電気工学II第10回 /eleceng2_10

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1. 電気⼯学2第10回 フィルタ 藤⽥ ⼀寿
2. フィルタ
3. フィルタとは • 不要な周波数成分を取り除き，必要な周波数成分のみこし取る（フィ ルタをかける） • 例：ノイズの除去 フィルタ ノイズを含む信号 ノイズを含まない信号 ノイズを取り除く 汚れた⽔ 綺麗な⽔ 浄⽔器
4. フィルタの応⽤例 • 電源の平滑化（直流化） • ノイズ除去フィルタ 信号 ノイズ ⼊⼒ フィルタ回路により⼊⼒ からノイズが取り除かれ る．
5. パッシブフィルタ
6. パッシブフィルタとは • 受動素⼦のみ（抵抗，コンデンサ，インダクタ）で構成されるフィル タ回路（wikipediaより） • 安定 • 簡単 • 安価 • ⼤電⼒を扱える • ⾼周波動作が可能 • 電源がいらない • アクティブフィルタに関しては後で
7. フィルタの種類 • ローパスフィルタ（LPF，低域通過フィルタ） • 低周波数成分のみを通過させるフィルタ • ハイパスフィルタ（HPF，⾼域通過フィルタ） • ⾼周波数成分のみを通過させるフィルタ • バンドパスフィルタ（BPF，帯域通過フィルタ） • ある周波数領域の成分のみ通過させるフィルタ
8. LCRを使ったフィルタの例 • ローパスフィルタ（低域通過フィルタ） • 信号の低周波数成分を通過させるフィルタ • ハイパスフィルタ（⾼域通過フィルタ） • 信号の⾼周波数成分を通過させるフィルタ ローパスフィルタ ハイパスフィルタ キャパシタとインダクタの場所が⼊れ替わっている．キャパシタとインダクタの電流の周波 数に対する性質が逆だから． 典型的なフィルタ回路
9. RCローパスフィルタの直感的理解 Vr Vc ⼊⼒Vi ⼊⼒ViはVrとVcに分けられる（分圧）． R C 出⼒VoはVcは並列の関係なので等しい．つまりVoも周波数が低けれ ば低いほど⼤きく，⾼ければば⼩さい．⾒⽅を変えると，この回路 は周波数が低い⼊⼒を通しやすいといえる（ローパスフィルタ）． Vr Vc＝出⼒Vo ⼊⼒Vi R C Cのインピーダンスは ! "#$ なので，Viの周波数が低 ければ低いほどCのインピーダンスの⼤きさは⼤き くなる．つまり，Viの周波数が低ければ低いほど Vcは⾼い． Vr Vc ⼊⼒Vi R C VcはCのインピーダンスの⼤きさが⼤きければ⼤ きいほど⼤きくなる． Vr Vc ⼊⼒Vi R C 1 2 3 4 左の回路は，この回路だと思おう．
10. 演習解説 ࠙AM23ࠚႱᅽ V t ᜫ 50 Ҁ 2sin 100ȧt >V@ࢆ૷֤᢬ᢠ 50Ȑ࡟ຍ࠼ࡓࠋᾘ଍Ⴑຊࡣ࠸ࡃࡽ࠿ࠋ 1 50W 2 100W 3 180W 4 250W 5 350W ࠙AM29ࠚᅗ࡜ྠᵝ࡞ࣇ࢕ࣝࢱ≉ᛶࢆ♧ࡍᅇ஠ࡣ࡝ࢀ࠿ࠋ ࠙AM40ࠚᅗࡢࡼ࠺࡞Ⴑຊࣃࣝࢫࡀ࠶ࡿࠋࡇࡢࣃࣝࢫࡢ࢚ࢿࣝࢠ࣮ࡣఱ J ࠿ࠋ 1 2.5 2 5 3 25 4 500 5 2000 0 100 Ⴑຊ[W] ᫬࿛[ms] 50 (1) (2) (3) (4) (5) ࠙AM34ࠚ ࡼ ⏝ 1 ࠙AM39ࠚ Ꮚ 1 2 3 4 5 ˜ᅇ  ࠙AM21ࠚ 1 2 3 4 5 ࠙AM22ࠚ
11. 演習解説 ࠙AM23ࠚႱᅽ V t ᜫ 50 Ҁ 2sin 100ȧt >V@ࢆ૷֤᢬ᢠ 50Ȑ࡟ຍ࠼ࡓࠋᾘ଍Ⴑຊࡣ࠸ࡃࡽ࠿ࠋ 1 50W 2 100W 3 180W 4 250W 5 350W ࠙AM29ࠚᅗ࡜ྠᵝ࡞ࣇ࢕ࣝࢱ≉ᛶࢆ♧ࡍᅇ஠ࡣ࡝ࢀ࠿ࠋ ࠙AM40ࠚᅗࡢࡼ࠺࡞Ⴑຊࣃࣝࢫࡀ࠶ࡿࠋࡇࡢࣃࣝࢫࡢ࢚ࢿࣝࢠ࣮ࡣఱ J ࠿ࠋ 1 2.5 2 5 3 25 4 500 5 2000 0 100 Ⴑຊ[W] ᫬࿛[ms] 50 (1) (2) (3) (4) (5) ࠙AM34ࠚ ࡼ ⏝ 1 ࠙AM39ࠚ Ꮚ 1 2 3 4 5 ˜ᅇ  ࠙AM21ࠚ 1 2 3 4 5 ࠙AM22ࠚ 図のフィルタは，ローパスフィルタである．選択肢の中でローパスフィルタは4である．
12. 増幅度と利得
13. 4端⼦な回路図 RC直列回路のコンデンサの部分に並 列になにか回路が繋がっている． 𝑅 𝐶 𝑉! なにか の回路 𝑉 " 交流電源となにかの回路の図を取り除く． ここで4端⼦の回路図になる． 𝑉! 𝑅 𝐶 𝑉 " 点線で囲まれた部分を⼤きな四⾓で表現する．⼤きな四⾓はローパスフィルタの機能を持っ ている．この図では，四⾓の機能がローパスフィルタなら四⾓の中の回路は何でも良い． 𝑉! 𝑉 "
14. 増幅度，利得（ゲイン） • ⼊⼒がどれほど増幅されたかを，増幅度，利得（ゲイン）で表す． • 電圧増幅度 • • 電圧利得 ૿෯ճ࿏ ೖྗ୺ࢠ ग़ྗ୺ࢠ ⊿𝑉 " ⊿𝑉! <E#> σγϕϧ ૿෯౓ͱརಘ͸ಉ ͡ҙຯͰಉ͡Α͏ ʹ࢖͏৔߹΋͋Ε ͹ɼσγϕϧදࣔ ͷΈརಘͱ͍͏৔ ߹΋͋Δɽจ຺Ͱ ൑அͯ͠΄͍͠ɽ 𝐴# = 出⼒ ⼊⼒ = Δ𝑉 " Δ𝑉! 𝐺# = 20 log$% |𝐴# | ഒ
15. 対数の計算 • 利得の計算をするためには対数の計算を習得する必要がある．次の公 式を思い出そう． • aを底とし，M>0，N>0とする． <latexit sha1_base64="Lpl4xTVpkbLLriKpjjAg0I14YZs=">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</latexit> loga 1 = 0 loga a = 1 loga (MN) = loga M + loga N loga (M/N) = loga M loga N loga Mr = r loga M
16. 利得計算 • 電圧増幅度Av=1/200のとき，電圧利得[dB]はいくらか． • 電圧利得が20[dB]の増幅器に電圧2Vの⼊⼒を与えた．出⼒電圧[V]は いくらか．
17. 利得計算 • 電圧増幅度Av=1/200のとき，電圧利得 [dB] はいくらか． • 𝐺! = 20 log"# 𝐴! = 20 log"# ( " $## ) = −20× log"# 2 + log"# 100 • = −20× 0.3 + 2 ≈ −46[dB] • 電圧利得が20[dB]の増幅器に電圧2Vの⼊⼒を与えた．出⼒電圧[V]は いくらか． • 𝐺! = 20 = 20 log"# 𝐴! • log"# 𝐴! = 1 • 𝐴! = 10倍 • よって出⼒電圧は20V log!% 100 = log!% 10& = 2log!% 10 = 2 log!% 200 = log!% 2×100 = log!% 2 + log!% 100
18. パッシブフィルタと周波数特 性
19. RC直列回路
20. RC直列回路 • 図のように抵抗とコンデンサを直列につなぐ． • 直列なので，各素⼦を流れる電流は等しく，各素⼦に加わる電圧の総和 がab間の電圧となる． • 各素⼦に加わる電圧は， • ̇ 𝑉! = 𝑅 ̇ 𝐼, ̇ 𝑉" = # $%& ̇ 𝐼 • ab間の電圧は • ̇ 𝑉 = ̇ 𝑉! + ̇ 𝑉" = 𝑅 ̇ 𝐼 + # $%" ̇ 𝐼 = 𝑅 + # $%" ̇ 𝐼 ̇ 𝑉 ̇ 𝐼 ̇ 𝑉% ̇ 𝑉& 𝜃' 𝜃( 合成インピーダンス フェーザ図 ベクトルの⼤きさ：実効値 ⾓度：位相
21. RC直列回路 • ̇ 𝐼 = # !' ! "#$ ̇ 𝑉 • よって，それぞれの素⼦に加わる電圧は • ̇ 𝑉! = ! !' ! "#$ ̇ 𝑉 • ̇ 𝑉" = ! "#% !' ! "#$ ̇ 𝑉 • この式を⾒ると，直流のときと同様に各素⼦に加わる電圧はインピーダ ンスの⽐となっている事が分かる． ̇ 𝑉 ̇ 𝐼 ̇ 𝑉% ̇ 𝑉& 𝜃' 𝜃(
22. RC直列回路 • 抵抗の電圧と⼊⼒の⽐の⼤きさは • ̇ (& ̇ ( = ! !' ! "#$ = ! !'' ! #'$' = # #' ! #'&'$' • この式から，抵抗の電圧の⼤きさは⼊⼒の周波数が⼤きくなればなるほ ど⼤きくなる事がわかる． • ⼊⼒電圧と抵抗の電圧の位相差は • 𝜃! = tan*# ! #$ ! = tan*# # %!" ̇ 𝑉! ̇ 𝑉 = 𝑅 𝑅 + 1 𝑗𝜔𝐶 = 𝑅 𝑅" + 1 𝜔𝐶 " 𝑅 − 1 𝑗𝜔𝐶 = 𝑅 𝑅" + 1 𝜔𝐶 " 𝑅 + 𝑗 1 𝜔𝐶 𝑅 1 𝜔𝐶 𝑅 + 𝑗 1 𝜔𝐶
23. RC直列回路 • コンデンサの電圧と⼊⼒の⽐の⼤きさは • ̇ (( ̇ ( = ! "#$ !' ! "#$ = # #'$%!" = # #'%'!'"' • この式から，コンデンサの電圧の⼤きさは⼊⼒の周波数が⼤きくなれば なるほど⼩さくなる事がわかる． • ⼊⼒電圧とコンデンサの電圧の位相差は • 𝜃" = −tan*# 𝜔𝐶𝑅 ̇ 𝑉) ̇ 𝑉 = 1 𝑗𝜔C 𝑅 + 1 𝑗𝜔𝐶 = 1 𝑗𝜔𝑅𝐶 + 1
24. RCフィルタ
25. RCローパスフィルタ • 抵抗RとコンデンサCで構成されるローパスフィルタの回路は図のよう になる． • ローパスフィルタはRC直列回路のコンデンサにかかる電圧𝑉" を出⼒ 𝑉+,- として取り出したものと⾔える． 𝑉/ = 𝑉"01 RCローパスフィルターは，RC直列回路のコンデンサにかかる電圧𝑉/ を出⼒とみなしたものである． コンデンサに並列に新たな回路を加えるため，追加した回路の⼊⼒電圧（フィルタから⾒れば出⼒電 圧）は𝑉/ となるからである．
26. ゲインの計算 • この回路はRC直列回路となっているので， ̇ 𝑉345 は • ̇ 𝑉345 = + ,-. 67 + ,-/ ̇ 𝑉89 = : :7;<6= ̇ 𝑉89 • ̇ 𝑉345 に対する ̇ 𝑉89 の⽐を増幅度を𝐴> とすると • 𝐴> = ̇ ?012 ̇ ?34 = + ,-/ 67 + ,-/ = : :7;<6= = : :7<565=5 • ゲイン𝐺は • 𝐺 = 20 log:A 𝐴> = 20 log:A : :7<565=5 • ̇ 𝑉345 の位相差𝜃345 は • 𝜃345 = − tanB: 𝜔𝑅𝐶 = − tanB: 2𝜋𝑓𝑅𝐶 • 増幅度，ゲイン，位相差がフィルタの特性を表す． ̇ 𝑉!2 ̇ 𝑉"01
27. RCローパスフィルタの周波数特性 • 周波数に対するゲインと位相差の変化の特性を周波数特性と⾔う．周 波数特性はフィルタの特性を知る上で重要なものである． R=100Ω，C=0.022μF ゲイン 位相差 ⼊⼒ ≅ 出⼒ つまり，低周波 数成分が通過す る（ローがパス する）． 20 log!" 𝐴 = 0 (dB)のとき𝐴 = 1 だから，⼊⼒と出 ⼒の⼤きさが同じ ことを意味する． ⼊⼒ > 出⼒ つまり，⾼周波数成 分は通過しにくい．
28. RCローパスフィルタの周波数特性 • ファルタの出⼒が1/ 2（ゲインがおおよそ-3dB）になる周波数をカッ トオフ周波数（遮断周波数）という． (https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%81%AE%E6%96%AD%E5%91%A8%E6%B3%A2%E6%95%B0) 信号を通過 信号を遮断 ローパスフィルタの利得の例 カットオフ周波数 通過域
29. カットオフ周波数 • 増幅度が1/ 2のときの周波数𝑓をカットオフ周波数𝑓. と⾔う． • ̇ (( ̇ (34 = # #' %"! ' • カットオフ周波数のとき出⼒の振幅の⼤きさは⼊⼒の # / だから • 1 + 𝜔.𝐶𝑅 / = 2 • よってカットオフ周波数fcは • 𝜔. = # "! = 2𝜋𝑓. • 𝑓. = # /0"! = # /01 • また，カットオフ周波数のとき，ゲイン[dB]は約-3[dB]となる．
30. RCハイパスフィルタ • コンデンサを⽤いることでハイパスフィルタを作ることができる．回 路図を⾒てみると分かる通り，ローパスフィルタのCとRを⼊れ替えた 回路になっている． • 特性もRCローパスフィルタの逆になる． • 計算と説明はローパスフィルターと同じになるので説明は省略する．
31. 問題解説 • 図の回路に正弦波（実効値2.8V，⾓周波数1×102rad/s）を⼊⼒した． 出⼒電圧（実効値）はおよそ何Vか．(第42回ME2種) 1. 0.5 2. 0.7 3. 1.0 4. 1.4 5. 2.0
32. 問題解説 • 図の回路に正弦波（実効値2.8V，⾓周波数1×102rad/s）を⼊⼒した． 出⼒電圧（実効値）はおよそ何Vか．(第42回ME2種) 1. 0.5 2. 0.7 3. 1.0 4. 1.4 5. 2.0 ̇ 𝑉"01 = ̇ 𝑉!2 × 1 𝑗𝜔𝐶 𝑅 + 𝑗𝜔𝐶 ̇ 𝑉"01 ̇ 𝑉!2 = 1 𝑗𝜔𝐶 𝑅 + 1 𝑗𝜔𝐶 = 1 1 + 𝜔𝐶𝑅 3 = 1 1 + (1×104×1056×104) = 1 1 + 1 = 1 2 よって出⼒電圧Voutの実効値は 2.8 2 ≅ 2.8 1.4 = 2
33. 問題解説 • 図の交流回路で，R，Cの両端の電圧（実効値）は図の⽰す値であっ た．電源電圧𝑒（実効値）は何Vか．(第36回ME2種)
34. 問題解説 • 図の交流回路で，R，Cの両端の電圧（実効値）は図の⽰す値であっ た．電源電圧𝑒（実効値）は何Vか．(第36回ME2種) 抵抗の電圧は ̇ 𝑉7 = 7 78 $ %&' ̇ 𝑒 コンデンサの電圧は ̇ 𝑉/ = $ %&( 78 $ %&' ̇ 𝑒 それぞれの電圧の位相は ̇ :) ̇ :' = ) )* $ %&' $ %&( )* $ %&' = 𝑗𝜔𝑅𝐶だから， 90度である． フェーザ図を書くと右図のようになる． ̇ 𝑒 = ̇ 𝑉7 + ̇ 𝑉/ だから，フェーザ図では ̇ 𝑒はベクトル ̇ 𝑉7 ， ̇ 𝑉/ の合成となる． よって𝑒の実効値は 2 2 ̇ 𝑉# ̇ 𝑉$ ̇ 𝑉# ̇ 𝑉$ ̇ 𝑒 2V 2V 2V 2V 2 2V
35. 問題解説 • 図の回路で，ある周波数fでの減衰量は-40dBであった．fの10倍の周 波数における減衰量[dB]はどれか．(第39回ME2種) 1. -4 2. -20 3. -60 4. -80 5. -400
36. 問題解説 • 図の回路で，ある周波数fでの減衰量は-40dBであった．fの10倍の周 波数における減衰量[dB]はどれか．(第39回ME2種) 1. -4 2. -20 3. -60 4. -80 5. -400 20 log!" 𝐴 = 20 log!" ̇ &' ̇ &() = −40だから 𝐴 = ̇ 𝑉 ' ̇ 𝑉() = 1 100 = 1 1 + 2𝜋𝑓𝐶𝑅 * よって，1 + 2𝜋𝑓𝐶𝑅 * = 10000 𝐶𝑅 * = 9999 4𝜋*𝑓* 任意の周波数𝑓’のときのゲインは ̇ 𝑉 ' ̇ 𝑉() = 1 1 + 𝑓+* 9999 𝑓* よって 𝑓’ = 10𝑓のときのゲイン𝑔は ̇ 𝑉 ' ̇ 𝑉() = 1 1 + 999900 = 1 999901 ≅ 1 1000000 = 1 1000 𝑔 = 20log!" 1 1000 = −60 今回は 2𝜋𝑓𝐶𝑅 *が⼗分⼤き いから分⺟の1を無視して計 算しても良い． よく使う：ゲイン[db]から増幅度の計算
37. 問題 • 図の回路について正しいのはどれか．（国家試験25） a. 低域通過特性を⽰す． b. 微分回路に⽤いられる． c. 時定数は10msである． d. 出⼒波形の位相は⼊⼒波形より進む． e. 遮断周波数は50Hzである．
38. 問題 • 図の回路について正しいのはどれか．（国家試験25） a. 低域通過特性を⽰す． ⾼域通過フィルタなので間違い． b. 微分回路に⽤いられる． 正しい． c. 時定数は10msである． 𝜏 = 𝐶𝑅 = 0.01×10CD×1×10D = 0.01s = 10msなので正しい． d. 出⼒波形の位相は⼊⼒波形より進む． 抵抗にかかる電圧は，𝑉E = 𝑉× E EFG/ IJ) = 𝑉× E ECI/ J) である．よって位相は𝜃 = − tanCG −𝜔𝑅𝐶 > 0となり，正しい． e. 遮断周波数は50Hzである． 𝑓 = G KL)E = G KL×N.NG ≅ 15.9．よって間違い．
39. RLフィルタ
40. RLローパスフィルタ • ローパスフィルタはコンデンサを⽤いたRCローパスフィルタのみでは なく，インダクタを⽤いたRLローパスフィルタも存在する． • インダクタはコンデンサと性質が逆なので，素⼦の位置も逆になる． ̇ 𝑉 ̇ 𝐼 ̇ 𝑉% ̇ 𝑉) 𝜃' 𝜃( ̇ 𝑉 ̇ 𝑉) ̇ 𝑉% = ̇ 𝑉*+,
41. ゲインの計算 • この回路はRL直列回路となっているので，Voutは • ̇ 𝑉PQR = E EFIJS ̇ 𝑉TU = G GF;<= > ̇ 𝑉TU • 𝑉PQR に対する𝑉TU の⽐を増幅度𝐴V とすると • 𝐴V = ̇ | W?@A ̇ WBC | = E EFIJS = G GF <D=D >D • ゲイン𝐺は • 𝐺 = 20 logGN 𝐴V = 20 logGN G GF <D=D >D • ̇ 𝑉PQR の位相のずれ𝜃PQR は • 𝜃PQR = − tanCG E JS = − tanCG E KLXS • 増幅度，ゲイン，位相差がフィルタの特性を表す． ̇ 𝑉 ̇ 𝑉) ̇ 𝑉% = ̇ 𝑉*+,
42. カットオフ周波数 • 増幅度𝐺が1/ 2のときの周波数fをカットオフ周波数fcと⾔う． • 𝐺 = ̇ (YZ[ ̇ (34 = # #'#'\' &' = # / • カットオフ周波数のとき出⼒の振幅の⼤きさは⼊⼒の # / だから • 1 + %(3 ! / = 2 • よってカットオフ周波数fcは • 𝜔. = ! 3 = 2𝜋𝑓. • 𝑓. = ! /03 = # /03/!
43. デシベル • ゲインの⼤きさは通常デシベル[dB]で表される． • デシベルは次のように定義される． • RCローパスフィルタではデシベルで表されるゲインgは • 𝑔 = 20 log#5 # #'#'\' &' = −10 log#5(1 + %'3' !' ) • となる．
44. LRローパスフィルタの周波数特性 R=100Ω，L=0.022μH 通過域 カットオフ周波数
45. LRハイパスフィルタ • コイルを⽤いることでハイパスフィルタを作ることができる．回路図 を⾒てみると分かる通り，ローパスフィルタのLとRを⼊れ替えた回路 になっている． • これまでのスライドと同じ計算をすることになるので説明は省略す る．
46. RLC回路
47. RLC直列回路
48. RLC直列回路 • 抵抗，インダクタ，コンデンサを直列につないだものをRLC直列回路 という． • ab間のインピーダンスは • ̇ 𝑍 = 𝑅 + 𝑗𝜔𝐿 + # $%" = 𝑅 + 𝑗(𝜔𝐿 − # %" ) • インピーダンスの⼤きさは • ̇ 𝑍 = 𝑅/ + 𝜔𝐿 − # %" / • インピーダンスの⼤きさが最⼩となるのは • 𝜔𝐿 = # %" のとき • このときの⾓周波数は 𝜔5 = # 3" ̇ 𝑉7 ̇ 𝑉E ̇ 𝑉/ ̇ 𝑉
49. RLC直列回路 • ⾓周波数が𝜔A = : L= のときインピーダンスが最⼩となる． • つまり，ab間を流れる電流は最⼤となる． • また，このとき，インピーダンスの虚数成分はゼロとなり電圧と電流は同 位相となる． • RLC直列回路のインピーダンスが最⼩となるときを共振という． • RLC直列回路が共振のとき • インピーダンスは最⼩で𝑅のみとみなせる． • 共振⾓周波数：𝜔N = G S) • 共振周波数：𝑓N = G KL S) • 電圧と電流の位相差は0 ̇ 𝑉7 ̇ 𝑉E ̇ 𝑉/ ̇ 𝑉
50. Q値 • 図の回路のab間を流れる電流は • ̇ 𝐼 = ̇ ( ̇ 6 = ̇ ( !'$(%3* ! #$ ) • 電流の⼤きさは • ̇ |𝐼| = ̇ ( !'' %3* ! #$ ' • 電流の⼤きさと⾓周波数の関係は図のようになる． • 図を⾒ても分かる通り，RLC直列回路では共振周波数のとき最も電流 が流れる． • この性質を⽤い，任意の周波数成分のみ電流が流れるようなフィルタ をRLC回路で作成できる． 電流 ⾓周波数 ̇ 𝑉7 ̇ 𝑉E ̇ 𝑉/ ̇ 𝑉
51. Q値 • 理想的には，任意の周波数（共振周波数）の電流のみ流し たい． • しかし，現実には共振周波数の周りの電流も流れる． • 良いフィルタ回路は，共振周波数の周りの電流がなるべく 流れない． • そこで，フィルタ回路の性能を表す指標としてQ値を導⼊ する． • Q値は次のように定義される． • 𝑄 = <6 <5B<+ • ⾒ての通りQ値は電流のグラフの尖りの幅が狭ければ狭い ほど⼤きな数値となる．つまりQ値が⼩さければ⼩さいほ ど共振周波数の周りの電流を流してしまい，性能が低いこ とを意味する． ⾓周波数 ̇ 𝑉7 ̇ 𝑉E ̇ 𝑉/ ̇ 𝑉
52. 問題解説 • 正弦波交流電源に抵抗器，インダクタ，キャパシタ各1個を直列に接続 した．各素⼦の両端電位差（実効値）を測定したところ，抵抗器は 10V，インダクタとキャパシタは5Vであった．電源電圧の実効値は何 Vか．(第39回ME2種) 1. 5 2. 10 3. 15 4. 20 5. 25
53. 問題解説 • 正弦波交流電源に抵抗器，インダクタ，キャパシタ各1個を直列に接続 した．各素⼦の両端電位差（実効値）を測定したところ，抵抗器は 10V，インダクタとキャパシタは5Vであった．電源電圧の実効値は何 Vか．(第39回ME2種) 1. 5 2. 10 3. 15 4. 20 5. 25 抵抗の電圧をVR，コンデンサの電圧をVC，インダクタの電圧を VLとする． ̇ 𝑉7 = 𝑅 ̇ 𝐼， ̇ 𝑉/ = 1 𝑗𝜔𝐶 ̇ 𝐼， ̇ 𝑉E = 𝑗𝜔𝐿 ̇ 𝐼 Rを基準としたそれぞれの位相差は 𝜃E7 = ∠ ̇ 𝑉E 𝑉7 = ∠ 𝑗𝜔𝐿 𝑅 = 90，𝜃/7 = ∠ ̇ 𝑉E 𝑉7 = ∠ −𝑗 1 𝜔𝐶𝑅 = −90 よって，フェーザ図は右図のようになる． 電源電圧はすべてのベクトルを⾜したものになるので， 10V ̇ 𝑉# ̇ 𝑉$ ̇ 𝑉,
54. 問題 • 図の交流回路で𝑅, 𝐿, 𝐶の両端電圧（実効値）がそれぞれ3V, 6V, 2Vで あった．電源電圧𝐸（実効値）は何Vか．(第37回ME2種) 1. 2 2. 5 3. 7 4. 9 5. 11
55. 問題 • 図の交流回路で𝑅, 𝐿, 𝐶の両端電圧（実効値）がそれぞれ3V, 6V, 2Vで あった．電源電圧𝐸（実効値）は何Vか．(第37回ME2種) 1. 2 2. 5 3. 7 4. 9 5. 11 各素⼦に流れる電流は同じなので，各素⼦の 電圧は次のように書ける． ̇ 𝑉7 = 𝑅 ̇ 𝐼 ̇ 𝑉E = 𝑗𝜔𝐿 ̇ 𝐼 ̇ 𝑉7 = 1 𝑗𝜔𝐶 ̇ 𝐼 つまり，抵抗に掛かる電圧に対し，インダク タは𝜋/2，コンデンサは−𝜋/2位相がずれてい る． それぞれの電圧をフェーザ図でかくと図のよ うになる． よって電源電圧は 𝐸 = ̇ 𝑉7 + ̇ 𝑉E − ̇ 𝑉/ = 33 + 6 − 2 3 = 9 + 16 = 25 = 5𝑉 ̇ 𝑉/ ̇ 𝑉7 ̇ 𝑉E ̇ 𝑉E + ̇ 𝑉/ ̇ 𝐸
56. 問題解説 • 図のRLC直列共振回路のQ値(Quality factor)に最も近いのはどれか．( 第40回ME2種) 1. 1 2. 2 3. 3 4. 4 5. 5
57. 問題解説 • 図のRLC直列共振回路のQ値(Quality factor)に最も近いのはどれか．( 第40回ME2種) 1. 1 2. 2 3. 3 4. 4 5. 5 RLC直列回路のインピーダンスは ̇ 𝑍 = 𝑅 + 1 𝑗𝜔𝐶 + 𝑗𝜔𝐿 = 𝑅 + 𝑗(𝜔𝐿 − 1 𝜔𝐶 ) ̇ 𝑍 = 𝑅3 + 𝜔𝐿 − 1 𝜔𝐶 3 共振周波数はインピーダンスが最⼩のときな ので，このときの⾓周波数は 𝜔% 𝐿 − 1 𝜔% 𝐶 = 0 𝜔% = 1 𝐿𝐶 Q値は次のように定義される． 𝑄 = 𝜔% 𝜔3 − 𝜔$ 𝜔$ と𝜔3 はアドミタンス（イン ピーダンスの逆数）が共振周 波数のときのアドミタンスの $ 3 のときの⾓周波数なので， ̇ 𝑍 ̇ 𝑍% = 𝑅3 + 𝜔𝐿 − 1 𝜔𝐶 3 𝑅 = 2 𝑅3 + 𝜔𝐿 − 1 𝜔𝐶 3 = 2𝑅3 𝜔𝐿 − 1 𝜔𝐶 3 = 𝑅3 𝐿𝜔3 ± 𝑅𝜔 − 1 𝐶 = 0
58. 問題解説 • 図のRLC直列共振回路のQ値(Quality factor)に最も近いのはどれか．( 第40回ME2種) 1. 1 2. 2 3. 3 4. 4 5. 5 𝐿𝜔3 ± 𝑅𝜔 − 1 𝐶 = 0 𝜔 = 7± 7+5GE/ 3E or 𝜔 = 57± 7+5GE/ 3E 𝜔3 − 𝜔$ = 𝑅 𝐿 𝑄 = 𝜔% 𝜔3 − 𝜔$ = 1 𝐿𝐶 𝑅 𝐿 = 𝐿 𝑅3𝐶 よって 𝑄 = 4×1054 1003×0.1×1056 = 4 = 2
59. RLC並列回路
60. RLC並列回路 • 抵抗，インダクタ，コンデンサを並列につないだものをRLC直列回路とい う． • この回路の合成アドミタンス（インピーダンスの逆数）は • ̇ 𝑌 = : ̇ \ = : 6 + : ;<L + 𝑗𝜔𝐶 = : 6 + 𝑗(𝜔𝐶 − : <L ) • アドミッタンスの⼤きさは • : ̇ \ = : 65 + 𝜔𝐶 − : <L ] • アドミタンスの⼤きさが最⼩となるのは • 𝜔𝐶 = : <L のときである． • このときの⾓周波数は 𝜔A = : L= • このとき，並列回路は共振しているという．
61. RLC並列回路 • この回路の合成アドミタンス（インピーダンスの逆数）は • # ̇ 6 = # ! + # $%3 + 𝑗𝜔𝐶 = # ! + 𝑗(𝜔C − # %3 ) • 各素⼦にかかる電圧は等しい． • 各素⼦に流れる電流は • ̇ 𝐼! = ̇ ( ! • ̇ 𝐼3 = ̇ ( $%3 • ̇ 𝐼" = 𝑗𝜔𝐶 ̇ 𝑉
62. RLC並列回路 • ⾓周波数が𝜔A = : L= のときアドミタンスの⼤きさが最⼩となる． • つまり，ab間を流れる電流は最⼩となる． • また，このとき，インピーダンスの虚数成分はゼロとなり電圧と電流は同 位相となる． • RLC並列回路のアドミタンスの⼤きさが最⼩となるときを共振という． • RLC並列回路が共振のとき • アドミタンスは最⼩で𝑅のみとみなせる． • 共振⾓周波数：𝜔N = G S) • 共振周波数：𝑓N = G KL S) • 電圧と電流の位相差は0
63. 問題解説 • 図の回路が共振状態にある時，抵抗器に流れる電流は何Aか．ただし， 𝑅 = 200Ω，𝐿 = 1.6mH，𝐶 = 100μF，𝐸 = 100V（実効値）とする．( 第38回ME2種) • 0.5 • 1.0 • 1.5 • 2.0 • 5.0
64. 問題解説 • 図の回路が共振状態にある時，抵抗器に流れる電流は何Aか．ただし， 𝑅 = 200Ω，𝐿 = 1.6mH，𝐶 = 100μF，𝐸 = 100V（実効値）とする．( 第38回ME2種) 1. 0.5 2. 1.0 3. 1.5 4. 2.0 5. 5.0 この回路のアドミタンスは 1 ̇ 𝑍 = 1 𝑅 + 𝑗𝜔𝐶 + 1 𝑗𝜔𝐿 = 1 𝑅 + 𝑗(𝜔𝐶 − 1 𝜔𝐿 ) 1 ̇ 𝑍 = 1 𝑅K + 𝜔𝐶 − 1 𝜔𝐿 K これが最⼩の時，共振している． 最⼩値は G ̇ ] = G E となる．すなわち，回路が共 振状態のときRのみの回路と⾒なせる． よって，抵抗器に流れる電流は 100/200=0.5A
65. 問題 • 図の回路に置いて，電源を流れる電流Iが10A，LとCを流れる電流がそ れぞれ2A，8Aであった．抵抗Rに流れる電流は何Aか．(第42回ME2種) 1. 0 2. 6 3. 8 4. 10 5. 20
66. 問題 • 図の回路に置いて，電源を流れる電流Iが10A，LとCを流れる電流がそ れぞれ2A，8Aであった．抵抗Rに流れる電流は何Aか．(第42回ME2種) 1. 0 2. 6 3. 8 4. 10 5. 20 各素⼦に流れる電流は ̇ 𝐼7 = ̇ 𝑉 𝑅 ̇ 𝐼E = ̇ 𝑉 𝑗𝜔𝐿 ̇ 𝐼/ = 𝑗𝜔𝐶 ̇ 𝑉 であるから，抵抗を流れる電流 ̇ 𝐼7 に対し，コイルを流れる電 流 ̇ 𝐼E は−𝜋/2，コンデンサを流れる電流は ̇ 𝐼/ は 𝜋/2位相がずれて いる．これをフェーザ図で書くと図のようになる． 回路を流れる電流 ̇ 𝐼は各素⼦に流れる電流の合成なので， 抵抗 を流れる電流 ̇ 𝐼7 は ̇ |𝐼7 | = | ̇ 𝐼 − ( ̇ 𝐼/ + ̇ 𝐼E )| = 103 − 8 − 2 3 = 64 = 8 である． ̇ 𝐼, ̇ 𝐼$ ̇ 𝐼# ̇ 𝐼# + ̇ 𝐼, ̇ 𝐼
67. 問題 • 図の回路が共振状態にあるとき正しいのはどれか．(臨床⼯学技⼠国家試 験36) 1. Rの抵抗値を2倍にすると，回路の全インピーダンスは4倍になる． 2. Cの静電容量を2倍にすると，回路の全インピーダンスは1/2倍になる． 3. Lのインダクタンスを2倍にすると，回路の全アドミタンスは1/4倍にな る． 4. Cの静電容量を4倍にすると，共振周波数は1/2倍になる． 5. Rの抵抗値を4倍にすると，共振周波数は2倍になる． r  ùɽ r E   úɽ r E   ûɽ r E üɽ r E   ໰୊ɹü÷ɹਤͷճ࿏͕ڞৼঢ়ଶʹ͋Δͱ͖ਖ਼͍͠ͷ͸ͲΕ͔ɻ 3 $ - r r E E ి ஑ ి ஑ R Մ ม ఍ ߅
68. 問題 • 図の回路が共振状態にあるとき正しいのはどれか．(臨床⼯学技⼠国家 試験36) ûɽ r E üɽ r E   ໰୊ɹü÷ɹਤͷճ࿏͕ڞৼঢ়ଶʹ͋Δͱ͖ਖ਼͍͠ͷ͸ͲΕ͔ɻ 3 $ - øɽ3 ͷ఍߅஋Λ ù ഒʹ͢Δͱɺճ࿏ͷશΠϯϐʔμϯε͸ û ഒʹͳΔɻ ùɽ$ ͷ੩ి༰ྔΛ ù ഒʹ͢Δͱɺճ࿏ͷશΠϯϐʔμϯε͸   ഒʹͳ úɽ- ͷΠϯμΫλϯεΛ ù ഒʹ͢Δͱɺճ࿏ͷશΞυϛλϯε͸   ഒʹ  r E ి ஑ R Մ ม ఍ ߅ まず合成インピーダンスを求める． 1 𝑍 = 1 𝑅 + 𝑗𝜔𝐶 + 1 𝑗𝜔𝐿 = 1 𝑅 + 𝑗 𝜔𝐶 − 1 𝜔𝐿 インピーダンスの⼤きさは 𝑍 = 1 1 𝑅3 + 𝜔𝐶 − 1 𝜔𝐿 3 共振状態とは 𝜔𝐶 − 1 𝜔𝐿 = 0 のときだから 𝜔 = 1 𝐿𝐶
69. 問題 • 図の回路が共振状態にあるとき正しいのはどれか．(臨床⼯学技⼠国家試 験36) 1. Rの抵抗値を2倍にすると，回路の全インピーダンスは4倍になる． 𝑍 = G H >D F J)C H <= D だからRを2倍にしても合成インピーダンスは4倍にならない． 2. Cの静電容量を2倍にすると，回路の全インピーダンスは1/2倍になる． 1. Cを2倍にしても，合成インピーダンスは1/2倍にならない． 3. Lのインダクタンスを2倍にすると，回路の全アドミタンスは1/4倍にな る． Lを2倍にしても，合成アドミタンスは1/4倍にならない． 4. Cの静電容量を4倍にすると，共振周波数は1/2倍になる． 𝜔 = G S) だからCの静電容量を4倍にすると，共振周波数は1/2倍になる． 5. Rの抵抗値を4倍にすると，共振周波数は2倍になる． 𝜔 = G S) だからLの静電容量を4倍にすると，共振周波数は1/2倍になる．
70. RLC回路のポイント • RLC直列回路が共振のとき • ⼊⼒電圧をある周波数にするとインピーダンスが最⼩となる． • このときの周波数を共振周波数という． 𝜔# = " )& • このときインピーダンスは𝑅のみとなる． • 電圧と電流の位相差は0である． • RLC並列回路が共振のとき • ⼊⼒電圧をある周波数にするとインピーダンスが最⼤となる． • このときの周波数を共振周波数という．𝜔# = " )& • このときインピーダンスは𝑅のみとなる． • 電圧と電流の位相差は0である．
71. RLCフィルタ
72. RLCフィルタ • RLCフィルタは抵抗，コイル，コンデンサを⼀つづつ⽤いたフィルタ である． • RLCフィルタは，回路の構成によりローパスフィルタ，ハイパスフィ ルタ，バンドパスフィルタを実現できる． R=100Ω，C=10μF，L=0.022μH 通過域 ゲイン 周波数
73. 問題解説 • ⼊⼒信号Viの周波数が無限⼤になっても出⼒信号Voが0にならない回 路はどれか．(第37回ME2種)
74. 問題解説 • ⼊⼒信号Viの周波数が無限⼤になっても出⼒信号Voが0にならない回 路はどれか．(第37回ME2種) 周波数が無限⼤になると，インダクタはインピーダ ンス無限⼤になる．つまり，周波数が⾼いとインダ クタの電圧降下が⼊⼒電圧と等しくなり，他の素⼦ の電圧は0になる．よって，⼊⼒にインダクタがつい ている１，２，３は間違いである． ⼀⽅，コンデンサのインピーダンスは0になる． 5は抵抗とコンデンサが並列につながっているため， 周波数無限⼤になると，コンデンサが短絡状態にな り，Voは0となる． 4はコンデンサが短絡状態になっても抵抗があるため 抵抗で電圧降下が起こりVoは値を持つ． 𝑗𝜔𝐿 → ∞ 𝑗𝜔𝐿 → ∞ 𝑗𝜔𝐿 → ∞ 1 𝑗𝜔𝐶 → 0 𝑅$ 𝑅3 , -./ → 0だから，𝑅, と𝑅" で 分圧される． コンデンサは短絡状態
75. ポイント
76. RC回路，RL回路のポイント • コンデンサ，コイルの特性 • RC回路 • コンデンサの電圧はローパス，抵抗の電圧はハイパス • コンデンサは，周波数が低いとインピーダンスが上がり𝑉# も⼤きい． • コンデンサの電圧は積分，抵抗の電圧は微分 • コンデンサは，電荷を徐々に貯める．つまり電圧も徐々に⼤きくなる（⾜されている感じ＝積 分）． • グラフでイメージを掴む． • 充電時の電圧変化は𝑉9 = 𝑉: (1 − 𝑒;- .), 𝑉< = 𝑉: 𝑒;- .，放電時は 𝑉9 = 𝑉: 𝑒;- ., 𝑉< = −𝑉: 𝑒;- . • RLフィルタはRC回路と素⼦の特性が逆と覚える． • カットオフ周波数 • 出⼒の⼤きさが⼊⼒の1/ 2となる周波数をカットオフ周波数という． • CRフィルタ：𝑓= = > ?@9< • LRフィルタ：𝑓= = > ?@A/< Vc ⼊⼒Vi R C VR
77. RC回路，RL回路のポイント • 時定数 • CRフィルタ：𝜏 = 𝐶𝑅 • LRフィルタ：𝜏 = 𝐿/𝑅 • 矩形波を⼊⼒として与えたときの𝑉! と𝑉" の時間変化が重要 • 時定数により⾒た⽬が変化する． • 時定数⼤→電圧の緩やかな時間変化 • 時定数⼩→電圧の急激な時間変化 Vc ⼊⼒Vi R C VR
78. RLC回路のポイント • RLC直列回路が共振のとき • ⼊⼒電圧をある周波数にするとインピーダンスが最⼩となる． • このときの周波数を共振周波数という．𝑓# = " $. )& • このときインピーダンスは𝑅のみとなる． • 電圧と電流の位相差は0である． • RLC並列回路が共振のとき • ⼊⼒電圧をある周波数にするとインピーダンスが最⼤となる． • このときの周波数を共振周波数という．𝑓# = " $. )& • このときインピーダンスは𝑅のみとなる． • 電圧と電流の位相差は0である．