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∠−20° を直交形式 a + jb で表し、実部 a を答えてください。

r = 2θ = −20°
a =
2.複素数むずかしい
ReIm11−1−122−2−2z₁z₂

z² + 4z + 5 = 0 を解いてください。解は a ± jb です。実部 a を求めてください。

p = 4q = 5
a =
3.交流インピーダンスとフェーザふつう
50 V100 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 2.2 µF

直列 RLC 回路を 50 V(実効値)、100 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 = 50 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 2.2 µF
φ = °
4.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
5 Vf0​R = 15 ΩL = 100 mHC = 10 µF

直列 RLC 回路を、周波数を回路の共振周波数に設定した 5 V(実効値)の電源で駆動する。コイルの両端の電圧の実効値 VL を求めよ。

V = 5 V (rms)R = 15 ΩL = 100 mHC = 10 µF
VL = V
5.交流電力と力率ふつう
400 V126 kW, 0.7214 kW, 0.95I

2 つの負荷が 400 V の単相電源に並列に接続されている:遅れ力率 0.7 の 26 kW の負荷と、遅れ力率 0.95 の 14 kW の負荷。 電源から見た全体の力率 cos φ を求めよ。

V = 400 VP1 = 26 kW, pf1 = 0.7 遅れP2 = 14 kW, pf2 = 0.95 遅れ
cos φ =
6.交流電力と力率むずかしい
P = 35 kWQ1​S1​φ1​QC​

単相負荷が 230 V、60 Hz の電源から遅れ力率 0.6 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。 必要な静電容量 C を求めよ。

P = 35 kWpf1 = 0.6pf2 = 0.92V = 230 Vf = 60 Hz
C = µF
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
C = 220 nF+−1.5 VL = 470 µHiL​

220 nF のコンデンサを 6 V に充電し、理想的な 470 µH のインダクタと振動させます。コンデンサの電圧が 1.5 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 µJ で求めなさい。

C = 220 nFV0 = 6 VvC = 1.5 V
WL = µJ
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
VR = ?10 µHC

RLC 直列の共振回路に 10 µH 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 µHBW = 20 kHz
R = Ω
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 208 VZ = 6 + j8 Ω1 相あたり

1 相あたりのインピーダンスが 6 + j8 Ω の平衡 Δ 結線負荷が、線間電圧 208 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 = 208 VZ = 6 + j8 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 0.92 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 = 60 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.92VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​30 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 2.2 kΩC33 µF+−vC​

電源 Vₛ は R₁ を通してコンデンサを充電し、R₂ は C と並列に接続されています。 t = 0 でスイッチが閉じるとき、コンデンサは充電されていない。 スイッチを閉じた後の回路の時定数 τ を求めよ。

Vs = 30 VR1 = 10 kΩR2 = 2.2 kΩC = 33 µF
τ = ms
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​5 Vt = 0R = 10 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 30 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 30 V に充電されている。 vC が 22.5 V に達するまでの時間はいくらか。t を求めよ。

Vs = 5 VR = 10 kΩC = 220 µFvC(0) = 30 V
t = ms
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAab

端子 a–b から見たテブナン抵抗 Rth を求めよ。

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 Ω
Rth = Ω
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 2 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAIs​6 ABRL​20 ΩIL​

a–b 間に負荷 RL = 20 Ω を接続する。テブナン等価回路を使って、負荷で消費される電力 PL を求めよ。

V1 = 6 VIs = 6 AR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 30 ΩRL = 20 Ω
PL = W
15.ボード線図と余裕ふつう
vin​R = 4.7 kΩC = 47 nFvout​

図の RC ローパスフィルタ は R = 4.7 kΩ, C = 47 nF です。1.4 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 = 4.7 kΩC = 47 nFf = 1.4 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 + 9)(s + 10)) である。 ゲイン余裕が 2 dB となるゲイン K を求めよ。

L(s) = K/(s(s + 9)(s + 10))GM = 2 dB
K =

3溶液

1.複素数

答え: a = 1.879

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·cos(−20°) = 1.879
b = 2·sin(−20°) = −0.684

直交形式

z = 1.879 − j0.684
a = 1.879

答え

a = 1.879
2.複素数

答え: a = −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。

判別式

p² − 4q = 16 − 20 = −4 < 0

2 次方程式の解の公式

z = (−4 ± j√4)/2 = −2 + j, −2 − j

答え

a = −2

答え

a = −2
3.交流インピーダンスとフェーザ

答え: φ = −80.5 °

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·100 = 628.3 rad/s
XL = ωL = 628.3·0.2 = 125.7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·2.2·10⁻⁶) = 723.4 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 + (−597.8)²) = 606.1 Ω

位相角

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−597.8/100) = −80.5°

答え

φ = −80.5°
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: VL = 33.33 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。

共振

共振時にはリアクタンスが打ち消し合うので、インピーダンスは R だけです。

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.1·10·10⁻⁶) = 1000 rad/s
I = V/R = 5/15 = 0.3333 A

コイルの両端の電圧

XL = ω₀L = 1000·0.1 = 100 Ω
VL = I·XL = 0.3333·100 = 33.33 V

答え

VL = 33.33 V

これは電源電圧の Q = 6.667 倍です。

5.交流電力と力率

答え: cos φ = 0.7892

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。

各負荷の無効電力

遅れ負荷は無効電力を消費し(Q > 0)、進み負荷は無効電力を供給します(Q < 0)。

Q1 = 26·tan(arccos 0.7) = 26.53 kvar
Q2 = 14·tan(arccos 0.95) = 4.602 kvar

合計

P = 26 + 14 = 40 kW
Q = 26.53 + 4.602 = 31.13 kvar
S = √(40² + 31.13²) = 50.68 kVA

全体の力率

cos φ = P/S = 40/50.68 = 0.7892 遅れ

答え

cos φ = 0.7892
6.交流電力と力率

答え: C = 1592 µF

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(53.13°) = 46.67 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 35·tan(23.07°) = 14.91 kvar
QC = Q1 − Q2 = 31.76 kvar

静電容量

電源に並列につないだコンデンサは Q = V²·ωC を供給します。

C = QC/(2πf·V²) = 31757/(2π·60·230²) = 1592 µF

答え

C = 1592 µF
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: WL = 3.712 µJ

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

½·2.2 × 10⁻⁷·6² = 3.96 × 10⁻⁶ J

コンデンサに残るエネルギー

½·2.2 × 10⁻⁷·1.5² = 2.475 × 10⁻⁷ J

インダクタのエネルギー

WL = 3.713 × 10⁻⁶ J = 3.712 µJ

答え

WL = 3.712 µJ
8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: R = 1.257 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·1 × 10⁻⁵·20000 = 1.257 Ω

答え

R = 1.257 Ω
9.三相電力

答え: P = 7.788 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 = VL = 208 V

相電流

|Z| = √(6² + 8²) = 10 Ω
Iph = 208/10 = 20.8 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 = 3·20.8²·6 = 7.788 kW

答え

P = 7.788 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 = 89.53 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 0.92) = 60·0.426 = 25.56 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 19.44 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 = 480 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 6480/(314.2·480²) = 89.53 µF

答え

Cph = 89.53 µF
11.RC・RL 過渡現象

答え: τ = 59.51 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。

コンデンサから見たテブナン等価回路

電源を短絡して Rth を求め、コンデンサを開放して最終的に落ち着く電圧を求めます。

Rth = R1 ∥ R2 = 10·2.2/(10 + 2.2) = 1.803 kΩ
vC(∞) = 30·2.2/(10 + 2.2) = 5.41 V

時定数

τ = Rth·C = 1.803·33 = 59.51 ms

答え

τ = 59.51 ms
12.RC・RL 過渡現象

答え: t = 784.7 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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 10 kΩ · 220 µF = 2200 ms
vC(t) = 5 + (30 − 5)·e−t/τ

時間について解く

22.5 = 5 + (25)·e−t/τ → e−t/τ = (22.5 − 5)/(30 − 5) = 0.7
t = τ·ln((30 − 5)/(22.5 − 5)) = 2200·ln(1.429) = 784.7 ms

答え

t = 784.7 ms
13.テブナン・ノートン

答え: Rth = 19.5 Ω

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​ = 12 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 + 12 = 19.5 Ω
14.テブナン・ノートン

答え: PL = 256.4 W

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​ = 2 ΩR3​ = 30 Ω短絡R2​10 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 = 2·10/(2+10) = 1.667 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.667 + 30 = 31.67 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​6 VR2​10 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) = 5 + (−6)·1.667 = −5 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −5 + (−6)·30 = −185 V
Rth​ = 31.67 Ω−+Vth​185 VRL​20 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) = −185/(31.67 + 20) = −3.581 A
PL = IL²·RL = −3.581²·20 = 256.4 W
15.ボード線図と余裕

答え: |H| = −6.79 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/(4700·4.7 × 10⁻⁸) = 4527 rad/s
fc = 720.5 Hz → f/fc = 1400/720.5 = 1.943

利得

|H| = 1/√(1 + 1.943²) = 0.4576
20·log₁₀(0.4576) = −6.79 dB

答え

|H| = −6.79 dB
16.ボード線図と余裕

答え: K = 1358

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/9)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(9·10) = 9.487 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 81)·√(ω² + 100)) = K/(9·10·(9 + 10)) = K/1710

必要なゲイン

1710/K = 102/20 = 1.259
K = 1710/1.259 = 1358

答え

K = 1358

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