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。

問題1 回路図

電流の向き

節点、 は節点 GND、 は節点 の向きに仮定する。

方針

  1. 節点にKCL(電流則)を適用
  2. 閉ループにKVL(電圧則)を適用
  3. 連立方程式を解く

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。

問題2 回路図

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

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。

問題3 ブリッジ回路図

方針

  1. 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
  2. 電圧源を短絡し、端子a-bから見た合成抵抗 を求める

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)

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)

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


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 について計算せよ
(4) 位相特性 について求めよ


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 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。


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。


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)

問題10 ダイオード回路図

方針

ダイオード回路は「ON/OFFを仮定して解く」が鉄則。

  1. 各ダイオードがONかOFFか仮定
  2. ON = の電圧源、OFF = 開放(断線)として扱う
  3. 計算結果で仮定の整合性を確認

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

問題11 トランジスタ増幅回路図


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。

問題12A 反転増幅回路図


問題B:反転加算回路

のとき、出力 を求めよ。


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。



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。

問題13 RC放電回路図

方針

  1. 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)
  2. スイッチを開いた後の回路は のみの放電回路になる
  3. 微分方程式を立てて解く

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

問題14 交流電源RLC回路図

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

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

問題15 RC回路図

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

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。

問題16 ブリッジ→RC回路図

方針

  1. 端子a-bから見たテブナン等価回路を求める
  2. テブナン電圧 とテブナン抵抗 でRC直列回路に置き換え
  3. 問題15の結果を流用する

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。

問題17 電力供給比較回路図

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
回路A回路B
電流5mA100mA
電圧0.5V10V
の電力2.5mW1W

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 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。

問題18 オペアンプ2段差動増幅回路図

方針

  1. 左段のオペアンプは反転加算回路 → を求める
  2. 右段のオペアンプは反転増幅回路 → を求める
  3. 全体の入出力関係を合成

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 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
LPFC出力
HPFR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)