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
ReIm11−1−122−2−233−3−344−4−455−5−566−6−677−7−788−8−8zABCD

図には z = 1 − j3 が示されています。w = 0.5∠−90° とするとき、z/w を表す点をクリックしてください。

z = 1 − j3w = 0.5∠−90°
  1. 1A (6 + j2)
  2. 2B (−6 − j2)
  3. 3C (3 + j)
  4. 4D (2 − j6)
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

方程式 z² − 4z + 10.25 = 0 には 2 つの複素数の解があります。その絶対値 |z| を求めてください。

p = −4q = 10.25
|z| =
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
10 V200 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 10 µF

直列 RLC 回路を 10 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 = 10 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 10 µF
φ = °
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
12 V100 HzR1​ = 25 ΩR2​ = 60 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、12 V(実効値)、100 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 = 12 V (rms)f = 100 HzR1 = 25 ΩR2 = 60 ΩC = 47 µF
|Z| = Ω
5.交流電力と力率ふつう
P = 22 kWQ = ?Sφ

単相モーターが 230 V の電源から、遅れ力率 0.75 で 22 kW を消費する。 モーターの無効電力 Q を求めよ。

P = 22 kWpf = 0.75V = 230 V
Q = kvar
6.交流電力と力率むずかしい
P1​ = 60 kWQ1​S1​φ

200 kVA の単相変圧器が、遅れ力率 0.6 で 60 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 = 200 kVAP1 = 60 kWpf1 = 0.6
ΔP = kW
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
f|I|0.7071500 kHzf1​ = ?f2​BW

RLC 直列回路が 500 kHz で共振し、Q = 4 です。下側の半電力周波数 f1 を厳密に kHz で求めなさい。

f0 = 500 kHzQ = 4
f1 = kHz
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
VR = ?47 mHC

RLC 直列の共振回路に 47 mH のインダクタを使います。帯域幅を 10 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 = 47 mHBW = 10 kHz
R = Ω
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M75 kW, η = 88%cos φ = 0.8

三相誘導電動機が全負荷で 75 kW の機械出力を出している。この負荷での効率は 88%、力率は遅れ 0.8 である。電源の線間電圧は 400 V である。線電流 IL を求めよ。

Pout = 75 kWη = 88%cos φ = 0.8VL = 400 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、480 V(線間)、60 Hz の電源から遅れ力率 0.78 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 0.92 に改善する。有効電力は変わらない。 コンデンサバンクが供給すべき全無効電力 QC を kvar で求めよ。

P = 75 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.92VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​24 Vt = 0R = 50 ΩL68 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 でコイルに蓄えられているエネルギー W を mJ で求めよ。

Vs = 24 VR = 50 ΩL = 68 mHt = 1 ms
W = mJ
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​30 Vt = 0 で開くR1​ = 1 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 = 30 VR1 = 1 kΩR2 = 6.8 kΩC = 33 µFt = 500 ms
vC = V
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​4 ΩARL​2 ΩIL​B

a–b 間に負荷 RL = 2 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 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 ΩRL = 2 Ω
IL = A
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 25 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAIs​6 ABRL​8 ΩIL​

a–b 間に負荷 RL = 8 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 = 9 VIs = 6 AR1 = 25 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 ΩRL = 8 Ω
IL = 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)−90−450ω = 2

ω = 2 rad/s における G(s) = 21(s + 15)/(s(s + 17)) の位相 ∠G(jω) を度で求めよ。

G(s) = 21(s + 15)/(s(s + 17))ω = 2 rad/s
∠G(jω) = °
16.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)11101010010010001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​ = ?

ユニティフィードバック系の開ループ伝達関数は L(s) = 330/(s(s + 20)) である。 |L(jω)| = 1 となるゲイン交差周波数 ωc を求めよ。

L(s) = 330/(s(s + 20))
ωc = rad/s

3溶液

1.複素数

答え: A (6 + j2)

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 の効果

|z/w| = |z|/0.5, arg(z/w) = arg z − (−90)°

その点

z/w = 6 + j2 → A

答え

A (6 + j2)
2.複素数

答え: |z| = 3.202

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 = 16 − 41 = −25 < 0

2 次方程式の解の公式

z = (4 ± j√25)/2 = 2 + j2.5, 2 − j2.5

答え

|z| = √(2² + 2.5²) = √10.25 = 3.202

答え

|z| = 3.202
3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: φ = 65.34 °

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 = 1257·0.15 = 188.5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·10·10⁻⁶) = 79.58 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) = √(50² + (108.9)²) = 119.8 Ω

位相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(108.9/50) = 65.34°

答え

φ = 65.34°
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: |Z| = 47.11 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·100·47·10⁻⁶) = 33.86 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 = 14.49 − j25.68 Ω

合成インピーダンス

Z = 25 + 14.49 − j25.68 = 39.49 − j25.68 Ω
|Z| = √(39.49² + 25.68²) = 47.11 Ω

答え

|Z| = 47.11 Ω
5.交流電力と力率

答え: Q = 19.4 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(0.75) = 41.41°, tan φ = 0.8819

無効電力

Q = P·tan φ = 22·0.8819 = 19.4 kvar

答え

Q = 19.4 kvar
6.交流電力と力率

答え: ΔP = 123.3 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 = 60·tan(arccos 0.6) = 80 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) = √(200² − 80²) = 183.3 kW

追加できる有効電力

ΔP = 183.3 − 60 = 123.3 kW

答え

ΔP = 123.3 kW
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: f1 = 441.4 kHz

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。

平方根の項

√(1 + 1/(4·4²)) = 1.008

下側の半電力周波数

f1 = 500000·(1.008 − 0.125) = 441391 Hz = 441.4 kHz

答え

f1 = 441.4 kHz

上側は f₂ = 566.4 kHz です。確認:f₂ − f₁ = 125 kHz = f₀/Q。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: R = 2953 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·0.047·10000 = 2953 Ω

答え

R = 2953 Ω
9.三相電力

答え: IL = 153.8 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 = 75/0.88 = 85.23 kW

線電流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 85227/(√3·400·0.8) = 153.8 A

答え

IL = 153.8 A
10.三相電力

答え: QC = 28.22 kvar

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 0.78) = 75·0.8023 = 60.17 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0.92) = 75·0.426 = 31.95 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 28.22 kvar

答え

QC = 28.22 kvar
11.RC・RL 過渡現象

答え: W = 2.123 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 = 68 mH / 50 Ω = 1.36 ms
i(∞) = Vs/R = 24/50 = 0.48 A

指定時刻の電流

i(t) = 0.48·(1 − e−1/1.36) = 0.2499 A

蓄積エネルギー

W = ½·L·i² = ½·68·0.2499² = 2.123 mJ

答え

W = 2.123 mJ
12.RC・RL 過渡現象

答え: vC = 2.817 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) = 30·6.8/(1 + 6.8) = 26.15 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) = 26.15·e−500/224.4 = 2.817 V

答え

vC = 2.817 V
13.テブナン・ノートン

答え: IL = 0.2647 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​ = 20 ΩR3​ = 6 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 = 20·4/(20+4) = 3.333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.333 + 6 = 9.333 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​18 VR2​4 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) = 18·4/(20+4) = 3 V
Rth​ = 9.333 Ω+−Vth​3 VRL​2 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/(9.333 + 2) = 0.2647 A
14.テブナン・ノートン

答え: IL = 4.554 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​ = 25 ΩR3​ = 20 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 = 25·5/(25+5) = 4.167 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.167 + 20 = 24.17 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAIs​6 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) = 1.5 + 6·4.167 = 26.5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 26.5 + 6·20 = 146.5 V
Rth​ = 24.17 Ω+−Vth​146.5 VRL​8 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) = 146.5/(24.17 + 8) = 4.554 A
15.ボード線図と余裕

答え: ∠G(jω) = −89.12 °

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(2/15) − 90° − atan(2/17) = 7.595° − 90° − 6.71°

結果

∠G(j2) = −89.12°

答え

∠G(jω) = −89.12°
16.ボード線図と余裕

答え: ωc = 13.63 rad/s

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。

ゲイン交差

ω⁴ + 400ω² − 108900 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·108900))/2 = 185.9
ωc = 13.63 rad/s

答え

ωc = 13.63 rad/s

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