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 − j4 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 − j4
θ = °
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
100 V100 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 10 µFI

直列 RLC 回路を 100 V(実効値)、100 Hz の電源に接続する。 電流の実効値 I を求めよ。

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 150 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
24 V200 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 10 µFI

直列 RLC 回路を 24 V(実効値)、200 Hz の電源に接続する。 電流の実効値 I を求めよ。

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 10 µF
I = A
5.交流電力と力率ふつう
P = 40 kWQSφ

単相モーターが 400 V の電源から、遅れ力率 0.65 で 40 kW を消費する。 線電流 I を求めよ。

P = 40 kWpf = 0.65V = 400 V
I = A
6.交流電力と力率むずかしい
P1​ = 53 kWQ1​S1​φ

200 kVA の単相変圧器が、遅れ力率 0.85 で 53 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 = 53 kWpf1 = 0.85
ΔP = kW
7.LC 共振、Q 値、帯域幅ふつう
tvC​iL​T/4 = ?T/2TL = 2.2 µHC = 10 µF

理想的な LC 回路で L = 2.2 µH、C = 10 µF とし、t = 0 でコンデンサが満充電されています。エネルギーがすべてインダクタに移るまでにどれだけかかりますか。t を µs で答えなさい。

L = 2.2 µHC = 10 µF
t = µs
8.LC 共振、Q 値、帯域幅むずかしい
V22 Ω10 mH47 nF50 mA

RLC 直列回路(R = 22 Ω、L = 10 mH、C = 47 nF)を共振で駆動し、電流の振幅は 50 mA です。1 周期の間に R で消費されるエネルギー Ecycle を µJ で求めなさい。

R = 22 ΩL = 10 mHC = 47 nFIm = 50 mA
Ecycle = µJ
9.三相電力ふつう
ABCVL​ = 400 VIL​ = 15 Acos φ = 0.88遅れ

平衡三相負荷が、線間電圧 400 V の電源から線電流 15 A を流している。力率は遅れ 0.88 である。負荷が消費する全有効電力 P を kW で求めよ。

VL = 400 VIL = 15 Acos φ = 0.88
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、690 V(線間)、50 Hz の電源から遅れ力率 0.65 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 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 = 50 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.9VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​9 Vt = 0R = 10 ΩL22 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 = 5 ms におけるコイルの電圧 vL を求めよ。

Vs = 9 VR = 10 ΩL = 22 mHt = 5 ms
vL = V
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​12 Vt = 0R = 3.3 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 3 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 3 V に充電されている。 t = 60 ms におけるコンデンサの電圧 vC を求めよ。

Vs = 12 VR = 3.3 kΩC = 33 µFvC(0) = 3 Vt = 60 ms
vC = V
13.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAab

端子 a–b から見たテブナン電圧 Vth を求めよ。

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 Ω
Vth = V
14.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAIs​5 ABRL​2 ΩIL​

a–b 間に負荷 RL = 2 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 = 10 VIs = 5 AR1 = 5 ΩR2 = 30 ΩR3 = 6 ΩRL = 2 Ω
PL = W
15.ボード線図と余裕ふつう
vin​L = 5 mHC = 0.22 µFR = 10 Ωvout​

図の直列 RLC バンドパスフィルタでは、出力は R = 10 Ω の両端でとり、L = 5 mH、C = 0.22 µF である。 −3 dB 帯域幅 BW を Hz で求めよ。

R = 10 ΩL = 5 mHC = 0.22 µF
BW = Hz
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) = 200/(s(s + 10)) である。 位相余裕 PM を度で求めよ。

L(s) = 200/(s(s + 10))
PM = °

3溶液

1.複素数

答え: θ = −116.6 °

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 = −4 → III

基準角

α = atan(4/2) = 63.43°

偏角

θ = −(180° − α) = −116.6°

答え

θ = −116.6°

極形式では z = 4.472∠−116.6° です。

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: I = 0.8388 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·100 = 628.3 rad/s
XL = ωL = 628.3·0.15 = 94.25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·10·10⁻⁶) = 159.2 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 + (−64.91)²) = 119.2 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| = 100/119.2 = 0.8388 A

答え

I = 0.8388 A
4.交流インピーダンスとフェーザ

答え: I = 0.4006 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.02 = 25.13 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) = √(25² + (−54.44)²) = 59.91 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| = 24/59.91 = 0.4006 A

答え

I = 0.4006 A
5.交流電力と力率

答え: I = 153.8 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) = 40000/(400·0.65) = 153.8 A

答え

I = 153.8 A
6.交流電力と力率

答え: ΔP = 144.3 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 = 53·tan(arccos 0.85) = 32.85 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 − 32.85²) = 197.3 kW

追加できる有効電力

ΔP = 197.3 − 53 = 144.3 kW

答え

ΔP = 144.3 kW
7.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: t = 7.368 µs

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。

周期

T = 2π√(2.2 × 10⁻⁶·1 × 10⁻⁵) = 29.47 µs

4 分の 1 周期

t = T/4 = 7.368 µs

答え

t = 7.368 µs
8.LC 共振、Q 値、帯域幅

答え: Ecycle = 3.746 µJ

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。

蓄積エネルギー

W = ½·0.01·0.05² = 1.25 × 10⁻⁵ J

Q 値

Q = (1/22)·√(0.01/4.7 × 10⁻⁸) = 20.97

1 周期に失われるエネルギー

Ecycle = 2π·W/Q = 2π·1.25 × 10⁻⁵/20.97 = 3.746 × 10⁻⁶ J = 3.746 µJ
確認: ½·0.05²·22/7341 = 3.746 × 10⁻⁶ J

答え

Ecycle = 3.746 µJ
9.三相電力

答え: P = 9.145 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 = √3·400·15 = 10.39 kVA

有効電力

P = S·cos φ = 10.39·0.88 = 9.145 kW

答え

P = 9.145 kW
10.三相電力

答え: Cph = 228.9 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 0.65) = 50·1.169 = 58.46 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 = 34.24 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 = 690/√3 = 398.4 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 11413/(314.2·398.4²) = 228.9 µF

答え

Cph = 228.9 µF
11.RC・RL 過渡現象

答え: vL = 0.9273 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。

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 = 22 mH / 10 Ω = 2.2 ms
i(∞) = Vs/R = 9/10 = 0.9 A

コイルの電圧

t = 0 では電源電圧がすべてコイルにかかり、その後 0 まで減衰します。

vL(t) = Vs·e−t/τ = 9·e−5/2.2 = 0.9273 V

答え

vL = 0.9273 V
12.RC・RL 過渡現象

答え: vC = 6.812 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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 3.3 kΩ · 33 µF = 108.9 ms
vC(t) = 12 + (3 − 12)·e−t/τ

指定時刻の電圧

vC(60) = 12 + (−9)·e−60/108.9 = 6.812 V

答え

vC = 6.812 V
13.テブナン・ノートン

答え: Vth = 8.333 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​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω短絡R2​15 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 = 3·15/(3+15) = 2.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.5 + 10 = 12.5 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​15 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) = 10·15/(3+15) = 8.333 V
14.テブナン・ノートン

答え: PL = 47.7 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​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω短絡R2​30 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 = 5·30/(5+30) = 4.286 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4.286 + 6 = 10.29 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAIs​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) = 8.571 + 5·4.286 = 30 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 30 + 5·6 = 60 V
Rth​ = 10.29 Ω+−Vth​60 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) = 60/(10.29 + 2) = 4.884 A
PL = IL²·RL = 4.884²·2 = 47.7 W
15.ボード線図と余裕

答え: BW = 318.3 Hz

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/√(0.005·2.2 × 10⁻⁷) = 30151 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 4799 Hz

帯域幅

BW = R/L = 10/0.005 = 2000 rad/s = 318.3 Hz

答え

BW = 318.3 Hz
16.ボード線図と余裕

答え: PM = 38.67 °

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 + 100ω² − 40000 = 0
ω² = (−100 + √(10000 + 4·40000))/2 = 156.2
ωc = 12.5 rad/s

位相余裕

∠L(jωc) = −90° − atan(12.5/10) = −141.3°
PM = 180° + ∠L = 38.67°

答え

PM = 38.67°

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