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​ = 10 ΩIR1​R3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​8 ΩB

電源が供給し R1 を流れる電流 IR1 を求めよ。

V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
2.抵抗の直列・並列むずかしい
R1​ = 10 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​2 ΩBR6​5 Ω

電源 V1 から見た合成抵抗 Req を求めよ。

V1 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 25 ΩR4 = 2 ΩR5 = 25 ΩR6 = 5 Ω
Req = Ω
3.節点解析ふつう
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​20 ΩBIs​1 A

節点解析を使って、電流源 Is が供給する電力 PIs を求めよ。

V1 = 30 VIs = 1 AR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 20 ΩR4 = 20 Ω
PIs = W
4.節点解析むずかしい
R1​ = 5 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 10 ΩIR4​+−V1​6 VR3​4 ΩAR5​30 ΩBIs​0.5 A+−V2​10 V

節点解析を使って 矢印の向きに R4 を流れる電流 IR4 を求めよ。

V1 = 6 VIs = 0.5 AV2 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 ΩR5 = 30 Ω
IR4 = A
5.網目解析ふつう
R1​ = 3 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​30 VR3​8 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

網目解析を使って 網目電流 I1(時計回り) を求めよ。

V1 = 30 VV2 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 Ω
I1 = A
6.網目解析むずかしい
R1​ = 15 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR4​3 ΩIR4​AR5​12 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

網目解析を使って 矢印の向きに R4 を流れる電流 IR4 を求めよ。

V1 = 30 VV2 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 3 ΩR5 = 12 Ω
IR4 = A
7.重ね合わせの理ふつう
線形回路Vs​Is​IRL​

線形抵抗回路に 1 つの電圧源 Vs と 1 つの電流源 Is がある。負荷抵抗を流れる電流 I を 2 回測定した:Vs = 6 V、Is = 4 mA のとき I = 5.4 mA、Vs = 20 V、Is = 10 mA のとき I = 16 mA。Vs = 20 V、Is = 5 mA のときの負荷電流 I を求めよ。

6 V, 4 mA → 5.4 mA20 V, 10 mA → 16 mAVs = 20 V, Is = 5 mA
I = mA
8.重ね合わせの理むずかしい
R1​ = 20 ΩR2​ = 30 ΩIR2​R4​ = 25 Ω+−V1​15 VR3​5 ΩAIs​5 AB+−V2​30 V

重ね合わせの理を使って 矢印の向きに R2 を流れる電流 IR2 を求めよ。

V1 = 15 VIs = 5 AV2 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 30 ΩR3 = 5 ΩR4 = 25 Ω
IR2 = A
9.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAab

ノートン電流 IN を求めよ:端子を短絡したとき a から b へ流れる電流。

V1 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 Ω
IN = A
10.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 25 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​36 VR2​15 ΩAIs​2.5 ABRL​30 ΩIL​

a–b 間に負荷 RL = 30 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 = 36 VIs = 2.5 AR1 = 25 ΩR2 = 15 ΩR3 = 30 ΩRL = 30 Ω
PL = W
11.RC・RL 過渡現象ふつう
R = 47 Ωt = 0L47 mHi(t)

コイルには 1.5 A の定常電流が流れている。t = 0 にスイッチが R を通るループを閉じ、電源が切り離されるので、コイルの電流は R を通して減衰する。 t = 1 ms での R の両端電圧 vR を求めよ。

i(0) = 1.5 AR = 47 ΩL = 47 mHt = 1 ms
vR = V
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​9 Vt = 0R = 6.8 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 4 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 4 V に充電されている。 t = 400 ms におけるコンデンサの電圧 vC を求めよ。

Vs = 9 VR = 6.8 kΩC = 68 µFvC(0) = 4 Vt = 400 ms
vC = V
13.交流インピーダンスとフェーザふつう
Vf0​ = 1000 HzRL = 1 mHC = ?

L = 1 mH の直列 RLC 回路を 1000 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 = 1000 HzL = 1 mH
C = µF
14.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
10 Vf0​R = 2 ΩL = 10 mHC = 4.7 µF

直列 RLC 回路を、周波数を回路の共振周波数に設定した 10 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 = 10 V (rms)R = 2 ΩL = 10 mHC = 4.7 µF
VL = V
15.交流電力と力率ふつう
P = 8 kWQSφ

単相モーターが 230 V の電源から、遅れ力率 0.6 で 8 kW を消費する。 線電流 I を求めよ。

P = 8 kWpf = 0.6V = 230 V
I = A
16.交流電力と力率むずかしい
P = 50 kWQ1​S1​φ1​QC​

単相負荷が 400 V、60 Hz の電源から遅れ力率 0.8 で 50 kW を消費する。並列にコンデンサをつないで力率を 0.98 に改善する。 必要な静電容量 C を求めよ。

P = 50 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.98V = 400 Vf = 60 Hz
C = µF
17.三相電力ふつう
ABCVL​ = 690 VIL​ = 75 Acos φ = 0.8遅れ

平衡三相負荷が、線間電圧 690 V の電源から線電流 75 A を流している。力率は遅れ 0.8 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 = 75 Acos φ = 0.8
P = kW
18.三相電力むずかしい
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

平衡三相負荷が、415 V(線間)、60 Hz の電源から遅れ力率 0.7 で 120 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 = 120 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.92VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.変圧器ふつう
RL​ = 30 Ω2014800 VV2​I1​ = ?I2​

巻数比 N₁:N₂ = 20:1 の理想変圧器の一次巻線に 4800 V を加える。二次巻線に 30 Ω の抵抗を接続する。一次電流 I1 を求めよ。

N1:N2 = 20:1V1 = 4800 VRL = 30 Ω
I1 = A
20.変圧器むずかしい
50 kVA

単相 50 kVA の変圧器の鉄損は 250 W、定格負荷での銅損は 375 W である。 効率が最大になる負荷 Sη,max を kVA で求めよ。

S = 50 kVAPcore = 250 WPcu,fl = 375 W
Sη,max = kVA
21.オペアンプ回路ふつう
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 4.7 kΩVin​

この非反転増幅器の電圧利得を 4 にする帰還抵抗 Rf を選べ。

R1 = 4.7 kΩAv = 4
Rf = kΩ
22.オペアンプ回路むずかしい
−+Vout​Rf​ = 10 kΩV1​ = 1 VR1​ = 2 kΩV2​ = −1 VR2​ = 10 kΩ

加算増幅器は ±15 V 電源の理想オペアンプを使う。 出力電圧 Vout を求めよ。

V1 = 1 VV2 = −1 VR1 = 2 kΩR2 = 10 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
23.ダイオードとトランジスタふつう
+−12 VR = ?5 × 2 V10 mA

5 個の 赤 LED(順方向電圧は各 2 V)が、抵抗と直列に 12 V の電源につながれています。電流を 10 mA にする抵抗値 R を求めなさい。

Vs = 12 VVF = 2 Vn = 5I = 10 mA
R = Ω
24.ダイオードとトランジスタむずかしい
RC​ = 1 kΩβ = 50VCC​ = 24 V3.3 VRB​ = ?

β = 50 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 1 kΩ 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 3.3 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。 トランジスタをちょうど飽和させることのできる最大のベース抵抗 RB を kΩ で求めよ。

VCC = 24 VRC = 1 kΩβ = 50Vin = 3.3 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 V
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 −117 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 = −1178 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 1100 1010 OR 1001 1110 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?

1100 1010OR1001 1110
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
ABC00011110010001130204151706

カルノー図を使って F(A, B, C) = Σm(3, 5, 7) 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(3, 5, 7)
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
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​CLKUP

4 ビット 2 進アップカウンタ は 0(10 進数、Q = 0000)から始まります。43 クロックパルスのあとの計数値 Q(10 進数)はいくつですか?

Q0 = 043n = 4
Q =
29.ラプラス変換ふつう
t (s)f(t)t = 0.6f(0.6) = ?

F(s) = 45/(s(s + 2)(s + 5)) の f(t) を部分分数展開で求め、f(0.6) を計算せよ。

F(s) = 45/(s(s + 2)(s + 5))t = 0.6 s
f(0.6) =
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″ + 10y′ + 24y = 72·u(t) に従い、y(0) = 5、y′(0) = 0 である。t = 0 でステップ入力 u(t) = 10 を加える。ラプラス変換を用いて y(0.2) を求めよ。

y″ + 10y′ + 24y = 72·u(t)y(0) = 5y′(0) = 0u(t) = 10t = 0.2 s
y(0.2) =
31.ブロック線図ふつう
R(s)+2(s + 5)(s + 4)(s + 7)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = 2(s + 5)/((s + 4)(s + 7)) である。基準入力に大きさ 2 のステップを加える。定常偏差 ess を求めよ。

G(s) = 2(s + 5)/((s + 4)(s + 7))R = 2
ess =
32.ブロック線図むずかしい
R(s)+Ks(s + 9)(s + 10)G(s)C(s)−

プラント G(s) = K/(s(s + 9)(s + 10)) を単位負帰還ループに入れる。 安定な最大ゲインでは、ループは振動します。振動の周波数 ω を rad/s で求めよ。

G(s) = K/(s(s + 9)(s + 10))単位負帰還
ω = rad/s
33.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)1tp​ = ?

ある系の伝達関数は G(s) = 38/(s² + 4s + 38) で、単位ステップ入力を受ける。 ステップ応答のピーク時間 tp を求めよ。

G(s) = 38/(s² + 4s + 38)
tp = s
34.ステップ応答むずかしい
R(s)+175s(s + 8)G(s)C(s)−

単位負帰還ループの G(s) = 175/(s(s + 8)) である。ts ≈ 4/(ζωₙ) を用いて、閉ループのステップ応答の 2 % 整定時間 ts を求めよ。

G(s) = 175/(s(s + 8))
ts = s
35.ボード線図と余裕ふつう
vin​C = 4.7 nFR = 3.3 kΩvout​

図の RC ハイパスフィルタ は R = 3.3 kΩ, C = 4.7 nF です。51 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 = 3.3 kΩC = 4.7 nFf = 51 kHz
φ = °
36.ボード線図と余裕むずかしい
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−60−40−200204060ω (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) = 155/(s(s + 5)) である。 位相余裕 PM を度で求めよ。

L(s) = 155/(s(s + 5))
PM = °
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 + 4)C(s)−

図のループの開ループ伝達関数は L(s) = K/(s(s + 2)(s + 4)) 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 + 2)(s + 4))
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−2−4−6j2j4

L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 5)) の根軌跡を描きました。軌跡が虚軸と交わる周波数 ω を求めなさい。

L(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 5))
ω = rad/s
39.定常偏差と PID 制御ふつう
r(t) = 5t+Ks(s + 5)C(s)−

G(s) = K/(s(s + 5)) 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 0.05 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 + 5))r(t) = 5tess = 0.05
K =
40.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+K = 402s(s + 10)C(s)−

比例制御器 K = 40 が、単位フィードバックのループで制御対象 G(s) = 2/(s(s + 10)) を制御しています。 ステップ応答のピーク時間 tp を求めよ。

G(s) = 2/(s(s + 10))K = 40
tp = s

3溶液

1.抵抗の直列・並列

答え: IR1 = 0.8065 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​ = 10 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​8 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 = 4 + 8 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 3·12/(3+12) = 2.4 Ω
Req = R1 + 2.4 = 10 + 2.4 = 12.4 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 = 10/12.4 = 0.8065 A

答え

IR1 = 0.8065 A
2.抵抗の直列・並列

答え: Req = 12.7 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​ = 10 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​24 VR2​3 ΩAR4​2 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 = 25 + 5 = 30 Ω
R4 ∥ 30 = 1.875 Ω
R3 + 1.875 = 26.88 Ω
R2 ∥ 26.88 = 2.699 Ω
Req = R1 + 2.699 = 10 + 2.699 = 12.7 Ω

答え

Req = 12.7 Ω
3.節点解析

答え: PIs = 17.73 W

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 − 30)/8 + (VA − VB)/20 = 0
0.3·VA − 0.05·VB = 3.75

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/20 + (VB − VA)/20 = 1
−0.05·VA + 0.1·VB = 1

解く

Δ = (0.3)(0.1) − (−0.05)(−0.05) = 0.0275
VA = Δ1/Δ = 0.425/0.0275 = 15.45 V
VB = Δ2/Δ = 0.4875/0.0275 = 17.73 V

電流源が供給する電力

電源は Iₛ を接地(0 V)から VB へ、節点 B に上向きに押し込みます。電流が + 端から流れ出る電源は P = V·I を供給します。

PIs = VB·Is = 17.73·1 = 17.73 W

答え

PIs = 17.73 W
4.節点解析

答え: IR4 = −0.3441 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。

R1​ = 5 ΩR2​ = 4 ΩR4​ = 10 Ω+−V1​6 VR3​4 ΩAR5​30 ΩBIs​0.5 A+−V2​10 V

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 = 6 V, V2 = 10 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/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/4 + (VA − 6)/5 + (VA − VB)/4 = 0
0.7·VA − 0.25·VB = 1.2

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/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/30 + (VB − VA)/4 + (VB − 10)/10 = 0.5
−0.25·VA + 0.3833·VB = 1.5

解く

Δ = (0.7)(0.3833) − (−0.25)(−0.25) = 0.2058
VA = Δ1/Δ = 0.835/0.2058 = 4.057 V
VB = Δ2/Δ = 1.35/0.2058 = 6.559 V

答え

IR4 = (VB − V2)/R4 = (6.559 − 10)/10 = −0.3441 A
5.網目解析

答え: I1 = 3.27 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​ = 3 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​30 VR3​8 ΩA+−V2​9 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
3·I1 + 8(I1 − I2) = 30
11·I1 − 8·I2 = 30

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
15·I2 + 8(I2 − I1) = (−9)
−8·I1 + 23·I2 = −9

解く

Δ = (11)(23) − (−8)(−8) = 189
I1 = Δ1/Δ = 618/189 = 3.27 A
I2 = Δ2/Δ = 141/189 = 0.746 A

答え

I1 = 3.27 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: IR4 = 1.861 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​ = 15 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​30 VR4​3 ΩAR5​12 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
15·I1 + 3(I1 − I2) = 30
18·I1 − 3·I2 = 30

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
2·I2 + 3(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 17·I2 − 12·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
4·I3 + 12(I3 − I2) = (−9)
−12·I2 + 16·I3 = −9

解く

Δ = 係数行列の行列式 = 2160
I1 = Δ1/Δ = 3516/2160 = 1.628 A
I2 = Δ2/Δ = −504/2160 = −0.2333 A
I3 = Δ3/Δ = −1593/2160 = −0.7375 A

答え

IR4 = I1 − I2 = 1.861 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: I = 13 mA

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。

応答を寄与の和として書く

各寄与はそれぞれの電源に比例し、その定数は抵抗だけで決まります。

I = k₁·Vs + k₂·Is
6·k₁ + 4·k₂ = 5.4
20·k₁ + 10·k₂ = 16

定数について解く

Δ = (6)(10) − (4)(20) = −20
k₁ = Δ1/Δ = −10/−20 = 0.5
k₂ = Δ2/Δ = −12/−20 = 0.6
k₁ = 0.5 mA/V, k₂ = 0.6

新しい電流を予測する

I = 0.5·20 + 0.6·5 = 13 mA

答え

I = 13 mA
8.重ね合わせの理

答え: IR2 = 2.576 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​ = 20 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​15 VR3​5 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) = 5 ∥ 55 = 4.583 Ω
VA = 15·4.583/(20+4.583) = 2.797 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 2.797·25/55 = 1.271 V
IR2′ = (VB − VA)/R2 = (1.271 − 2.797)/30 = −0.05085 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 25 Ω短絡R3​5 ΩAIs​5 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 Ω、よって左側の経路は R2+4 = 34 Ω
Req = R4 ∥ 34 = 14.41 Ω
VB = Is·Req = 5·14.41 = 72.03 V
VA = VB·4/34 = 8.475 V
IR2″ = (VB − VA)/R2 = (72.03 − 8.475)/30 = 2.119 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 25 Ω短絡R3​5 ΩA開放B+−V2​30 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 = 20·5/(20+5) = 4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 30·34/59 = 17.29 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 17.29·4/34 = 2.034 V
IR2‴ = (VB − VA)/R2 = (17.29 − 2.034)/30 = 0.5085 A

成分を足し合わせる

IR2 = IR2′ + IR2″ + IR2‴
IR2 = (−0.05085) + 2.119 + 0.5085 = 2.576 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: IN = 0.9474 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​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω短絡R2​12 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 = 2·12/(2+12) = 1.714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.714 + 20 = 21.71 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​12 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) = 24·12/(2+12) = 20.57 V
IN​0.9474 ARth​21.71 Ωab

ノートン等価回路

ノートン電源は、同じ回路を R_th と並列な電流源として見たものです。その電流は a–b の短絡電流です。

IN = Vth/Rth = 20.57/21.71 = 0.9474 A
10.テブナン・ノートン

答え: PL = 78.1 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​ = 25 ΩR3​ = 30 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 = 25·15/(25+15) = 9.375 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 9.375 + 30 = 39.38 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​36 VR2​15 ΩAIs​2.5 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) = 13.5 + 2.5·9.375 = 36.94 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 36.94 + 2.5·30 = 111.9 V
Rth​ = 39.38 Ω+−Vth​111.9 VRL​30 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) = 111.9/(39.38 + 30) = 1.614 A
PL = IL²·RL = 1.614²·30 = 78.1 W
11.RC・RL 過渡現象

答え: vR = 25.94 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

τ = L/R = 47 mH / 47 Ω = 1 ms

電流の減衰

i(t) = 1.5·e−1/1 = 0.5518 A
vR = R·i = 47·0.5518 = 25.94 V

答え

vR = 25.94 V
12.RC・RL 過渡現象

答え: vC = 6.895 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) = 4 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 6.8 kΩ · 68 µF = 462.4 ms
vC(t) = 9 + (4 − 9)·e−t/τ

指定時刻の電圧

vC(400) = 9 + (−5)·e−400/462.4 = 6.895 V

答え

vC = 6.895 V
13.交流インピーダンスとフェーザ

答え: C = 25.33 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·1000 = 6283 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(6283²·0.001) = 25.33 µF

答え

C = 25.33 µF
14.交流インピーダンスとフェーザ

答え: VL = 230.6 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/√(0.01·4.7·10⁻⁶) = 4613 rad/s
I = V/R = 10/2 = 5 A

コイルの両端の電圧

XL = ω₀L = 4613·0.01 = 46.13 Ω
VL = I·XL = 5·46.13 = 230.6 V

答え

VL = 230.6 V

これは電源電圧の Q = 23.06 倍です。

15.交流電力と力率

答え: I = 57.97 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) = 8000/(230·0.6) = 57.97 A

答え

I = 57.97 A
16.交流電力と力率

答え: C = 453.4 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 = 50·tan(36.87°) = 37.5 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 50·tan(11.48°) = 10.15 kvar
QC = Q1 − Q2 = 27.35 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) = 27347/(2π·60·400²) = 453.4 µF

答え

C = 453.4 µF
17.三相電力

答え: P = 71.71 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 = √3·690·75 = 89.63 kVA

有効電力

P = S·cos φ = 89.63·0.8 = 71.71 kW

答え

P = 71.71 kW
18.三相電力

答え: QC = 71.3 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 = 120·tan(acos 0.7) = 120·1.02 = 122.4 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0.92) = 120·0.426 = 51.12 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 71.3 kvar

答え

QC = 71.3 kvar
19.変圧器

答え: I1 = 0.4 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。

二次電圧と二次電流

V2 = 4800/20 = 240 V
I2 = 240/30 = 8 A

一次電流

理想変圧器には損失がありません:V₁·I₁ = V₂·I₂。

I1 = I2/20 = 0.4 A

答え

I1 = 0.4 A

確認:一次側から見た負荷は a²·RL = 12000 Ω で、4800/12000 からも同じ電流が得られます。

20.変圧器

答え: Sη,max = 40.82 kVA

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。

銅損 = 鉄損

x²·375 = 250 → x = √(250/375) = 0.8165

最大効率となる負荷

Sη,max = x·S = 0.8165·50 = 40.82 kVA

答え

Sη,max = 40.82 kVA
21.オペアンプ回路

答え: Rf = 14.1 kΩ

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。

非反転増幅器の利得

V₋ = V₊ = Vin で、R₁ の電流は Rf も流れるので Vout = Vin·(1 + Rf/R₁)。

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (4 − 1)·4.7 = 14.1 kΩ

答え

Rf = 14.1 kΩ
22.オペアンプ回路

答え: Vout = −4 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。

入力電流

V₋ = 0 なので、各入力抵抗には入力電圧がそのままかかります。

I1 = V1/R1 = 1/2 = 0.5 mA
I2 = V2/R2 = −1/10 = −0.1 mA
If = I1 + I2 = 0.4 mA

出力電圧

Vout = −Rf·If = −10·0.4 = −4 V

答え

Vout = −4 V
23.ダイオードとトランジスタ

答え: R = 200 Ω

LED とダイオードの回路:順方向にバイアスされた LED は、電流によらずおよそ順方向電圧 VF(赤で約 2 V、青や白で約 3 V)だけ電圧降下します。直列抵抗が電流を決めます:n 個の LED を直列にしたとき R = (Vs − n·VF)/I。より正確なダイオードのモデル V = V₀ + I·rd では、動作点はダイオードの直線と負荷線 I = (Vs − V)/R の交点にあり、I = (Vs − V₀)/(R + rd) となります。

抵抗にかかる電圧

VR = 12 − 5·2 = 2 V

抵抗

R = 2/0.01 = 200 Ω

答え

R = 200 Ω

抵抗は 20 mW を消費します。

24.ダイオードとトランジスタ

答え: RB = 5.462 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)/1000 = 23.8 mA

最小ベース電流

IB(min) = IC(sat)/β = 23.8/50 = 476 µA

ベース抵抗

RB = (3.3 − 0.7)/IB = 2.6 V/0.476 mA = 5.462 kΩ

答え

RB = 5.462 kΩ

これより小さいベース抵抗でもトランジスタは飽和します。実際には数分の 1 の値を選びます。

25.記数法

答え: U = 139

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

117 = 0111 0101
反転後: 1000 1010
+1 → 1000 1011

符号なしとして読む

1000 1011₂ = 256 − 117 = 139

答え

U = 139
26.記数法

答え: R = 222

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

OR は、少なくとも一方のビットが 1 のところで 1 になります。

1100 1010
OR 1001 1110
= 1101 1110

結果の値

1101 1110₂ = 222

答え

R = 222
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。

ABC00011110010001130204151706

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。

BC
AC

最小の SOP 形

F = BC + AC
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: Q = 11

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。

完全な周期

16 パルスごとに、カウンタは同じ状態に戻ります。

43 = 2·16 + 11

残りのパルスのあとの計数値

Q = (0 + 11) mod 16 = 11
Q = 1011₂

答え

Q = 11
29.ラプラス変換

答え: f(0.6) = 2.39

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)。

部分分数展開

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 5)
A = 45/(2·5) = 4.5
B = 45/((−2)·3) = −7.5
C = 45/((−5)·(−3)) = 3

逆変換

f(t) = 4.5 − 7.5·e−2t + 3·e−5t

計算する

f(0.6) = 4.5 − 7.5·e−2·0.6 + 3·e−5·0.6 = 2.39

答え

f(0.6) = 2.39
30.ラプラス変換

答え: y(0.2) = 11.36

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

(s² + 10s + 24)·Y(s) = 5s + 50 + 720/s
Y(s) = (5s² + 50s + 720)/(s(s + 4)(s + 6))

部分分数展開

A = 720/(4·6) = 30
B = 600/((−4)·2) = −75
C = 600/((−6)·(−2)) = 50

結果

y(t) = 30 − 75·e−4t + 50·e−6t
y(0.2) = 11.36

答え

y(0.2) = 11.36

検算:y(0) = A + B + C = 5。

31.ブロック線図

答え: ess = 1.474

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。

位置偏差定数

Kₚ = G(0) = 2·5/(4·7) = 0.3571

定常偏差

ess = A/(1 + Kₚ) = 2/(1 + 0.3571) = 1.474

答え

ess = 1.474
32.ブロック線図

答え: ω = 9.487 rad/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。

固有方程式

s³ + 19s² + 90s + K = 0

ラウス表

s³ | 1 90
s² | 19 K
s¹ | (19·90 − K)/19
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 = 19·90 = 1710

振動の周波数

19·(jω)² + 1710 = 0 → ω² = 1710/19 = 90
ω = 9.487 rad/s

答え

ω = 9.487 rad/s
33.ステップ応答

答え: tp = 0.5388 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 = 38 → ωₙ = 6.164 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·6.164) = 0.3244

結果

ωd = 6.164·√(1 − 0.3244²) = 5.831 rad/s → tp = π/ωd = 0.5388 s

答え

tp = 0.5388 s
34.ステップ応答

答え: ts = 1 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。

閉ループ伝達関数

T(s) = 175/(s² + 8s + 175): ωₙ = 13.23 rad/s, ζ = 0.3024

整定時間

ζωₙ = 8/2 = 4
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 1 s

答え

ts = 1 s

このループでは K によらず ζωₙ = a/2 です:K を大きくするとオーバーシュートは増えますが、整定時間は短くなりません。

35.ボード線図と余裕

答え: φ = 11.38 °

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/(3300·4.7 × 10⁻⁹) = 64475 rad/s
fc = 10261 Hz → f/fc = 51000/10261 = 4.97

位相

φ = 90° − atan(4.97) = 11.38°

答え

φ = 11.38°
36.ボード線図と余裕

答え: PM = 22.69 °

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 + 25ω² − 24025 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·24025))/2 = 143
ωc = 11.96 rad/s

位相余裕

∠L(jωc) = −90° − atan(11.96/5) = −157.3°
PM = 180° + ∠L = 22.69°

答え

PM = 22.69°
37.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: ω = 2.828 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 + 6s² + 8s + K = 0
s³: 1, 8
s²: 6, K
s¹: (6·8 − K)/6
s⁰: K

限界ゲイン

K = 6·8 = 48

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。

6s² + 48 = 0 → s = ±j√8
ω = 2.828 rad/s

答え

ω = 2.828 rad/s
38.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: ω = 4.796 rad/s

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。

限界ゲイン

s³ + 9s² + 23s + 15 + K = 0
s¹: (9·23 − 15 − K)/9 = 0 → K = 192

交差周波数

9s² + 15 + 192 = 9s² + 207 = 0 → s² = −23
ω = √23 = 4.796 rad/s

答え

ω = 4.796 rad/s
39.定常偏差と PID 制御

答え: K = 500

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 = 5/0.05 = 100

利得

K = 5·Kv = 500

答え

K = 500

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 = 0.1118。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: tp = 0.4236 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 + 10) + 40·2 = s² + 10s + 80

ωₙ と ζ

ωₙ = √80 = 8.944 rad/s
ζ = 10/(2·8.944) = 0.559

ピーク時間

ωd = 8.944·√(1 − 0.559²) = 7.416 rad/s
tp = π/7.416 = 0.4236 s

答え

tp = 0.4236 s

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