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

z = −6 + 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 = −6 + j5
θ = °
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−233−3−3ABCD

点 A–D のうち、ちょうど 1 つが z⁴ = 16∠180° の解です。それをクリックしてください。

w = 16∠180°n = 4
  1. 1A (2∠−45°)
  2. 2B (2∠180°)
  3. 3C (2∠0°)
  4. 4D (3.6∠−45°)
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
Vf0​ = 100 HzRL = ?C = 0.47 µF

C = 0.47 µF の直列 RLC 回路を 100 Hz で共振させなければならない。必要なインダクタンス L を求めよ。

f0 = 100 HzC = 0.47 µF
L = mH
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
120 V500 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 47 µFI

直列 RLC 回路を 120 V(実効値)、500 Hz の電源に接続する。 電流の実効値 I を求めよ。

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 47 µF
I = A
5.交流電力と力率ふつう
P = 21 kWQSφ

単相モーターが 230 V の電源から、遅れ力率 0.7 で 21 kW を消費する。 線電流 I を求めよ。

P = 21 kWpf = 0.7V = 230 V
I = A
6.交流電力と力率むずかしい
10 V60 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j30 ΩZL​ = ?

10 V(実効値)、60 Hz の電源の内部インピーダンスは Zs = 25 + j30 Ω である。負荷インピーダンス ZL は自由に選べる。 負荷に供給できる最大の有効電力 Pmax を求めよ。

Vs = 10 V (rms)f = 60 HzZs = 25 + j30 Ω
Pmax = W
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
V10 Ω2.2 mH2.2 µF

RLC 直列回路で R = 10 Ω、L = 2.2 mH、C = 2.2 µF です。帯域幅 BW を Hz で求めなさい。

R = 10 ΩL = 2.2 mHC = 2.2 µF
BW = Hz
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
V100 ΩLC = ?

全抵抗 100 Ω、共振周波数 200 kHz、帯域幅 5 kHz の RLC 直列フィルタを設計します。静電容量 C を nF で求めなさい。

R = 100 Ωf0 = 200 kHzBW = 5 kHz
C = nF
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M7.5 kW, η = 91%cos φ = 0.9

三相誘導電動機が全負荷で 7.5 kW の機械出力を出している。この負荷での効率は 91%、力率は遅れ 0.9 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 = 7.5 kWη = 91%cos φ = 0.9VL = 415 V
IL = A
10.三相電力むずかしい
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

平衡三相負荷が、400 V(線間)、50 Hz の電源から遅れ力率 0.65 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 0.95 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 = 75 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.95VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​30 Vt = 0R1​ = 4.7 kΩR2​ = 1 kΩC22 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。 t = 10 ms におけるコンデンサの電圧 vC を求めよ。

Vs = 30 VR1 = 4.7 kΩR2 = 1 kΩC = 22 µFt = 10 ms
vC = V
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​12 Vt = 0R = 6.8 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 30 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 30 V に充電されている。 t = 500 ms におけるコンデンサの電圧 vC を求めよ。

Vs = 12 VR = 6.8 kΩC = 68 µFvC(0) = 30 Vt = 500 ms
vC = V
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAab

端子 a–b から見たテブナン抵抗 Rth を求めよ。

V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 Ω
Rth = Ω
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAIs​1.5 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 = 24 VIs = 1.5 AR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
15.ボード線図と余裕ふつう
|H| (dB)1101001000−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 30

ω = 30 rad/s における G(s) = 3094/((s + 13)(s + 17)) の正確な大きさ |G(jω)| を dB で求めよ。

G(s) = 3094/((s + 13)(s + 17))ω = 30 rad/s
|G(jω)| = dB
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) = 130/(s(s + 5)(s + 8)) である。 ゲイン余裕 GM を dB で求めよ。

L(s) = 130/(s(s + 5)(s + 8))
GM = dB

3溶液

1.複素数

答え: θ = 140.2 °

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 = −6, b = 5 → II

基準角

α = atan(5/6) = 39.81°

偏角

θ = 180° − α = 140.2°

答え

θ = 140.2°

極形式では z = 7.81∠140.2° です。

2.複素数

答え: A (2∠−45°)

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 = 45°, 135°, −135°, −45°

その点

A = 2∠−45°

答え

A (2∠−45°)
3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: L = 5389 mH

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。

共振条件

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)。

ω₀ = 2π·100 = 628.3 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(628.3²·0.47·10⁻⁶) = 5389 mH

答え

L = 5389 mH
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: I = 0.7829 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0.05 = 157.1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·47·10⁻⁶) = 6.773 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) = √(30² + (150.3)²) = 153.3 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| = 120/153.3 = 0.7829 A

答え

I = 0.7829 A
5.交流電力と力率

答え: I = 130.4 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) = 21000/(230·0.7) = 130.4 A

答え

I = 130.4 A
6.交流電力と力率

答え: Pmax = 1 W

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* = 25 − j30 Ω

最大電力

I = Vs/(2Rs) = 10/50 = 0.2 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 10²/(4·25) = 1 W

答え

Pmax = 1 W
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: BW = 723.4 Hz

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。

rad/s での帯域幅

R/L = 10/0.0022 = 4545 rad/s

Hz での帯域幅

BW = 4545/(2π) = 723.4 Hz = 723.4 Hz

答え

BW = 723.4 Hz

f₀ = 2.288 kHz なので、Q = 3.162 となります。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: C = 0.1989 nF

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。

帯域幅から求めるインダクタンス

L = R/(2π·BW) = 100/(2π·5000) = 0.003183 H

共振周波数から求める静電容量

C = 1/((2π·200000)²·0.003183) = 1.989 × 10⁻¹⁰ F = 0.1989 nF

答え

C = 0.1989 nF

Q = f₀/BW = 40。

9.三相電力

答え: IL = 12.74 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 = 7.5/0.91 = 8.242 kW

線電流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 8242/(√3·415·0.9) = 12.74 A

答え

IL = 12.74 A
10.三相電力

答え: Cph = 1254 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 = 75·tan(acos 0.65) = 75·1.169 = 87.68 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0.95) = 75·0.3287 = 24.65 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 63.03 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 = 400/√3 = 230.9 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 21011/(314.2·230.9²) = 1254 µF

答え

Cph = 1254 µF
11.RC・RL 過渡現象

答え: vC = 2.23 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 = 4.7·1/(4.7 + 1) = 0.8246 kΩ
vC(∞) = 30·1/(4.7 + 1) = 5.263 V

時定数

τ = Rth·C = 0.8246·22 = 18.14 ms

充電曲線

vC(t) = 5.263·(1 − e−10/18.14) = 2.23 V

答え

vC = 2.23 V
12.RC・RL 過渡現象

答え: vC = 18.1 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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 6.8 kΩ · 68 µF = 462.4 ms
vC(t) = 12 + (30 − 12)·e−t/τ

指定時刻の電圧

vC(500) = 12 + (18)·e−500/462.4 = 18.1 V

答え

vC = 18.1 V
13.テブナン・ノートン

答え: Rth = 11.5 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​ = 20 ΩR3​ = 4 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 = 20·12/(20+12) = 7.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7.5 + 4 = 11.5 Ω
14.テブナン・ノートン

答え: IN = 1.881 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​ = 12 Ω短絡R2​5 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 = 15·5/(15+5) = 3.75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.75 + 12 = 15.75 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAIs​1.5 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) = 6 + 1.5·3.75 = 11.63 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11.63 + 1.5·12 = 29.63 V
IN​1.881 ARth​15.75 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 = 29.63/15.75 = 1.881 A
15.ボード線図と余裕

答え: |G(jω)| = 8.769 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。

大きさを掛ける

|G(j30)| = 3094/(√(30² + 13²)·√(30² + 17²)) = 3094/(32.7·34.48) = 2.744

結果

20·log₁₀(2.744) = 8.769 dB

答え

|G(jω)| = 8.769 dB
16.ボード線図と余裕

答え: GM = 12.04 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/5)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(5·8) = 6.325 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 64)) = K/(5·8·(5 + 8)) = K/520

ゲイン余裕

GM = 20·log₁₀(520/130) = 12.04 dB

答え

GM = 12.04 dB

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