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
ReIm55−5−5θz

z = 8 + j を指数形式 r·ejθ で表してください。θ をラジアンで、−π から π の間で答えてください。

z = 8 + j
θ = rad
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−2z₀z₁z₂z₃z₄z₅

n = 6、w = 64∠−60° のとき、zⁿ = w の解は zk = R1/n∠((φ + 360°·k)/n)、k = 0, 1, …, 5 です。z₀ の偏角を、−180° から 180° の間で、度で求めてください。

w = 64∠−60°n = 6k = 0
θ₀ = °
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
10 V50 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 10 µFI

直列 RLC 回路を 10 V(実効値)、50 Hz の電源に接続する。 電流の実効値 I を求めよ。

V = 10 V (rms)f = 50 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 10 µF
I = A
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
230 V500 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 100 µF+−VC​

直列 RLC 回路を 230 V(実効値)、500 Hz の電源に接続する。 コンデンサの両端電圧の実効値 VC を求めよ。

V = 230 V (rms)f = 500 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 100 µF
VC = V
5.交流電力と力率ふつう
230 VR + jXP = 3617 W18.5 A

誘導性負荷が 230 V(実効値)の単相電源から 18.5 A と 3617 W を消費する。これを抵抗 R とリアクタンス X の直列回路としてモデル化する。 R を求めよ。

V = 230 VI = 18.5 AP = 3617 W
R = Ω
6.交流電力と力率むずかしい
240 V60 Hz負荷27 kW, 0.6C330 µFI

単相負荷が 240 V、60 Hz の電源から、遅れ力率 0.6 で 27 kW を消費する。330 µF のコンデンサを負荷と並列に接続する。 電源から見た新しい力率 cos φ を求めよ。

P = 27 kWpf1 = 0.6V = 240 Vf = 60 HzC = 330 µF
cos φ =
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
V22 kΩ10 mH2.2 nF

RLC 並列回路で R = 22 kΩ、L = 10 mH、C = 2.2 nF です。Q 値 Q を求めなさい。

R = 22 kΩL = 10 mHC = 2.2 nF
Q =
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
C = 1 µFR = 0.5 ΩL = 470 µH

充電した 1 µF のコンデンサが、全直列抵抗 0.5 Ω の 470 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 = 470 µHC = 1 µFR = 0.5 Ω
n =
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 480 VIL​ = 15 Acos φ = 0.82遅れ

平衡三相負荷が、線間電圧 480 V の電源から線電流 15 A を流している。力率は遅れ 0.82 である。負荷が消費する全有効電力 P を kW で求めよ。

VL = 480 VIL = 15 Acos φ = 0.82
P = kW
10.三相電力むずかしい
P = 50 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 0.8 で 50 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 Δ 結線である。各コンデンサの静電容量 Cph を µF で求めよ。

P = 50 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​9 Vt = 0R = 20 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。 スイッチを閉じてからどれだけ後に、電流が最終値の 99% に達するか。t を求めよ。

Vs = 9 VR = 20 ΩL = 33 mH
t = ms
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​15 Vt = 0R = 3.3 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 8 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 8 V に充電されている。 t = 120 ms におけるコンデンサの電圧 vC を求めよ。

Vs = 15 VR = 3.3 kΩC = 22 µFvC(0) = 8 Vt = 120 ms
vC = V
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​6 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 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 15 ΩRL = 10 Ω
IL = A
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAIs​1.5 ABab

端子 a–b から見たテブナン電圧 Vth を求めよ。

V1 = 9 VIs = 1.5 AR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
15.ボード線図と余裕ふつう
vin​C = 10 nFR = 47 kΩvout​

図の RC ハイパスフィルタ は R = 47 kΩ, C = 10 nF です。680 Hz 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 = 47 kΩC = 10 nFf = 680 Hz
|H| = 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)−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) = 4.2/(s(s + 2)) である。 位相余裕 PM を度で求めよ。

L(s) = 4.2/(s(s + 2))
PM = °

3溶液

1.複素数

答え: θ = 0.1244 rad

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。

絶対値

r = √(64 + 1) = 8.062

ラジアンでの偏角

θ = 7.125° = 7.125·π/180 = 0.1244 rad

指数形式

z = 8.062·ej0.1244

答え

θ = 0.1244 rad
2.複素数

答え: θ₀ = −10 °

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

641/6 = 2

解の偏角

θ₀ = (−60° + 360°·0)/6 = −10°

偏角

θ₀ = −10°

答え

θ₀ = −10°

6 個の解は、半径 2 の円周上に 60° ずつ離れて並びます。

3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: I = 0.0319 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·50 = 314.2 rad/s
XL = ωL = 314.2·0.02 = 6.283 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314.2·10·10⁻⁶) = 318.3 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 + (−312)²) = 313.5 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| = 10/313.5 = 0.0319 A

答え

I = 0.0319 A
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: VC = 0.9284 V

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 = 3142·0.25 = 785.4 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) = √(100² + (782.2)²) = 788.6 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| = 230/788.6 = 0.2917 A

コンデンサの電圧

VC = I·XC = 0.2917·3.183 = 0.9284 V

答え

VC = 0.9284 V
5.交流電力と力率

答え: R = 10.57 Ω

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。

有効電力からの抵抗

R = P/I² = 3617/18.5² = 10.57 Ω

答え

R = 10.57 Ω
6.交流電力と力率

答え: cos φ = 0.6835

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 = 27·tan(arccos 0.6) = 36 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·60·330·10⁻⁶ = 7166 var = 7.166 kvar
Q2 = 36 − 7.166 = 28.83 kvar

新しい皮相電力

S2 = √(27² + 28.83²) = 39.5 kVA

新しい力率

cos φ = P/S2 = 27/39.5 = 0.6835

答え

cos φ = 0.6835
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Q = 10.32

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) = 213201 rad/s

Q 値

Q = R/(ω₀L) = 22000/(213201·0.01) = 10.32

答え

Q = 10.32

帯域幅は 1/(2πRC) = 3.288 kHz です。

8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: n = 9.567

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 = 2·0.00047·ln 2/0.5 = 0.001303 s

周期数

n = t·f0 = 0.001303·7341 = 9.567

答え

n = 9.567

近道:Q = 43.36 を使って n = Q·ln 2/π。

9.三相電力

答え: P = 10.23 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 = √3·480·15 = 12.47 kVA

有効電力

P = S·cos φ = 12.47·0.82 = 10.23 kW

答え

P = 10.23 kW
10.三相電力

答え: Cph = 88.09 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 = 50·tan(acos 0.8) = 50·0.75 = 37.5 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0.9) = 50·0.4843 = 24.22 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 13.28 kvar

1 相あたりの静電容量

Δ バンクでは、各コンデンサは 2 本の線の間に接続されています。

V = 400 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 4428/(314.2·400²) = 88.09 µF

答え

Cph = 88.09 µF
11.RC・RL 過渡現象

答え: t = 7.599 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。

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 / 20 Ω = 1.65 ms
i(∞) = Vs/R = 9/20 = 0.45 A

時間について解く

0.99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.99)
t = −1.65·ln(0.01) = 7.599 ms

答え

t = 7.599 ms
12.RC・RL 過渡現象

答え: vC = 13.66 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) = 8 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 3.3 kΩ · 22 µF = 72.6 ms
vC(t) = 15 + (8 − 15)·e−t/τ

指定時刻の電圧

vC(120) = 15 + (−7)·e−120/72.6 = 13.66 V

答え

vC = 13.66 V
13.テブナン・ノートン

答え: IL = 0.187 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​ = 15 Ω短絡R2​6 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 = 20·6/(20+6) = 4.615 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.615 + 15 = 19.62 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​24 VR2​6 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) = 24·6/(20+6) = 5.538 V
Rth​ = 19.62 Ω+−Vth​5.538 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) = 5.538/(19.62 + 10) = 0.187 A
14.テブナン・ノートン

答え: Vth = −8.25 V

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​ = 4 Ω短絡R2​3 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 = 15·3/(15+3) = 2.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.5 + 4 = 6.5 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​3 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) = 1.5 + (−1.5)·2.5 = −2.25 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −2.25 + (−1.5)·4 = −8.25 V
15.ボード線図と余裕

答え: |H| = −0.9621 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/(47000·1 × 10⁻⁸) = 2128 rad/s
fc = 338.6 Hz → f/fc = 680/338.6 = 2.008

利得

|H| = 2.008/√(1 + 2.008²) = 0.8951
20·log₁₀(0.8951) = −0.9621 dB

答え

|H| = −0.9621 dB
16.ボード線図と余裕

答え: PM = 50.85 °

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 + 4ω² − 17.64 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·17.64))/2 = 2.652
ωc = 1.628 rad/s

位相余裕

∠L(jωc) = −90° − atan(1.628/2) = −129.2°
PM = 180° + ∠L = 50.85°

答え

PM = 50.85°

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