回路計算 - 合成インピーダンス

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概要

回路の受動素子(抵抗R、コイルL、コンデンサC)が直列接続または並列接続されている場合の合成インピーダンスの計算手順を記載する。


RL直列回路の合成インピーダンス

RL直列回路は、抵抗RとコイルLが直列に接続された回路で、下図のような回路になる。

図.1 抵抗RとコイルLが直列接続の回路



直列回路の合成インピーダンスを求める場合、それぞれのインピーダンスを加算することにより求められる。

RL直列回路の合成インピーダンスは、次式で与えられる。
なお、角周波数である。

  • 複素数表示の場合



であるため、となり、
RL直列回路の合成インピーダンスのベクトルの向きは、必ず右上向き(複素数平面の第1象限)になる。

  • 合成インピーダンスの大きさの場合




RC直列回路の合成インピーダンス

RC直列回路は、抵抗RとコンデンサCが直列に接続された回路で、下図のような回路になる。

図.2 抵抗RとコンデンサCが直列接続の回路



直列回路の合成インピーダンスを求める場合、それぞれのインピーダンスを加算することにより求められる。

RC直列回路の合成インピーダンスは、次式で与えられる。
なお、角周波数である。

  • 複素数表示の場合



であるため、
となり、
RC直列回路の合成インピーダンスのベクトルの向きは、必ず右下向き(複素数平面の第4象限)になる。

  • 合成インピーダンスの大きさの場合




LC直列回路の合成インピーダンス

LC直列回路は、抵抗RとコンデンサCが直列に接続された回路で、下図のような回路になる。

図.3 コイルLとコンデンサCが直列接続の回路



直列回路の合成インピーダンスを求める場合、それぞれのインピーダンスを加算することにより求められる。

LC直列回路の合成インピーダンスは、次式で与えられる。
なお、角周波数である。

  • 複素数表示の場合



であるため、
となり、
LC直列回路の合成インピーダンスのベクトルの向きは、必ず、虚数軸上となる。

LC直列回路の合成インピーダンスは、上式の分母が正・負・ゼロの時、それぞれのベクトルの向きが変わる。
したがって、の時で、場合分けして考える必要がある。

  • の場合
    上式のリアクタンスが正になるため、合成インピーダンスのベクトルは、虚数軸上の正の向きになる。

  • の場合
    上式のリアクタンスが負になるため、合成インピーダンスのベクトルは、虚数軸上の負の向きになる。

  • の場合
    上式のリアクタンスが0になるため、合成インピーダンスのベクトルは、複素数平面の原点Oとなる。
    インピーダンスが0ということは、その回路は短絡状態と同じになる。

    また、 すなわち、 は、回路の共振条件である。


  • 合成インピーダンスの大きさの場合




RLC直列回路の合成インピーダンス

RLC並列回路は、抵抗R、コイルL、コンデンサCが並列に接続された回路で、下図のような回路になる。

図.4 抵抗R、コイルL、コンデンサCが直列接続の回路



直列回路の合成インピーダンスを求める場合、それぞれのインピーダンスを加算することにより求められる。

RLC直列回路の合成インピーダンスは、次式で与えられる。
なお、角周波数である。

  • 複素数表示の場合



であるため、
となり、
RLC直列回路の合成インピーダンスのベクトルの向きは、複素数平面の右上(第1象限)または右下(第4象限)または実数軸上となる。

RLC直列回路の合成インピーダンスは、上式の虚部()が正・負・ゼロの時、それぞれのベクトルの向きが変わる。
したがって、の時で、場合分けして考える必要がある。

  • の場合
    上式のリアクタンスが正になるため、合成インピーダンスのベクトルは、右上の向き(第1象限)になる。

  • の場合
    上式のリアクタンスが負になるため、合成インピーダンスのベクトルは、右下の向き(第4象限)になる。

  • の場合
    上式のリアクタンスが0になるため、合成インピーダンスのベクトルは、実数軸上の正の向きになる。()
    この条件を満たす周波数は共振周波数であるため、コイルLとコンデンサCの直列回路部分は短絡状態と同じになる。

    また、 すなわち、 は、回路の共振条件である。


  • 合成インピーダンスの大きさの場合




RL並列回路の合成インピーダンス

RL並列回路は、抵抗RとコイルLが並列に接続された回路で、下図のような回路になる。

図.5 抵抗RとコイルLが並列接続の回路



並列回路の合成インピーダンスを求める場合、
それぞれのインピーダンスの逆数(アドミタンス)を加算して、その逆数をとることにより求められる。

RL並列回路の合成インピーダンスは、次式で与えられる。
なお、角周波数である。

  • 複素数表示の場合



であるため、
となり、
RL並列回路の合成インピーダンスのベクトルの向きは、必ず右上向き(複素数平面の第1象限)になる。

  • 合成インピーダンスの大きさの場合




RC並列回路の合成インピーダンス

RC並列回路は、抵抗RとコンデンサCが並列に接続された回路で、下図のような回路になる。

図.6 抵抗RとコンデンサCが並列接続の回路



並列回路の合成インピーダンスを求める場合、
それぞれのインピーダンスの逆数(アドミタンス)を加算して、その逆数をとることにより求められる。

RC並列回路の合成インピーダンスは、次式で与えられる。
なお、角周波数である。

  • 複素数表示の場合



であるため、
となり、
RC並列回路の合成インピーダンスのベクトルの向きは、必ず右下向き(複素数平面の第4象限)になる。

  • 合成インピーダンスの大きさの場合




LC並列回路の合成インピーダンス

LC並列回路は、抵抗RとコンデンサCが並列に接続された回路で、下図のような回路になる。

図.7 コイルLとコンデンサCが並列接続の回路



並列回路の合成インピーダンスを求める場合、
それぞれのインピーダンスの逆数(アドミタンス)を加算して、その逆数をとることにより求められる。

LC並列回路の合成インピーダンスは、次式で与えられる。
なお、角周波数である。

  • 複素数表示の場合



であるため、
となり、
LC並列回路の合成インピーダンスのベクトルの向きは、必ず、虚数軸上となる。

LC並列回路の合成インピーダンスは、上式の分母が正・負・ゼロの時、それぞれのベクトルの向きが変わる。
したがって、の時で、場合分けして考える必要がある。

  • の場合
    上式のリアクタンスが正になるため、合成インピーダンスのベクトルは、虚数軸上の正の向きになる。

  • の場合
    上式のリアクタンスが負になるため、合成インピーダンスのベクトルは、虚数軸上の負の向きになる。

  • の場合
    上式のリアクタンスが無限大になるため、合成インピーダンスのベクトルは、虚数軸上の正の向きに無限大となる。
    インピーダンスが無限大ということは、その回路は開放状態と同じになる。

    また、 すなわち、 は、回路の共振条件である。


  • 合成インピーダンスの大きさの場合




RLC並列回路の合成インピーダンス

RLC並列回路は、抵抗R、コイルL、コンデンサCが並列に接続された回路で、下図のような回路になる。

図.8 抵抗R、コイルL、コンデンサCが並列接続の回路



並列回路の合成インピーダンスを求める場合、
それぞれのインピーダンスの逆数(アドミタンス)を加算して、その逆数をとることにより求められる。

RLC並列回路の合成インピーダンスは、次式で与えられる。
なお、角周波数である。

  • 複素数表示の場合



であるため、
となり、
RLC並列回路の合成インピーダンスのベクトルの向きは、複素数平面の右上(第1象限)または右下(第4象限)または実数軸上となる。

RLC並列回路の合成インピーダンスは、上式の分子(特に、)が正・負・ゼロの時、それぞれのベクトルの向きが変わる。
したがって、の時で、場合分けして考える必要がある。

  • の場合
    上式のリアクタンスが正になるため、合成インピーダンスのベクトルは、右上の向き(第1象限)になる。

  • の場合
    上式のリアクタンスが負になるため、合成インピーダンスのベクトルは、右下の向き(第4象限)になる。

  • の場合
    上式のリアクタンスが0になるため、合成インピーダンスのベクトルは、実数軸上の正の向きになる。()
    この条件を満たす周波数は反共振周波数であるため、コイルLとコンデンサCの並列回路部分は開放状態と同じになる。

    また、 すなわち、構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle \omega = \frac{1}{\sqrt{LC}}} は、回路の共振条件である。


  • 合成インピーダンスの大きさの場合




例題

例題 1

下図のようなRL回路がある時、抵抗に掛かる電圧を求める。


回路のインピーダンスZの大きさは、次式となる。
構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle \dot{Z} = R + j \omega L = 15 + j20}
構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle \left | Z \right | = \sqrt{15^2 + 20^2} = 25 \, [\Omega]}

全体に流れる電流Iの大きさ構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle |I|} は、次式となる。
構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle \left | I \right | = \frac{V}{Z} = \frac{100}{25} = 4 \, [ \mbox{A} ]}

したがって、抵抗に掛かる電圧構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle \dot{V_{R}}} は、次のようになる。
構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle \dot{V_{R}} = \dot{I} \times R = 4 \times 15 = 60 \, [\mbox{V}]} となる。
インダクタに掛かる電圧構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle \dot{V_{L}}} は、次のようになる。
構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle \dot{V_{L}} = \dot{I} \times j \omega L = 4 \times j20 = j80 \, [\mbox{V}]} となる。

電圧構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle \dot{V}} および電圧の大きさ構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle |V|} を求める場合は、次式のように計算する。
構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle \dot{V} = 60 + j80} より、
構文解析に失敗 (SVG (ブラウザーのプラグインで MathML を有効にできます): サーバー「https://wikimedia.org/api/rest_v1/」から無効な応答 ("Math extension cannot connect to Restbase."):): {\displaystyle |V| = \sqrt{60^2 + 80^2} = 100 \, [\mbox{V}]} となる。