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
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

z³ − z² + 3z + 5 = 0 の解の 1 つは z₁ = 1 + j2 です。係数は実数です。実数の解 r を求めてください。

z₁ = 1 + j2
r =
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
230 V200 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 4.7 µF

直列 RLC 回路を 230 V(実効値)、200 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 = 230 V (rms)f = 200 HzR = 10 ΩL = 50 mHC = 4.7 µF
φ = °
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
50 V100 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 100 µF

直列 RLC 回路を 50 V(実効値)、100 Hz の電源に接続する。 回路の共振周波数 f0 を求めよ。

V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 100 µF
f0 = Hz
5.交流電力と力率ふつう
P = 22 kWQ = ?Sφ

単相モーターが 230 V の電源から、遅れ力率 0.7 で 22 kW を消費する。 モーターの無効電力 Q を求めよ。

P = 22 kWpf = 0.7V = 230 V
Q = kvar
6.交流電力と力率むずかしい
240 V60 Hz負荷7 kW, 0.8C100 µFI = ?

単相負荷が 240 V、60 Hz の電源から、遅れ力率 0.8 で 7 kW を消費する。100 µF のコンデンサを負荷と並列に接続する。 新しい線電流 I を求めよ。

P = 7 kWpf1 = 0.8V = 240 Vf = 60 HzC = 100 µF
I = A
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
f|I|0.70712 kHzf1​ = ?f2​BW

RLC 直列回路が 2 kHz で共振し、Q = 2.5 です。下側の半電力周波数 f1 を厳密に kHz で求めなさい。

f0 = 2 kHzQ = 2.5
f1 = kHz
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
f|I|0.7071f0​ = ?100 kHz150 kHzBW

共振曲線の半電力周波数は 100 kHz と 150 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 = 100 kHzf2 = 150 kHz
Q =
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 400 VZ = 7 + j24 Ω1 相あたり

1 相あたりのインピーダンスが 7 + j24 Ω の平衡 Δ 結線負荷が、線間電圧 400 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 = 400 VZ = 7 + j24 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、415 V(線間)、50 Hz の電源から遅れ力率 0.7 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 = 0.7pf2 = 0.98VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​15 Vt = 0R = 33 ΩL100 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 における電流 i を求めよ。

Vs = 15 VR = 33 ΩL = 100 mHt = 5 ms
i = A
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​6 VR1​ = 47 ΩR2​ = 33 Ωt = 0 で閉じるL100 mHi(t)

R2 の両端のスイッチは長い間開いていたので、コイルの電流は定常である。t = 0 にスイッチが閉じて R2 を短絡する。 t = 0 からどれだけ後に、コイルの電流は 0.091 A に達するか。t を求めよ。

Vs = 6 VR1 = 47 ΩR2 = 33 ΩL = 100 mH
t = ms
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩARL​15 ΩIL​B

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

a–b 間に負荷 RL = 3 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 = 4 AR1 = 30 ΩR2 = 30 ΩR3 = 12 ΩRL = 3 Ω
PL = W
15.ボード線図と余裕ふつう
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 4

ω = 4 rad/s における G(s) = 3(s + 17)/(s(s + 10)) の位相 ∠G(jω) を度で求めよ。

G(s) = 3(s + 17)/(s(s + 10))ω = 4 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 + 4)) である。 ゲイン余裕 GM を dB で求めよ。

L(s) = 60/(s(s + 3)(s + 4))
GM = dB

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: r = −1

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 = 1 − j2
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·1·z + (1² + 2²) = z² − 2z + 5

2 次式でくくり出す

z³ − z² + 3z + 5 = (z² − 2z + 5)(z + 1)

実数の解

r = −1

答え

r = −1

解の和で確かめましょう:z₁ + z₂ + r = 2 + (−1) = 1 = −(−1)。

3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: φ = −84.63 °

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 = 1257·0.05 = 62.83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·4.7·10⁻⁶) = 169.3 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 + (−106.5)²) = 107 Ω

位相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−106.5/10) = −84.63°

答え

φ = −84.63°
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: f0 = 50.33 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

共振時には誘導性リアクタンスと容量性リアクタンスが打ち消し合います:ωL = 1/(ωC)。電源周波数は関係ありません。

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0.1·100·10⁻⁶)) = 50.33 Hz

答え

f0 = 50.33 Hz
5.交流電力と力率

答え: Q = 22.44 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。

位相角

φ = arccos(0.7) = 45.57°, tan φ = 1.02

無効電力

Q = P·tan φ = 22·1.02 = 22.44 kvar

答え

Q = 22.44 kvar
6.交流電力と力率

答え: I = 31.86 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 = 7·tan(arccos 0.8) = 5.25 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·100·10⁻⁶ = 2171 var = 2.171 kvar
Q2 = 5.25 − 2.171 = 3.079 kvar

新しい皮相電力

S2 = √(7² + 3.079²) = 7.647 kVA

新しい線電流

I = S2/V = 7647/240 = 31.86 A

答え

I = 31.86 A
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: f1 = 1.64 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。

平方根の項

√(1 + 1/(4·2.5²)) = 1.02

下側の半電力周波数

f1 = 2000·(1.02 − 0.2) = 1640 Hz = 1.64 kHz

答え

f1 = 1.64 kHz

上側は f₂ = 2.44 kHz です。確認:f₂ − f₁ = 800 Hz = f₀/Q。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Q = 2.449

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 = √(100000·150000) = 122474 Hz

帯域幅

BW = 150000 − 100000 = 50000 Hz

Q 値

Q = 122474/50000 = 2.449

答え

Q = 2.449
9.三相電力

答え: P = 5.376 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 = VL = 400 V

相電流

|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
Iph = 400/25 = 16 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 = 3·16²·7 = 5.376 kW

答え

P = 5.376 kW

確認:cos φ = R/|Z| = 0.28 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 = 61.29 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 0.7) = 75·1.02 = 76.52 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 = 61.29 kvar

答え

QC = 61.29 kvar
11.RC・RL 過渡現象

答え: i = 0.3673 A

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 = 100 mH / 33 Ω = 3.03 ms
i(∞) = Vs/R = 15/33 = 0.4545 A

指定時刻の電流

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0.4545·(1 − e−5/3.03) = 0.3673 A

答え

i = 0.3673 A
12.RC・RL 過渡現象

答え: t = 0.7706 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

t = 0 より前は両方の抵抗がループにありますが、その後は閉じたスイッチが R₂ を短絡します。

i(0) = 6/(47 + 33) = 0.075 A
i(∞) = 6/47 = 0.1277 A
τ = L/R = 100/47 = 2.128 ms
i(t) = 0.1277 + (0.075 − 0.1277)·e−t/τ

時間について解く

e−t/τ = (0.091 − 0.1277)/(0.075 − 0.1277) = 0.6962
t = 2.128·ln(1.436) = 0.7706 ms

答え

t = 0.7706 ms
13.テブナン・ノートン

答え: IL = 0.2432 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​ = 2 ΩR3​ = 15 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 = 2·12/(2+12) = 1.714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.714 + 15 = 16.71 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 15 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/(2+12) = 7.714 V
Rth​ = 16.71 Ω+−Vth​7.714 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) = 7.714/(16.71 + 15) = 0.2432 A
14.テブナン・ノートン

答え: PL = 42.56 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​ = 30 ΩR3​ = 12 Ω短絡R2​30 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 = 30·30/(30+30) = 15 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 15 + 12 = 27 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAIs​4 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) = 5 + 4·15 = 65 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 65 + 4·12 = 113 V
Rth​ = 27 Ω+−Vth​113 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) = 113/(27 + 3) = 3.767 A
PL = IL²·RL = 3.767²·3 = 42.56 W
15.ボード線図と余裕

答え: ∠G(jω) = −98.56 °

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(4/17) − 90° − atan(4/10) = 13.24° − 90° − 21.8°

結果

∠G(j4) = −98.56°

答え

∠G(jω) = −98.56°
16.ボード線図と余裕

答え: GM = 2.923 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/4) = 1 → ω180 = √(3·4) = 3.464 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 9)·√(ω² + 16)) = K/(3·4·(3 + 4)) = K/84

ゲイン余裕

GM = 20·log₁₀(84/60) = 2.923 dB

答え

GM = 2.923 dB

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