電気電子回路 総合問題集
この問題集は電気電子回路の講義(第1回〜第13回)で扱った内容全範囲をカバーする。各問題は「問題設定→方針→ステップバイステップ解答→ポイント」の構成で、問題を解くプロセスそのものを理解できるように書いてある。
凡例
- 各問題は講義(第1回〜第13回)で扱った範囲・典型パターンを題材にしている
- 解答は途中式を省略せず丁寧に
問題1:KCL・KVLの基礎(直流回路)
問題設定
下図の回路において、抵抗 を流れる電流 を求めよ。ただし とする。

電流の向き
は 節点、 は節点 GND、 は節点 の向きに仮定する。
方針
- 節点にKCL(電流則)を適用
- 閉ループにKVL(電圧則)を適用
- 連立方程式を解く
解答解説
Step 1:節点にKCLを適用
節点に流入する電流の和 = 流出する電流の和より:
Step 2:左側ループにKVLを適用
の経路:
Step 3:右側ループにKVLを適用
の経路:
Step 4:連立方程式を解く
(1) を (2) に代入:
(3)より:
(3’)を(2’)に代入:
(3’)より:
(1)より:
答え:
検算
の電圧降下:
左ループ: ✓
右ループ: ✓
ポイント
- KCLは「流入=流出」または「総和=0」のどちらで覚えてもOK
- KVLは「一巡したら電圧降下の和=起電力の和」
- 連立方程式は行列で解くと大規模回路でも対応できる
問題2:重ね合わせの理
問題設定
下図の回路で、抵抗 に流れる電流 を重ね合わせの理を用いて求めよ。ただし とする。

方針
重ね合わせの理:「複数の電源がある回路の応答は、各電源が単独であるときの応答の総和」
- Step A:電流源 を開放(断線)して、電圧源 のみで を求める
- Step B:電圧源 を短絡して、電流源 のみで を求める
- Step C:
解答解説
Step A:電圧源 のみ
電流源 を開放(断線)する。回路は のループになる。
と が直列 →
と が並列:
合成抵抗:
電源からの電流:
と は等しいので分流は半々:
待てよ、 は に流れる電流。 と は直列で と並列。全体の電流 が の枝と の枝に分流する。
と は直列なので同じ電流。したがって:
Step B:電流源 のみ
電圧源 を短絡する。
回路を整理すると、電流源 から見て を通った後、 の枝と の枝に分かれる。
と の並列合成:
と の並列で電流 が分流:
向きはA→B。
Step C:重ね合わせ
答え:
重ね合わせのコツ
- 電圧源を除去 = 短絡(導線で置き換え)
- 電流源を除去 = 開放(取り除く)
- 各電源ごとに計算した後、向きに注意して加算
問題3:テブナンの定理(ブリッジ回路)
問題設定
下図のブリッジ回路において、抵抗 に流れる電流 をテブナンの定理を用いて求めよ。ただし とする。

方針
- を取り外し、端子a-b間を開放したときの電圧 を求める(=テブナン電圧 )
- 電圧源を短絡し、端子a-bから見た合成抵抗 を求める
解答解説
Step 1:テブナン電圧 を求める
を取り外した状態で、端子a-b間の電圧を求める。
点の電位: と による分圧
点の電位: と による分圧
したがって:
Step 2:テブナン抵抗 を求める
電圧源 を短絡して、端子a-bから見た合成抵抗を求める。
側: と は電源短絡により並列になる
側: と も並列になる
側と 側は直列:
Step 3:電流 を求める
テブナンの定理より:
答え:
ブリッジ回路の平衡条件
のとき、 となり中央の抵抗に電流は流れない。
この例では 、 で非平衡 → 電流が流れる。
問題4:フェーザ表示とインピーダンス
問題設定
直列回路において、、コイルのリアクタンス 、コンデンサのリアクタンス とする。
(1) 合成インピーダンス を求めよ
(2) インピーダンスの大きさ と偏角 を求めよ
(3) のとき、電流 を求めよ
方針
- インピーダンス:
- 大きさ:
- 偏角:
- 電流: → (実効値注意)
解答解説
(1) 合成インピーダンス
(2) 大きさと偏角
→ 誘導性(遅れ電流)
(3) 電流の計算
電圧のフェーザ表示(実効値で表す):
→ 実効値 、初期位相
電流フェーザ:
大きさ:
位相:
したがって瞬時値表現:
答え:
実効値と最大値の関係
フェーザ法では実効値を使うのが標準。最大値で計算する場合は に注意。
答えを瞬時値 で書くときは最大値 を使う。
問題5:交流の有効電力・力率
問題設定
直列回路()に、実効値 の交流電圧を加えたとき、以下の値を求めよ。
(1) インピーダンス とその大きさ
(2) 回路を流れる電流の実効値
(3) 有効電力 、皮相電力 、無効電力
(4) 力率
方針
- (有効電力)
- (皮相電力)
- (無効電力)
- (力率)
解答解説
(1) インピーダンス
(2) 電流
電流は電圧より だけ遅れる(誘導性負荷)。
(3) 各電力
有効電力:
または皮相電力:
無効電力:
または(4) 力率
3つの電力の関係
皮相電力 、有効電力 、無効電力 の関係は直角三角形:
✓電力会社は皮相電力を基準に設備を設計する(電線の太さなど)。
問題6:共振回路のQと共振周波数
問題設定
直列回路において、 とする。
(1) 共振周波数 を求めよ
(2) 共振時の電流 と各素子の電圧 を求めよ
(3) 値を求めよ
(4) 半電力点の周波数 を求めよ
解答解説
(1) 共振周波数
(2) 共振時の電圧・電流
共振時は よりインピーダンスは のみ:
と は互いに打ち消し合い、電源電圧の約31.6倍になる!
(3) Q値
または
(4) 半電力点の周波数
は を中心に対称(対数スケールで)に広がる:
答え:
共振時の電圧倍率
となる。Qが大きいほど電源電圧の何十倍もの電圧がLやCに発生する。回路設計では素子の耐圧に注意!
問題7:フィルタ回路の周波数伝達関数
問題設定
直列回路()がある。コンデンサの両端を出力とする場合(LPF)について:
(1) 周波数伝達関数 を求めよ
(2) 遮断周波数 を求めよ
(3) 振幅特性 を について計算せよ
(4) 位相特性 を について求めよ
解答解説
(1) 周波数伝達関数
インピーダンス法より、RC直列回路(C出力)の伝達関数:
振幅特性と位相特性:
(2) 遮断周波数
が に低下する周波数:
(3) 振幅特性の数値計算
| 周波数 | | | dB |
|--------|-------------|-------|-----|
| (1kHz) | | | |
| (2kHz) | | | |
| (10kHz) | | | |(4) 位相特性
のとき :
LPFの特徴まとめ
| 周波数 | | 位相 |
|--------|-------|------|
| | (通過) | |
| | | |
| | | |LPFは高周波を減衰させ、低周波を通す。
問題8:RC直列回路の過渡現象(充電過程)
問題設定
直列回路において、 でスイッチを閉じ、電圧 の直流電源を接続した。初期状態ではコンデンサの電荷はゼロとする。
(1) コンデンサ電圧 を求めよ
(2) 回路電流 を求めよ
(3) 時定数 を求め、 における を の倍率で示せ
方針
KVLより微分方程式を立て、変数分離法または未定係数法で解く。
解答解説
(1) 微分方程式を立てる
KVL: より
を代入:
整理:
微分方程式を解く
同次解(斉次解): →
特解:定常状態では →
一般解:
初期条件 より:
(2) 電流
(3) 時定数と数値
時定数:
時間 状態 63%充電 95%充電 ほぼ満充電 RC回路の時間感覚
- 時定数 が小さいほど充電・放電が速い
- 経過すれば定常状態とみなせる
- 抵抗値を変えれば電流のピーク値 も変わる
問題9:RLC直列回路の過渡応答(減衰モードの判別)
問題設定
直列回路の放電において、以下の各パラメータについて減衰モードを判別し、電荷 と電流 の概形を答えよ。初期電荷 、初期電流 。
(1)
(2)
(3)
(4)
方針
RLC放電回路の微分方程式:
特性方程式:
判別式 の符号でモードが決まる。
解答解説
(1) 過減衰(Overdamped)
特性方程式: →
→ 過減衰
一般解:
初期条件 (として):
(2) 臨界減衰(Critically Damped)
特性方程式: →
→ 臨界減衰
一般解:
初期条件 :
(3) 不減衰(Undamped / Oscillatory)
特性方程式: →
かつ → 不減衰(無損失振動)
一般解:
初期条件 :
(4) 不足減衰(Underdamped)
特性方程式: →
かつ → 不足減衰
一般解:
初期条件 :
減衰モードの見分け方
モード 条件 根 波形 過減衰 異なる実根 だらだら減衰 臨界減衰 重根 最速で減衰・振動なし 不足減衰 複素共役根 振動しながら減衰 不減衰 純虚根 永久振動
問題10:ダイオードのON/OFF判定
問題設定
下図の回路において、以下の各場合の出力電圧 を求めよ。ただしダイオードの順方向電圧は 、順方向抵抗と逆方向電流は とする。
(1)
(2)
(3)

方針
ダイオード回路は「ON/OFFを仮定して解く」が鉄則。
- 各ダイオードがONかOFFか仮定
- ON = の電圧源、OFF = 開放(断線)として扱う
- 計算結果で仮定の整合性を確認
解答解説
(1)
両方とも で、ダイオードのカソード側よりかなり高い。しかし実際にONになるか確認する。
ONを仮定: がON →
同様に がON →節点電圧 となるが、このとき 電源から を通って流れる電流を考えると…実際は「どちらかが先にONになる」状況だが、ここでは両方同じ電圧なので両方ON。
電流計算:
ダイオードに流れる電流 :各ダイオードに約 → ONで整合
(2)
はONになりそう( 印加)、 は…?
ではカソード側の電位が 。アノードが 、カソードが → が より低ければOFF。仮定: OFF(開放)、 ON()
を開放、 を 電圧源とみなすと:
節点電圧の両端電圧:アノード 、カソード → (逆方向)
→ OFFの仮定は正しい ✓
(3)
仮定:両方ON
ONなら節点電圧このとき から を通る電流:
に流れる電流:(負→逆向き)
ダイオード電流 : に → ONで整合
ダイオード回路のチェックポイント
ONと仮定 → (実際に順バイアスか)
OFFと仮定 → (逆バイアスか)仮定が間違っていたら逆の仮定で再計算する。
問題11:トランジスタ増幅回路のバイアス計算
問題設定
下図の固定バイアス回路において、トランジスタの 、電流増幅率 、, , とする。
(1) ベース電流 、コレクタ電流 を求めよ
(2) コレクタ-エミッタ間電圧 と出力電圧 を求めよ
(3) トランジスタをON状態にするために必要な入力電圧 を求めよ

解答解説
(1) ベース電流とコレクタ電流
トランジスタがON状態(活性領域)のとき:
ベース側回路のKVL:
トランジスタを飽和させるために十分な を加えた状態を考える。
ON状態の条件: かつ (活性領域)
コレクタ側回路のKVL:
電流増幅率より:
(2) ON状態の計算
トランジスタがONで (飽和領域)とすると:
出力電圧:
(3) 必要な入力電圧
ベース側回路より:
答え:
増幅動作の条件
トランジスタを増幅器として使うには活性領域で動作させる。
- エミッタ接合:順バイアス()
- コレクタ接合:逆バイアス(程度)
飽和領域まで入れちゃうとスイッチング動作になる。
問題12:オペアンプ回路(反転増幅・加算・積分)
問題A:反転増幅回路
下図の反転増幅回路において、、入力 とする。出力電圧 を求めよ。

解答解説
反転増幅回路のゲイン公式:
答え:
反転増幅のポイント
- 「-」端子が仮想接地()される
- 入力インピーダンスは (有限)
- 出力は入力の位相が反転(がつく)
問題B:反転加算回路
、 のとき、出力 を求めよ。
解答解説
反転加算回路の出力:
代入:
なので単純に
答え:
問題C:反転積分回路(波形変換)
の反転積分回路に、振幅 、周波数 の矩形波を入力した。出力波形の概形を説明せよ。
解答解説
積分回路の関係式:
時定数:
矩形波の半周期:
入力が の間、出力は直線的に減少(負方向に積分):
入力が の間、出力は直線的に増加:
出力波形: 三角波(振幅 の対称三角波)
積分・微分と波形の関係
入力波形 積分回路の出力 微分回路の出力 矩形波 三角波 インパルス(正負の尖塔波) 三角波 正弦波に近い 矩形波 正弦波 位相が90°遅れた正弦波 位相が90°進んだ正弦波
問題13:RC放電回路
問題設定
下図の回路において、スイッチを閉じ十分時間が経過した後、 でスイッチを開いた。抵抗 に流れる電流 を求めよ。

方針
- スイッチを開く前の定常状態で、コンデンサの初期電圧 を求める(直流定常ではCは開放)
- スイッチを開いた後の回路は と のみの放電回路になる
- 微分方程式を立てて解く
解答解説
Step 1:初期条件( の定常状態)
スイッチを閉じて十分時間が経過すると、コンデンサは直流定常状態になり「断線」とみなせる。
電流の経路: GND(コンデンサは通過しない)
の両端電圧 = コンデンサの初期電圧:
Step 2:スイッチを開いた後の回路()
スイッチを開くと と が切り離され、 と のみの放電回路となる。
コンデンサの電圧は不連続に変化しないので 。
Step 3:微分方程式を立てる
オームの法則:
コンデンサの放電:
よって:
Step 4:微分方程式を解く
1次同次線形微分方程式。解の形:
Step 5:電流 を求める
答え:
ポイント
- コンデンサの電圧は不連続に変化しない()
- 直流定常状態ではコンデンサは開放とみなせる
- 時定数 : が小さいほど放電が速い
問題14:交流電源RLC回路の過渡応答と定常電流
問題設定
下図のRLC直列回路において、 でスイッチを閉じた。、、、、初期電荷 、初期電流 とする。
(1) 電荷 を求めよ
(2) 十分時間が経過した後の定常電流 をフェーザ法で求めよ

方針
- (1) 非同次2次微分方程式を解く(過渡解 + 特解)
- (2) 定常状態はフェーザ法でインピーダンスから直接計算
解答解説
(1) 微分方程式を立てる
KVLより:
代入:
Step 1:特解 を求める
入力と同じ周波数の解を仮定:
微分:
微分方程式に代入して整理:
係数比較:
A_c + 4A_s = 17 \\ -4A_c + A_s = 0 \end{cases} \quad\Rightarrow\quad A_c = 1,\; A_s = 4$$ $$Q(t) = \cos 2t + 4\sin 2t$$ ### Step 2:過渡解を求める 同次方程式の特性方程式:$\lambda^2 + 2\lambda + 5 = 0$ $$\lambda = -1 \pm 2j \quad\text{(不足減衰)}$$ $$q_{trans}(t) = e^{-t}(k_c\cos 2t + k_s\sin 2t)$$ ### Step 3:一般解 $$q(t) = e^{-t}(k_c\cos 2t + k_s\sin 2t) + \cos 2t + 4\sin 2t$$ ### Step 4:初期条件で係数を決定 $q(0) = 1$ より:$k_c + 1 = 1 \Rightarrow k_c = 0$ $i(0) = \dfrac{dq(0)}{dt} = 0$ より:$2k_s - k_c + 8 = 0 \Rightarrow k_s = -4$ **答え (1):** $$\boxed{q(t) = -4e^{-t}\sin 2t + \cos 2t + 4\sin 2t}$$ #### (2) フェーザ法による定常電流 $v(t) = 17\cos 2t$ → 最大値 $V_m = 17$、角周波数 $\omega = 2$ 複素インピーダンス: $$\dot{Z} = R + j\omega L + \frac{1}{j\omega C} = 2 + j\left(2\cdot1 - \frac{1}{2\cdot0.2}\
ight) = 2 - j0.5,\Omega$$
電流フェーザ(最大値ベース):
瞬時値に戻す:
答え (2):
ポイント
| 方法 | 手順 | 適する場面 |
|---|---|---|
| 微分方程式 | 特解→過渡解→初期条件 | 過渡応答も必要なとき |
| フェーザ法 | だけ | 定常状態だけでOKのとき |
- 特解は入力と同じ周波数の正弦波を仮定して代入
- 過渡解は で減衰し、定常状態(特解)だけ残る
問題15:RC回路の未定係数法とフェーザ法
問題設定
下図のRC直列回路において、 および のとき、コンデンサの定常状態電圧 を以下の方法で求めよ。
(1) 未定係数法による解法
(2) フェーザ法による解法

方針
- 未定係数法: と仮定して微分方程式に代入
- フェーザ法:複素インピーダンスの分圧で直接計算
解答解説
A. の場合
(1) 未定係数法
回路方程式(KVL):
より:
定常解を と仮定:
代入:
と の係数比較:
\sin\omega t: & -\omega RC V_c + V_s = V_{mi} \\ \cos\omega t: & \omega RC V_s + V_c = 0 \end{cases}$$ 2式目より $V_c = -\omega RC V_s$、1式目に代入: $$-\omega RC(-\omega RC V_s) + V_s = V_{mi} \Rightarrow V_s(1 + (\omega RC)^2) = V_{mi}$$ $$V_s = \frac{V_{mi}}{1 + (\omega RC)^2},\quad V_c = -\frac{\omega RC}{1 + (\omega RC)^2}V_{mi}$$ $$\boxed{v_o(t) = \frac{V_{mi}}{1 + (\omega RC)^2}\left(-\omega RC\cos\omega t + \sin\omega t\
ight)}$$
(2) フェーザ法
入力フェーザ:(実効値)
分圧:
振幅:
位相:
瞬時値(最大値ベース):
展開すると未定係数法の結果と一致する。
B. の場合
同様に未定係数法・フェーザ法で求められる。フェーザ法なら:
(同様)、分圧比は同じ:
ポイント
- 未定係数法とフェーザ法は同じ結果を与える
- フェーザ法の方が計算が簡潔(複素数の割り算だけ)
- 未定係数法は過渡解を含めた一般解が必要な場合に有用
問題16:ブリッジ回路のテブナン等価とRC結合
問題設定
下図のブリッジ回路において、ブリッジの平衡条件を満たさない抵抗値を用いた場合を考える。 および のときのコンデンサの定常状態電圧 の求め方を示せ。ただし端子a-b間に対してテブナンの定理を用いて図1(問題15)のRC回路に変形できることを利用せよ。

方針
- 端子a-bから見たテブナン等価回路を求める
- テブナン電圧 とテブナン抵抗 でRC直列回路に置き換え
- 問題15の結果を流用する
解答解説
Step 1:端子a-bから見たテブナン電圧
コンデンサCを取り外した状態で、a-b間の電圧を求める。
a点の電位:
b点の電位:
ight)$$
Step 2:テブナン抵抗
電圧源を短絡し、a-bから見た合成抵抗:
Step 3:等価RC回路
元の回路は 、、 の直列回路と等価になる。
Step 4:問題15の結果を適用
のとき( の振幅はテブナン電圧比倍):
ただし |\dot{V}_{th}| = E_{mi}\left|\dfrac{R_3}{R_1+R_3} - \dfrac{R_4}{R_2+R_4}\ ight|
ポイント
- ブリッジ回路はテブナンの定理で単純なRC直列回路に変換できる
- 「複雑な回路でも、特定の2端子から見れば単純な等価回路で置き換え可能」がテブナンの定理の本質
- 平衡条件 のとき となり、コンデンサに電圧は発生しない
問題17:電力供給と内部抵抗の影響
問題設定
下図の2つの回路について、負荷抵抗 に供給される電力を比較せよ。

方針
- 回路A:電源に直列の1.9kΩ抵抗がある(内部抵抗的なもの)
- 回路B:電源が直接負荷に接続されている
- で各々の電力を計算
解答解説
回路Aの計算
Step 1:全抵抗
Step 2:電流
Step 3: の電圧
Step 4:電力
または回路Bの計算
Step 1:電流
Step 2:電力
比較
| 回路A | 回路B | |
|---|---|---|
| 電流 | 5mA | 100mA |
| 電圧 | 0.5V | 10V |
| の電力 | 2.5mW | 1W |
倍もの差がつく!
ポイント
- 電源に直列に入る抵抗(内部抵抗)は負荷への電力供給を大幅に減少させる
- 最大電力を負荷に伝えるには「内部抵抗 = 負荷抵抗」のインピーダンスマッチングが最適
(今回の例:内部抵抗1.9kΩ ≫ 負荷100Ω → 極めて非効率)
問題18:オペアンプ2段差動増幅回路
問題設定
下図の2段オペアンプ回路において、出力電圧 を で表せ。また のとき、出力が2つの入力の平均値()になる条件を求めよ。

方針
- 左段のオペアンプは反転加算回路 → を求める
- 右段のオペアンプは反転増幅回路 → を求める
- 全体の入出力関係を合成
解答解説
Step 1:左段のオペアンプ(反転加算増幅回路)
仮想接地により 。(-)端子に流れ込む電流の和 = 0:
ight)}$$
Step 2:右段のオペアンプ(反転増幅回路)
Step 3:全体の合成
ight)
ight] = \frac{R_5R_3}{R_4}\left(\frac{v_1}{R_1} + \frac{v_2}{R_2}
ight)$$
答え:
ight)}$$
Step 4:平均値出力の条件
のとき:
ight)$$
これが になる条件:
特に のとき:
ポイント
- 多段オペアンプ回路は各段を個別に解析→合成する
- 各段で「仮想短絡」「仮想開放」の2つが常に成り立つ
- 全体で見ると は の重み付き和(アナログ演算回路)
Appendix:重要公式一覧
回路素子のV-I関係
| 素子 | 瞬時値関係 | フェーザ関係(インピーダンス) |
|---|---|---|
| 抵抗 | ||
| コイル | ||
| コンデンサ |
直流回路の諸定理
- 重ね合わせの理:各電源単独の応答の総和(電圧源は短絡、電流源は開放)
- テブナンの定理:任意の2端子は の等価電圧源に置き換え可能
- ノルトンの定理:任意の2端子は の等価電流源に置き換え可能
交流電力
| 電力の種類 | 式 | 単位 | 説明 |
|---|---|---|---|
| 有効電力 | W | 負荷で消費される電力 | |
| 皮相電力 | VA | 電源から見た見かけの電力 | |
| 無効電力 | var | 電源と負荷を往復するだけの電力 |
共振回路
| 直列共振 | 並列共振 | |
|---|---|---|
| 共振角周波数 | ||
| 共振時インピーダンス | 最小 | 最大 |
| 共振時電流 | 最大 | 最小 |
| Q値 |
フィルタの伝達関数(RC回路)
| 種類 | 回路 | 伝達関数 | 遮断周波数 |
|---|---|---|---|
| LPF | C出力 | ||
| HPF | R出力 |
過渡現象の時定数
| 回路 | 時定数 | または の応答(ステップ入力 ) |
|---|---|---|
| RC充電 | ||
| RC放電 | ||
| RL(電流) | ||
| RL(電圧) |
オペアンプ基本回路まとめ
| 回路 | ゲイン(入出力関係) | 特徴 |
|---|---|---|
| 反転増幅 | 位相反転あり | |
| 非反転増幅 | 位相反転なし、入力インピーダンス∞ | |
| ボルテージフォロア | インピーダンス変換 | |
| 差動増幅 | 差動信号の増幅 | |
| 反転加算 | 複数信号の加算 | |
| 反転積分 | 波形変換(矩形→三角) | |
| 反転微分 | 波形変換(三角→矩形) |