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​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​6 ΩB

電源 V1 から見た合成抵抗 Req を求めよ。

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
2.抵抗の直列・並列むずかしい
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 3 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​5 VR2​3 ΩAR4​8 ΩBR6​5 Ω

電源が供給し R1 を流れる電流 IR1 を求めよ。

V1 = 5 VR1 = 4 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 ΩR5 = 15 ΩR6 = 5 Ω
IR1 = A
3.節点解析ふつう
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​3 ΩBIs​2.5 A

節点解析を使って 節点電圧 VA(接地基準) を求めよ。

V1 = 15 VIs = 2.5 AR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 ΩR4 = 3 Ω
VA = V
4.節点解析むずかしい
R1​ = 8 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​36 VR2​30 ΩAR4​12 ΩBIs​?

電流源を、A の節点電圧が VA = 29.5 V になるまで調整する。節点解析を使って電源電流 Is(向きは図のとおり)を求めよ。

V1 = 36 VR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 12 ΩR4 = 12 ΩVA = 29.5 V
Is = A
5.網目解析ふつう
R1​ = 5 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​15 VR3​20 ΩA+−V2​24 VI1​I2​

網目解析を使って 網目電流 I2(時計回り) を求めよ。

V1 = 15 VV2 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 Ω
I2 = A
6.網目解析むずかしい
R1​ = 6 ΩR2​ = 6 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​10 VR4​3 ΩAR5​6 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

網目解析を使って 網目電流 I1(時計回り) を求めよ。

V1 = 10 VV2 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 25 ΩR4 = 3 ΩR5 = 6 Ω
I1 = A
7.重ね合わせの理ふつう
R1​ = 4 ΩR3​ = 2 ΩIR3​+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​10 ΩBIs​?

R3 を流れる電流 IR3 を 0 にする電流源 Is(向きは図のとおり)の値を求めよ。

V1 = 12 VR1 = 4 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 ΩR4 = 10 Ω
Is = A
8.重ね合わせの理むずかしい
R1​ = 6 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 25 ΩIR4​+−V1​30 VR3​25 ΩAIs​1 AB+−V2​10 V

重ね合わせの理を使って 矢印の向きに R4 を流れる電流 IR4 を求めよ。

V1 = 30 VIs = 1 AV2 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 25 ΩR4 = 25 Ω
IR4 = A
9.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAab

端子 a–b から見たテブナン電圧 Vth を求めよ。

V1 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
10.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​15 ΩAIs​2 ABRL​12 ΩIL​

a–b 間に負荷 RL = 12 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 = 2 AR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 3 ΩRL = 12 Ω
PL = W
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​10 Vt = 0R = 50 ΩL100 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 95% に達するか。t を求めよ。

Vs = 10 VR = 50 ΩL = 100 mH
t = ms
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​24 Vt = 0R = 4.7 kΩC68 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。 vC が 19.2 V に達するまでの時間はいくらか。t を求めよ。

Vs = 24 VR = 4.7 kΩC = 68 µFvC(0) = 8 V
t = ms
13.交流インピーダンスとフェーザふつう
Vf0​ = 100 HzRL = 200 mHC = ?

L = 200 mH の直列 RLC 回路を 100 Hz で共振させなければならない。必要な静電容量 C を求めよ。

f0 = 100 HzL = 200 mH
C = µF
14.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
12 Vf0​R = 10 ΩL = 10 mHC = 2.2 µF

直列 RLC 回路を、周波数を回路の共振周波数に設定した 12 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 = 12 V (rms)R = 10 ΩL = 10 mHC = 2.2 µF
VL = V
15.交流電力と力率ふつう
240 V19 kW, 0.625 kW, 1I = ?

2 つの負荷が 240 V の単相電源に並列に接続されている:遅れ力率 0.6 の 9 kW の負荷と、5 kW のヒーター(力率 1)。 電源から流れる全電流 I を求めよ。

V = 240 VP1 = 9 kW, pf1 = 0.6 遅れP2 = 5 kW, pf2 = 1
I = A
16.交流電力と力率むずかしい
230 V50 Hz負荷26 kW, 0.8C150 µFI

単相負荷が 230 V、50 Hz の電源から、遅れ力率 0.8 で 26 kW を消費する。150 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 = 26 kWpf1 = 0.8V = 230 Vf = 50 HzC = 150 µF
cos φ =
17.三相電力ふつう
ABCVL​ = 415 VNZ = 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 Y 結線負荷が、線間電圧 415 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 = 415 VZ = 6 + j8 Ω 1 相あたり
P = kW
18.三相電力むずかしい
P = 250 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 250 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 = 250 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.9VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.変圧器ふつう
7200 V240 VIHV​ = ?ILV​100 kVA

単相 100 kVA、7200/240 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 = 7200 VV2 = 240 V
IHV = A
20.変圧器むずかしい
pf 0.875 kVA, 25% 負荷

単相 75 kVA の変圧器の鉄損は 600 W、定格負荷での銅損は 1200 W である。 この変圧器が定格 kVA の 25% 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 = 75 kVAPcore = 600 WPcu,fl = 1200 Wx = 0.25pf = 0.8
Ploss = W
21.オペアンプ回路ふつう
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = 2 VRa​ = 10 kΩRb​ = 22 kΩ

オペアンプは理想的で、±15 V 電源で動作する。 出力電圧 Vout を求めよ。

Vin = 2 VRa = 10 kΩRb = 22 kΩR1 = 10 kΩRf = 10 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​ = 1 kΩRf1​ = 4.7 kΩ第 2 段:非反転R2​ = 4.7 kΩRf2​ = 4.7 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。 全体の電圧利得 Av = Vout/Vin を求めよ。

R1 = 1 kΩRf1 = 4.7 kΩR2 = 4.7 kΩRf2 = 4.7 kΩ
Av =
23.ダイオードとトランジスタふつう
RC​ = 1 kΩβ = 120IC​ = ?RE​ = 1.5 kΩVCC​ = 15 VR1​ = 47 kΩR2​ = 6.8 kΩ

β = 120 の NPN トランジスタが、VCC = 15 V から分圧バイアスされている:VCC とベースの間に R₁ = 47 kΩ、ベースと接地の間に R₂ = 6.8 kΩ。コレクタ抵抗は RC = 1 kΩ、エミッタ抵抗は RE = 1.5 kΩ である。VBE = 0.7 V とし、分圧回路のテブナン等価回路を用いよ(ベース電流は無視しない)。 コレクタ電流 IC を mA で求めよ。

VCC = 15 VR1 = 47 kΩR2 = 6.8 kΩRC = 1 kΩRE = 1.5 kΩβ = 120
IC = mA
24.ダイオードとトランジスタむずかしい
+−≤ 30 V330 Ω5.6 V

5.6 V のツェナーレギュレータに 330 Ω の直列抵抗があります。入力は 30 V まで上がることがあり、負荷が外れることもあります。ツェナーが消費しなければならない最大電力 PZ,max を求めなさい。

Vin,max = 30 VVZ = 5.6 VR = 330 Ω
PZ,max = mW
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 −23 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 = −238 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 0110 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?

0110 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
ABC00011110011001130214050706

カルノー図を使って F(A, B, C) = Σm(0, 3, 4) の最小の積和形(SOP)を求めてください。リテラル L は合計でいくつ含まれますか(プライム付きの変数も 1 つのリテラルと数えます)?

F(A, B, C) = Σm(0, 3, 4)
L =
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
ABCD000111100001111000011302141517X6012113X1501418X9111010

d はドントケア条件を表します。F(A, B, C, D) = Σm(3, 4, 5, 7, 8, 11, 13) + d(6, 9, 15) の最小の SOP 形を求めてください。リテラル L はいくつ含まれますか?

F(A, B, C, D) = Σm(3, 4, 5, 7, 8, 11, 13) + d(6, 9, 15)
L =
29.ラプラス変換ふつう
ReIm5

F(s) = (3s + 11)/(s² + 6s + 34) の f(t) を平方完成によって求め、f(0.25) を計算せよ。

F(s) = (3s + 11)/(s² + 6s + 34)t = 0.25 s
f(0.25) =
30.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.2y(0.2) = ?

ある系が y″ + 9y′ + 18y = 54·u(t) に従う。系は静止状態(y(0) = 0、y′(0) = 0)から始まり、入力は t ≥ 0 で大きさ 10 のステップ u(t) である。ラプラス変換を用いて出力 y(0.2) を求めよ。

y″ + 9y′ + 18y = 54·u(t)u(t) = 10y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0.2 s
y(0.2) =
31.ブロック線図ふつう
R(s)+18s(s + 7)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = 18/(s(s + 7)) である。基準入力はランプ r(t) = 2·t である。定常偏差 ess を求めよ。

G(s) = 18/(s(s + 7))r(t) = 2·t
ess =
32.ブロック線図むずかしい
R(s)+Ks(s + 4)(s + 10)G(s)C(s)−

プラント G(s) = K/(s(s + 4)(s + 10)) を単位負帰還ループに入れる。 ラウス・フルビッツの安定判別法を用いて、閉ループが安定となる最大のゲイン Kmax を求めよ。

G(s) = K/(s(s + 4)(s + 10))単位負帰還
Kmax =
33.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)0.5ts​ = ?

ある系の伝達関数は G(s) = 43.5/(s² + 14s + 87) で、単位ステップ入力を受ける。 ts ≈ 4/(ζωₙ) を用いて、ステップ応答の 2 % 整定時間 ts を求めよ。

G(s) = 43.5/(s² + 14s + 87)
ts = s
34.ステップ応答むずかしい
+−5 VR = 175 ΩL = 100 mHC = 4.7 µFvC​

R = 175 Ω、L = 100 mH、C = 4.7 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。 コンデンサ電圧のピーク値 vC,max を求めよ。

R = 175 ΩL = 100 mHC = 4.7 µFV = 5 V
vC,max = V
35.ボード線図と余裕ふつう
vin​C = 1 nFR = 4.7 kΩvout​

図の RC ハイパスフィルタ は R = 4.7 kΩ, C = 1 nF です。17 kHz の正弦波入力が加えられます。 vin に対する vout の位相のずれ φ を度で求めよ。

R = 4.7 kΩC = 1 nFf = 17 kHz
φ = °
36.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) = 20/(s(s + 2)(s + 4)) である。 ゲイン余裕 GM を dB で求めよ。

L(s) = 20/(s(s + 2)(s + 4))
GM = dB
37.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡ふつう
R(s)+K1s(s + 3)(s + 6)C(s)−

図のループの開ループ伝達関数は L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6)) です。ゲインを上げていくと、閉ループが安定限界に達します。持続振動の周波数 ω を求めなさい。

L(s) = K/(s(s + 3)(s + 6))
ω = rad/s
38.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡むずかしい
ReIm−1−2−3−4−5−6j1

単位フィードバックのループで L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5)) です。根軌跡の漸近線が実軸と交わる点 σa を求めなさい。

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 5))
σa =
39.定常偏差と PID 制御ふつう
R(s)+K(s + 2)(s + 10)C(s)−

単位フィードバックのループで G(s) = K/((s + 2)(s + 10)) です。ステップ入力に対する定常偏差が 4 % となるゲイン K を求めなさい。

G(s) = K/((s + 2)(s + 10))ess = 4 %
K =
40.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+8 + Kd​s10s(s + 1)C(s)−

PD 制御器 C(s) = 8 + Kd·s が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 10/(s(s + 1)) を制御しています。閉ループの減衰比を ζ = 0.9 にする微分ゲイン Kd を求めなさい。

G(s) = 10/(s(s + 1))Kp = 8ζ = 0.9
Kd = s

3溶液

1.抵抗の直列・並列

答え: Req = 9.793 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​ = 4 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​6 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 = 15 + 6 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 8·21/(8+21) = 5.793 Ω
Req = R1 + 5.793 = 4 + 5.793 = 9.793 Ω

答え

Req = 9.793 Ω
2.抵抗の直列・並列

答え: IR1 = 0.8023 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​ = 4 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​5 VR2​3 ΩAR4​8 ΩBR6​5 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 = 15 + 5 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 5.714 Ω
R3 + 5.714 = 8.714 Ω
R2 ∥ 8.714 = 2.232 Ω
Req = R1 + 2.232 = 4 + 2.232 = 6.232 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 = 5/6.232 = 0.8023 A

答え

IR1 = 0.8023 A
3.節点解析

答え: VA = 4.655 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​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​3 ΩBIs​2.5 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 = 15 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/3 + (VA − 15)/8 + (VA − VB)/8 = 0
0.5833·VA − 0.125·VB = 1.875

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/3 + (VB − VA)/8 = 2.5
−0.125·VA + 0.4583·VB = 2.5

解く

Δ = (0.5833)(0.4583) − (−0.125)(−0.125) = 0.2517
VA = Δ1/Δ = 1.172/0.2517 = 4.655 V
VB = Δ2/Δ = 1.693/0.2517 = 6.724 V

答え

VA = 4.655 V
4.節点解析

答え: Is = 2.8 A

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

VA は既知なので、この式から VB が求まります。

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(29.5 − 36)/8 + 29.5/30 = (VB − 29.5)/12
0.1708 = (VB − 29.5)/12 → VB = 31.55 V

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 に押し込む電流に等しくなります。

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (31.55 − 29.5)/12 + 31.55/12 = 2.8 A

答え

Is = 2.8 A
5.網目解析

答え: I2 = −2 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​ = 5 ΩR2​ = 2 Ω+−V1​15 VR3​20 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
5·I1 + 20(I1 − I2) = 15
25·I1 − 20·I2 = 15

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
2·I2 + 20(I2 − I1) = (−24)
−20·I1 + 22·I2 = −24

解く

Δ = (25)(22) − (−20)(−20) = 150
I1 = Δ1/Δ = −150/150 = −1 A
I2 = Δ2/Δ = −300/150 = −2 A

答え

I2 = −2 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: I1 = 1.152 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​ = 6 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​10 VR4​3 ΩAR5​6 ΩB+−V2​9 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
6·I2 + 3(I2 − I1) + 6(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 15·I2 − 6·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 + 6(I3 − I2) = (−9)
−6·I2 + 31·I3 = −9

解く

Δ = 係数行列の行列式 = 3582
I1 = Δ1/Δ = 4128/3582 = 1.152 A
I2 = Δ2/Δ = 444/3582 = 0.124 A
I3 = Δ3/Δ = −954/3582 = −0.2663 A

答え

I1 = 1.152 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: Is = 0.4 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​ = 4 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​10 ΩB開放

ケース 1 · V1 単独で作用

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 = 2+10 = 12 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·12/(2+12) = 1.714 Ω
VA = 12·1.714/(4+1.714) = 3.6 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3.6·10/12 = 3 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (3.6 − 3)/2 = 0.3 A

ケース 2 · Is 単独で作用

V₁ は短絡になるので、R₁ ∥ R₂ が A から接地につながります。Iₛ は B で R₄ と経路 R₃ + R₁∥R₂ に分かれ、R₃ を流れる部分は矢印と逆向きに B から A へ流れます。

R1 ∥ R2 = 1.333 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·10/13.33 = −0.75·Is

合計を 0 とおく

IR3′ + IR3″ = 0.3 − 0.75·Is = 0
Is = 0.3/0.75 = 0.4 A

答え

Is = 0.4 A
8.重ね合わせの理

答え: IR4 = 0.7144 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​ = 6 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​30 VR3​25 ΩA開放B短絡

ケース 1 · V1 のみ

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) = 25 ∥ 33 = 14.22 Ω
VA = 30·14.22/(6+14.22) = 21.1 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 21.1·25/33 = 15.98 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (15.98 − 0)/25 = 0.6394 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 25 Ω短絡R3​25 ΩAIs​1 AB短絡

ケース 2 · Is のみ

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。

R1 ∥ R3 = 4.839 Ω、よって左側の経路は R2+4.839 = 12.84 Ω
Req = R4 ∥ 12.84 = 8.483 Ω
VB = Is·Req = 1·8.483 = 8.483 V
VA = VB·4.839/12.84 = 3.197 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (8.483 − 0)/25 = 0.3393 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 25 Ω短絡R3​25 ΩA開放B+−V2​10 V

ケース 3 · V2 のみ

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 = 6·25/(6+25) = 4.839 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 10·12.84/37.84 = 3.393 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 3.393·4.839/12.84 = 1.279 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (3.393 − 10)/25 = −0.2643 A

成分を足し合わせる

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0.6394 + 0.3393 + (−0.2643) = 0.7144 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。

9.テブナン・ノートン

答え: Vth = 9.6 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​ = 5 ΩR3​ = 20 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 = 5·20/(5+20) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 20 = 24 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​20 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) = 12·20/(5+20) = 9.6 V
10.テブナン・ノートン

答え: PL = 14.38 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​ = 3 Ω短絡R2​15 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 = 2·15/(2+15) = 1.765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.765 + 3 = 4.765 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​15 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) = 8.824 + 2·1.765 = 12.35 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12.35 + 2·3 = 18.35 V
Rth​ = 4.765 Ω+−Vth​18.35 VRL​12 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) = 18.35/(4.765 + 12) = 1.095 A
PL = IL²·RL = 1.095²·12 = 14.38 W
11.RC・RL 過渡現象

答え: t = 5.991 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 = 100 mH / 50 Ω = 2 ms
i(∞) = Vs/R = 10/50 = 0.2 A

時間について解く

0.95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.95)
t = −2·ln(0.05) = 5.991 ms

答え

t = 5.991 ms
12.RC・RL 過渡現象

答え: t = 384.8 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) = 8 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 4.7 kΩ · 68 µF = 319.6 ms
vC(t) = 24 + (8 − 24)·e−t/τ

時間について解く

19.2 = 24 + (−16)·e−t/τ → e−t/τ = (19.2 − 24)/(8 − 24) = 0.3
t = τ·ln((8 − 24)/(19.2 − 24)) = 319.6·ln(3.333) = 384.8 ms

答え

t = 384.8 ms
13.交流インピーダンスとフェーザ

答え: C = 12.67 µF

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。

共振条件

共振時には誘導性リアクタンスと容量性リアクタンスが打ち消し合います:ωL = 1/(ωC)。

ω₀ = 2π·100 = 628.3 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(628.3²·0.2) = 12.67 µF

答え

C = 12.67 µF
14.交流インピーダンスとフェーザ

答え: VL = 80.9 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/√(0.01·2.2·10⁻⁶) = 6742 rad/s
I = V/R = 12/10 = 1.2 A

コイルの両端の電圧

XL = ω₀L = 6742·0.01 = 67.42 Ω
VL = I·XL = 1.2·67.42 = 80.9 V

答え

VL = 80.9 V

これは電源電圧の Q = 6.742 倍です。

15.交流電力と力率

答え: I = 76.83 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。

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 = 9·tan(arccos 0.6) = 12 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

合計

P = 9 + 5 = 14 kW
Q = 12 + 0 = 12 kvar
S = √(14² + 12²) = 18.44 kVA

全電流

I = S/V = 18439/240 = 76.83 A

答え

I = 76.83 A
16.交流電力と力率

答え: cos φ = 0.8369

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 = 26·tan(arccos 0.8) = 19.5 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·150·10⁻⁶ = 2493 var = 2.493 kvar
Q2 = 19.5 − 2.493 = 17.01 kvar

新しい皮相電力

S2 = √(26² + 17.01²) = 31.07 kVA

新しい力率

cos φ = P/S2 = 26/31.07 = 0.8369

答え

cos φ = 0.8369
17.三相電力

答え: P = 10.33 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 = 415/√3 = 239.6 V

相電流

|Z| = √(6² + 8²) = 10 Ω
Iph = 239.6/10 = 23.96 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 = 3·23.96²·6 = 10.33 kW

答え

P = 10.33 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。

18.三相電力

答え: Cph = 2365 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 = 250·tan(acos 0.65) = 250·1.169 = 292.3 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0.9) = 250·0.4843 = 121.1 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 171.2 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 = 480/√3 = 277.1 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 57067/(314.2·277.1²) = 2365 µF

答え

Cph = 2365 µF
19.変圧器

答え: IHV = 13.89 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 = 100000/7200 = 13.89 A

答え

IHV = 13.89 A
20.変圧器

答え: Ploss = 675 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 = 0.0625·1200 = 75 W

全損失

鉄損は負荷によらず一定です。

Ploss = 600 + 75 = 675 W

答え

Ploss = 675 W

この負荷での効率は η = 95.69% です。

21.オペアンプ回路

答え: Vout = 2.75 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

V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 2·22/(10 + 22) = 1.375 V

非反転増幅の利得

V₋ = V₊ で、R₁ を流れる電流は Rf も流れます。

Vout = V₊·(1 + Rf/R1) = 1.375·(1 + 10/10) = 2.75 V

答え

Vout = 2.75 V
22.オペアンプ回路

答え: Av = −9.4

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 = −4.7/1 = −4.7
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 4.7/4.7 = 2

全体の利得

Av = A1·A2 = −4.7·2 = −9.4

答え

Av = −9.4
23.ダイオードとトランジスタ

答え: IC = 0.7656 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。

分圧回路のテブナン等価回路

VTH = 15·6.8/(47 + 6.8) = 1.896 V
RTH = 47·6.8/(47 + 6.8) = 5.941 kΩ

ベース電流

ベース側の閉路の KVL。エミッタ電流は (β + 1)·IB です。

IB = (1.896 − 0.7)/(5.941 + 121·1.5) = 6.38 µA

コレクタ電流

IC = 120·6.38 µA = 0.7656 mA
IE = 121·6.38 µA = 0.772 mA

答え

IC = 0.7656 mA
24.ダイオードとトランジスタ

答え: PZ,max = 414.1 mW

ツェナーレギュレータ:逆バイアスされたツェナーダイオードは、電流が最小値 IZ,min を上回っている限り、電圧 VZ を保ちます。直列抵抗 R が入力と出力の差を受け持ちます:IR = (Vin − VZ)/R。この電流は負荷 IL = VZ/RL とツェナー IZ = IR − IL に分かれます。最悪の場合を想定して設計します:入力が最低で負荷が最大のときでも IZ,min が残らなければならず、入力が最高で無負荷のときにツェナーの電力 PZ = VZ·IZ が最大になります。

最悪の場合のツェナー電流

IZ = 24.4/330 = 73.94 mA

ツェナーの電力

PZ = 5.6·73.94 = 414.1 mW

答え

PZ,max = 414.1 mW
25.記数法

答え: U = 233

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

23 = 0001 0111
反転後: 1110 1000
+1 → 1110 1001

符号なしとして読む

1110 1001₂ = 256 − 23 = 233

答え

U = 233
26.記数法

答え: R = 13

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。

0110 1110 >> 3
= 0000 1101

結果の値

0000 1101₂ = 13

答え

R = 13
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: L = 5

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。

ABC00011110011001130214050706

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。

B′C′
A′BC

最小の SOP 形

F = B′C′ + A′BC
L = 5

答え

L = 5
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: L = 9

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。

主項

1 と X からつくれる最大のグループ。

CD, BD, AD, A′B, AB′C′
ABCD000111100001111000011302141517X6012113X1501418X9111010

最小被覆

F = CD + BD + A′B + AB′C′
L = 9

答え

L = 9

同じ大きさの別のグループ分けもあります。項の数もリテラルの数も同じです。

29.ラプラス変換

答え: f(0.25) = 0.6262

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)。

平方完成する

s² + 6s + 34 = (s + 3)² + 25 = (s + 3)² + 5²

分子を合わせる

F(s) = 3·(s + 3)/((s + 3)² + 5²) + (2/5)·5/((s + 3)² + 5²)

逆変換

f(t) = e−3t·(3·cos 5t + 0.4·sin 5t)
f(0.25) = e−3·0.25·(3·cos(5·0.25) + 0.4·sin(5·0.25)) = 0.6262

答え

f(0.25) = 0.6262
30.ラプラス変換

答え: y(0.2) = 6.107

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)。

方程式を変換する

Y(s) = 540/(s(s + 3)(s + 6))

部分分数展開

A = 540/(3·6) = 30
B = 540/((−3)·3) = −60
C = 540/((−6)·(−3)) = 30

排泄量

y(t) = 30 − 60·e−3t + 30·e−6t
y(0.2) = 6.107

答え

y(0.2) = 6.107
31.ブロック線図

答え: ess = 0.7778

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。

速度偏差定数

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 18/7 = 2.571

定常偏差

ess = A/Kᵥ = 2/2.571 = 0.7778

答え

ess = 0.7778
32.ブロック線図

答え: Kmax = 560

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。

固有方程式

s³ + 14s² + 40s + K = 0

ラウス表

s³ | 1 40
s² | 14 K
s¹ | (14·40 − K)/14
s⁰ | K

安定限界

第 1 列のすべての要素が正でなければなりません。

Kmax = 14·40 = 560

答え

Kmax = 560
33.ステップ応答

答え: ts = 0.5714 s

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 = 87 → ωₙ = 9.327 rad/s
2ζωₙ = 14 → ζ = 14/(2·9.327) = 0.7505

結果

ζωₙ = 7 → ts ≈ 4/7 = 0.5714 s

答え

ts = 0.5714 s
34.ステップ応答

答え: vC,max = 5.474 V

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/√(0.1·4.7 × 10⁻⁶) = 1459 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (175/2)·√(4.7 × 10⁻⁶/0.1) = 0.5999

結果

%OS = 9.486 %
vC,max = 5·(1 + 0.09486) = 5.474 V

答え

vC,max = 5.474 V
35.ボード線図と余裕

答え: φ = 63.34 °

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/(4700·1 × 10⁻⁹) = 212766 rad/s
fc = 33863 Hz → f/fc = 17000/33863 = 0.502

位相

φ = 90° − atan(0.502) = 63.34°

答え

φ = 63.34°
36.ボード線図と余裕

答え: GM = 7.604 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/2)·(ω/4) = 1 → ω180 = √(2·4) = 2.828 rad/s

位相交差での大きさ

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 16)) = K/(2·4·(2 + 4)) = K/48

ゲイン余裕

GM = 20·log₁₀(48/20) = 7.604 dB

答え

GM = 7.604 dB
37.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: ω = 4.243 rad/s

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。

ラウス表

s³ + 9s² + 18s + K = 0
s³: 1, 18
s²: 9, K
s¹: (9·18 − K)/9
s⁰: K

限界ゲイン

K = 9·18 = 162

補助方程式

限界ゲインでは s¹ の行が 0 になります。s² の行から虚軸上の極が求まります。

9s² + 162 = 0 → s = ±j√18
ω = 4.243 rad/s

答え

ω = 4.243 rad/s
38.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: σa = −2.333

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。

極と零点

極: 0, −2, −5
n − m = 3 − 0 = 3

図心

σa = (−7)/3 = −2.333

答え

σa = −2.333

3 本の漸近線は、重心から 60°, 180°, 300° の角度で出ています。

39.定常偏差と PID 制御

答え: K = 480

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。

必要な偏差定数

1/(1 + Kp) = 0.04 → Kp = 24

利得

K/20 = 24 → K = 480

答え

K = 480

閉ループの安定性も確認しましょう:この 2 次のループでは、K > 0 ならどんな値でも安定です。

40.定常偏差と PID 制御

答え: Kd = 1.51 s

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 + 1) + 10(8 + Kds) = s² + (1 + 10Kd)s + 80

固有振動数

ωₙ = √80 = 8.944 rad/s

微分ゲイン

1 + 10Kd = 2·0.9·8.944 = 16.1
Kd = 1.51 s

答え

Kd = 1.51 s

微分項は、ωₙ を変えずに減衰を加えます。

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