直列回路で R = 10 Ω、L = 1 mH、C = 220 pF です。Q 値 Q を求めなさい。

R = 10 ΩL = 1 mHC = 220 pF
Q =
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
V20 ΩLC = ?

全抵抗 20 Ω、共振周波数 500 kHz、帯域幅 20 kHz の RLC 直列フィルタを設計します。静電容量 C を nF で求めなさい。

R = 20 Ωf0 = 500 kHzBW = 20 kHz
C = nF
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 480 VNZ = 24 + j7 Ω1 相あたり

1 相あたりのインピーダンスが 24 + j7 Ω の平衡 Y 結線負荷が、線間電圧 480 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 = 480 VZ = 24 + j7 Ω 1 相あたり
P = kW
10.三相電力むずかしい
P = 75 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 0.65 で 75 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 = 75 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.98VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​20 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。 回路が落ち着いた後にコイルに蓄えられているエネルギー W(∞) を mJ で求めよ。

Vs = 20 VR = 15 ΩL = 68 mH
W(∞) = mJ
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​9 Vt = 0R = 6.8 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 30 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 30 V に充電されている。 vC が 19.5 V に達するまでの時間はいくらか。t を求めよ。

Vs = 9 VR = 6.8 kΩC = 47 µFvC(0) = 30 V
t = ms
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​12 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 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩRL = 10 Ω
IL = A
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAIs​3 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 = 6 VIs = 3 AR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩRL = 6 Ω
PL = W
15.ボード線図と余裕ふつう
vin​L = 10 mHC = 0.1 µFR = 50 Ωvout​

図の直列 RLC バンドパスフィルタでは、出力は R = 50 Ω の両端でとり、L = 10 mH、C = 0.1 µF である。 Q 値 Q を求めよ。

R = 50 ΩL = 10 mHC = 0.1 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 + 3)) 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 + 3))GM = 2 dB
K =

3溶液

1.複素数

答え: a = 0.7247

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 = 2·(cos 1.2 + j sin 1.2)

成分(ラジアン)

a = 2·cos 1.2 = 0.7247
b = 2·sin 1.2 = 1.864
a = 0.7247

答え

a = 0.7247
2.複素数

答え: a = 2.5

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 = 25 − 50 = −25 < 0

2 次方程式の解の公式

z = (5 ± j√25)/2 = 2.5 + j2.5, 2.5 − j2.5

答え

a = 2.5

答え

a = 2.5
3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: I = 0.3239 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 = 1257·0.15 = 188.5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·22·10⁻⁶) = 36.17 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 + (152.3)²) = 154.4 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| = 50/154.4 = 0.3239 A

答え

I = 0.3239 A
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: |Z| = 99.2 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·100·10·10⁻⁶) = 159.2 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 = 63.86 − j32.1 Ω

合成インピーダンス

Z = 30 + 63.86 − j32.1 = 93.86 − j32.1 Ω
|Z| = √(93.86² + 32.1²) = 99.2 Ω

答え

|Z| = 99.2 Ω
5.交流電力と力率

答え: I = 125 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。

線電流

仕事をするのは有効分だけなので、力率で割ります。

I = P/(V·cos φ) = 30000/(400·0.6) = 125 A

答え

I = 125 A
6.交流電力と力率

答え: cos φ = 0.9598

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 = 29·tan(arccos 0.8) = 21.75 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·220·10⁻⁶ = 13270 var = 13.27 kvar
Q2 = 21.75 − 13.27 = 8.48 kvar

新しい皮相電力

S2 = √(29² + 8.48²) = 30.21 kVA

新しい力率

cos φ = P/S2 = 29/30.21 = 0.9598

答え

cos φ = 0.9598
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Q = 213.2

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) = √(0.001/2.2 × 10⁻¹⁰) = 2132 Ω

Q 値

Q = 2132/10 = 213.2

答え

Q = 213.2

共振周波数は 339.3 kHz なので、BW = f₀/Q = 1.592 kHz です。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: C = 0.6366 nF

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。

帯域幅から求めるインダクタンス

L = R/(2π·BW) = 20/(2π·20000) = 0.0001592 H

共振周波数から求める静電容量

C = 1/((2π·500000)²·0.0001592) = 6.366 × 10⁻¹⁰ F = 0.6366 nF

答え

C = 0.6366 nF

Q = f₀/BW = 25。

9.三相電力

答え: P = 8.847 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 = 480/√3 = 277.1 V

相電流

|Z| = √(24² + 7²) = 25 Ω
Iph = 277.1/25 = 11.09 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 = 3·11.09²·24 = 8.847 kW

答え

P = 8.847 kW

確認:cos φ = R/|Z| = 0.96 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 = 72.46 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 = 75·tan(acos 0.65) = 75·1.169 = 87.68 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0.98) = 75·0.2031 = 15.23 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 72.46 kvar

答え

QC = 72.46 kvar
11.RC・RL 過渡現象

答え: W(∞) = 60.44 mJ

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 = 20/15 = 1.333 A

蓄積エネルギー

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·68·1.333² = 60.44 mJ

答え

W(∞) = 60.44 mJ
12.RC・RL 過渡現象

答え: t = 221.5 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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 6.8 kΩ · 47 µF = 319.6 ms
vC(t) = 9 + (30 − 9)·e−t/τ

時間について解く

19.5 = 9 + (21)·e−t/τ → e−t/τ = (19.5 − 9)/(30 − 9) = 0.5
t = τ·ln((30 − 9)/(19.5 − 9)) = 319.6·ln(2) = 221.5 ms

答え

t = 221.5 ms
13.テブナン・ノートン

答え: IL = 0.2222 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​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω短絡R2​12 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 = 3·12/(3+12) = 2.4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.4 + 20 = 22.4 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​12 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) = 9·12/(3+12) = 7.2 V
Rth​ = 22.4 Ω+−Vth​7.2 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) = 7.2/(22.4 + 10) = 0.2222 A
14.テブナン・ノートン

答え: PL = 14.71 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​ = 12 ΩR3​ = 3 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 = 12·10/(12+10) = 5.455 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5.455 + 3 = 8.455 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAIs​3 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) = 2.727 + (−3)·5.455 = −13.64 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −13.64 + (−3)·3 = −22.64 V
Rth​ = 8.455 Ω−+Vth​22.64 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) = −22.64/(8.455 + 6) = −1.566 A
PL = IL²·RL = −1.566²·6 = 14.71 W
15.ボード線図と余裕

答え: Q = 6.325

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/√(0.01·1 × 10⁻⁷) = 31623 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 5033 Hz

Q 値

BW = R/L = 50/0.01 = 5000 rad/s = 795.8 Hz
Q = ω₀/BW = 31623/5000 = 6.325

答え

Q = 6.325
16.ボード線図と余裕

答え: K = 23.83

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。

位相交差

(ω/2)·(ω/3) = 1 → ω180 = √(2·3) = 2.449 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 9)) = K/(2·3·(2 + 3)) = K/30

必要なゲイン

30/K = 102/20 = 1.259
K = 30/1.259 = 23.83

答え

K = 23.83

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