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

z = −2 + j を指数形式 r·ejθ で表してください。θ をラジアンで、−π から π の間で答えてください。

z = −2 + j
θ = rad
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁z₂

n = 3、w = 8∠135° のとき、zⁿ = w の解は zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n)、k = 0, 1, 2 です。z₀ の虚部を求めてください。

w = 8∠135°n = 3k = 0
Im(z₀) =
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
10 V60 HzR = 15 ΩL = 50 mHC = 47 µF

直列 RLC 回路を 10 V(実効値)、60 Hz の電源に接続する。 インピーダンスの位相角 φ を度で求めよ(電流が電圧より遅れるとき正)。

V = 10 V (rms)f = 60 HzR = 15 ΩL = 50 mHC = 47 µF
φ = °
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
50 V60 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 2.2 µF+−VC​

直列 RLC 回路を 50 V(実効値)、60 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 = 50 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 2.2 µF
VC = V
5.交流電力と力率ふつう
240 V111 kW, 0.6210 kW, 0.85I

2 つの負荷が 240 V の単相電源に並列に接続されている:遅れ力率 0.6 の 11 kW の負荷と、遅れ力率 0.85 の 10 kW の負荷。 電源から見た全体の力率 cos φ を求めよ。

V = 240 VP1 = 11 kW, pf1 = 0.6 遅れP2 = 10 kW, pf2 = 0.85 遅れ
cos φ =
6.交流電力と力率むずかしい
P = 40 kWQ1​S1​φ1​QC​

単相負荷が 240 V、60 Hz の電源から遅れ力率 0.65 で 40 kW を消費する。並列にコンデンサをつないで力率を 0.95 に改善する。 必要な静電容量 C を求めよ。

P = 40 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.95V = 240 Vf = 60 Hz
C = µF
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
V100 kΩ22 mH220 pF

RLC 並列回路で R = 100 kΩ、L = 22 mH、C = 220 pF です。Q 値 Q を求めなさい。

R = 100 kΩL = 22 mHC = 220 pF
Q =
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
C = 22 nFr = 5 ΩL = 47 µH

並列のタンク回路が、22 nF のコンデンサと、巻線抵抗 5 Ω の 47 µH のコイルでできています。共振では抵抗のようにふるまい、その動的抵抗は RD = L/(C·r) です。RD を kΩ で求めなさい。

L = 47 µHC = 22 nFr = 5 Ω
RD = kΩ
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M45 kW, η = 93%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 93%、力率は遅れ 0.8 である。電源の線間電圧は 690 V である。線電流 IL を求めよ。

Pout = 45 kWη = 93%cos φ = 0.8VL = 690 V
IL = A
10.三相電力むずかしい
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

平衡三相負荷が、415 V(線間)、60 Hz の電源から遅れ力率 0.72 で 60 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 0.9 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 = 60 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​9 Vt = 0R = 47 ΩL150 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 80% に達するか。t を求めよ。

Vs = 9 VR = 47 ΩL = 150 mH
t = ms
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​5 Vt = 0R = 1 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 12 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 12 V に充電されている。 t = 40 ms におけるコンデンサの電圧 vC を求めよ。

Vs = 5 VR = 1 kΩC = 68 µFvC(0) = 12 Vt = 40 ms
vC = V
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAab

ノートン電流 IN を求めよ:端子を短絡したとき a から b へ流れる電流。

V1 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAIs​2.5 ABab

端子 a–b から見たテブナン電圧 Vth を求めよ。

V1 = 15 VIs = 2.5 AR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 Ω
Vth = V
15.ボード線図と余裕ふつう
vin​C = 47 nFR = 3.3 kΩvout​

図の RC ハイパスフィルタ は R = 3.3 kΩ, C = 47 nF です。2.1 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 = 3.3 kΩC = 47 nFf = 2.1 kHz
φ = °
16.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

ユニティフィードバック系の開ループ伝達関数は L(s) = 21/(s(s + 2)) である。 位相余裕 PM を度で求めよ。

L(s) = 21/(s(s + 2))
PM = °

3溶液

1.複素数

答え: θ = 2.678 rad

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。

絶対値

r = √(4 + 1) = 2.236

ラジアンでの偏角

θ = 153.4° = 153.4·π/180 = 2.678 rad

指数形式

z = 2.236·ej2.678

答え

θ = 2.678 rad
2.複素数

答え: Im(z₀) = 1.414

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

81/3 = 2

解の偏角

θ₀ = (135° + 360°·0)/3 = 45°

直交形式

z₀ = 2·(cos 45° + j sin 45°) = 1.414 + j1.414
Im(z₀) = 1.414

答え

Im(z₀) = 1.414

3 個の解は、半径 2 の円周上に 120° 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: φ = −68.25 °

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 = 377·0.05 = 18.85 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·47·10⁻⁶) = 56.44 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) = √(15² + (−37.59)²) = 40.47 Ω

位相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−37.59/15) = −68.25°

答え

φ = −68.25°
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: VC = 54.02 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0.25 = 94.25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·2.2·10⁻⁶) = 1206 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 + (−1111)²) = 1116 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| = 50/1116 = 0.0448 A

コンデンサの電圧

VC = I·XC = 0.0448·1206 = 54.02 V

答え

VC = 54.02 V
5.交流電力と力率

答え: cos φ = 0.7094

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 = 11·tan(arccos 0.6) = 14.67 kvar
Q2 = 10·tan(arccos 0.85) = 6.197 kvar

合計

P = 11 + 10 = 21 kW
Q = 14.67 + 6.197 = 20.86 kvar
S = √(21² + 20.86²) = 29.6 kVA

全体の力率

cos φ = P/S = 21/29.6 = 0.7094 遅れ

答え

cos φ = 0.7094
6.交流電力と力率

答え: C = 1548 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 = 40·tan(49.46°) = 46.77 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(18.19°) = 13.15 kvar
QC = Q1 − Q2 = 33.62 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) = 33618/(2π·60·240²) = 1548 µF

答え

C = 1548 µF
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Q = 10

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

ω₀ = 1/√(LC) = 454545 rad/s

Q 値

Q = R/(ω₀L) = 100000/(454545·0.022) = 10

答え

Q = 10

帯域幅は 1/(2πRC) = 7.234 kHz です。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: RD = 0.4273 kΩ

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。

動的抵抗

RD = 4.7 × 10⁻⁵/(2.2 × 10⁻⁸·5) = 427.3 Ω = 0.4273 kΩ

Q で確認する

Q = (1/r)·√(L/C) = 9.244, Q²·r = 427.3 Ω

答え

RD = 0.4273 kΩ
9.三相電力

答え: IL = 50.61 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 = 45/0.93 = 48.39 kW

線電流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 48387/(√3·690·0.8) = 50.61 A

答え

IL = 50.61 A
10.三相電力

答え: Cph = 443.1 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 = 60·tan(acos 0.72) = 60·0.9639 = 57.83 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0.9) = 60·0.4843 = 29.06 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 28.77 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 = 415/√3 = 239.6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 9591/(377·239.6²) = 443.1 µF

答え

Cph = 443.1 µF
11.RC・RL 過渡現象

答え: t = 5.137 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 = 150 mH / 47 Ω = 3.191 ms
i(∞) = Vs/R = 9/47 = 0.1915 A

時間について解く

0.8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.8)
t = −3.191·ln(0.2) = 5.137 ms

答え

t = 5.137 ms
12.RC・RL 過渡現象

答え: vC = 8.887 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) = 12 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 1 kΩ · 68 µF = 68 ms
vC(t) = 5 + (12 − 5)·e−t/τ

指定時刻の電圧

vC(40) = 5 + (7)·e−40/68 = 8.887 V

答え

vC = 8.887 V
13.テブナン・ノートン

答え: IN = 0.36 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​ = 4 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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 4 = 10 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 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) = 9·10/(15+10) = 3.6 V
IN​0.36 ARth​10 Ωab

ノートン等価回路

ノートン電源は、同じ回路を R_th と並列な電流源として見たものです。その電流は a–b の短絡電流です。

IN = Vth/Rth = 3.6/10 = 0.36 A
14.テブナン・ノートン

答え: Vth = −16.67 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​ = 10 ΩR3​ = 6 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 = 10·2/(10+2) = 1.667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.667 + 6 = 7.667 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​15 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) = 2.5 + (−2.5)·1.667 = −1.667 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −1.667 + (−2.5)·6 = −16.67 V
15.ボード線図と余裕

答え: φ = 26.04 °

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 = 1/(RC) = 1/(3300·4.7 × 10⁻⁸) = 6447 rad/s
fc = 1026 Hz → f/fc = 2100/1026 = 2.046

位相

φ = 90° − atan(2.046) = 26.04°

答え

φ = 26.04°
16.ボード線図と余裕

答え: PM = 24.59 °

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。

ゲイン交差

ω⁴ + 4ω² − 441 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·441))/2 = 19.1
ωc = 4.37 rad/s

位相余裕

∠L(jωc) = −90° − atan(4.37/2) = −155.4°
PM = 180° + ∠L = 24.59°

答え

PM = 24.59°

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