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 = 3 + j6 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 = 3 + j6
θ = °
2.複素数むずかしい
ReIm22−2−244−4−4z₁z₂

z² − 8z + 17 = 0 を解いてください。解は a ± jb です。b > 0 を求めてください。

p = −8q = 17
b =
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
100 V1000 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 1 µF

直列 RLC 回路を 100 V(実効値)、1000 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 = 100 V (rms)f = 1000 HzR = 25 ΩL = 100 mHC = 1 µF
φ = °
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
24 V60 HzR1​ = 50 ΩR2​ = 20 ΩC = 100 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、24 V(実効値)、60 Hz の電源に接続されている。 インピーダンスの大きさ |Z| を求めよ。

V = 24 V (rms)f = 60 HzR1 = 50 ΩR2 = 20 ΩC = 100 µF
|Z| = Ω
5.交流電力と力率ふつう
P = 3 kWQ = ?Sφ

単相モーターが 400 V の電源から、遅れ力率 0.6 で 3 kW を消費する。 モーターの無効電力 Q を求めよ。

P = 3 kWpf = 0.6V = 400 V
Q = kvar
6.交流電力と力率むずかしい
P = 25 kWQ1​S1​φ1​QC​

単相負荷が 240 V、60 Hz の電源から遅れ力率 0.75 で 25 kW を消費する。並列にコンデンサをつないで力率を 0.9 に改善する。 新しい線電流 Inew を求めよ。

P = 25 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.9V = 240 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
V47 Ω4.7 mH47 pF

RLC 直列回路で R = 47 Ω、L = 4.7 mH、C = 47 pF です。Q 値 Q を求めなさい。

R = 47 ΩL = 4.7 mHC = 47 pF
Q =
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
C = 47 nFR = 2 ΩL = 100 µH

充電した 47 nF のコンデンサが、全直列抵抗 2 Ω の 100 µH のコイルを通して放電するので、振動はゆっくり減衰します。振幅は e−Rt/(2L) に従って減衰します。振幅が半分になるまでに、振動は何周期 n 起こりますか。(損失は小さいので、周波数は f₀ とします。)

L = 100 µHC = 47 nFR = 2 Ω
n =
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 400 VIL​ = 150 Acos φ = 0.9遅れ

平衡三相負荷が、線間電圧 400 V の電源から線電流 150 A を流している。力率は遅れ 0.9 である。負荷が消費する全有効電力 P を kW で求めよ。

VL = 400 VIL = 150 Acos φ = 0.9
P = kW
10.三相電力むずかしい
P = 100 kWφ1​S1​Q2​QC​

平衡三相負荷が、480 V(線間)、60 Hz の電源から遅れ力率 0.78 で 100 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 = 100 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.9VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​12 Vt = 0R = 10 ΩL33 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 = 12 VR = 10 ΩL = 33 mHt = 5 ms
i = A
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​9 Vt = 0 で開くR1​ = 4.7 kΩR2​ = 6.8 kΩC33 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 = 9 VR1 = 4.7 kΩR2 = 6.8 kΩC = 33 µFt = 500 ms
vC = V
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩARL​12 ΩIL​B

a–b 間に負荷 RL = 12 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 = 30 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩRL = 12 Ω
IL = A
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 4 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAIs​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 = 5 VIs = 5 AR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
15.ボード線図と余裕ふつう
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 1

ω = 1 rad/s における G(s) = 13(s + 17)/(s(s + 13)) の位相 ∠G(jω) を度で求めよ。

G(s) = 13(s + 17)/(s(s + 13))ω = 1 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) = 6/(s(s + 1)(s + 4)) である。 ゲイン余裕 GM を dB で求めよ。

L(s) = 6/(s(s + 1)(s + 4))
GM = dB

3溶液

1.複素数

答え: θ = 63.43 °

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 = 3, b = 6 → I

基準角

α = atan(6/3) = 63.43°

偏角

θ = α = 63.43°

答え

θ = 63.43°

極形式では z = 6.708∠63.43° です。

2.複素数

答え: b = 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。

判別式

p² − 4q = 64 − 68 = −4 < 0

2 次方程式の解の公式

z = (8 ± j√4)/2 = 4 + j, 4 − j

答え

b = 1

答え

b = 1
3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: φ = 86.95 °

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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0.1 = 628.3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·1·10⁻⁶) = 159.2 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) = √(25² + (469.2)²) = 469.8 Ω

位相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(469.2/25) = 86.95°

答え

φ = 86.95°
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: |Z| = 63.48 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·60·100·10⁻⁶) = 26.53 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 = 12.75 − j9.614 Ω

合成インピーダンス

Z = 50 + 12.75 − j9.614 = 62.75 − j9.614 Ω
|Z| = √(62.75² + 9.614²) = 63.48 Ω

答え

|Z| = 63.48 Ω
5.交流電力と力率

答え: Q = 4 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 = 3·1.333 = 4 kvar

答え

Q = 4 kvar
6.交流電力と力率

答え: Inew = 115.7 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 = P·tan φ1 = 25·tan(41.41°) = 22.05 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(25.84°) = 12.11 kvar
QC = Q1 − Q2 = 9.94 kvar

新しい線電流

Inew = P/(V·cos φ2) = 25000/(240·0.9) = 115.7 A

答え

Inew = 115.7 A
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Q = 212.8

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。

特性インピーダンス

√(L/C) = √(0.0047/4.7 × 10⁻¹¹) = 10000 Ω

Q 値

Q = 10000/47 = 212.8

答え

Q = 212.8

共振周波数は 338.6 kHz なので、BW = f₀/Q = 1.592 kHz です。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: n = 5.089

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。

振幅の半減期

t = 2·1 × 10⁻⁴·ln 2/2 = 6.931 × 10⁻⁵ s

周期数

n = t·f0 = 6.931 × 10⁻⁵·73413 = 5.089

答え

n = 5.089

近道:Q = 23.06 を使って n = Q·ln 2/π。

9.三相電力

答え: P = 93.53 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。

皮相電力

S = √3·VL·IL = √3·400·150 = 103.9 kVA

有効電力

P = S·cos φ = 103.9·0.9 = 93.53 kW

答え

P = 93.53 kW
10.三相電力

答え: Cph = 366.1 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 = 100·tan(acos 0.78) = 100·0.8023 = 80.23 kvar
Q2 = 100·tan(acos 0.9) = 100·0.4843 = 48.43 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 31.8 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·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 10599/(377·277.1²) = 366.1 µF

答え

Cph = 366.1 µF
11.RC・RL 過渡現象

答え: i = 0.9363 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 = 33 mH / 10 Ω = 3.3 ms
i(∞) = Vs/R = 12/10 = 1.2 A

指定時刻の電流

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 1.2·(1 − e−5/3.3) = 0.9363 A

答え

i = 0.9363 A
12.RC・RL 過渡現象

答え: vC = 0.5733 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) = 9·6.8/(4.7 + 6.8) = 5.322 V

スイッチが開いた後の時定数

τ = R2·C = 6.8·33 = 224.4 ms

放電

vC(t) = 5.322·e−500/224.4 = 0.5733 V

答え

vC = 0.5733 V
13.テブナン・ノートン

答え: IL = 0.7692 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​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω短絡R2​5 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 = 6·5/(6+5) = 2.727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.727 + 3 = 5.727 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​5 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) = 30·5/(6+5) = 13.64 V
Rth​ = 5.727 Ω+−Vth​13.64 VRL​12 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) = 13.64/(5.727 + 12) = 0.7692 A
14.テブナン・ノートン

答え: IN = 5.053 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​ = 4 ΩR3​ = 30 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 = 4·2/(4+2) = 1.333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.333 + 30 = 31.33 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAIs​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) = 1.667 + 5·1.333 = 8.333 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 8.333 + 5·30 = 158.3 V
IN​5.053 ARth​31.33 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 = 158.3/31.33 = 5.053 A
15.ボード線図と余裕

答え: ∠G(jω) = −91.03 °

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(1/17) − 90° − atan(1/13) = 3.366° − 90° − 4.399°

結果

∠G(j1) = −91.03°

答え

∠G(jω) = −91.03°
16.ボード線図と余裕

答え: GM = 10.46 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/1)·(ω/4) = 1 → ω180 = √(1·4) = 2 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 16)) = K/(1·4·(1 + 4)) = K/20

ゲイン余裕

GM = 20·log₁₀(20/6) = 10.46 dB

答え

GM = 10.46 dB

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