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
ReIm11−1−122−2−233−3−3z₁z₂w

z₁ = 4∠40°、z₂ = 3∠80° のとき、w = z₁/z₂ の実部を求めてください。

z₁ = 4∠40°z₂ = 3∠80°
Re(w) =
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁z₂z₃

n = 4、w = 16∠45° のとき、zⁿ = w の解は zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n)、k = 0, 1, 2, 3 です。z₁ の偏角を、−180° から 180° の間で、度で求めてください。

w = 16∠45°n = 4k = 1
θ₁ = °
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
230 V60 HzR = 40 ΩC = 47 µFI

抵抗とコンデンサが並列に、230 V(実効値)、60 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 = 230 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩC = 47 µF
φ = °
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
230 V50 HzR1​ = 15 ΩR2​ = 40 ΩC = 47 µF

抵抗 R1 が、R2 とコンデンサ C の並列回路と直列に接続され、230 V(実効値)、50 Hz の電源に接続されている。 インピーダンスの大きさ |Z| を求めよ。

V = 230 V (rms)f = 50 HzR1 = 15 ΩR2 = 40 ΩC = 47 µF
|Z| = Ω
5.交流電力と力率ふつう
P = 35 kWQ = ?Sφ

単相モーターが 230 V の電源から、遅れ力率 0.6 で 35 kW を消費する。 モーターの無効電力 Q を求めよ。

P = 35 kWpf = 0.6V = 230 V
Q = kvar
6.交流電力と力率むずかしい
400 V60 Hz負荷8 kW, 0.8C68 µFI = ?

単相負荷が 400 V、60 Hz の電源から、遅れ力率 0.8 で 8 kW を消費する。68 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 = 8 kWpf1 = 0.8V = 400 Vf = 60 HzC = 68 µF
I = A
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
V22 kΩ47 mH470 nF

RLC 並列回路で R = 22 kΩ、L = 47 mH、C = 470 nF です。Q 値 Q を求めなさい。

R = 22 kΩL = 47 mHC = 470 nF
Q =
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
VR = ?100 mHC

RLC 直列の共振回路に 100 mH のインダクタを使います。帯域幅を 20 kHz 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 = 100 mHBW = 20 kHz
R = Ω
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 208 VNZ = 15 + j20 Ω1 相あたり

1 相あたりのインピーダンスが 15 + j20 Ω の平衡 Y 結線負荷が、線間電圧 208 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 = 208 VZ = 15 + j20 Ω 1 相あたり
P = kW
10.三相電力むずかしい
P = 150 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 0.7 で 150 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 = 150 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.95VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​24 Vt = 0R = 47 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。 スイッチを閉じてからどれだけ後に、電流が最終値の 75% に達するか。t を求めよ。

Vs = 24 VR = 47 ΩL = 100 mH
t = ms
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​9 VR1​ = 10 ΩR2​ = 10 Ωt = 0 で開くL47 mHi(t)

R2 の両端のスイッチは長い間閉じていたので、コイルの電流は定常である。t = 0 にスイッチが開く。 t = 0 からどれだけ後に、コイルの電流は 0.585 A に達するか。t を求めよ。

Vs = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩL = 47 mH
t = ms
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​2 ΩAab

端子 a–b から見たテブナン抵抗 Rth を求めよ。

V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 Ω
Rth = Ω
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAIs​2.5 ABRL​5 ΩIL​

a–b 間に負荷 RL = 5 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 = 6 VIs = 2.5 AR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 ΩRL = 5 Ω
IL = A
15.ボード線図と余裕ふつう
vin​L = 1 mHC = 0.47 µFR = 5 Ωvout​

図の直列 RLC バンドパスフィルタでは、出力は R = 5 Ω の両端でとり、L = 1 mH、C = 0.47 µF である。 −3 dB 帯域幅 BW を Hz で求めよ。

R = 5 ΩL = 1 mHC = 0.47 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) = 670/(s(s + 7)(s + 10)) である。 ゲイン余裕 GM を dB で求めよ。

L(s) = 670/(s(s + 7)(s + 10))
GM = dB

3溶液

1.複素数

答え: Re(w) = 1.021

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。

w の絶対値と偏角

|w| = 4 / 3 = 1.333
θ = 40° − 80° = −40°

直交形式

Re(w) = 1.333·cos(−40°) = 1.021
Im(w) = 1.333·sin(−40°) = −0.8571
Re(w) = 1.021

答え

Re(w) = 1.021
2.複素数

答え: θ₁ = 101.3 °

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

161/4 = 2

解の偏角

θ₁ = (45° + 360°·1)/4 = 101.3°

偏角

θ₁ = 101.3°

答え

θ₁ = 101.3°

4 個の解は、半径 2 の円周上に 90° 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 = −35.33 °

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·60·47·10⁻⁶) = 56.44 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 = 230/40 = 5.75 A
IX = V/XC = 230/56.44 = 4.075 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) = √(5.75² + 4.075²) = 7.048 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(4.075/5.75) = −35.33°

答え

φ = −35.33°
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: |Z| = 47.97 Ω

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/(2π·50·47·10⁻⁶) = 67.73 Ω

並列回路

分子と分母に共役複素数を掛けて、Zp を実部と虚部に分けます。

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 29.66 − j17.51 Ω

合成インピーダンス

Z = 15 + 29.66 − j17.51 = 44.66 − j17.51 Ω
|Z| = √(44.66² + 17.51²) = 47.97 Ω

答え

|Z| = 47.97 Ω
5.交流電力と力率

答え: Q = 46.67 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(0.6) = 53.13°, tan φ = 1.333

無効電力

Q = P·tan φ = 35·1.333 = 46.67 kvar

答え

Q = 46.67 kvar
6.交流電力と力率

答え: I = 20.56 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 = 8·tan(arccos 0.8) = 6 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·68·10⁻⁶ = 4102 var = 4.102 kvar
Q2 = 6 − 4.102 = 1.898 kvar

新しい皮相電力

S2 = √(8² + 1.898²) = 8.222 kVA

新しい線電流

I = S2/V = 8222/400 = 20.56 A

答え

I = 20.56 A
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Q = 69.57

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) = 6728 rad/s

Q 値

Q = R/(ω₀L) = 22000/(6728·0.047) = 69.57

答え

Q = 69.57

帯域幅は 1/(2πRC) = 15.39 Hz です。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: R = 12566 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·0.1·20000 = 12566 Ω

答え

R = 12566 Ω
9.三相電力

答え: P = 1.038 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 = 208/√3 = 120.1 V

相電流

|Z| = √(15² + 20²) = 25 Ω
Iph = 120.1/25 = 4.804 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 = 3·4.804²·15 = 1.038 kW

答え

P = 1.038 kW

確認:cos φ = R/|Z| = 0.6 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 = 1598 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 = 150·tan(acos 0.7) = 150·1.02 = 153 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.95) = 150·0.3287 = 49.3 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 103.7 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) = 34576/(377·239.6²) = 1598 µF

答え

Cph = 1598 µF
11.RC・RL 過渡現象

答え: t = 2.95 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 = 100 mH / 47 Ω = 2.128 ms
i(∞) = Vs/R = 24/47 = 0.5106 A

時間について解く

0.75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.75)
t = −2.128·ln(0.25) = 2.95 ms

答え

t = 2.95 ms
12.RC・RL 過渡現象

答え: t = 2.829 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 より前は閉じたスイッチが R₂ を短絡していますが、その後は R₁ と R₂ の両方がループに入ります。

i(0) = 9/10 = 0.9 A
i(∞) = 9/(10 + 10) = 0.45 A
τ = L/R = 47/20 = 2.35 ms
i(t) = 0.45 + (0.9 − 0.45)·e−t/τ

時間について解く

e−t/τ = (0.585 − 0.45)/(0.9 − 0.45) = 0.3
t = 2.35·ln(3.333) = 2.829 ms

答え

t = 2.829 ms
13.テブナン・ノートン

答え: Rth = 3.714 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​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω短絡R2​2 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 = 12·2/(12+2) = 1.714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.714 + 2 = 3.714 Ω
14.テブナン・ノートン

答え: IL = 1.869 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​ = 5 Ω短絡R2​10 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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 5 = 11 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​10 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) = 2.4 + 2.5·6 = 17.4 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 17.4 + 2.5·5 = 29.9 V
Rth​ = 11 Ω+−Vth​29.9 VRL​5 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) = 29.9/(11 + 5) = 1.869 A
15.ボード線図と余裕

答え: BW = 795.8 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/√(0.001·4.7 × 10⁻⁷) = 46127 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 7341 Hz

帯域幅

BW = R/L = 5/0.001 = 5000 rad/s = 795.8 Hz

答え

BW = 795.8 Hz
16.ボード線図と余裕

答え: GM = 4.989 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/7)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(7·10) = 8.367 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 49)·√(ω² + 100)) = K/(7·10·(7 + 10)) = K/1190

ゲイン余裕

GM = 20·log₁₀(1190/670) = 4.989 dB

答え

GM = 4.989 dB

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