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​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩIR2​AR4​10 ΩB

R2 を流れる電流 IR2 を求めよ。

V1 = 30 VR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 Ω
IR2 = A
2.抵抗の直列・並列むずかしい
R1​ = 25 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​25 ΩAR4​20 ΩBR6​3 Ω

電源 V1 から見た合成抵抗 Req を求めよ。

V1 = 18 VR1 = 25 ΩR2 = 25 ΩR3 = 25 ΩR4 = 20 ΩR5 = 2 ΩR6 = 3 Ω
Req = Ω
3.節点解析ふつう
R1​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​5 ΩBIs​2 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 AR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 4 ΩR4 = 5 Ω
VA = V
4.節点解析むずかしい
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​25 ΩBIs​?

電流源を、A の節点電圧が VA = 7.5 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 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 25 ΩVA = 7.5 V
Is = A
5.網目解析ふつう
R1​ = 15 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​6 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

網目解析を使って 網目電流 I2(時計回り) を求めよ。

V1 = 12 VV2 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 Ω
I2 = A
6.網目解析むずかしい
R1​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR4​30 ΩIR4​AR5​10 ΩB+−V2​15 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 = 15 VV2 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 3 ΩR4 = 30 ΩR5 = 10 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 = 5 V、Is = 5 mA のとき I = −0.5 mA、Vs = 12 V、Is = 4 mA のとき I = 1.2 mA。Vs = 4 V、Is = 10 mA のときの負荷電流 I を求めよ。

5 V, 5 mA → −0.5 mA12 V, 4 mA → 1.2 mAVs = 4 V, Is = 10 mA
I = mA
8.重ね合わせの理むずかしい
R1​ = 5 ΩR2​ = 8 Ω−+VR2​R4​ = 3 Ω+−V1​5 VR3​3 ΩAIs​2.5 AB+−V2​6 V

重ね合わせの理を使って 図の極性での R2 の両端電圧 VR2 を求めよ。

V1 = 5 VIs = 2.5 AV2 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 Ω
VR2 = V
9.テブナン・ノートンふつう
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 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 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
10.テブナン・ノートンむずかしい
R1​ = 30 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAIs​3 ABab

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 = 10 VIs = 3 AR1 = 30 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
11.RC・RL 過渡現象ふつう
+−Vs​24 Vt = 0R = 10 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。 t = 15 ms におけるコイルの電圧 vL を求めよ。

Vs = 24 VR = 10 ΩL = 100 mHt = 15 ms
vL = V
12.RC・RL 過渡現象むずかしい
+−Vs​20 Vt = 0 で開くR1​ = 3.3 kΩR2​ = 6.8 kΩi2​C33 µF+−vC​

スイッチは長い間閉じていたので、回路は定常状態にある。t = 0 にスイッチが開く。 t = 60 ms で R2 を流れる電流 i2 を求めよ。

Vs = 20 VR1 = 3.3 kΩR2 = 6.8 kΩC = 33 µFt = 60 ms
i2 = mA
13.交流インピーダンスとフェーザふつう
10 V1000 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 1 µFI

直列 RLC 回路を 10 V(実効値)、1000 Hz の電源に接続する。 電流の実効値 I を求めよ。

V = 10 V (rms)f = 1000 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 1 µF
I = A
14.交流インピーダンスとフェーザむずかしい
100 V60 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 2.2 µF

直列 RLC 回路を 100 V(実効値)、60 Hz の電源に接続する。 回路の共振周波数 f0 を求めよ。

V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 2.2 µF
f0 = Hz
15.交流電力と力率ふつう
120 VZ9 + j12 ΩI

インピーダンス Z = 9 + j12 Ω の負荷が 120 V(実効値)の単相電源に接続されている。 負荷が消費する無効電力 Q を求めよ。

V = 120 VZ = 9 + j12 Ω
Q = var
16.交流電力と力率むずかしい
P = 30 kWQ1​S1​φ1​QC​

単相負荷が 400 V、50 Hz の電源から遅れ力率 0.6 で 30 kW を消費する。並列にコンデンサをつないで力率を 0.9 に改善する。 コンデンサが供給すべき無効電力 QC を求めよ。

P = 30 kWpf1 = 0.6pf2 = 0.9V = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
17.三相電力ふつう
ABCVL​ = 480 VNZ = 24 + j18 Ω1 相あたり

1 相あたりのインピーダンスが 24 + j18 Ω の平衡 Y 結線負荷が、線間電圧 480 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 = 480 VZ = 24 + j18 Ω 1 相あたり
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、690 V(線間)、50 Hz の電源から遅れ力率 0.75 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 0.95 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 = 0.75pf2 = 0.95VL = 690 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.変圧器ふつう
5 ΩN1​N2​20 Ω

出力抵抗 20 Ω の増幅器が、理想変圧器を介して 5 Ω のスピーカーを駆動する。最大電力を伝えるには、増幅器から見てスピーカーが 20 Ω に見えなければならない。巻数比 a = N₁/N₂ を求めよ。

Rs = 20 ΩRL = 5 Ω
a =
20.変圧器むずかしい
250 kVA

単相 250 kVA の変圧器の鉄損は 2000 W、定格負荷での銅損は 8000 W である。 効率が最大になる負荷 Sη,max を kVA で求めよ。

S = 250 kVAPcore = 2000 WPcu,fl = 8000 W
Sη,max = kVA
21.オペアンプ回路ふつう
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 22 kΩVin​

この非反転増幅器の電圧利得を 15 にする帰還抵抗 Rf を選べ。

R1 = 22 kΩAv = 15
Rf = kΩ
22.オペアンプ回路むずかしい
−+Vout​Rf​ = 100 kΩV1​ = 0.6 VR1​ = 47 kΩV2​ = −1.2 VR2​ = 10 kΩIf​

加算増幅器は ±15 V 電源の理想オペアンプを使う。 帰還抵抗を出力向きに流れる電流 If を求めよ。

V1 = 0.6 VV2 = −1.2 VR1 = 47 kΩR2 = 10 kΩRf = 100 kΩ
If = mA
23.ダイオードとトランジスタふつう
+−24 V220 Ω5.6 V470 ΩIZ​ = ?

5.6 V のツェナーレギュレータに 220 Ω を通して 24 V を加え、470 Ω の負荷に供給します。ツェナー電流 IZ を求めなさい。

Vin = 24 VVZ = 5.6 VR = 220 ΩRL = 470 Ω
IZ = mA
24.ダイオードとトランジスタむずかしい
V (V)I (mA)0.71236.36Q = ?

ダイオードを、0.7 V と 20 Ω の直列(0.7 V 以上で導通)としてモデル化します。これを 330 Ω の抵抗と直列にして 12 V の電源につなぎます。ダイオードの直線が負荷線と交わる動作電流 ID を求めなさい。

Vs = 12 VR = 330 ΩV0 = 0.7 Vrd = 20 Ω
ID = mA
25.記数法ふつう
8 ビットの 2 の補数?−128?64?32?16?8?4?2?1

−40 を 8 ビットの 2 の補数パターンで表しなさい。そのパターンを符号なし 2 進数として読むと、10 進数での値 U はいくつですか?

N = −408 bit
U =
26.記数法むずかしい
16 bit1 px1024 px768 pxM = ? KiB

非圧縮の画像が 1024 × 768 ピクセル、1 ピクセルあたり 16 ビットです。必要なメモリ M は何 KiB(1 KiB = 1024 バイト)ですか?

1024 × 768 px16 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
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
ABC00011110010001131214150716

カルノー図を使って F(A, B, C) = Σm(2, 3, 4, 5, 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, 5, 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
ABCD000111100001111000111302X4X517060121130150141819X11010

d はドントケア条件を表します。F(A, B, C, D) = Σm(1, 3, 7, 8, 9, 13) + d(4, 5, 11) 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(1, 3, 7, 8, 9, 13) + d(4, 5, 11)
L =
29.ラプラス変換ふつう
ReIm−5−10−15−20−25

F(s) = (s + 23)/(s² + 4s + 8) の f(t) を平方完成によって求め、f(0.25) を計算せよ。

F(s) = (s + 23)/(s² + 4s + 8)t = 0.25 s
f(0.25) =
30.ラプラス変換むずかしい
t (s)y(t)t = 0.25y(0.25) = ?

ラプラス変換を用いて、y(0) = 4、y′(0) = 5 の条件で y″ + 9y′ + 20y = 0 を解き、y(0.25) を求めよ。

y″ + 9y′ + 20y = 0y(0) = 4y′(0) = 5t = 0.25 s
y(0.25) =
31.ブロック線図ふつう
R(s)+9K+1s + 5G(s)C(s)4H₁−−

プラント G(s) = 1/(s + 5) には、ゲイン H₁ = 4 の内側(マイナー)の負帰還ループがある。コントローラのゲイン K = 9 と外側の単位負帰還ループで系が閉じられる。 閉ループの極 p を求めよ。

G(s) = 1/(s + 5)H₁ = 4K = 9
p =
32.ブロック線図むずかしい
R(s)+66s(s + 6)G(s)C(s)2H−

プラント G(s) = 66/(s(s + 6)) を、センサのゲイン H = 2 の負帰還ループに入れる。閉ループの極は複素数である。 その実部 σ を求めよ。

G(s) = 66/(s(s + 6))H = 2
σ =
33.ステップ応答ふつう
t (s)y(t)1

ある系の伝達関数は G(s) = 59/(s² + 5s + 59) 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) = 59/(s² + 5s + 59)
σ =
34.ステップ応答むずかしい
+−10 VR = 19 ΩL = 50 mHC = 22 µFvC​

R = 19 Ω、L = 50 mH、C = 22 µF の直列 RLC 回路に、t = 0 で 10 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 = 19 ΩL = 50 mHC = 22 µFV = 10 V
vC,max = V
35.ボード線図と余裕ふつう
|H| (dB)0.10.111101010010010001000−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 4

ω = 4 rad/s における G(s) = 50(s + 10)/(s(s + 15)) の位相 ∠G(jω) を度で求めよ。

G(s) = 50(s + 10)/(s(s + 15))ω = 4 rad/s
∠G(jω) = °
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) = 40/(s(s + 2)) である。 位相余裕 PM を度で求めよ。

L(s) = 40/(s(s + 2))
PM = °
37.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡ふつう
R(s)+K1(s + 3)(s + 4)(s + 6)C(s)−

単位フィードバックのループで L(s) = K/((s + 3)(s + 4)(s + 6))、K > 0 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 + 3)(s + 4)(s + 6))
Kmax =
38.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡むずかしい
ReIm−2−4−6−8−10j2

L(s) = K(s + 9)/(s(s + 2)) の根軌跡は、s = 0 と s = −2 の間で実軸から離れ、円を描いて零点の左側で再び実軸に戻ります。分岐点 sb を求めなさい。

L(s) = K(s + 9)/(s(s + 2))
sb =
39.定常偏差と PID 制御ふつう
R(s)+K = 10.510s + 1C(s)−

プロセス G(s) = 0.5/(10s + 1) を、比例ゲイン K = 1 で単位フィードバックのループにより制御します。ステップ入力に対する定常偏差 ess を、ステップの大きさに対する百分率で求めなさい。

G(s) = 0.5/(10s + 1)K = 1
ess = %
40.定常偏差と PID 制御むずかしい
R(s)+8 + Kd​s5s(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) = 5/(s(s + 1)) を制御しています。閉ループの減衰比を ζ = 0.8 にする微分ゲイン Kd を求めなさい。

G(s) = 5/(s(s + 1))Kp = 8ζ = 0.8
Kd = s

3溶液

1.抵抗の直列・並列

答え: IR2 = 2.005 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​ = 2 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​12 ΩAR4​10 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 + 10 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 12·25/(12+25) = 8.108 Ω
Req = R1 + 8.108 = 2 + 8.108 = 10.11 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 = 30/10.11 = 2.968 A

R₂ を流れる電流

R₁ の電圧降下を引くと節点 A の電圧、つまり R₂ の両端電圧が得られます。

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 2.968·2 = 24.06 V
IR2 = VA/R2 = 24.06/12 = 2.005 A

答え

IR2 = 2.005 A
2.抵抗の直列・並列

答え: Req = 38.43 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​ = 25 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​18 VR2​25 ΩAR4​20 ΩBR6​3 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 = 2 + 3 = 5 Ω
R4 ∥ 5 = 4 Ω
R3 + 4 = 29 Ω
R2 ∥ 29 = 13.43 Ω
Req = R1 + 13.43 = 25 + 13.43 = 38.43 Ω

答え

Req = 38.43 Ω
3.節点解析

答え: VA = 10 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​ = 4 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​5 ΩBIs​2 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/8 + (VA − 15)/4 + (VA − VB)/4 = 0
0.625·VA − 0.25·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/5 + (VB − VA)/4 = 2
−0.25·VA + 0.45·VB = 2

解く

Δ = (0.625)(0.45) − (−0.25)(−0.25) = 0.2188
VA = Δ1/Δ = 2.188/0.2188 = 10 V
VB = Δ2/Δ = 2.188/0.2188 = 10 V

答え

VA = 10 V
4.節点解析

答え: Is = 3.2 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
(7.5 − 15)/6 + 7.5/2 = (VB − 7.5)/4
2.5 = (VB − 7.5)/4 → VB = 17.5 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 = (17.5 − 7.5)/4 + 17.5/25 = 3.2 A

答え

Is = 3.2 A
5.網目解析

答え: I2 = −0.2889 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​ = 15 Ω+−V1​12 VR3​6 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
15·I1 + 6(I1 − I2) = 12
21·I1 − 6·I2 = 12

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 + 6(I2 − I1) = (−9)
−6·I1 + 21·I2 = −9

解く

Δ = (21)(21) − (−6)(−6) = 405
I1 = Δ1/Δ = 198/405 = 0.4889 A
I2 = Δ2/Δ = −117/405 = −0.2889 A

答え

I2 = −0.2889 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 = 0.3811 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​ = 10 ΩR2​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR4​30 ΩAR5​10 ΩB+−V2​15 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
10·I1 + 30(I1 − I2) = 15
40·I1 − 30·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 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
2·I2 + 30(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−30·I1 + 42·I2 − 10·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
3·I3 + 10(I3 − I2) = (−15)
−10·I2 + 13·I3 = −15

解く

Δ = 係数行列の行列式 = 6140
I1 = Δ1/Δ = 2190/6140 = 0.3567 A
I2 = Δ2/Δ = −150/6140 = −0.02443 A
I3 = Δ3/Δ = −7200/6140 = −1.173 A

答え

IR4 = I1 − I2 = 0.3811 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 = −2.2 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
5·k₁ + 5·k₂ = −0.5
12·k₁ + 4·k₂ = 1.2

定数について解く

Δ = (5)(4) − (5)(12) = −40
k₁ = Δ1/Δ = −8/−40 = 0.2
k₂ = Δ2/Δ = 12/−40 = −0.3
k₁ = 0.2 mA/V, k₂ = −0.3

新しい電流を予測する

I = 0.2·4 + (−0.3)·10 = −2.2 mA

答え

I = −2.2 mA
8.重ね合わせの理

答え: VR2 = −2.097 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​ = 5 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​5 VR3​3 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) = 3 ∥ 11 = 2.357 Ω
VA = 5·2.357/(5+2.357) = 1.602 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1.602·3/11 = 0.4369 V
VR2′ = VB − VA = 0.4369 − 1.602 = −1.165 V
R1​ = 5 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 3 Ω短絡R3​3 ΩAIs​2.5 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 = 1.875 Ω、よって左側の経路は R2+1.875 = 9.875 Ω
Req = R4 ∥ 9.875 = 2.301 Ω
VB = Is·Req = (−2.5)·2.301 = −5.752 V
VA = VB·1.875/9.875 = −1.092 V
VR2″ = VB − VA = −5.752 − −1.092 = −4.66 V
R1​ = 5 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 3 Ω短絡R3​3 ΩA開放B+−V2​6 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 = 5·3/(5+3) = 1.875 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 6·9.875/12.88 = 4.602 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 4.602·1.875/9.875 = 0.8738 V
VR2‴ = VB − VA = 4.602 − 0.8738 = 3.728 V

成分を足し合わせる

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−1.165) + (−4.66) + 3.728 = −2.097 V

結果が負なら、実際には極性は表示と逆であるということです。

9.テブナン・ノートン

答え: IN = 1.364 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​ = 12 ΩR3​ = 5 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 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 5 = 11 Ω
R1​ = 12 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​30 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) = 30·12/(12+12) = 15 V
IN​1.364 ARth​11 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 = 15/11 = 1.364 A
10.テブナン・ノートン

答え: IN = −2.737 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​ = 30 ΩR3​ = 2 Ω短絡R2​10 ΩA開放BabRth​

すべての電源を止めて Rth を求める

電圧源を短絡に、電流源を開放に置き換え、a–b から回路を見ます。

R1 ∥ R2 = 30·10/(30+10) = 7.5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7.5 + 2 = 9.5 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAIs​3 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) = 2.5 + (−3)·7.5 = −20 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = −20 + (−3)·2 = −26 V
IN​2.737 ARth​9.5 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 = −26/9.5 = −2.737 A
11.RC・RL 過渡現象

答え: vL = 5.355 V

1 次の過渡現象:コンデンサまたはコイルを 1 つ含む回路では、すべての電圧・電流が初期値から最終値へ指数関数的に変化します:x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ、τ = RC または τ = L/R。約 5τ で回路は定常状態になります。

時定数と最終電流

スイッチを閉じて十分時間がたつと、コイルは短絡と同じに振る舞うので、最終電流は R だけで決まります。

τ = L/R = 100 mH / 10 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 24/10 = 2.4 A

コイルの電圧

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

vL(t) = Vs·e−t/τ = 24·e−15/10 = 5.355 V

答え

vL = 5.355 V
12.RC・RL 過渡現象

答え: i2 = 1.516 mA

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。

コンデンサの初期電圧

定常状態ではコンデンサは開放なので、R₁ と R₂ は分圧回路になります。スイッチが開いてもコンデンサの電圧は急変できません。

vC(0) = 20·6.8/(3.3 + 6.8) = 13.47 V

スイッチが開いた後の時定数

τ = R2·C = 6.8·33 = 224.4 ms

放電

vC(t) = 13.47·e−60/224.4 = 10.31 V
i2 = vC/R2 = 10.31/6.8 = 1.516 mA

答え

i2 = 1.516 mA
13.交流インピーダンスとフェーザ

答え: I = 0.02085 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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0.1 = 628.3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·1·10⁻⁶) = 159.2 Ω

インピーダンス

直列ではインピーダンスを複素数として足します:Z = R + j(XL − XC)。

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (469.2)²) = 479.7 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| = 10/479.7 = 0.02085 A

答え

I = 0.02085 A
14.交流インピーダンスとフェーザ

答え: f0 = 239.9 Hz

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)。電源周波数は関係ありません。

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0.2·2.2·10⁻⁶)) = 239.9 Hz

答え

f0 = 239.9 Hz
15.交流電力と力率

答え: Q = 768 var

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。

電流

|Z| = √(9² + 12²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 120/15 = 8 A

無効電力

Q = I²·X = 8²·12 = 768 var

答え

Q = 768 var
16.交流電力と力率

答え: QC = 25.47 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。

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 = 30·tan(53.13°) = 40 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(25.84°) = 14.53 kvar
QC = Q1 − Q2 = 25.47 kvar

答え

QC = 25.47 kvar
17.三相電力

答え: P = 6.144 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 = 480/√3 = 277.1 V

相電流

|Z| = √(24² + 18²) = 30 Ω
Iph = 277.1/30 = 9.238 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 = 3·9.238²·24 = 6.144 kW

答え

P = 6.144 kW

確認:cos φ = R/|Z| = 0.8 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: QC = 82.98 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 0.75) = 150·0.8819 = 132.3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.95) = 150·0.3287 = 49.3 kvar

コンデンサが供給する無効電力

QC = Q1 − Q2 = 82.98 kvar

答え

QC = 82.98 kvar
19.変圧器

答え: a = 2

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。

換算した負荷を整合させる

a²·5 = 20
a = √(20/5) = √4 = 2

答え

a = 2
20.変圧器

答え: Sη,max = 125 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

x²·8000 = 2000 → x = √(2000/8000) = 0.5

最大効率となる負荷

Sη,max = x·S = 0.5·250 = 125 kVA

答え

Sη,max = 125 kVA
21.オペアンプ回路

答え: Rf = 308 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 = (15 − 1)·22 = 308 kΩ

答え

Rf = 308 kΩ
22.オペアンプ回路

答え: If = −0.1072 mA

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 = 0.6/47 = 0.01277 mA
I2 = V2/R2 = −1.2/10 = −0.12 mA
If = I1 + I2 = −0.1072 mA

答え

If = −0.1072 mA
23.ダイオードとトランジスタ

答え: IZ = 71.72 mA

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。

抵抗の電流

IR = 18.4/220 = 83.64 mA

負荷電流

IL = 5.6/470 = 11.91 mA

ツェナー電流

IZ = 83.64 − 11.91 = 71.72 mA

答え

IZ = 71.72 mA
24.ダイオードとトランジスタ

答え: ID = 32.29 mA

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。

2 つの式を組み合わせる

12 = 0.7 + I·(330 + 20)

動作電流

ID = 11.3/350 = 32.29 mA
VD = 0.7 + 0.03229·20 = 1.346 V

答え

ID = 32.29 mA
25.記数法

答え: U = 216

位取り記数法:各桁の値は、その数字に基数のべき乗を掛けたものです。2 進数では各桁の重みが 1、2、4、8、16、…、16 進数では 1、16、256、… で、A–F は 10–15 を表します。8 ビットの 2 の補数では、最上位ビットの重みが +128 ではなく −128 になり、こうして負の数を表します。

反転して 1 を足す

40 = 0010 1000
反転後: 1101 0111
+1 → 1101 1000

符号なしとして読む

1101 1000₂ = 256 − 40 = 216

答え

U = 216
26.記数法

答え: M = 1536 KiB

位取り記数法:各桁の値は、その数字に基数のべき乗を掛けたものです。2 進数では各桁の重みが 1、2、4、8、16、…、16 進数では 1、16、256、… で、A–F は 10–15 を表します。8 ビットの 2 の補数では、最上位ビットの重みが +128 ではなく −128 になり、こうして負の数を表します。

ビットとバイト

1024·768·16 = 12582912 bit = 1572864 B

KiB に換算する

1572864/1024 = 1536 KiB

答え

M = 1536 KiB
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 = 3

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。

ABC00011110010001131214150716

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′
A′B
AB′

最小の SOP 形

F = BC′ + A′B + AB′
N = 3

答え

N = 3

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。

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 = 7

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。

C′D, B′D, A′D, AB′C′
ABCD000111100001111000111302X4X517060121130150141819X11010

最小被覆

F = C′D + A′D + AB′C′
L = 7

答え

L = 7
29.ラプラス変換

答え: f(0.25) = 3.586

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 + 4s + 8 = (s + 2)² + 4 = (s + 2)² + 2²

分子を合わせる

F(s) = 1·(s + 2)/((s + 2)² + 2²) + (21/2)·2/((s + 2)² + 2²)

逆変換

f(t) = e−2t·(cos 2t + 10.5·sin 2t)
f(0.25) = e−2·0.25·(cos(2·0.25) + 10.5·sin(2·0.25)) = 3.586

答え

f(0.25) = 3.586
30.ラプラス変換

答え: y(0.25) = 3.18

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

s²Y − 4s − 5 + 9(sY − 4) + 20Y = 0
Y(s) = (4s + 41)/((s + 4)(s + 5))

部分分数展開

A = 25/1 = 25
B = 21/(−1) = −21

結果

y(t) = 25·e−4t − 21·e−5t
y(0.25) = 3.18

答え

y(0.25) = 3.18

検算:y(0) = A + B = 4。

31.ブロック線図

答え: p = −18

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。

内側のループ

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 1/(s + 5 + 1·4) = 1/(s + 9)

外側のループ

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 9/(s + 9 + 9) = 9/(s + 18)

結果

p = −18

答え

p = −18
32.ブロック線図

答え: σ = −3

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

s(s + 6) + 66·2 = 0 → s² + 6s + 132 = 0

根

s = −3 ± j·√(132 − 9) = −3 ± j11.09
σ = −3

答え

σ = −3
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 = 59 → ωₙ = 7.681 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·7.681) = 0.3255

結果

σ = −ζωₙ = −5/2 = −2.5

答え

σ = −2.5
34.ステップ応答

答え: vC,max = 15.28 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/√(0.05·2.2 × 10⁻⁵) = 953.5 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (19/2)·√(2.2 × 10⁻⁵/0.05) = 0.1993

結果

%OS = 52.79 %
vC,max = 10·(1 + 0.5279) = 15.28 V

答え

vC,max = 15.28 V
35.ボード線図と余裕

答え: ∠G(jω) = −83.13 °

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。

角を足す

∠G = atan(4/10) − 90° − atan(4/15) = 21.8° − 90° − 14.93°

結果

∠G(j4) = −83.13°

答え

∠G(jω) = −83.13°
36.ボード線図と余裕

答え: PM = 17.96 °

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 + 4ω² − 1600 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·1600))/2 = 38.05
ωc = 6.168 rad/s

位相余裕

∠L(jωc) = −90° − atan(6.168/2) = −162°
PM = 180° + ∠L = 17.96°

答え

PM = 17.96°
37.安定性:ラウス・フルビッツ法と根軌跡

答え: Kmax = 630

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。

特性多項式

s³ + 13s² + 54s + 72 + K = 0

ラウス表

s³: 1, 54
s²: 13, 72 + K
s¹: (13·54 − 72 − K)/13
s⁰: 72 + K

条件

s¹ の要素は正のままでなければなりません。

K < 13·54 − 72 = 630

答え

Kmax = 630

限界では、ループは ω = √54 = 7.348 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: sb = −1.063

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。

実軸に沿ったゲイン

K(s) = −(s² + 2s)/(s + 9)

停留点

商の微分法で微分し、分子を 0 とおきます。

(2s + 2)(s + 9) − (s² + 2s) = s² + 18s + 18 = 0
s = −9 ± √63 = −1.063, −16.94

分岐点

sb = −1.063

答え

sb = −1.063

2 つの分岐点の間では、軌跡は零点を中心とする半径 √63 = 7.937 の円になります。

39.定常偏差と PID 制御

答え: ess = 66.67 %

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。

位置偏差定数

Kp = 1·0.5 = 0.5

ステップ偏差

ess = 100/(1 + 0.5) = 66.67 %

答え

ess = 66.67 %
40.定常偏差と PID 制御

答え: Kd = 1.824 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) + 5(8 + Kds) = s² + (1 + 5Kd)s + 40

固有振動数

ωₙ = √40 = 6.325 rad/s

微分ゲイン

1 + 5Kd = 2·0.8·6.325 = 10.12
Kd = 1.824 s

答え

Kd = 1.824 s

微分項は、ωₙ を変えずに減衰を加えます。

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