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
ReIm22−2−244−4−4θz

z = −2 − j5 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 = −2 − j5
θ = °
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−233−3−3ABCD

点 A–D のうち、ちょうど 1 つが z⁴ = 16∠180° の解です。それをクリックしてください。

w = 16∠180°n = 4
  1. 1A (2∠180°)
  2. 2B (2∠−135°)
  3. 3C (2∠−90°)
  4. 4D (3.6∠−135°)
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
230 V60 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 10 µFI

直列 RLC 回路を 230 V(実効値)、60 Hz の電源に接続する。 回路の力率 cos φ を求めよ。

V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 10 µF
cos φ =
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
VfR = 15 ΩL = 20 mHC = 0.1 µF

直列 RLC 回路の R = 15 Ω、L = 20 mH、C = 0.1 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 = 15 ΩL = 20 mHC = 0.1 µF
B = Hz
5.交流電力と力率ふつう
P = 29 kWQSφ

単相モーターが 400 V の電源から、遅れ力率 0.75 で 29 kW を消費する。 線電流 I を求めよ。

P = 29 kWpf = 0.75V = 400 V
I = A
6.交流電力と力率むずかしい
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

単相負荷が 400 V、50 Hz の電源から遅れ力率 0.7 で 35 kW を消費する。並列にコンデンサをつないで力率を 0.92 に改善する。 コンデンサが供給すべき無効電力 QC を求めよ。

P = 35 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.92V = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
C = 470 pF+−1.8 VL = 22 mHiL​

470 pF のコンデンサを 9 V に充電し、理想的な 22 mH のインダクタと振動させます。コンデンサの電圧が 1.8 V になった瞬間にインダクタに蓄えられているエネルギー WL を nJ で求めなさい。

C = 470 pFV0 = 9 VvC = 1.8 V
WL = nJ
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
VR = ?10 mHC

RLC 直列の共振回路に 10 mH のインダクタを使います。帯域幅を 20 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 = 10 mHBW = 20 kHz
R = Ω
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M11 kW, η = 94%cos φ = 0.86

三相誘導電動機が全負荷で 11 kW の機械出力を出している。この負荷での効率は 94%、力率は遅れ 0.86 である。電源の線間電圧は 690 V である。線電流 IL を求めよ。

Pout = 11 kWη = 94%cos φ = 0.86VL = 690 V
IL = A
10.三相電力むずかしい
P = 300 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 0.65 で 300 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 = 300 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.92VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​20 Vt = 0R = 33 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 80% に達するか。t を求めよ。

Vs = 20 VR = 33 ΩL = 33 mH
t = ms
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​9 Vt = 0R = 10 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 10 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 10 V に充電されている。 t = 300 ms におけるコンデンサの電圧 vC を求めよ。

Vs = 9 VR = 10 kΩC = 33 µFvC(0) = 10 Vt = 300 ms
vC = V
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 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 = 15 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 Ω
IN = A
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​25 ΩAIs​2 ABRL​10 ΩIL​

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 VIs = 2 AR1 = 5 ΩR2 = 25 ΩR3 = 5 ΩRL = 10 Ω
IL = A
15.ボード線図と余裕ふつう
vin​L = 1 mHC = 10 µFR = 2 Ωvout​

図の直列 RLC バンドパスフィルタでは、出力は R = 2 Ω の両端でとり、L = 1 mH、C = 10 µF である。 Q 値 Q を求めよ。

R = 2 ΩL = 1 mHC = 10 µF
Q =
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) = 336/(s(s + 6)(s + 8)) である。 ゲイン余裕 GM を dB で求めよ。

L(s) = 336/(s(s + 6)(s + 8))
GM = dB

3溶液

1.複素数

答え: θ = −111.8 °

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 = −2, b = −5 → III

基準角

α = atan(5/2) = 68.2°

偏角

θ = −(180° − α) = −111.8°

答え

θ = −111.8°

極形式では z = 5.385∠−111.8° です。

2.複素数

答え: B (2∠−135°)

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。

解の絶対値と偏角

|z| = 2
θ = 45°, 135°, −135°, −45°

その点

B = 2∠−135°

答え

B (2∠−135°)
3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: cos φ = 0.2366

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

XL = 18.85 Ω, XC = 265.3 Ω

インピーダンス

|Z| = √(60² + (−246.4)²) = 253.6 Ω

力率

cos φ = R/|Z| = 60/253.6 = 0.2366
回路は容量性なので、力率は進みです。

答え

cos φ = 0.2366
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: B = 119.4 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·√(0.02·0.1·10⁻⁶)) = 3559 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) = (1/15)·√(0.02/(0.1·10⁻⁶)) = 29.81

帯域幅

B = f0/Q = 3559/29.81 = 119.4 Hz

答え

B = 119.4 Hz
5.交流電力と力率

答え: I = 96.67 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) = 29000/(400·0.75) = 96.67 A

答え

I = 96.67 A
6.交流電力と力率

答え: QC = 20.8 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。

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 = 35·tan(45.57°) = 35.71 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(23.07°) = 14.91 kvar
QC = Q1 − Q2 = 20.8 kvar

答え

QC = 20.8 kvar
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: WL = 18.27 nJ

LC 共振:充電したコンデンサをインダクタにつなぐと、電流が流れて逆向きに充電されます:エネルギーは、固有周波数 f0 = 1/(2π√(LC)) で C の電界(½Cv²)と L の磁界(½Li²)の間を行き来します。抵抗がなければ全エネルギー ½CV0² は一定なので、ピーク電流は Imax = V0√(C/L) です。1 周期は T = 1/f0 で、エネルギーはその 4 分の 1 の時間で C から L に移ります。

全エネルギー

½·4.7 × 10⁻¹⁰·9² = 1.904 × 10⁻⁸ J

コンデンサに残るエネルギー

½·4.7 × 10⁻¹⁰·1.8² = 7.614 × 10⁻¹⁰ J

インダクタのエネルギー

WL = 1.827 × 10⁻⁸ J = 18.27 nJ

答え

WL = 18.27 nJ
8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: R = 1257 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·0.01·20000 = 1257 Ω

答え

R = 1257 Ω
9.三相電力

答え: IL = 11.39 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 = 11/0.94 = 11.7 kW

線電流

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 11702/(√3·690·0.86) = 11.39 A

答え

IL = 11.39 A
10.三相電力

答え: QC = 222.9 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 = 300·tan(acos 0.65) = 300·1.169 = 350.7 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0.92) = 300·0.426 = 127.8 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 222.9 kvar

答え

QC = 222.9 kvar
11.RC・RL 過渡現象

答え: t = 1.609 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 / 33 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 20/33 = 0.6061 A

時間について解く

0.8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.8)
t = −1·ln(0.2) = 1.609 ms

答え

t = 1.609 ms
12.RC・RL 過渡現象

答え: vC = 9.403 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) = 10 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 10 kΩ · 33 µF = 330 ms
vC(t) = 9 + (10 − 9)·e−t/τ

指定時刻の電圧

vC(300) = 9 + (1)·e−300/330 = 9.403 V

答え

vC = 9.403 V
13.テブナン・ノートン

答え: IN = 0.6522 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​ = 5 ΩR3​ = 12 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 = 5·10/(5+10) = 3.333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3.333 + 12 = 15.33 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 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) = 15·10/(5+10) = 10 V
IN​0.6522 ARth​15.33 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 = 10/15.33 = 0.6522 A
14.テブナン・ノートン

答え: IL = 2 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​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω短絡R2​25 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 = 5·25/(5+25) = 4.167 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.167 + 5 = 9.167 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​25 ΩAIs​2 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) = 20 + 2·4.167 = 28.33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 28.33 + 2·5 = 38.33 V
Rth​ = 9.167 Ω+−Vth​38.33 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) = 38.33/(9.167 + 10) = 2 A
15.ボード線図と余裕

答え: Q = 5

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。

共振周波数

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.001·1 × 10⁻⁵) = 10000 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1592 Hz

Q 値

BW = R/L = 2/0.001 = 2000 rad/s = 318.3 Hz
Q = ω₀/BW = 10000/2000 = 5

答え

Q = 5
16.ボード線図と余裕

答え: GM = 6.021 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/6)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(6·8) = 6.928 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 64)) = K/(6·8·(6 + 8)) = K/672

ゲイン余裕

GM = 20·log₁₀(672/336) = 6.021 dB

答え

GM = 6.021 dB

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