FE Electrical and Computer 試験対策:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、40 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

抵抗の直列・並列

抵抗の直列接続
Req = R1 + R2 + …
抵抗の並列接続
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
2 つの並列接続
Req = R1R2 / (R1 + R2)
オームの法則
V = I·R
電力
P = V·I = I²R = V²/R

解き方

  1. 端子からいちばん遠い回路網の端から始めます。
  2. 直列の抵抗は足し合わせ、並列の抵抗は 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + … でまとめます。
  3. 1 ステップごとに回路を描き直します。
  4. 端子間に抵抗が 1 つだけ残るまで繰り返します。

節点解析

キルヒホッフの電流則
ΣIin = ΣIout
枝電流
I = (Va − Vb)/R
基準節点
Vground = 0

解き方

  1. 基準節点(接地)を選び、ほかの節点電圧に名前をつけます。
  2. 未知の各節点でキルヒホッフの電流則を書きます:各枝から出ていく電流の和は入ってくる電流の和に等しくなります。
  3. 各枝電流を (Va − Vb)/R で表します。
  4. 連立方程式を解き、必要な電流を求めます。

網目解析

キルヒホッフの電圧則
各ループで ΣV = 0
共有する抵抗
電流 = I1 − I2
網目内の電流源
その網目電流が決まる

解き方

  1. 回路の各網目(窓)に時計回りの電流を描きます。
  2. 各網目を一周してキルヒホッフの電圧則を適用します:電圧降下の和はゼロです。
  3. 2 つの網目が共有する抵抗では、電流は 2 つの網目電流の差になります。
  4. 方程式を解きます。結果が負なら、電流は逆向きに流れています。

重ね合わせの理

重ね合わせの理
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
取り除いた電圧源
短絡 (0 V)
取り除いた電流源
開放 (0 A)
分圧の式
V2 = V·R2/(R1 + R2)
分流の式
I1 = I·R2/(R1 + R2)

解き方

  1. 独立電源の数を数えます。電源ごとに 1 つずつ、より簡単な回路を解くことになります。
  2. 1 つの電源だけを残し、ほかは取り除きます:電圧源は短絡(導線)に、電流源は開放(切れ目)に置き換えます。
  3. 簡単になった回路で必要な電圧または電流を求め、その向きを記録しておきます。
  4. すべての電源について繰り返し、それぞれの寄与を符号を考えて足し合わせます。

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。

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。

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)

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

変圧器

巻数比
a = N1/N2 = V1/V2
電流比
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
定格電流
I = S/V
換算インピーダンス
Z1′ = a²·ZL
部分負荷時の銅損
Pcu = x²·Pcu,fl
効率
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
最大効率
x = √(Pcore/Pcu,fl)

オペアンプ回路

反転増幅器
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
非反転増幅器
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
加算増幅器
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
理想オペアンプ
V+ = V−, Iin = 0

ダイオードとトランジスタ

ダイオード(定電圧降下モデル)
VD = 0.7 V when conducting
活性領域
VBE = 0.7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
固定バイアス
IB = (VCC − 0.7)/RB
分圧バイアス
IB = (VTH − 0.7)/(RTH + (β + 1)RE)
分圧回路のテブナン等価回路
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
コレクタ側の閉路
VCE = VCC − ICRC − IERE
飽和
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

記数法

位取り
2 進数 2k、8 進数 8k、16 進数 16k
10 進数へ
Σ dk·bk
10 進数から
基数で割り、余りを下から上へ読む
16 進数 ↔ 2 進数
16 進数 1 桁 = 4 ビット
2 の補数
ビットを反転して 1 を足す

デジタル論理:ゲート・カルノー図・フリップフロップ

基本ゲート
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
ブールの規則
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
ド・モルガンの法則
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
カルノー図の並び順
00, 01, 11, 10 (Gray code)
2ᵏ 個のセルのグループ
k 個の変数が消える
4 対 1 マルチプレクサ
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
フリップフロップ
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
カウンタ
n ビット:2ⁿ 状態; mod-N:2ⁿ ≥ N を満たす最小の n; fout = fclk/N
リップルカウンタ
fmax = 1/(n·tpd)
リングカウンタとジョンソンカウンタ
n 状態と 2n 状態

解き方

  1. 回路では、入力から出力へ向かってゲートを 1 つずつ進み、各配線に値を書き込むか、式を書いて真理値表を埋めましょう。
  2. 簡単化するには、1(とドントケアは X として)を、行と列がグレイコード 00, 01, 11, 10 のカルノー図に書き込みましょう。
  3. 1 を、1, 2, 4, 8, 16 個のセルからなる、できるだけ少なくできるだけ大きなグループで、端をまたぎながら覆いましょう。各グループは、一定のままの変数からなる 1 つの積項です。POS 形には 0 をグループ化します。
  4. フリップフロップとカウンタでは、各有効クロックエッジで入力を読み取り、エッジごとの状態を書き出し、n ビットのカウンタは 2ⁿ 個の状態で折り返すことを忘れないようにしましょう。

安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

安定性
特性多項式のすべての根が左半平面にある
ラウス表、3 次式の s¹ の要素
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
右半平面の根
第 1 列の符号変化の回数
3 次式 s³ + a₂s² + a₁s + a₀
すべての a > 0 かつ a₂·a₁ > a₀ のとき安定
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
固有方程式
1 + K·G(s) = 0
漸近線
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
分岐点と合流点
dK/ds = 0
大きさの条件
K = 1/|G(s)|
出発角
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

解き方

  1. 閉ループの特性多項式を書きます:1 + K·G(s) = 0 の分母を展開したものです。
  2. 係数を、ラウス表の最初の 2 行に交互に入れ、残りの行を作ります。
  3. 第 1 列の符号変化を数えます:1 回ごとに右半平面の極が 1 個です。表に K が入っているときは、第 1 列のすべての要素が正のままであることを条件にします。
  4. 根軌跡では、極と零点、実軸上の区間、重心から出る漸近線、dK/ds = 0 となる分岐点を記入します。ある点でのゲインには K = 1/|G(s)| を使います。

定常偏差と PID 制御

システムの型
G(s) の s = 0 にある極の個数
偏差定数
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
ステップ A
ess = A/(1 + Kp)
ランプ A·t
ess = A/Kv
放物線 A·t²/2
ess = A/Ka
PID 制御器
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
2 次系の目標
s² + 2ζωns + ωn²
オーバーシュートと時間
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

解き方

  1. 開ループ C(s)·G(s) の s = 0 にある極を数えます:それがシステムの型です。
  2. 入力に対応する偏差定数を求めます:ステップには Kp、ランプには Kv、放物線には Ka です。
  3. ess = A/(1 + Kp)、A/Kv、または A/Ka を使うか、それを必要なゲインについて解きます。
  4. 減衰や速度の仕様では、閉ループの特性多項式を書き、s² + 2ζω_n·s + ω_n² と係数を合わせます。

2演習問題

1.抵抗の直列・並列ふつう
R1​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​4 ΩB

電源 V1 から見た合成抵抗 Req を求めよ。

V1 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
2.抵抗の直列・並列むずかしい
R1​ = 12 ΩIR1​R3​ = 8 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​4 ΩBR6​6 Ω

電源が供給し R1 を流れる電流 IR1 を求めよ。

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 ΩR5 = 3 ΩR6 = 6 Ω
IR1 = A
3.節点解析ふつう
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​4 ΩBIs​1.5 A

節点解析を使って 節点電圧 VA(接地基準) を求めよ。

V1 = 12 VIs = 1.5 AR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩR4 = 4 Ω
VA = V
4.節点解析むずかしい
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​2 ΩB0.05·VA​

ひし形は電圧制御電流源で、0.05·VA(VA を V で表したとき A 単位)の電流を節点 B に上向きに押し込む。節点解析を使って 節点電圧 VA(接地基準) を求めよ。

V1 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 Ωg = 0.05 A/V
VA = V
5.網目解析ふつう
R1​ = 8 ΩIR1​R2​ = 8 Ω+−V1​18 VR3​8 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

網目解析を使って 矢印の向きに R1 を流れる電流 IR1 を求めよ。

V1 = 18 VV2 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 Ω
IR1 = A
6.網目解析むずかしい
R1​ = 6 ΩR2​ = 25 ΩIR2​R3​ = 25 Ω+−V1​10 VR4​3 ΩAR5​30 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

網目解析を使って 矢印の向きに R2 を流れる電流 IR2 を求めよ。

V1 = 10 VV2 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 25 ΩR3 = 25 ΩR4 = 3 ΩR5 = 30 Ω
IR2 = A
7.重ね合わせの理ふつう
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAR4​8 ΩBIs​1 A

重ね合わせの理を使って 矢印の向きに R1 を流れる電流 IR1 を求めよ。

V1 = 18 VIs = 1 AR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
8.重ね合わせの理むずかしい
R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​6 VR3​30 ΩIR3​AIs​2 AB+−V2​?

R3 を流れる電流 IR3 を 0 にする電圧源 V2(極性は図のとおり)の値を求めよ。

V1 = 6 VIs = 2 AR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 ΩR4 = 25 Ω
V2 = V
9.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩARL​20 ΩIL​B

a–b 間に負荷 RL = 20 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 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 ΩRL = 20 Ω
IL = A
10.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​30 ΩAIs​4 ABRL​6 ΩIL​

a–b 間に負荷 RL = 6 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 = 6 VIs = 4 AR1 = 15 ΩR2 = 30 ΩR3 = 6 ΩRL = 6 Ω
IL = A
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​6 Vt = 0R1​ = 6.8 kΩR2​ = 3.3 kΩC47 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 = 6 VR1 = 6.8 kΩR2 = 3.3 kΩC = 47 µF
τ = ms
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​6 Vt = 0R = 10 kΩC47 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。 vC が 4.8 V に達するまでの時間はいくらか。t を求めよ。

Vs = 6 VR = 10 kΩC = 47 µFvC(0) = 3 V
t = ms
13.交流インピーダンスとフェーザふつう
24 V50 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 47 µFI

直列 RLC 回路を 24 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 = 24 V (rms)f = 50 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 47 µF
I = A
14.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
230 V50 HzR1​ = 25 ΩR2​ = 100 ΩC = 10 µFI

抵抗 R1 が、R2 とコンデンサ C の並列回路と直列に接続され、230 V(実効値)、50 Hz の電源に接続されている。 電流の実効値 I を求めよ。

V = 230 V (rms)f = 50 HzR1 = 25 ΩR2 = 100 ΩC = 10 µF
I = A
15.交流電力と力率ふつう
P = 39 kWQ = ?Sφ

単相モーターが 230 V の電源から、遅れ力率 0.7 で 39 kW を消費する。 モーターの無効電力 Q を求めよ。

P = 39 kWpf = 0.7V = 230 V
Q = kvar
16.交流電力と力率むずかしい
P1​ = 33 kWQ1​S1​φ

100 kVA の単相変圧器が、遅れ力率 0.65 で 33 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 = 100 kVAP1 = 33 kWpf1 = 0.65
ΔP = kW
17.三相電力ふつう
ABCVL​ = 690 VIL​ = 12 Acos φ = 0.85遅れ

平衡三相負荷が、線間電圧 690 V の電源から線電流 12 A を流している。力率は遅れ 0.85 である。負荷が消費する全有効電力 P を kW で求めよ。

VL = 690 VIL = 12 Acos φ = 0.85
P = kW
18.三相電力むずかしい
P = 150 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 0.72 で 150 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 = 150 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.92VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.変圧器ふつう
6600 V230 VIHV​ = ?ILV​100 kVA

単相 100 kVA、6600/230 V の変圧器が定格負荷で運転している。理想変圧器とみなす。高圧巻線の電流 IHV を求めよ。

S = 100 kVAV1 = 6600 VV2 = 230 V
IHV = A
20.変圧器むずかしい
pf 0.825 kVA, 75% 負荷

単相 25 kVA の変圧器の鉄損は 75 W、定格負荷での銅損は 225 W である。 この変圧器が定格 kVA の 75% を遅れ力率 0.8 で供給している。この負荷での全損失 Ploss を W で求めよ。

S = 25 kVAPcore = 75 WPcu,fl = 225 Wx = 0.75pf = 0.8
Ploss = W
21.オペアンプ回路ふつう
−+Vout​R2​ = 4.7 kΩV1​ = 2.1 VR1​ = 1 kΩV2​ = 3 VR3​ = 1 kΩR4​ = 4.7 kΩ

差動増幅器は ±15 V 電源の理想オペアンプを使い、R3 = R1、R4 = R2 である。 出力電圧 Vout を求めよ。

V1 = 2.1 VV2 = 3 VR1 = R3 = 1 kΩR2 = R4 = 4.7 kΩ
Vout = V
22.オペアンプ回路むずかしい
Vin​V1​Vout​第 1 段:反転R1​ = 2 kΩRf1​ = 4.7 kΩ第 2 段:非反転R2​ = 100 kΩRf2​ = 47 kΩ

2 つの理想オペアンプ段が縦続接続されている:反転増幅器(R1、Rf1)の後に非反転増幅器(接地側に R2、帰還側に Rf2)が続く。どちらも ±15 V 電源で動作する。 入力は Vin = −0.95 V である。出力電圧 Vout を求めよ。

R1 = 2 kΩRf1 = 4.7 kΩR2 = 100 kΩRf2 = 47 kΩVin = −0.95 V
Vout = V
23.ダイオードとトランジスタふつう
RC​ = 1.5 kΩβ = 200IC​ = ?VCC​ = 15 VRB​ = 390 kΩ

β = 200 の NPN トランジスタが、電源 VCC = 15 V からベース抵抗 RB = 390 kΩ でバイアスされている。コレクタ抵抗は RC = 1.5 kΩ で、エミッタは接地されている。VBE = 0.7 V とし、トランジスタは活性領域にあると仮定する。 コレクタ電流 IC を mA で求めよ。

VCC = 15 VRB = 390 kΩRC = 1.5 kΩβ = 200VBE = 0.7 V
IC = mA
24.ダイオードとトランジスタむずかしい
RC​ = 100 Ωβ = 100VCC​ = 24 V5 VRB​ = ?

β = 100 の NPN トランジスタが、VCC = 24 V とコレクタの間に接続された 100 Ω の負荷抵抗をスイッチングする。エミッタは接地されている。ベースは 5 V のロジック出力からベース抵抗 RB を通して駆動される。VBE = 0.7 V、VCE(sat) = 0.2 V とする。 確実にスイッチングさせるため、ベース電流を飽和に必要な最小値の 4 倍に設計する。RB を kΩ で求めよ。

VCC = 24 VRC = 100 Ωβ = 100Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 Vオーバードライブ係数 = 4
RB = kΩ
25.記数法ふつう
8 ビットの 2 の補数0−12806403201608040201

8 ビットの 2 の補数で −57 を格納するようにビットを設定します。符号なしの数として読むと、このパターンの値 U はいくつですか?

N = −578 bit
U =
26.記数法むずかしい
ビットをクリックして設定します012806403201608040201

ビットを 0111 1110 >> 3 の 8 ビットの結果に設定します。結果の値 R は 10 進でいくつですか?

0111 1110>> 3
R =
27.デジタル論理:ゲート・カルノー図・フリップフロップふつう
ABC00011110010001131214050716

カルノー図を使って F(A, B, C) = Σm(2, 3, 4, 6) の最小の積和形(SOP)を求めてください。積項 N はいくつありますか?

F(A, B, C) = Σm(2, 3, 4, 6)
N =
28.デジタル論理:ゲート・カルノー図・フリップフロップむずかしい
CLKD123456

正エッジトリガの D フリップフロップが Q = 0 から始まり、図の入力を受け取ります。Q が 1 から 0 に戻る最初のクロックエッジをクリックしてください。

Q₀ = 0D
  1. 1クロックエッジ 1
  2. 2クロックエッジ 2
  3. 3クロックエッジ 3
  4. 4クロックエッジ 4
  5. 5クロックエッジ 5
  6. 6クロックエッジ 6
29.ラプラス変換ふつう
t (s)f(t)t = 0.2f(0.2) = ?

F(s) = (6s + 8)/(s² + 6s + 9) の f(t) を求め、f(0.2) を計算せよ。

F(s) = (6s + 8)/(s² + 6s + 9)t = 0.2 s
f(0.2) =
30.ラプラス変換むずかしい
ReIm−1−2−3−4−5−61

ある系が微分方程式 y″ + 10y′ + 24y = u′ + 6u で表される(入力 u(t)、出力 y(t))。その伝達関数 G(s) = Y(s)/U(s)(初期条件はゼロ)を求め、t = 0.25 s におけるインパルス応答 g(t) を計算せよ。g(0.25) を求めよ。

y″ + 10y′ + 24y = u′ + 6ut = 0.25 s
g(0.25) =
31.ブロック線図ふつう
R(s)+38s + 5G(s)C(s)0.2H−

プラント G(s) = 38/(s + 5) を、センサのゲインが H = 0.2 の負帰還ループで制御する。 閉ループの時定数 τ を求めよ。

G(s) = 38/(s + 5)H = 0.2
τ = s
32.ブロック線図むずかしい
R(s)+25コントローラ+D(s)+4s + 8プラントC(s)−

比例コントローラ K = 25 が、プラント G(s) = 4/(s + 8) を単位負帰還ループで駆動する。外乱 D はプラントの入力に加わる(コントローラの出力に加算される)。 大きさ 2 の基準ステップと大きさ 2 の外乱ステップを同時に加える。定常出力 css を求めよ。

K = 25G(s) = 4/(s + 8)D = 2R = 2
css =
33.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)3

ある系の伝達関数は G(s) = 30/(s² + 5s + 10) で、単位ステップ入力を受ける。 極は s = σ ± jωd である。その実部 σ を求めよ。

G(s) = 30/(s² + 5s + 10)
σ =
34.ステップ応答むずかしい
+−5 VR = 45 ΩL = 20 mHC = 10 µFvC​

R = 45 Ω、L = 20 mH、C = 10 µF の直列 RLC 回路に、t = 0 で 5 V のステップを加える。コンデンサは充電されておらず、ステップの前には電流は流れていない。 電圧の最初のピークの時刻 tp を ms で求めよ。

R = 45 ΩL = 20 mHC = 10 µFV = 5 V
tp = ms
35.ボード線図と余裕ふつう
vin​L = 5 mHC = 2.2 µFR = 20 Ωvout​

図の直列 RLC バンドパスフィルタでは、出力は R = 20 Ω の両端でとり、L = 5 mH、C = 2.2 µF である。 Q 値 Q を求めよ。

R = 20 ΩL = 5 mHC = 2.2 µF
Q =
36.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)−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) = 60/(s(s + 4)) である。 |L(jω)| = 1 となるゲイン交差周波数 ωc を求めよ。

L(s) = 60/(s(s + 4))
ωc = rad/s
37.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡ふつう
R(s)+K1s(s + 2)(s + 8)C(s)−

図のループの開ループ伝達関数は L(s) = K/(s(s + 2)(s + 8)) です。閉ループが安定となる最大のゲイン Kmax を求めなさい。

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 8))
Kmax =
38.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡むずかしい
ReImζ = 0.4−1−2j1j2

L(s) = K/(s(s + 2)) の根軌跡を示します。閉ループ極の減衰比が ζ = 0.4 となるゲイン K を求めなさい。

L(s) = K/(s(s + 2))ζ = 0.4
K =
39.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 5t+Ks(s + 2)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 2)) の単位フィードバックのループが、ランプ入力 r(t) = 5t に定常偏差 0.1 で追従しなければなりません。ゲイン K を求めなさい。

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 5tess = 0.1
K =
40.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+K = 410s(s + 2)C(s)−

比例制御器 K = 4 が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 10/(s(s + 2)) を制御しています。 ステップ応答のオーバーシュート率 %OS を求めよ。

G(s) = 10/(s(s + 2))K = 4
%OS = %

3溶液

1.抵抗の直列・並列

答え: Req = 6 Ω

直列と並列の抵抗:直列では各抵抗に同じ電流が流れ、R = R₁ + R₂ + …。並列では各抵抗に同じ電圧がかかり、1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。はしご形回路は 1 組ずつまとめ、1 つの合成抵抗になるまで続けます。

R1​ = 2 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​4 ΩB

遠い端から抵抗をまとめる

電源から最も遠い端から始め、電源に向かって戻ります。同じ電流が流れる抵抗は直列、同じ 2 つの節点の間にある抵抗は並列です。

R3 + R4 = 8 + 4 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 6·12/(6+12) = 4 Ω
Req = R1 + 4 = 2 + 4 = 6 Ω

答え

Req = 6 Ω
2.抵抗の直列・並列

答え: IR1 = 0.5819 A

直列と並列の抵抗:直列では各抵抗に同じ電流が流れ、R = R₁ + R₂ + …。並列では各抵抗に同じ電圧がかかり、1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。はしご形回路は 1 組ずつまとめ、1 つの合成抵抗になるまで続けます。

R1​ = 12 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​4 ΩBR6​6 Ω

遠い端から抵抗をまとめる

電源から最も遠い端から始め、電源に向かって戻ります。同じ電流が流れる抵抗は直列、同じ 2 つの節点の間にある抵抗は並列です。

R5 + R6 = 3 + 6 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 2.769 Ω
R3 + 2.769 = 10.77 Ω
R2 ∥ 10.77 = 5.185 Ω
Req = R1 + 5.185 = 12 + 5.185 = 17.19 Ω

電源からの電流

電源から見えるのは Req だけなので、オームの法則で電源の電流が求まります。この電流は R₁ を流れます。

IR1 = V1/Req = 10/17.19 = 0.5819 A

答え

IR1 = 0.5819 A
3.節点解析

答え: VA = 9.103 V

節点解析:基準節点を選び、未知の節点電圧に名前をつけ、オームの法則 (I = ΔV/R) を使って各未知節点でキルヒホッフの電流則を立て、連立方程式を解きます。

R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​4 ΩBIs​1.5 A

節点を設定する

接地は下の導線です。既知の節点電圧は電源から直接わかります(V1 = 12 V)。未知数:VA, VB。

節点 A の KCL

抵抗を通って A から流れ出る電流は、電源が A に流し込む電流に等しくなります。

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/8 + (VA − 12)/2 + (VA − VB)/6 = 0
0.7917·VA − 0.1667·VB = 6

節点 B の KCL

抵抗を通って B から流れ出る電流は、電源が B に流し込む電流に等しくなります。

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/4 + (VB − VA)/6 = 1.5
−0.1667·VA + 0.4167·VB = 1.5

解く

Δ = (0.7917)(0.4167) − (−0.1667)(−0.1667) = 0.3021
VA = Δ1/Δ = 2.75/0.3021 = 9.103 V
VB = Δ2/Δ = 2.188/0.3021 = 7.241 V

答え

VA = 9.103 V
4.節点解析

答え: VA = 3.711 V

節点解析:基準節点を選び、未知の節点電圧に名前をつけ、オームの法則 (I = ΔV/R) を使って各未知節点でキルヒホッフの電流則を立て、連立方程式を解きます。

節点 A の KCL

抵抗を通って A から流れ出る電流は、電源が A に押し込む電流に等しくなります。

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0.3583·VA − 0.125·VB = 1.2

節点 B の KCL

従属電源は g·VA を節点 B に押し込みます。独立電源と同じように扱い、VA の項を左辺に移しましょう。

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0.05·VA
−0.175·VA + 0.625·VB = 0

解く

Δ = (0.3583)(0.625) − (−0.125)(−0.175) = 0.2021
VA = Δ1/Δ = 0.75/0.2021 = 3.711 V
VB = Δ2/Δ = 0.21/0.2021 = 1.039 V

答え

VA = 3.711 V
5.網目解析

答え: IR1 = 0.5 A

網目解析:平面回路の各窓に独自のループ電流を与え、各ループでキルヒホッフの電圧則(電圧降下の和 = 電圧上昇の和)を立てて解きます。枝電流は網目電流、または共通枝では 2 つの網目電流の差です。

R1​ = 8 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​18 VR3​8 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

網目電流を設定する

各窓に時計回りの電流を描きます:I1, I2。2 つの網目に共通な抵抗には、両者の電流の差が流れます。

網目 1 の KVL

時計回りにたどると、抵抗の電圧降下の和は電源の電圧上昇の和に等しくなります(進む向きに − から +)。

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
8·I1 + 8(I1 − I2) = 18
16·I1 − 8·I2 = 18

網目 2 の KVL

時計回りにたどると、抵抗の電圧降下の和は電源の電圧上昇の和に等しくなります(進む向きに − から +)。

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
8·I2 + 8(I2 − I1) = (−24)
−8·I1 + 16·I2 = −24

解く

Δ = (16)(16) − (−8)(−8) = 192
I1 = Δ1/Δ = 96/192 = 0.5 A
I2 = Δ2/Δ = −240/192 = −1.25 A

答え

IR1 = I1 = 0.5 A

負の網目電流は反時計回りに流れます。

6.網目解析

答え: IR2 = −0.1596 A

網目解析:平面回路の各窓に独自のループ電流を与え、各ループでキルヒホッフの電圧則(電圧降下の和 = 電圧上昇の和)を立てて解きます。枝電流は網目電流、または共通枝では 2 つの網目電流の差です。

R1​ = 6 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​10 VR4​3 ΩAR5​30 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

網目電流を設定する

各窓に時計回りの電流を描きます:I1, I2, I3。2 つの網目に共通な抵抗には、両者の電流の差が流れます。

網目 1 の KVL

時計回りにたどると、抵抗の電圧降下の和は電源の電圧上昇の和に等しくなります(進む向きに − から +)。

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
6·I1 + 3(I1 − I2) = 10
9·I1 − 3·I2 = 10

網目 2 の KVL

時計回りにたどると、抵抗の電圧降下の和は電源の電圧上昇の和に等しくなります(進む向きに − から +)。

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
25·I2 + 3(I2 − I1) + 30(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 58·I2 − 30·I3 = 0

網目 3 の KVL

時計回りにたどると、抵抗の電圧降下の和は電源の電圧上昇の和に等しくなります(進む向きに − から +)。

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
25·I3 + 30(I3 − I2) = (−18)
−30·I2 + 55·I3 = −18

解く

Δ = 係数行列の行列式 = 20115
I1 = Δ1/Δ = 21280/20115 = 1.058 A
I2 = Δ2/Δ = −3210/20115 = −0.1596 A
I3 = Δ3/Δ = −8334/20115 = −0.4143 A

答え

IR2 = I2 = −0.1596 A

負の網目電流は反時計回りに流れます。

7.重ね合わせの理

答え: IR1 = 0.9383 A

重ね合わせの理:線形回路では、任意の電圧・電流は各独立電源が単独で働いたときの応答の和になります。電源を止めるには、理想電圧源を短絡に、理想電流源を開放に置き換えます。抵抗はそのままです。

R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAR4​8 ΩB開放

ケース 1 · V1 のみ

Iₛ は開放になるので、R₃ と R₄ は A から接地への 1 本の直列枝となり、R₂ と並列になります。

R3+R4 = 3+8 = 11 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 3·11/(3+11) = 2.357 Ω
VA = 18·2.357/(15+2.357) = 2.444 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2.444·8/11 = 1.778 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (18 − 2.444)/15 = 1.037 A
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 Ω短絡R2​3 ΩAR4​8 ΩBIs​1 A

ケース 2 · Is のみ

V₁ は短絡になるので、R₁ は R₂ と並列です。Iₛ は B で R₄ と R₃ を通る経路に分かれます。

R1 ∥ R2 = 15·3/(15+3) = 2.5 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 8 ∥ 5.5 = 3.259 Ω
VB = Is·Req = 1·3.259 = 3.259 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 3.259·2.5/5.5 = 1.481 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 1.481)/15 = −0.09877 A

成分を足し合わせる

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 1.037 + (−0.09877) = 0.9383 A

結果が負なら、実際には電流は矢印と逆向きに流れるということです。

8.重ね合わせの理

答え: V2 = 26.75 V

重ね合わせの理:線形回路では、任意の電圧・電流は各独立電源が単独で働いたときの応答の和になります。電源を止めるには、理想電圧源を短絡に、理想電流源を開放に置き換えます。抵抗はそのままです。

R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​6 VR3​30 ΩA開放B短絡

ケース 1 · V1 単独で作用

V₂ は短絡、Iₛ は開放になります。A から見ると、R₃ は直列の R₂+R₄ と並列です。

R3 ∥ (R2+R4) = 30 ∥ 31 = 15.25 Ω
VA = 6·15.25/(8+15.25) = 3.935 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3.935·25/31 = 3.173 V
R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 Ω短絡R3​30 ΩAIs​2 AB短絡

ケース 2 · Is 単独で作用

2 つの電圧源はどちらも短絡になります。Iₛ は B で R₄(今は接地へ)と、R₁ ∥ R₃ と直列の R₂ に分かれます。 Iₛ の矢印は下向きでその節点から離れているので、Iₛ はその節点から電流を引き出します:その項はマイナス符号で入ります。

R1 ∥ R3 = 6.316 Ω、よって左側の経路は R2+6.316 = 12.32 Ω
Req = R4 ∥ 12.32 = 8.251 Ω
VB = −Is·Req = −2·8.251 = −16.5 V
VA = VB·6.316/12.32 = −8.463 V

ケース 3 · V2 単独で作用、1 V あたり

V₁ は短絡、Iₛ は開放になります。R₁ ∥ R₃ が A につながり、R₂ と直列に B へ戻ります。

R1 ∥ R3 = 6.316 Ω
VA‴ = V2·6.316/(25 + 6 + 6.316) = 0.1693·V2

VA を 0 とおく

VA = 0 のとき R₃ の両端に電圧がないので、その電流は 0 です。

VA′ + VA″ + VA‴ = 3.935 + (−8.463) + 0.1693·V2 = 0
V2 = 4.528/0.1693 = 26.75 V

答え

V2 = 26.75 V
9.テブナン・ノートン

答え: IL = 0.1142 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​ = 8 Ω短絡R2​3 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 = 10·3/(10+3) = 2.308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.308 + 8 = 10.31 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​3 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) = 15·3/(10+3) = 3.462 V
Rth​ = 10.31 Ω+−Vth​3.462 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) = 3.462/(10.31 + 20) = 0.1142 A
10.テブナン・ノートン

答え: IL = 3.091 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​ = 15 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 = 15·30/(15+30) = 10 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 10 + 6 = 16 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​30 ΩAIs​4 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) = 4 + 4·10 = 44 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 44 + 4·6 = 68 V
Rth​ = 16 Ω+−Vth​68 VRL​6 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) = 68/(16 + 6) = 3.091 A
11.RC・RL 過渡現象

答え: τ = 104.4 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 = 6.8·3.3/(6.8 + 3.3) = 2.222 kΩ
vC(∞) = 6·3.3/(6.8 + 3.3) = 1.96 V

時定数

τ = Rth·C = 2.222·47 = 104.4 ms

答え

τ = 104.4 ms
12.RC・RL 過渡現象

答え: t = 430.7 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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 10 kΩ · 47 µF = 470 ms
vC(t) = 6 + (3 − 6)·e−t/τ

時間について解く

4.8 = 6 + (−3)·e−t/τ → e−t/τ = (4.8 − 6)/(3 − 6) = 0.4
t = τ·ln((3 − 6)/(4.8 − 6)) = 470·ln(2.5) = 430.7 ms

答え

t = 430.7 ms
13.交流インピーダンスとフェーザ

答え: I = 0.3618 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/(314.2·47·10⁻⁶) = 67.73 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 + (−61.44)²) = 66.33 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| = 24/66.33 = 0.3618 A

答え

I = 0.3618 A
14.交流インピーダンスとフェーザ

答え: I = 1.925 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

XC = 1/(2π·50·10·10⁻⁶) = 318.3 Ω

並列回路

分子と分母に共役複素数を掛けて、Zp を実部と虚部に分けます。

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 91.02 − j28.59 Ω

合成インピーダンス

Z = 25 + 91.02 − j28.59 = 116 − j28.59 Ω
|Z| = √(116² + 28.59²) = 119.5 Ω

電流

I = V/|Z| = 230/119.5 = 1.925 A

答え

I = 1.925 A
15.交流電力と力率

答え: Q = 39.79 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。

位相角

φ = arccos(0.7) = 45.57°, tan φ = 1.02

無効電力

Q = P·tan φ = 39·1.02 = 39.79 kvar

答え

Q = 39.79 kvar
16.交流電力と力率

答え: ΔP = 59.26 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 = 33·tan(arccos 0.65) = 38.58 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) = √(100² − 38.58²) = 92.26 kW

追加できる有効電力

ΔP = 92.26 − 33 = 59.26 kW

答え

ΔP = 59.26 kW
17.三相電力

答え: P = 12.19 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 = √3·690·12 = 14.34 kVA

有効電力

P = S·cos φ = 14.34·0.85 = 12.19 kW

答え

P = 12.19 kW
18.三相電力

答え: QC = 80.68 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 = 150·tan(acos 0.72) = 150·0.9639 = 144.6 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.92) = 150·0.426 = 63.9 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 80.68 kvar

答え

QC = 80.68 kvar
19.変圧器

答え: IHV = 15.15 A

理想変圧器:電圧は巻数の比に、電流はその逆比になります:V₁/V₂ = N₁/N₂ = a、I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a。したがって入力電力と出力電力は等しく、V₁·I₁ = V₂·I₂ です。二次側の負荷インピーダンス Z は、一次側から見ると a²·Z に見えます。

定格電流

両方の巻線に同じ皮相電力が流れます。

IHV = S/V = 100000/6600 = 15.15 A

答え

IHV = 15.15 A
20.変圧器

答え: Ploss = 201.6 W

変圧器の損失:鉄損(ヒステリシス損と渦電流損)は電圧で決まり、負荷によらず一定です。巻線の銅損は電流の 2 乗に比例するので、定格負荷の x 倍の負荷では x²·Pcu,fl になります。効率 η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu)、ただし Pout = x·S·pf です。効率は銅損と鉄損が等しくなる負荷で最大になります。

この負荷での銅損

Pcu = x²·Pcu,fl = 0.5625·225 = 126.6 W

全損失

鉄損は負荷によらず一定です。

Ploss = 75 + 126.6 = 201.6 W

答え

Ploss = 201.6 W

この負荷での効率は η = 98.67% です。

21.オペアンプ回路

答え: Vout = 4.23 V

理想オペアンプの規則:負帰還があるとき、オペアンプは 2 つの入力が同じ電圧 (V₋ = V₊) になるよう出力を調整し、どちらの入力にも電流は流れ込みません。この 2 つを使って反転入力で KCL を立てると出力が求まります。

入力の電圧

R₃ と R₄ には同じ電流が流れるので分圧回路をつくり、帰還により V₋ = V₊ となります。

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 3·4.7/(1 + 4.7) = 2.474 V
V₋ = V₊

反転入力での KCL

(2.1 − 2.474)/1 = (2.474 − Vout)/4.7
Vout = (R2/R1)·(V2 − V1) = (4.7/1)·(3 − 2.1) = 4.23 V

答え

Vout = 4.23 V
22.オペアンプ回路

答え: Vout = 3.282 V

理想オペアンプの規則:負帰還があるとき、オペアンプは 2 つの入力が同じ電圧 (V₋ = V₊) になるよう出力を調整し、どちらの入力にも電流は流れ込みません。この 2 つを使って反転入力で KCL を立てると出力が求まります。

各段の利得

A1 = −Rf1/R1 = −4.7/2 = −2.35
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 47/100 = 1.47

段ごとに

V1 = −2.35·(−0.95) = 2.232 V
Vout = 1.47·2.232 = 3.282 V

答え

Vout = 3.282 V
23.ダイオードとトランジスタ

答え: IC = 7.333 mA

BJT の動作点:活性領域では VBE = 0.7 V、IC = β·IB、IE = (β + 1)·IB です。ベース側の閉路に KVL を適用して IB を求め、次に IC、さらにコレクタ–エミッタ側の閉路から VCE を求めます。ベースの分圧回路はテブナン等価回路 VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂)、RTH = R₁∥R₂ に置き換えます。エミッタ抵抗はベース側の閉路では (β + 1) 倍の大きさに見えます。

ベース電流

IB = (VCC − VBE)/RB = (15 − 0.7)/390 kΩ = 36.67 µA

コレクタ電流

IC = β·IB = 200·36.67 µA = 7.333 mA

答え

IC = 7.333 mA

確認:VCE = 4 V は 0.2 V より十分大きいので、トランジスタは確かに活性領域にあります。

24.ダイオードとトランジスタ

答え: RB = 0.4517 kΩ

スイッチとしての BJT:負荷を完全にオンにするには、トランジスタを飽和させます。飽和では VCE = VCE(sat) となり、コレクタ電流は負荷で決まります:IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC。飽和させるには少なくとも IB = IC(sat)/β が必要です。ベース電流がこれより小さければ、トランジスタは活性領域のままで IC = β·IB です。

飽和時のコレクタ電流

IC(sat) = (24 − 0.2)/100 = 238 mA

最小ベース電流

IB(min) = IC(sat)/β = 238/100 = 2380 µA

設計ベース電流

IB = 4·2380 µA = 9520 µA

ベース抵抗

RB = (5 − 0.7)/IB = 4.3 V/9.52 mA = 0.4517 kΩ

答え

RB = 0.4517 kΩ
25.記数法

答え: U = 199

ビットの設定:各ビットは 2 のべき乗(128、64、…、1)の値をもちます。16 進の 1 桁はちょうど 4 ビットで、8 ビットの 2 の補数では、いちばん左のビットの値は −128 です。ビット演算は、各ビット位置を別々に扱います。

反転して 1 を足す

57 = 0011 1001
反転後: 1100 0110
+1 → 1100 0111

符号なしとして読む

1100 0111₂ = 256 − 57 = 199

答え

U = 199
26.記数法

答え: R = 15

ビットの設定:各ビットは 2 のべき乗(128、64、…、1)の値をもちます。16 進の 1 桁はちょうど 4 ビットで、8 ビットの 2 の補数では、いちばん左のビットの値は −128 です。ビット演算は、各ビット位置を別々に扱います。

ビットごとに

3 だけ右にシフトすると、すべてのビットが 3 桁右へ動きます。右端からはみ出したビットは失われ、左側には 0 が入ります。

0111 1110 >> 3
= 0000 1111

結果の値

0000 1111₂ = 15

答え

R = 15
27.デジタル論理:ゲート・カルノー図・フリップフロップ

答え: N = 2

カルノー図:セルはグレイコード(00, 01, 11, 10)の順に並んでいるので、端をまたぐものも含め、隣り合うセルはちょうど 1 つの変数だけが異なります。1 を、1, 2, 4, 8, 16 個のセルからなる長方形で、できるだけ大きく、できるだけ少ない数でグループ化し、すべての 1 を覆います。各グループは 1 つの積項で、グループの中で一定のままの変数からなります。2ᵏ 個のセルのグループでは k 個の変数が消えます。ドントケア(X)はグループを大きくするために使えますが、覆う必要はありません。代わりに 0 をグループ化すると、最小の POS 形が得られます。

ABC00011110010001131214050716

1 をグループ化する

各グループは 2ᵏ 個のセルからなる長方形です。端のセルは、反対側の端のセルと隣り合っています。

AC′
A′B

最小の SOP 形

F = AC′ + A′B
N = 2

答え

N = 2
28.デジタル論理:ゲート・カルノー図・フリップフロップ

答え: クロックエッジ 4

フリップフロップとカウンタ:フリップフロップは、有効なクロックエッジでだけ変化します。D は入力をコピーし(Q⁺ = D)、T は T = 1 のときトグルし、JK は 00 で保持、01 でリセット、10 でセット、11 でトグルします。n ビットの 2 進カウンタには 2ⁿ 個の状態があり、2ⁿ を法として数えます。mod-N カウンタは 0, 1, …, N − 1 と数えて 0 に戻り、2ⁿ ≥ N を満たす最小の n 個のフリップフロップが必要です。リップルカウンタの各段は周波数を半分にするので、mod-N カウンタの最後の出力は fclk/N で動作します。n 個のフリップフロップのジョンソンカウンタには 2n 個の状態があり、リングカウンタには n 個あります。

エッジごとの Q

D フリップフロップは、立ち上がりエッジごとに D をコピーします:Q⁺ = D。

1: D = 1 → Q = 1
2: D = 1 → Q = 1
3: D = 1 → Q = 1
4: D = 0 → Q = 0
5: D = 0 → Q = 0
6: D = 1 → Q = 1

1 から 0 への最初の変化

クロックエッジ 4

答え

クロックエッジ 4
29.ラプラス変換

答え: f(0.2) = 2.195

ラプラス変換:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt は、微分を s の掛け算に変えます:ℒ{f′} = sF(s) − f(0)、ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。基本的な変換対:1 ↔ 1/s、e−at ↔ 1/(s + a)、t·e−at ↔ 1/(s + a)²、sin ωt ↔ ω/(s² + ω²)、cos ωt ↔ s/(s² + ω²)。また、s → s + σ のシフトは、時間関数に e−σt を掛けることに対応します。有理式 F(s) を逆変換するには部分分数に分解します。単極 p の留数は A = [(s − p)·F(s)] の s = p での値です。最終値の定理:f(∞) = lims→0 s·F(s)。これは s·F(s) のすべての極が左半平面にあるときに限り成り立ちます。初期値の定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

分母を因数分解する

s² + 6s + 9 = (s + 3)²

部分分数展開

6s + 8 = 6(s + 3) + −10
F(s) = 6/(s + 3) − 10/(s + 3)²

逆変換

f(t) = 6·e−3t − 10·t·e−3t
f(0.2) = (6 − 10·0.2)·e−3·0.2 = 2.195

答え

f(0.2) = 2.195
30.ラプラス変換

答え: g(0.25) = 0.3679

ラプラス変換:F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt は、微分を s の掛け算に変えます:ℒ{f′} = sF(s) − f(0)、ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0)。基本的な変換対:1 ↔ 1/s、e−at ↔ 1/(s + a)、t·e−at ↔ 1/(s + a)²、sin ωt ↔ ω/(s² + ω²)、cos ωt ↔ s/(s² + ω²)。また、s → s + σ のシフトは、時間関数に e−σt を掛けることに対応します。有理式 F(s) を逆変換するには部分分数に分解します。単極 p の留数は A = [(s − p)·F(s)] の s = p での値です。最終値の定理:f(∞) = lims→0 s·F(s)。これは s·F(s) のすべての極が左半平面にあるときに限り成り立ちます。初期値の定理:f(0⁺) = lims→∞ s·F(s)。

伝達関数

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 6)/(s² + 10s + 24)

部分分数展開

s² + 10s + 24 = (s + 4)(s + 6)
A = 1, B = 0

インパルス応答

g(t) = e−4t
g(0.25) = 0.3679

答え

g(0.25) = 0.3679
31.ブロック線図

答え: τ = 0.07937 s

ブロック線図の代数:直列のブロックは掛け算(G₁·G₂)、並列のブロックは足し算(G₁ + G₂)になります。前向き経路 G とフィードバック経路 H のループは、負帰還なら T = G/(1 + G·H)、正帰還なら G/(1 − G·H) にまとめられます。内側のループから先に簡単にし、外側へ進みます。閉ループの極は特性方程式 1 + G(s)H(s) = 0 の根です。ループが安定なら、大きさ A のステップ入力に対する定常出力は A·T(0) です。単位フィードバックでは、ステップに対する定常偏差は Kp = G(0) として A/(1 + Kp) です。

閉ループ伝達関数

T(s) = G/(1 + G·H) = 38/(s + 5 + 7.6) = 38/(s + 12.6)

結果

τ = 1/12.6 = 0.07937 s

答え

τ = 0.07937 s
32.ブロック線図

答え: css = 1.926

ブロック線図の代数:直列のブロックは掛け算(G₁·G₂)、並列のブロックは足し算(G₁ + G₂)になります。前向き経路 G とフィードバック経路 H のループは、負帰還なら T = G/(1 + G·H)、正帰還なら G/(1 − G·H) にまとめられます。内側のループから先に簡単にし、外側へ進みます。閉ループの極は特性方程式 1 + G(s)H(s) = 0 の根です。ループが安定なら、大きさ A のステップ入力に対する定常出力は A·T(0) です。単位フィードバックでは、ステップに対する定常偏差は Kp = G(0) として A/(1 + Kp) です。

伝達関数

C/D = G/(1 + K·G) = 4/(s + 8 + 100)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 100/(s + 8 + 100)

定常状態

css = 2·100/108 + 2·4/108 = 1.926

答え

css = 1.926

K を大きくすると外乱の影響は小さくなりますが、比例コントローラでは 0 にはなりません。

33.ステップ応答

答え: σ = −2.5

ステップ応答:1 次系 G(s) = K/(τs + 1) は、大きさ U のステップに対して y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) と応答します。時定数 τ の後に最終値 K·U の 63.2 %、4τ の後に 98 % に達します。2 次系 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) の極は s = −ζωₙ ± jωd(ωd = ωₙ√(1 − ζ²))です。0 < ζ < 1 のとき、ステップ応答にはオーバーシュートがあります:オーバーシュート率 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)、ピーク時間 tp = π/ωd、2 % 整定時間 ts ≈ 4/(ζωₙ)。分母を s² + 2ζωₙs + ωₙ² と比べると、ωₙ と ζ が読み取れます。質量・ばね・ダンパでは ωₙ = √(k/m)、ζ = c/(2√(km))、直列 RLC 回路では ωₙ = 1/√(LC)、ζ = (R/2)·√(C/L) です。

標準形と比べる

分母は s² + 2ζωₙs + ωₙ² と一致しなければなりません。

ωₙ² = 10 → ωₙ = 3.162 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·3.162) = 0.7906

結果

σ = −ζωₙ = −5/2 = −2.5

答え

σ = −2.5
34.ステップ応答

答え: tp = 1.626 ms

ステップ応答:1 次系 G(s) = K/(τs + 1) は、大きさ U のステップに対して y(t) = K·U·(1 − e−t/τ) と応答します。時定数 τ の後に最終値 K·U の 63.2 %、4τ の後に 98 % に達します。2 次系 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) の極は s = −ζωₙ ± jωd(ωd = ωₙ√(1 − ζ²))です。0 < ζ < 1 のとき、ステップ応答にはオーバーシュートがあります:オーバーシュート率 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)、ピーク時間 tp = π/ωd、2 % 整定時間 ts ≈ 4/(ζωₙ)。分母を s² + 2ζωₙs + ωₙ² と比べると、ωₙ と ζ が読み取れます。質量・ばね・ダンパでは ωₙ = √(k/m)、ζ = c/(2√(km))、直列 RLC 回路では ωₙ = 1/√(LC)、ζ = (R/2)·√(C/L) です。

固有角周波数と減衰比

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0.02·1 × 10⁻⁵) = 2236 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (45/2)·√(1 × 10⁻⁵/0.02) = 0.5031

結果

ωd = 1932 rad/s
tp = π/ωd = 1.626 ms

答え

tp = 1.626 ms
35.ボード線図と余裕

答え: Q = 2.384

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 × 10⁻⁶) = 9535 rad/s
f₀ = ω₀/(2π) = 1517 Hz

Q 値

BW = R/L = 20/0.005 = 4000 rad/s = 636.6 Hz
Q = ω₀/BW = 9535/4000 = 2.384

答え

Q = 2.384
36.ボード線図と余裕

答え: ωc = 7.248 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 + 16ω² − 3600 = 0
ω² = (−16 + √(256 + 4·3600))/2 = 52.53
ωc = 7.248 rad/s

答え

ωc = 7.248 rad/s
37.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: Kmax = 160

ラウス・フルビッツの安定判別法:線形システムは、特性多項式のすべての根が s 平面の左半平面にあるとき安定です。係数を交互にラウス表の最初の 2 行に書き入れます。新しい行の各要素は、その上の 2 行から求めます。3 次式 a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ では、s¹ の要素は b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂ です。第 1 列の符号変化の回数は、右半平面にある根の個数に等しくなります。係数にゲイン K が含まれるときは、第 1 列のすべての要素が正でなければなりません。s¹ の要素が 0 になるゲインが安定限界で、そのときの s² の行から持続振動の周波数が求まります。

固有方程式

s³ + 10s² + 16s + K = 0

ラウス表

s³: 1, 16
s²: 10, K
s¹: (10·16 − K)/10
s⁰: K

条件

第 1 列のすべての要素が正でなければなりません。

K > 0
10·16 − K > 0 → K < 160

答え

Kmax = 160

K = 160 のとき、閉ループは ω = √16 = 4 rad/s で振動します。

38.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: K = 6.25

根軌跡:ゲイン K を 0 から ∞ まで変えると、閉ループ極、すなわち 1 + K·G(s) = 0 の根は、開ループ極から開ループ零点または無限遠へ移動します。実軸上の点は、その右側にある実極と実零点の個数の合計が奇数のとき、軌跡に属します。無限遠へ向かう n − m 本の枝は、重心 σₐ = (極の和 − 零点の和)/(n − m) から出る漸近線に沿い、その角度は (2q + 1)·180°/(n − m) です。枝は dK/ds = 0 となる点で実軸から離れたり、実軸に合流したりします。角度条件 ∠G(s) = 180° が形を決め、大きさの条件 K = 1/|G(s)| が軌跡上の任意の点でのゲインを与えます。

標準形と比べる

s² + 2s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0.4·ωₙ = 2 → ωₙ = 2.5 rad/s

利得

K = ωₙ² = 2.5² = 6.25

答え

K = 6.25

閉ループ極は、ζ 一定の直線が s = −1 の垂直な枝と交わる点にあります。

39.定常偏差と PID 制御

答え: K = 100

定常偏差:開ループ伝達関数 G(s) をもつ単位フィードバックのループでは、偏差は E(s) = R(s)/(1 + G(s)) で、最終値の定理により ess = lims→0 s·E(s) です。システムの型は、G(s) の s = 0 にある極の個数です。偏差定数は Kp = lim G(s)、Kv = lim s·G(s)、Ka = lim s²·G(s) で、いずれも s → 0 の極限です。大きさ A のステップ入力では ess = A/(1 + Kp)、ランプ入力 A·t では A/Kv、放物線入力 A·t²/2 では A/Ka になります。0 型のループはステップ入力に有限の偏差で追従し、1 型のループはステップ入力に偏差なく追従し、ランプ入力には有限の偏差で追従します。

必要な速度偏差定数

Kv = A/ess = 5/0.1 = 50

利得

K = 2·Kv = 100

答え

K = 100

ゲインを大きくすると、このループの減衰は非常に小さくなります:ζ = 0.1。この両立の難しさが、補償器を使う理由です。

40.定常偏差と PID 制御

答え: %OS = 60.47 %

P 制御、PI 制御、PID 制御:制御器 C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s は偏差に作用します。比例ゲインはループを速くし、0 型の制御対象の偏差を小さくしますが、なくすことはできません。積分項は s = 0 に極を加えます:システムの型が 1 つ上がり、ステップ入力に偏差なく追従します。微分項は減衰を加えます。ゲインを決めるには、閉ループの特性多項式を書き、s² + 2ζωns + ωn² と比較します。すると %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²)、tp = π/ωd(ωd = ωn√(1 − ζ²))、ts ≈ 4/(ζωn) となります。

特性多項式

s(s + 2) + 4·10 = s² + 2s + 40

ωₙ と ζ

ωₙ = √40 = 6.325 rad/s
ζ = 2/(2·6.325) = 0.1581

オーバーシュート

%OS = 100·e−0.1581π/√(1 − 0.1581²) = 60.47 %

答え

%OS = 60.47 %

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