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
ReIm0.50.5−0.5−0.511−1−11.51.5−1.5−1.5θz

z = 2∠140° を直交形式 a + jb で表し、実部 a を答えてください。

r = 2θ = 140°
a =
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

z³ − 8z² + 24z − 32 = 0 の解の 1 つは z₁ = 2 + j2 です。係数は実数です。実数の解 r を求めてください。

z₁ = 2 + j2
r =
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
24 V500 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 10 µFI

直列 RLC 回路を 24 V(実効値)、500 Hz の電源に接続する。 回路の力率 cos φ を求めよ。

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 10 µF
cos φ =
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
VfR = 20 ΩL = 100 mHC = 2.2 µF

直列 RLC 回路の R = 20 Ω、L = 100 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 = 20 ΩL = 100 mHC = 2.2 µF
B = Hz
5.交流電力と力率ふつう
230 V128 kW, 0.85217 kW, 0.95I = ?

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 0.85 の 28 kW の負荷と、進み力率 0.95 の 17 kW の負荷。 電源から流れる全電流 I を求めよ。

V = 230 VP1 = 28 kW, pf1 = 0.85 遅れP2 = 17 kW, pf2 = 0.95 進み
I = A
6.交流電力と力率むずかしい
P = 25 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 25 kW を消費する。並列にコンデンサをつないで力率を 0.98 に改善する。 新しい線電流 Inew を求めよ。

P = 25 kWpf1 = 0.6pf2 = 0.98V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
V1 Ω220 µH10 nF

RLC 直列回路で R = 1 Ω、L = 220 µH、C = 10 nF です。帯域幅 BW を Hz で求めなさい。

R = 1 ΩL = 220 µHC = 10 nF
BW = Hz
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
f|I|0.7071f0​ = ?8 kHz10 kHzBW

共振曲線の半電力周波数は 8 kHz と 10 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 = 8 kHzf2 = 10 kHz
Q =
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M55 kW, η = 90%cos φ = 0.88

三相誘導電動機が全負荷で 55 kW の機械出力を出している。この負荷での効率は 90%、力率は遅れ 0.88 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 = 55 kWη = 90%cos φ = 0.88VL = 415 V
IL = A
10.三相電力むずかしい
P = 300 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 0.8 で 300 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 0.95 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 = 300 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.95VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​10 Vt = 0R = 33 ΩL220 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 でコイルに蓄えられているエネルギー W を mJ で求めよ。

Vs = 10 VR = 33 ΩL = 220 mHt = 5 ms
W = mJ
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​15 Vt = 0R = 3.3 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 3 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 3 V に充電されている。 t = 150 ms におけるコンデンサの電圧 vC を求めよ。

Vs = 15 VR = 3.3 kΩC = 47 µFvC(0) = 3 Vt = 150 ms
vC = V
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩARL​3 ΩIL​B

a–b 間に負荷 RL = 3 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 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 ΩRL = 3 Ω
IL = A
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAIs​2 ABRL​15 ΩIL​

a–b 間に負荷 RL = 15 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 = 30 VIs = 2 AR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩRL = 15 Ω
PL = W
15.ボード線図と余裕ふつう
vin​L = 100 mHC = 1 µFR = 10 Ωvout​

図の直列 RLC バンドパスフィルタでは、出力は R = 10 Ω の両端でとり、L = 100 mH、C = 1 µF である。 −3 dB 帯域幅 BW を Hz で求めよ。

R = 10 ΩL = 100 mHC = 1 µF
BW = 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) = 322/(s(s + 6)(s + 9)) である。 ゲイン余裕 GM を dB で求めよ。

L(s) = 322/(s(s + 6)(s + 9))
GM = dB

3溶液

1.複素数

答え: a = −1.532

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 = 2·cos(140°) = −1.532
b = 2·sin(140°) = 1.286

直交形式

z = −1.532 + j1.286
a = −1.532

答え

a = −1.532
2.複素数

答え: r = 4

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。

共役な対

z₂ = 2 − j2
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·2·z + (2² + 2²) = z² − 4z + 8

2 次式でくくり出す

z³ − 8z² + 24z − 32 = (z² − 4z + 8)(z − 4)

実数の解

r = 4

答え

r = 4

解の和で確かめましょう:z₁ + z₂ + r = 4 + 4 = 8 = −(−8)。

3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: cos φ = 0.2329

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

XL = 157.1 Ω, XC = 31.83 Ω

インピーダンス

|Z| = √(30² + (125.2)²) = 128.8 Ω

力率

cos φ = R/|Z| = 30/128.8 = 0.2329
回路は誘導性なので、力率は遅れです。

答え

cos φ = 0.2329
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: B = 31.83 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·√(0.1·2.2·10⁻⁶)) = 339.3 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) = (1/20)·√(0.1/(2.2·10⁻⁶)) = 10.66

帯域幅

B = f0/Q = 339.3/10.66 = 31.83 Hz

答え

B = 31.83 Hz
5.交流電力と力率

答え: I = 202.2 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 = 28·tan(arccos 0.85) = 17.35 kvar
Q2 = −17·tan(arccos 0.95) = −5.588 kvar

合計

P = 28 + 17 = 45 kW
Q = 17.35 + (−5.588) = 11.77 kvar
S = √(45² + 11.77²) = 46.51 kVA

全電流

I = S/V = 46513/230 = 202.2 A

答え

I = 202.2 A
6.交流電力と力率

答え: Inew = 106.3 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。

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 = 25·tan(53.13°) = 33.33 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(11.48°) = 5.076 kvar
QC = Q1 − Q2 = 28.26 kvar

新しい線電流

Inew = P/(V·cos φ2) = 25000/(240·0.98) = 106.3 A

答え

Inew = 106.3 A
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: BW = 723.4 Hz

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 = 1/0.00022 = 4545 rad/s

Hz での帯域幅

BW = 4545/(2π) = 723.4 Hz = 723.4 Hz

答え

BW = 723.4 Hz

f₀ = 107.3 kHz なので、Q = 148.3 となります。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Q = 4.472

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 = √(8000·10000) = 8944 Hz

帯域幅

BW = 10000 − 8000 = 2000 Hz

Q 値

Q = 8944/2000 = 4.472

答え

Q = 4.472
9.三相電力

答え: IL = 96.61 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 = 55/0.9 = 61.11 kW

線電流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 61111/(√3·415·0.88) = 96.61 A

答え

IL = 96.61 A
10.三相電力

答え: QC = 126.4 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 = 300·tan(acos 0.8) = 300·0.75 = 225 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0.95) = 300·0.3287 = 98.61 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 126.4 kvar

答え

QC = 126.4 kvar
11.RC・RL 過渡現象

答え: W = 2.812 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 = 220 mH / 33 Ω = 6.667 ms
i(∞) = Vs/R = 10/33 = 0.303 A

指定時刻の電流

i(t) = 0.303·(1 − e−5/6.667) = 0.1599 A

蓄積エネルギー

W = ½·L·i² = ½·220·0.1599² = 2.812 mJ

答え

W = 2.812 mJ
12.RC・RL 過渡現象

答え: vC = 10.44 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。

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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 3.3 kΩ · 47 µF = 155.1 ms
vC(t) = 15 + (3 − 15)·e−t/τ

指定時刻の電圧

vC(150) = 15 + (−12)·e−150/155.1 = 10.44 V

答え

vC = 10.44 V
13.テブナン・ノートン

答え: IL = 0.2034 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​ = 15 ΩR3​ = 10 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 = 15·12/(15+12) = 6.667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6.667 + 10 = 16.67 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 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/(15+12) = 4 V
Rth​ = 16.67 Ω+−Vth​4 VRL​3 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) = 4/(16.67 + 3) = 0.2034 A
14.テブナン・ノートン

答え: PL = 24.8 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​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω短絡R2​4 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 = 4·4/(4+4) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 4 = 6 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAIs​2 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) = 15 + 2·2 = 19 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 19 + 2·4 = 27 V
Rth​ = 6 Ω+−Vth​27 VRL​15 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) = 27/(6 + 15) = 1.286 A
PL = IL²·RL = 1.286²·15 = 24.8 W
15.ボード線図と余裕

答え: BW = 15.92 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/√(0.1·1 × 10⁻⁶) = 3162 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 503.3 Hz

帯域幅

BW = R/L = 10/0.1 = 100 rad/s = 15.92 Hz

答え

BW = 15.92 Hz
16.ボード線図と余裕

答え: GM = 8.013 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/6)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(6·9) = 7.348 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 81)) = K/(6·9·(6 + 9)) = K/810

ゲイン余裕

GM = 20·log₁₀(810/322) = 8.013 dB

答え

GM = 8.013 dB

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