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
ReIm55−5−51010−10−10z₁z₂w

z₁ = 5∠40°、z₂ = 0.5∠45° のとき、w = z₁/z₂ の偏角 θ を、−180° から 180° の間で、度で求めてください。

z₁ = 5∠40°z₂ = 0.5∠45°
θ = °
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

z³ + 6z² + 13z + 10 = 0 の解の 1 つは z₁ = −2 + j です。係数は実数です。実数の解 r を求めてください。

z₁ = −2 + j
r =
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
100 V200 HzR = 20 ΩL = 250 mHC = 100 µF

直列 RLC 回路を 100 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 = 100 V (rms)f = 200 HzR = 20 ΩL = 250 mHC = 100 µF
φ = °
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
24 V500 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

直列 RLC 回路を 24 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 = 24 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 100 µF
I = A
5.交流電力と力率ふつう
P = 18 kWQSφ

単相モーターが 400 V の電源から、遅れ力率 0.65 で 18 kW を消費する。 線電流 I を求めよ。

P = 18 kWpf = 0.65V = 400 V
I = A
6.交流電力と力率むずかしい
P1​ = 22 kWQ1​S1​φ

50 kVA の単相変圧器が、遅れ力率 0.75 で 22 kW の負荷に電力を供給している。変圧器が kVA 定格に達するまでに、抵抗負荷(力率 1)としてあとどれだけの有効電力 ΔP を追加できるか。

Smax = 50 kVAP1 = 22 kWpf1 = 0.75
ΔP = kW
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
V22 kΩ4.7 mH47 nF

RLC 並列回路で R = 22 kΩ、L = 4.7 mH、C = 47 nF です。Q 値 Q を求めなさい。

R = 22 kΩL = 4.7 mHC = 47 nF
Q =
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
f|I|0.7071f0​ = ?5 kHz6 kHzBW

共振曲線の半電力周波数は 5 kHz と 6 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 = 5 kHzf2 = 6 kHz
Q =
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M55 kW, η = 93%cos φ = 0.85

三相誘導電動機が全負荷で 55 kW の機械出力を出している。この負荷での効率は 93%、力率は遅れ 0.85 である。電源の線間電圧は 480 V である。線電流 IL を求めよ。

Pout = 55 kWη = 93%cos φ = 0.85VL = 480 V
IL = A
10.三相電力むずかしい
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

平衡三相負荷が、690 V(線間)、50 Hz の電源から遅れ力率 0.7 で 80 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 0.92 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 = 80 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​20 Vt = 0R = 47 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 = 1 ms におけるコイルの電圧 vL を求めよ。

Vs = 20 VR = 47 ΩL = 33 mHt = 1 ms
vL = V
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​12 Vt = 0 で開くR1​ = 6.8 kΩR2​ = 1 kΩC47 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 = 20 ms におけるコンデンサの電圧 vC を求めよ。

Vs = 12 VR1 = 6.8 kΩR2 = 1 kΩC = 47 µFt = 20 ms
vC = V
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​20 ΩARL​10 ΩIL​B

a–b 間に負荷 RL = 10 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 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩRL = 10 Ω
IL = A
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 30 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAIs​1 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 = 30 VIs = 1 AR1 = 30 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 Ω
IN = A
15.ボード線図と余裕ふつう
vin​R = 22 kΩC = 1 nFvout​

図の RC ローパスフィルタ は R = 22 kΩ, C = 1 nF です。14 kHz の正弦波入力が加えられます。 ゲイン |H| = |vout/vin| を dB で求めよ。

R = 22 kΩC = 1 nFf = 14 kHz
|H| = dB
16.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.10.1111010100100−60−40−200204060ω (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 + 7)(s + 9)) である。 ゲイン余裕が 3 dB となるゲイン K を求めよ。

L(s) = K/(s(s + 7)(s + 9))GM = 3 dB
K =

3溶液

1.複素数

答え: θ = −5 °

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| = 5 / 0.5 = 10
θ = 40° − 45° = −5°

偏角

θ = −5°

答え

θ = −5°
2.複素数

答え: r = −2

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 = −2 − j
(z − z₁)(z − z₂) = z² − 2·(−2)·z + ((−2)² + 1²) = z² + 4z + 5

2 次式でくくり出す

z³ + 6z² + 13z + 10 = (z² + 4z + 5)(z + 2)

実数の解

r = −2

答え

r = −2

解の和で確かめましょう:z₁ + z₂ + r = −4 + (−2) = −6 = −(6)。

3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: φ = 86.26 °

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

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.25 = 314.2 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) = √(20² + (306.2)²) = 306.9 Ω

位相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(306.2/20) = 86.26°

答え

φ = 86.26°
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: I = 0.2405 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 = 3142·0.02 = 62.83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·100·10⁻⁶) = 3.183 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) = √(80² + (59.65)²) = 99.79 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| = 24/99.79 = 0.2405 A

答え

I = 0.2405 A
5.交流電力と力率

答え: I = 69.23 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) = 18000/(400·0.65) = 69.23 A

答え

I = 69.23 A
6.交流電力と力率

答え: ΔP = 24.08 kW

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。

既存の負荷の無効電力

Q1 = 22·tan(arccos 0.75) = 19.4 kvar

最大の全有効電力

定格いっぱいでは S = Smax で、Q は抵抗負荷によって変わりません。

P = √(Smax² − Q1²) = √(50² − 19.4²) = 46.08 kW

追加できる有効電力

ΔP = 46.08 − 22 = 24.08 kW

答え

ΔP = 24.08 kW
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) = 67283 rad/s

Q 値

Q = R/(ω₀L) = 22000/(67283·0.0047) = 69.57

答え

Q = 69.57

帯域幅は 1/(2πRC) = 153.9 Hz です。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Q = 5.477

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 = √(5000·6000) = 5477 Hz

帯域幅

BW = 6000 − 5000 = 1000 Hz

Q 値

Q = 5477/1000 = 5.477

答え

Q = 5.477
9.三相電力

答え: IL = 83.69 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 = 55/0.93 = 59.14 kW

線電流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 59140/(√3·480·0.85) = 83.69 A

答え

IL = 83.69 A
10.三相電力

答え: Cph = 317.8 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 = 80·tan(acos 0.7) = 80·1.02 = 81.62 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.92) = 80·0.426 = 34.08 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 47.54 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 = 690/√3 = 398.4 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 15845/(314.2·398.4²) = 317.8 µF

答え

Cph = 317.8 µF
11.RC・RL 過渡現象

答え: vL = 4.814 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。

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 / 47 Ω = 0.7021 ms
i(∞) = Vs/R = 20/47 = 0.4255 A

コイルの電圧

t = 0 では電源電圧がすべてコイルにかかり、その後 0 まで減衰します。

vL(t) = Vs·e−t/τ = 20·e−1/0.7021 = 4.814 V

答え

vL = 4.814 V
12.RC・RL 過渡現象

答え: vC = 1.005 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) = 12·1/(6.8 + 1) = 1.538 V

スイッチが開いた後の時定数

τ = R2·C = 1·47 = 47 ms

放電

vC(t) = 1.538·e−20/47 = 1.005 V

答え

vC = 1.005 V
13.テブナン・ノートン

答え: IL = 0.1829 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​ = 3 Ω短絡R2​20 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 = 12·20/(12+20) = 7.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7.5 + 3 = 10.5 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​20 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) = 6·20/(12+20) = 3.75 V
Rth​ = 10.5 Ω+−Vth​3.75 VRL​10 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) = 3.75/(10.5 + 10) = 0.1829 A
14.テブナン・ノートン

答え: IN = 1.261 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​ = 30 ΩR3​ = 10 Ω短絡R2​4 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 = 30·4/(30+4) = 3.529 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.529 + 10 = 13.53 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAIs​1 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) = 3.529 + 1·3.529 = 7.059 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 7.059 + 1·10 = 17.06 V
IN​1.261 ARth​13.53 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 = 17.06/13.53 = 1.261 A
15.ボード線図と余裕

答え: |H| = −6.762 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。

カットオフ周波数

ωc = 1/(RC) = 1/(22000·1 × 10⁻⁹) = 45455 rad/s
fc = 7234 Hz → f/fc = 14000/7234 = 1.935

利得

|H| = 1/√(1 + 1.935²) = 0.4591
20·log₁₀(0.4591) = −6.762 dB

答え

|H| = −6.762 dB
16.ボード線図と余裕

答え: K = 713.6

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/9) = 1 → ω180 = √(7·9) = 7.937 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 49)·√(ω² + 81)) = K/(7·9·(7 + 9)) = K/1008

必要なゲイン

1008/K = 103/20 = 1.413
K = 1008/1.413 = 713.6

答え

K = 713.6

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