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
ReIm11−1−122−2−2θz

z = 2.5∠110° を直交形式 a + jb で表し、実部 a を答えてください。

r = 2.5θ = 110°
a =
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−2θz

ド・モアブルの定理を使って、z = −2 − j2 のときの z⁵ の虚部を求めてください。

z = −2 − j2n = 5
Im(z⁵) =
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
12 V200 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 1 µF

直列 RLC 回路を 12 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 = 12 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 1 µF
φ = °
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
VfR = 20 ΩL = 20 mHC = 10 µF

直列 RLC 回路の R = 20 Ω、L = 20 mH、C = 10 µF である。 帯域幅 B(半電力周波数の間の帯域の幅)を Hz で求めよ。

R = 20 ΩL = 20 mHC = 10 µF
B = Hz
5.交流電力と力率ふつう
P = 14 kWQSφ

単相モーターが 240 V の電源から、遅れ力率 0.75 で 14 kW を消費する。 線電流 I を求めよ。

P = 14 kWpf = 0.75V = 240 V
I = A
6.交流電力と力率むずかしい
P1​ = 77 kWQ1​S1​φ

150 kVA の単相変圧器が、遅れ力率 0.75 で 77 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 = 150 kVAP1 = 77 kWpf1 = 0.75
ΔP = kW
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
V4.7 kΩ47 µH2.2 nF

RLC 並列回路で R = 4.7 kΩ、L = 47 µH、C = 2.2 nF です。Q 値 Q を求めなさい。

R = 4.7 kΩL = 47 µHC = 2.2 nF
Q =
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
V5 ΩLC = ?

全抵抗 5 Ω、共振周波数 50 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 = 5 Ωf0 = 50 kHzBW = 5 kHz
C = nF
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 415 VNZ = 9 + j12 Ω1 相あたり

1 相あたりのインピーダンスが 9 + j12 Ω の平衡 Y 結線負荷が、線間電圧 415 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 = 415 VZ = 9 + j12 Ω 1 相あたり
P = kW
10.三相電力むずかしい
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

平衡三相負荷が、480 V(線間)、50 Hz の電源から遅れ力率 0.8 で 60 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 = 60 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​5 Vt = 0R = 47 ΩL10 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 = 5 VR = 47 ΩL = 10 mHt = 1 ms
W = mJ
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​24 Vt = 0R = 6.8 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 2 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 2 V に充電されている。 vC が 19.6 V に達するまでの時間はいくらか。t を求めよ。

Vs = 24 VR = 6.8 kΩC = 100 µFvC(0) = 2 V
t = ms
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​10 ΩAab

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 = 12 VR1 = 3 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAIs​3 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 = 9 VIs = 3 AR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 Ω
IN = A
15.ボード線図と余裕ふつう
vin​C = 1 nFR = 47 kΩvout​

図の RC ハイパスフィルタ は R = 47 kΩ, C = 1 nF です。17 kHz の正弦波入力が加えられます。 vin に対する vout の位相のずれ φ を度で求めよ。

R = 47 kΩC = 1 nFf = 17 kHz
φ = °
16.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−80−60−40−2002040ω (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) = 80/(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) = 80/(s(s + 20))
ωc = rad/s

3溶液

1.複素数

答え: a = −0.8551

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。

成分

a = 2.5·cos(110°) = −0.8551
b = 2.5·sin(110°) = 2.349

直交形式

z = −0.8551 + j2.349
a = −0.8551

答え

a = −0.8551
2.複素数

答え: Im(z⁵) = 128

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。

極形式

z = −2 − j2 = 2√2∠−135°

ド・モアブル

z⁵ = (2√2)⁵∠−675° = 181∠45°

直交形式

z⁵ = 181·(cos 45° + j sin 45°) = 128 + j128
Im(z⁵) = 128

答え

Im(z⁵) = 128
3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: φ = −84.36 °

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/(1257·1·10⁻⁶) = 795.8 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) = √(60² + (−607.3)²) = 610.2 Ω

位相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−607.3/60) = −84.36°

答え

φ = −84.36°
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: B = 159.2 Hz

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。

共振周波数

f0 = 1/(2π·√(0.02·10·10⁻⁶)) = 355.9 Hz

Q 値

Q は共振時のリアクタンスを抵抗と比べたものです:Q = ω₀L/R。

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/20)·√(0.02/(10·10⁻⁶)) = 2.236

帯域幅

B = f0/Q = 355.9/2.236 = 159.2 Hz

答え

B = 159.2 Hz
5.交流電力と力率

答え: I = 77.78 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) = 14000/(240·0.75) = 77.78 A

答え

I = 77.78 A
6.交流電力と力率

答え: ΔP = 56.75 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 = 77·tan(arccos 0.75) = 67.91 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) = √(150² − 67.91²) = 133.7 kW

追加できる有効電力

ΔP = 133.7 − 77 = 56.75 kW

答え

ΔP = 56.75 kW
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Q = 32.16

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) = 3.11 × 10⁶ rad/s

Q 値

Q = R/(ω₀L) = 4700/(3.11 × 10⁶·4.7 × 10⁻⁵) = 32.16

答え

Q = 32.16

帯域幅は 1/(2πRC) = 15.39 kHz です。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: C = 63.66 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) = 5/(2π·5000) = 0.0001592 H

共振周波数から求める静電容量

C = 1/((2π·50000)²·0.0001592) = 6.366 × 10⁻⁸ F = 63.66 nF

答え

C = 63.66 nF

Q = f₀/BW = 10。

9.三相電力

答え: P = 6.889 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 = 415/√3 = 239.6 V

相電流

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
Iph = 239.6/15 = 15.97 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 = 3·15.97²·9 = 6.889 kW

答え

P = 6.889 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 = 220.2 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 = 60·tan(acos 0.8) = 60·0.75 = 45 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0.9) = 60·0.4843 = 29.06 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 15.94 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·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 5314/(314.2·277.1²) = 220.2 µF

答え

Cph = 220.2 µF
11.RC・RL 過渡現象

答え: W = 0.05556 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 = 10 mH / 47 Ω = 0.2128 ms
i(∞) = Vs/R = 5/47 = 0.1064 A

指定時刻の電流

i(t) = 0.1064·(1 − e−1/0.2128) = 0.1054 A

蓄積エネルギー

W = ½·L·i² = ½·10·0.1054² = 0.05556 mJ

答え

W = 0.05556 mJ
12.RC・RL 過渡現象

答え: t = 1094 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

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) = 2 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 6.8 kΩ · 100 µF = 680 ms
vC(t) = 24 + (2 − 24)·e−t/τ

時間について解く

19.6 = 24 + (−22)·e−t/τ → e−t/τ = (19.6 − 24)/(2 − 24) = 0.2
t = τ·ln((2 − 24)/(19.6 − 24)) = 680·ln(5) = 1094 ms

答え

t = 1094 ms
13.テブナン・ノートン

答え: IN = 1.263 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​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω短絡R2​10 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 = 3·10/(3+10) = 2.308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.308 + 5 = 7.308 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR2​10 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) = 12·10/(3+10) = 9.231 V
IN​1.263 ARth​7.308 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 = 9.231/7.308 = 1.263 A
14.テブナン・ノートン

答え: IN = 3.346 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​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω短絡R2​6 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 = 10·6/(10+6) = 3.75 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.75 + 6 = 9.75 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​6 ΩAIs​3 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) = 3.375 + 3·3.75 = 14.63 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 14.63 + 3·6 = 32.63 V
IN​3.346 ARth​9.75 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 = 32.63/9.75 = 3.346 A
15.ボード線図と余裕

答え: φ = 11.27 °

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/(47000·1 × 10⁻⁹) = 21277 rad/s
fc = 3386 Hz → f/fc = 17000/3386 = 5.02

位相

φ = 90° − atan(5.02) = 11.27°

答え

φ = 11.27°
16.ボード線図と余裕

答え: ωc = 3.925 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 − 6400 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·6400))/2 = 15.41
ωc = 3.925 rad/s

答え

ωc = 3.925 rad/s

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