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 = −7 − j5 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 = −7 − j5
θ = °
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−233−3−3θz

(−1 + j3)⁴ の虚部を求めてください。

z = −1 + j3n = 4
Im(z⁴) =
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
12 V60 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

直列 RLC 回路を 12 V(実効値)、60 Hz の電源に接続する。 電流の実効値 I を求めよ。

V = 12 V (rms)f = 60 HzR = 25 ΩL = 20 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
12 V50 HzR = 10 ΩL = 200 mHC = 22 µF+−VC​

直列 RLC 回路を 12 V(実効値)、50 Hz の電源に接続する。 コンデンサの両端電圧の実効値 VC を求めよ。

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 10 ΩL = 200 mHC = 22 µF
VC = V
5.交流電力と力率ふつう
230 VZ15 + j20 ΩI

インピーダンス Z = 15 + j20 Ω の負荷が 230 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 = 230 VZ = 15 + j20 Ω
Q = var
6.交流電力と力率むずかしい
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

単相負荷が 230 V、60 Hz の電源から遅れ力率 0.65 で 45 kW を消費する。並列にコンデンサをつないで力率を 0.98 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 = 45 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.98V = 230 Vf = 60 Hz
QC = kvar
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
tvC​iL​T/4 = ?T/2TL = 22 µHC = 22 nF

理想的な LC 回路で L = 22 µH、C = 22 nF とし、t = 0 でコンデンサが満充電されています。エネルギーがすべてインダクタに移るまでにどれだけかかりますか。t を µs で答えなさい。

L = 22 µHC = 22 nF
t = µs
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
VR = ?47 mHC

RLC 直列の共振回路に 47 mH のインダクタを使います。帯域幅を 500 Hz にするには、直列の全抵抗 R をいくらにすればよいですか。

L = 47 mHBW = 500 Hz
R = Ω
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M45 kW, η = 92%cos φ = 0.8

三相誘導電動機が全負荷で 45 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 0.8 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 = 45 kWη = 92%cos φ = 0.8VL = 415 V
IL = A
10.三相電力むずかしい
P = 200 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 200 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 = 200 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​15 Vt = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 1 kΩC220 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。 スイッチを閉じた後の回路の時定数 τ を求めよ。

Vs = 15 VR1 = 1 kΩR2 = 1 kΩC = 220 µF
τ = ms
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​12 Vt = 0R = 10 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 18 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 18 V に充電されている。 t = 1000 ms におけるコンデンサの電圧 vC を求めよ。

Vs = 12 VR = 10 kΩC = 220 µFvC(0) = 18 Vt = 1000 ms
vC = V
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩAab

端子 a–b から見たテブナン電圧 Vth を求めよ。

V1 = 18 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 25 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAIs​2.5 ABRL​2 ΩIL​

a–b 間に負荷 RL = 2 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 = 10 VIs = 2.5 AR1 = 25 ΩR2 = 2 ΩR3 = 5 ΩRL = 2 Ω
PL = W
15.ボード線図と余裕ふつう
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 5

ω = 5 rad/s における G(s) = 31(s + 18)/(s(s + 11)) の位相 ∠G(jω) を度で求めよ。

G(s) = 31(s + 18)/(s(s + 11))ω = 5 rad/s
∠G(jω) = °
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) = 60/(s(s + 3)(s + 5)) である。 ゲイン余裕 GM を dB で求めよ。

L(s) = 60/(s(s + 3)(s + 5))
GM = dB

3溶液

1.複素数

答え: θ = −144.5 °

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 = −7, b = −5 → III

基準角

α = atan(5/7) = 35.54°

偏角

θ = −(180° − α) = −144.5°

答え

θ = −144.5°

極形式では z = 8.602∠−144.5° です。

2.複素数

答え: Im(z⁴) = 96

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。

冪を 1 段階ずつ求める

z² = (−1 + j3)(−1 + j3) = −8 − j6
z³ = (−8 − j6)(−1 + j3) = 26 − j18
z⁴ = (26 − j18)(−1 + j3) = 28 + j96

ド・モアブルの定理で確かめる

z = 3.162∠108.4° → z⁴ = 100∠73.74°
Im(z⁴) = 96

答え

Im(z⁴) = 96
3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: I = 0.3823 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0.02 = 7.54 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26.53 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 + (−18.99)²) = 31.39 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| = 12/31.39 = 0.3823 A

答え

I = 0.3823 A
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: VC = 21.05 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。

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/(314.2·22·10⁻⁶) = 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) = √(10² + (−81.85)²) = 82.46 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| = 12/82.46 = 0.1455 A

コンデンサの電圧

VC = I·XC = 0.1455·144.7 = 21.05 V

答え

VC = 21.05 V
5.交流電力と力率

答え: Q = 1693 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| = √(15² + 20²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 230/25 = 9.2 A

無効電力

Q = I²·X = 9.2²·20 = 1693 var

答え

Q = 1693 var
6.交流電力と力率

答え: QC = 43.47 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 = 45·tan(49.46°) = 52.61 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(11.48°) = 9.138 kvar
QC = Q1 − Q2 = 43.47 kvar

答え

QC = 43.47 kvar
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: t = 1.093 µs

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。

周期

T = 2π√(2.2 × 10⁻⁵·2.2 × 10⁻⁸) = 4.371 µs

4 分の 1 周期

t = T/4 = 1.093 µs

答え

t = 1.093 µs
8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: R = 147.7 Ω

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。

直列の帯域幅

BW = R/(2πL)

抵抗

R = 2π·0.047·500 = 147.7 Ω

答え

R = 147.7 Ω
9.三相電力

答え: IL = 85.06 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 = 45/0.92 = 48.91 kW

線電流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 48913/(√3·415·0.8) = 85.06 A

答え

IL = 85.06 A
10.三相電力

答え: QC = 91.18 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 = 200·tan(acos 0.75) = 200·0.8819 = 176.4 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.92) = 200·0.426 = 85.2 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 91.18 kvar

答え

QC = 91.18 kvar
11.RC・RL 過渡現象

答え: τ = 110 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。

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 = 1·1/(1 + 1) = 0.5 kΩ
vC(∞) = 15·1/(1 + 1) = 7.5 V

時定数

τ = Rth·C = 0.5·220 = 110 ms

答え

τ = 110 ms
12.RC・RL 過渡現象

答え: vC = 15.81 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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 10 kΩ · 220 µF = 2200 ms
vC(t) = 12 + (18 − 12)·e−t/τ

指定時刻の電圧

vC(1000) = 12 + (6)·e−1000/2200 = 15.81 V

答え

vC = 15.81 V
13.テブナン・ノートン

答え: Vth = 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​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω短絡R2​4 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 = 8·4/(8+4) = 2.667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.667 + 2 = 4.667 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​4 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) = 18·4/(8+4) = 6 V
14.テブナン・ノートン

答え: PL = 8.151 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​ = 25 ΩR3​ = 5 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 = 25·2/(25+2) = 1.852 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.852 + 5 = 6.852 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAIs​2.5 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) = 0.7407 + 2.5·1.852 = 5.37 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 5.37 + 2.5·5 = 17.87 V
Rth​ = 6.852 Ω+−Vth​17.87 VRL​2 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) = 17.87/(6.852 + 2) = 2.019 A
PL = IL²·RL = 2.019²·2 = 8.151 W
15.ボード線図と余裕

答え: ∠G(jω) = −98.92 °

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。

角を足す

∠G = atan(5/18) − 90° − atan(5/11) = 15.52° − 90° − 24.44°

結果

∠G(j5) = −98.92°

答え

∠G(jω) = −98.92°
16.ボード線図と余裕

答え: GM = 6.021 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/5) = 1 → ω180 = √(3·5) = 3.873 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 25)) = K/(3·5·(3 + 5)) = K/120

ゲイン余裕

GM = 20·log₁₀(120/60) = 6.021 dB

答え

GM = 6.021 dB

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