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
ReIm22−2−244−4−466−6−6θz

数 z = 6·e−j0.5 の角度はラジアンで表されています。その虚部 b を求めてください。

r = 6θ = −0.5 rad
b =
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−2ABCD

点 A–D のうち、ちょうど 1 つが z³ = 8∠90° の解です。それをクリックしてください。

w = 8∠90°n = 3
  1. 1A (1∠150°)
  2. 2B (2∠−30°)
  3. 3C (2∠90°)
  4. 4D (2∠150°)
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
24 V500 HzR = 25 ΩC = 4.7 µFI

抵抗とコンデンサが並列に、24 V(実効値)、500 Hz の電源に接続されている。 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 = 24 V (rms)f = 500 HzR = 25 ΩC = 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 V200 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 100 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 = 60 ΩL = 200 mHC = 100 µF
I = A
5.交流電力と力率ふつう
P = 11 kWQSφ

単相モーターが 230 V の電源から、遅れ力率 0.9 で 11 kW を消費する。 線電流 I を求めよ。

P = 11 kWpf = 0.9V = 230 V
I = A
6.交流電力と力率むずかしい
100 V60 HzRs​ = 5 ΩXs​ = j40 ΩZL​ = ?

100 V(実効値)、60 Hz の電源の内部インピーダンスは Zs = 5 + j40 Ω である。負荷インピーダンス ZL は自由に選べる。 最大電力を得る負荷を、抵抗とコンデンサの直列回路でつくる。静電容量 C を求めよ。

Vs = 100 V (rms)f = 60 HzZs = 5 + j40 Ω
C = µF
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
C = 470 pF+−6 VL = 4.7 mHiL​

470 pF のコンデンサを 24 V に充電し、理想的な 4.7 mH のインダクタと振動させます。コンデンサの電圧が 6 V になった瞬間にインダクタに蓄えられているエネルギー WL を nJ で求めなさい。

C = 470 pFV0 = 24 VvC = 6 V
WL = nJ
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
V10 Ω470 µH10 nF100 mA

RLC 直列回路(R = 10 Ω、L = 470 µH、C = 10 nF)を共振で駆動し、電流の振幅は 100 mA です。1 周期の間に R で消費されるエネルギー Ecycle を nJ で求めなさい。

R = 10 ΩL = 470 µHC = 10 nFIm = 100 mA
Ecycle = nJ
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 400 VNZ = 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 Y 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 = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

平衡三相負荷が、480 V(線間)、50 Hz の電源から遅れ力率 0.8 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 0.98 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 = 200 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.98VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​20 Vt = 0R = 22 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。 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 = 22 ΩL = 100 mH
W(∞) = mJ
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​15 Vt = 0 で開くR1​ = 2.2 kΩR2​ = 6.8 kΩC220 µF+−vC​

スイッチは長い間閉じていたので、回路は定常状態にある。t = 0 にスイッチが開く。 t = 500 ms におけるコンデンサの電圧 vC を求めよ。

Vs = 15 VR1 = 2.2 kΩR2 = 6.8 kΩC = 220 µFt = 500 ms
vC = V
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 5 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAab

端子 a–b から見たテブナン抵抗 Rth を求めよ。

V1 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 Ω
Rth = Ω
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAIs​3 ABab

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 VIs = 3 AR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
15.ボード線図と余裕ふつう
vin​C = 10 nFR = 2.2 kΩvout​

図の RC ハイパスフィルタ は R = 2.2 kΩ, C = 10 nF です。36 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 = 2.2 kΩC = 10 nFf = 36 kHz
φ = °
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 8 dB となるゲイン K を求めよ。

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 3))GM = 8 dB
K =

3溶液

1.複素数

答え: b = −2.877

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 = 6·(cos −0.5 + j sin −0.5)

成分(ラジアン)

a = 6·cos −0.5 = 5.265
b = 6·sin −0.5 = −2.877
b = −2.877

答え

b = −2.877
2.複素数

答え: D (2∠150°)

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。

解の絶対値と偏角

|z| = 2
θ = 30°, 150°, −90°

その点

D = 2∠150°

答え

D (2∠150°)
3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: φ = −20.26 °

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/(ωC) = 1/(2π·500·4.7·10⁻⁶) = 67.73 Ω

枝電流

両方の枝は電源に直接接続されているので、どちらにも電圧 V 全体がかかります。

IR = V/R = 24/25 = 0.96 A
IX = V/XC = 24/67.73 = 0.3544 A

全電流

抵抗の電流は V と同相で、リアクタンスの電流は 90° 位相がずれているので、直角三角形の辺のように合成されます。

I = √(IR² + IX²) = √(0.96² + 0.3544²) = 1.023 A

位相角

コンデンサの電流は V より進むので、全電流も進み、角度は負です。

φ = −arctan(IX/IR) = −arctan(0.3544/0.96) = −20.26°

答え

φ = −20.26°
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: I = 0.1995 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 = 1257·0.2 = 251.3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·100·10⁻⁶) = 7.958 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) = √(60² + (243.4)²) = 250.7 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| = 50/250.7 = 0.1995 A

答え

I = 0.1995 A
5.交流電力と力率

答え: I = 53.14 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) = 11000/(230·0.9) = 53.14 A

答え

I = 53.14 A
6.交流電力と力率

答え: C = 66.31 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。

共役整合

負荷のリアクタンスは電源のリアクタンスを打ち消し、負荷抵抗は電源抵抗に等しくなります。

ZL = Zs* = 5 − j40 Ω

静電容量

XC = 40 Ω → C = 1/(2π·60·40) = 66.31 µF

答え

C = 66.31 µF
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: WL = 126.9 nJ

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。

全エネルギー

½·4.7 × 10⁻¹⁰·24² = 1.354 × 10⁻⁷ J

コンデンサに残るエネルギー

½·4.7 × 10⁻¹⁰·6² = 8.46 × 10⁻⁹ J

インダクタのエネルギー

WL = 1.269 × 10⁻⁷ J = 126.9 nJ

答え

WL = 126.9 nJ
8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Ecycle = 681.1 nJ

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。

蓄積エネルギー

W = ½·0.00047·0.1² = 2.35 × 10⁻⁶ J

Q 値

Q = (1/10)·√(0.00047/1 × 10⁻⁸) = 21.68

1 周期に失われるエネルギー

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·2.35 × 10⁻⁶/21.68 = 6.811 × 10⁻⁷ J = 681.1 nJ
確認: ½·0.1²·10/73413 = 6.811 × 10⁻⁷ J

答え

Ecycle = 681.1 nJ
9.三相電力

答え: P = 1.792 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 = 400/√3 = 230.9 V

相電流

|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
Iph = 230.9/25 = 9.238 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 = 3·9.238²·7 = 1.792 kW

答え

P = 1.792 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: Cph = 1511 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 = 200·tan(acos 0.8) = 200·0.75 = 150 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.98) = 200·0.2031 = 40.61 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 109.4 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 = 480/√3 = 277.1 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 36463/(314.2·277.1²) = 1511 µF

答え

Cph = 1511 µF
11.RC・RL 過渡現象

答え: W(∞) = 41.32 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 = 100 mH / 22 Ω = 4.545 ms
i(∞) = Vs/R = 20/22 = 0.9091 A

蓄積エネルギー

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·100·0.9091² = 41.32 mJ

答え

W(∞) = 41.32 mJ
12.RC・RL 過渡現象

答え: vC = 8.113 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。

コンデンサの初期電圧

定常状態ではコンデンサは開放なので、R₁ と R₂ は分圧回路になります。スイッチが開いてもコンデンサの電圧は急変できません。

vC(0) = 15·6.8/(2.2 + 6.8) = 11.33 V

スイッチが開いた後の時定数

τ = R2·C = 6.8·220 = 1496 ms

放電

vC(t) = 11.33·e−500/1496 = 8.113 V

答え

vC = 8.113 V
13.テブナン・ノートン

答え: Rth = 5.222 Ω

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​ = 5 ΩR3​ = 3 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 = 5·4/(5+4) = 2.222 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.222 + 3 = 5.222 Ω
14.テブナン・ノートン

答え: IN = 3.363 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​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω短絡R2​20 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 = 12·20/(12+20) = 7.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7.5 + 8 = 15.5 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​20 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) = 5.625 + 3·7.5 = 28.13 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 28.13 + 3·8 = 52.13 V
IN​3.363 ARth​15.5 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 = 52.13/15.5 = 3.363 A
15.ボード線図と余裕

答え: φ = 11.36 °

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/(2200·1 × 10⁻⁸) = 45455 rad/s
fc = 7234 Hz → f/fc = 36000/7234 = 4.976

位相

φ = 90° − atan(4.976) = 11.36°

答え

φ = 11.36°
16.ボード線図と余裕

答え: K = 11.94

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 = 108/20 = 2.512
K = 30/2.512 = 11.94

答え

K = 11.94

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