【電気電子部門】技術士第一次試験の交流回路のインピーダンスを求める問題の解説

こんにちは、ENGかぴです。

技術士第一次試験の電気電子部門の試験において新傾向として波形からインピーダンスを求める問題が出題されています。交流回路の基礎が分かっていれば解ける問題だと思います。交流回路における条件からインピーダンスを求める問題の解き方について記事にしました。

技術士第一次試験の勉強におすすめする参考書や電気電子部門のポイント解説についてまとめています。これらのシリーズで2か月間勉強することで十分合格できます。

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交流回路からインピーダンスを求める問題のポイント解説

オシロスコープの波形から条件が与えられてインピーダンスを求める問題は過去の出題を確認したところ新傾向の問題だと思います。交流回路の考え方が分かっていれば難しくないと感じたため説明していきます。

今年から数年にわたって出題される可能性もあると考えています。公開されている過去問を使って説明していきます。

R1年度の問題

始めにV_OとV_Rの関係について考えます。この問題ではV_Oを基準に波形を設定していますが、V_Oを0としたときにV_Rの波形はすでに0を超えています。つまりV_Rの方が先に0の点を通過しているということになります。

V_OはV_Rよりも位相が遅れていると言えます。抵抗分に対して位相が遅れているのでインピーダンスはコンデンサであると判断できます。次に素子の容量を求めていきます。

1周期が10msであることから\( 1msあたりの角度 = 360 /10 = 36 [ °] \)となることから0.83ms時の角度を求めると$$0.83msの角度 = 36× 0.83 = 29.9≒30[°]$$

V_Rのピークから30°分位相が進んだ時V_OのピークとなるのでV_RはV_Oの60°分の大きさということになります。したがってV_Rの波高値は$$V_R=V_0sin60°= 70.7×\frac{\sqrt{3}}{2} = 61.2[V]$$となります。

次にRを流れる電流の波高値を考えると\( I = 61.2[V]/25[kΩ] = 2.45[mA]\)となります。回路に流れる電流が分かったのでV_OとIによって回路全体のインピーダンスZを求めることができます。$$ Z = \frac{70.7}{2.45×10^{-3}} = 28.86[kΩ]$$となります。

交流回路はZ=R+jXで表され、Zの大きさで考えると\( Z = \sqrt{R^2+X^2}\)となります。Rは抵抗分、Xはリアクタンス分です。リアクタンス分を求めると、$$X = \sqrt{Z^2-R^2}=\sqrt{28.86^2-25}=14.41[kΩ]$$リアクタンス分はコンデンサであることは位相差によって分かっているのでリアクタンスから静電容量を求めます。\(X=\frac{1}{2πfC} \)において周期が10msなので周波数は時間の逆数なのでf=100Hzになります。$$C=\frac{1}{2π×100×14.41×10^{3}}=0.11[uF]$$したがって、③が正解になります。

交流回路のインピーダンス

抵抗のみの回路であれば実部だけになるのですが、コイルやコンデンサなどのリアクタンス系の素子がある場合は虚部の成分も含めて考える必要があります。上のイラストの合成インピーダンスを考えると$$Z=R+jωL+\frac{1}{jωC}=R+j(ωL-\frac{1}{ωC})=R+jX$$ZはベクトルでR[Ω]の実部とX[Ω]の虚部をもちます。ベクトルの大きさは$$|Z| = \sqrt{R^2+X^2}$$$$Θ=tan^{-1}\frac{X}{R}$$これらをイラストで表すと以下のようになります。

R1年度の問題に当てはめて考えると回路に流れる電流をIとしたときV_O＝ZIであり実部と虚部のそれぞれはV_R=R×I、V_X=XIになります。オシロスコープの波形からV_OがV_Rよりも遅れていることが分かるのでベクトル図を考えると以下のようになります。

Zが一つの素子となっていることからコンデンサであることが分かります。

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