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従属電源を含む回路

電圧制御・電流制御の電圧源・電流源を含む回路で、制御量を未知数の式で表して節点方程式・網目方程式に組み込み、各部の電流・電圧や従属電源が供給する電力を符号つきで求められる

前提

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説明

トランジスタや演算増幅器の等価回路には、出す電圧や電流が回路のどこか別の場所の電圧・電流で決まる電源が現れます。これを従属電源(制御電源)といい、電圧で制御されるか電流で制御されるか、出すものが電圧か電流かで 4 種類あります(例: 電流 を流す電流制御電流源、電圧 を出す電圧制御電圧源)。この技能では、従属電源を含む回路でも節点解析・網目解析をそのまま使い、各部の電流・電圧と従属電源が供給する電力を求めます。

なぜそうしてよいのか

従属電源も、ある瞬間だけ見れば「決まった電圧を出す電圧源」「決まった電流を流す電流源」であることに変わりはありません。違うのは、その値が定数ではなく、制御量(例えば や )の 倍だという点だけです。したがって、まず独立電源と同じように節点方程式や網目方程式に書き込み、そのあと制御量を未知数(節点電位や網目電流)の式で表して代入すれば、未知数の数と方程式の数がそろい、連立 1 次方程式として解けます。

制御量 や はオームの法則とキルヒホッフの法則で節点電位(または網目電流)の 1 次式になり、従属電源の値はその定数倍なので、方程式は 1 次のままです。ただし代入した項は係数行列の側に移るので、係数行列は独立電源だけのときと違って対称でなくなることがあります。これは誤りではなく、従属電源が「一方の場所の量が他方に影響するが、逆はない」という性質をもつためです。

電力は、各素子について「電圧 × 電流」で求めます。電源から電流が流れ出す端子が高電位側なら、その電源は電力を供給しています。従属電源は外部からエネルギーを受け取るモデル(増幅器の電源など)なので、供給する電力が正にも負にもなり得ます。

手順

  1. 基準節点(または網目)を決め、未知数として節点電位(または網目電流)をとる

  2. 従属電源を、いったん独立電源と同じように扱って節点方程式(または網目方程式)を立てる。その値は や のように制御量の式のまま書く

  3. 制御量 , を未知数の式で表す。例: 節点 から へ抵抗 を流れる電流なら

  4. その式を方程式に代入し、連立 1 次方程式を解く

  5. 求めた未知数から、必要な電流・電圧、従属電源の電力(電流が流れ出す端子が高電位なら供給、)を符号に注意して求める

例題

節点 0 を基準(電位 0 V)とする直流回路がある。節点 a と節点 0 の間に起電力 の理想電圧源があり、節点 a の側が高電位である。節点 a と節点 1 の間に の抵抗、節点 1 と節点 0 の間に の抵抗がある。さらに節点 0 と節点 1 の間に電流制御電流源があり、節点 0 から節点 1 へ向かって電流 を流し込む。ここで は の抵抗を節点 a から節点 1 へ向かって流れる電流である。この電流制御電流源が回路に供給する電力を求めよ(単位は W)。

例題の解答

手順 1: 未知数は節点 1 の電位 (節点 a の電位は電圧源で に決まっている)。

手順 2: 節点 1 から出ていく電流の和を 0 とおく。 を通って節点 a へ出る電流 、 を通って節点 0 へ出る電流 、従属電流源は節点 1 へ を流し込むので出ていく向きでは 。

手順 3: 制御量は 。

手順 4: 代入して

よって 、従属電源の電流は 。(確かめ: 節点 1 に入る電流 、 を流れて出る電流 で一致。)

手順 5: 従属電源は、電位 の節点 0 から電流を受け取り、電位 の節点 1 へ を送り出す。電流が流れ出す端子が高電位なので電力を供給しており、

答え:

よくある誤り

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

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