公式集
各公式の右に、説明のある回を示します。数字だけの回は電気回路I、「II-」「III-」のついた回は電気回路II・III です。
基本量
| 公式 |
意味 |
回 |
| \(I = \dfrac{Q}{t}\) |
電流は 1 秒あたりに通過する電荷 |
1 |
| \(W = QV\) |
電荷 \(Q\) を電圧 \(V\) だけ運ぶ仕事 |
1 |
| \(P = VI\) |
電力 |
1 |
| \(W = Pt\) |
電力量(1 Wh = 3600 J) |
1 |
| \(V = E - rI\) |
内部抵抗 \(r\) の電源の端子電圧 |
2 |
回路素子
| 素子 |
時間の式 |
インピーダンス |
ためるエネルギー |
回 |
| 抵抗 \(R\) |
\(v = Ri\) |
\(R\) |
(熱として消費) |
2、9 |
| インダクタ \(L\) |
\(v = L\dfrac{di}{dt}\) |
\(j\omega L\) |
\(\dfrac{1}{2}Li^2\) |
2、9 |
| キャパシタ \(C\) |
\(i = C\dfrac{dv}{dt}\) |
\(\dfrac{1}{j\omega C}\) |
\(\dfrac{1}{2}Cv^2\) |
2、9 |
時定数:RC 回路 \(\tau = RC\)、RL 回路 \(\tau = \dfrac{L}{R}\)
直流回路
| 公式 |
意味 |
回 |
| \(V = RI\)、\(G = \dfrac{1}{R}\) |
オームの法則、コンダクタンス |
3 |
| \(R = R_1 + R_2 + \cdots\) |
直列の合成抵抗 |
3 |
| \(\dfrac{1}{R} = \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2} + \cdots\) |
並列の合成抵抗 |
3 |
| \(R = \dfrac{R_1 R_2}{R_1 + R_2}\) |
2 個の並列(積 ÷ 和) |
3 |
| \(V_1 = \dfrac{R_1}{R_1 + R_2}E\) |
分圧 |
3 |
| \(I_1 = \dfrac{R_2}{R_1 + R_2}I\) |
分流 |
3 |
| \(P = I^2 R = \dfrac{V^2}{R}\) |
抵抗の消費電力 |
3 |
| \(R = r\) のとき \(P_{\max} = \dfrac{E^2}{4r}\) |
最大電力の供給 |
3 |
| \(R_a = \dfrac{R_{ab}R_{ca}}{R_{ab} + R_{bc} + R_{ca}}\) |
Δ→Y 変換 |
4 |
| \(R_{ab} = \dfrac{R_a R_b + R_b R_c + R_c R_a}{R_c}\) |
Y→Δ 変換 |
4 |
| \(R_1 R_4 = R_2 R_3\) |
ブリッジの平衡条件(向かい合う辺の積) |
4 |
| \(\sum I = 0\) |
キルヒホッフの電流則 |
5 |
| \(\sum V = 0\) |
キルヒホッフの電圧則 |
5 |
| \(I = \dfrac{E_0}{R_0 + R_L}\) |
テブナンの定理 |
6 |
| \(J = \dfrac{E}{r}\) |
電源の等価変換 |
6 |
複素数
| 公式 |
意味 |
回 |
| \(j^2 = -1\)、\(\dfrac{1}{j} = -j\) |
虚数単位 |
8 |
| \(r = \sqrt{a^2 + b^2}\)、\(\theta = \tan^{-1}\dfrac{b}{a}\) |
直交形式 → 極形式 |
8 |
| \(a = r\cos\theta\)、\(b = r\sin\theta\) |
極形式 → 直交形式 |
8 |
| \(e^{j\theta} = \cos\theta + j\sin\theta\) |
オイラーの公式 |
8 |
| \((r_1\angle\theta_1)(r_2\angle\theta_2) = r_1 r_2\angle(\theta_1 + \theta_2)\) |
かけ算 |
8 |
| \(\dfrac{r_1\angle\theta_1}{r_2\angle\theta_2} = \dfrac{r_1}{r_2}\angle(\theta_1 - \theta_2)\) |
わり算 |
8 |
正弦波交流
| 公式 |
意味 |
回 |
| \(v = V_m\sin(\omega t + \theta)\) |
瞬時値 |
8 |
| \(f = \dfrac{1}{T}\)、\(\omega = 2\pi f\) |
周波数、周期、角周波数 |
8 |
| \(V = \dfrac{V_m}{\sqrt{2}}\) |
実効値 |
8 |
| \(V_a = \dfrac{2}{\pi}V_m\) |
平均値 |
8 |
| \(\sqrt{2}V\sin(\omega t + \theta) \leftrightarrow V\angle\theta\) |
フェーザ |
8 |
交流回路
| 公式 |
意味 |
回 |
| \(\dot{V} = \dot{Z}\dot{I}\)、\(\dot{Y} = \dfrac{1}{\dot{Z}}\) |
交流のオームの法則、アドミタンス |
9 |
| \(X_L = \omega L\)、\(X_C = \dfrac{1}{\omega C}\) |
リアクタンス |
9 |
| \(\dot{Z} = R + j(X_L - X_C)\) |
RLC 直列 |
10 |
| \(\lvert\dot{Z}\rvert = \sqrt{R^2 + (X_L - X_C)^2}\) |
その大きさ |
10 |
| \(\dot{Y} = G + j(B_C - B_L)\) |
RLC 並列 |
10 |
| \(\dot{Z} = \dfrac{\dot{Z}_1\dot{Z}_2}{\dot{Z}_1 + \dot{Z}_2}\) |
2 個の並列 |
11 |
| \(f_0 = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{LC}}\) |
共振周波数 |
11 |
| \(Q = \dfrac{\omega_0 L}{R} = \dfrac{1}{R}\sqrt{\dfrac{L}{C}}\) |
共振の鋭さ |
11 |
| \(f_c = \dfrac{1}{2\pi RC}\) |
RC 回路の遮断周波数 |
11 |
交流の電力
| 公式 |
意味 |
回 |
| \(P = VI\cos\varphi = I^2 R\) [W] |
有効電力 |
12 |
| \(Q = VI\sin\varphi = I^2 X\) [var] |
無効電力 |
12 |
| \(S = VI = \sqrt{P^2 + Q^2}\) [VA] |
皮相電力 |
12 |
| \(\cos\varphi = \dfrac{P}{S} = \dfrac{R}{\lvert\dot{Z}\rvert}\) |
力率 |
12 |
| \(\dot{S} = \dot{V}\,\overline{I} = P + jQ\) |
複素電力 |
12 |
| \(\dot{Z}_L = \overline{Z_0}\) |
最大電力の条件(共役整合) |
13 |
電気回路II
相互誘導と変圧器
| 公式 |
意味 |
回 |
| \(\dot{Z}_1\dot{Z}_4 = \dot{Z}_2\dot{Z}_3\) |
交流ブリッジの平衡条件 |
II-1 |
| \(\dot{V}_1 = j\omega L_1\dot{I}_1 \pm j\omega M\dot{I}_2\) |
結合コイルの式 |
II-2 |
| \(L = L_1 + L_2 \pm 2M\) |
直列接続(和動・差動) |
II-2 |
| \(k = \dfrac{M}{\sqrt{L_1L_2}}\) |
結合係数 |
II-3 |
| \(\dfrac{V_1}{V_2} = a\)、\(\dfrac{I_1}{I_2} = \dfrac{1}{a}\)、\(\dot{Z}_{in} = a^2\dot{Z}_L\) |
理想変圧器(\(a = N_1/N_2\)) |
II-3 |
| \(a = \sqrt{R_s/R_L}\) |
インピーダンス整合の巻数比 |
II-3 |
共振
| 公式 |
意味 |
回 |
| \(f_0 = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{LC}}\) |
共振周波数(直列・並列共通) |
II-5 |
| \(Q = \dfrac{\omega_0L}{R}\)、\(V_L = V_C = QV\) |
直列共振 |
II-5 |
| \(Q = \dfrac{R}{\omega_0L}\)、\(I_L = I_C = QI\) |
並列共振 |
II-6 |
| \(B = \dfrac{f_0}{Q}\) |
帯域幅 |
II-5 |
| \(Z_0 = \dfrac{L}{Cr}\) |
実際のコイル(抵抗 \(r\))を使った並列共振回路の共振インピーダンス |
II-6 |
回路網方程式と 2ポート回路
| 公式 |
意味 |
回 |
| 木の枝 \(n - 1\)、補木の枝 \(b - n + 1\) |
独立な節点方程式・閉路方程式の数 |
II-8 |
| \([\dot{Z}][\dot{I}] = [\dot{E}]\) |
閉路電流方程式 |
II-9 |
| \([\dot{Y}][\dot{V}] = [\dot{J}]\) |
節点電圧方程式 |
II-10 |
| \(\dot{V} = \dfrac{\sum\dot{Y}_k\dot{E}_k}{\sum\dot{Y}_k}\) |
ミルマンの定理 |
II-10 |
| \(\dot{Z}_{11} = \dot{Z}_a + \dot{Z}_c\)、\(\dot{Z}_{12} = \dot{Z}_c\)、\(\dot{Z}_{22} = \dot{Z}_b + \dot{Z}_c\) |
T 形回路の Z パラメータ |
II-11 |
| \(\dot{Y}_{11} = \dot{Y}_a + \dot{Y}_c\)、\(\dot{Y}_{12} = -\dot{Y}_c\)、\(\dot{Y}_{22} = \dot{Y}_b + \dot{Y}_c\) |
π 形回路の Y パラメータ |
II-12 |
| \(\begin{bmatrix} 1 & \dot{Z} \\ 0 & 1 \end{bmatrix}\)、\(\begin{bmatrix} 1 & 0 \\ \dot{Y} & 1 \end{bmatrix}\) |
直列枝・並列枝の F パラメータ |
II-13 |
| \(\dot{A}\dot{D} - \dot{B}\dot{C} = 1\) |
相反回路の条件 |
II-13 |
| 直列:Z の和 並列:Y の和 縦続:F の積 |
2ポート回路の接続 |
II-11〜13 |
電気回路III
過渡現象
| 公式 |
意味 |
回 |
| \(y(t) = y(\infty) + \{y(0^+) - y(\infty)\}e^{-t/\tau}\) |
1 階の回路の解 |
III-2 |
| \(\tau = RC\)、\(\tau = \dfrac{L}{R}\) |
時定数 |
III-3 |
| \(i_L(0^+) = i_L(0^-)\)、\(v_C(0^+) = v_C(0^-)\) |
初期条件(連続する量) |
III-3 |
| \(\alpha = \dfrac{R}{2L}\)、\(\omega_0 = \dfrac{1}{\sqrt{LC}}\)、\(R_c = 2\sqrt{\dfrac{L}{C}}\) |
R–L–C 直列回路(\(R_c\) は臨界抵抗) |
III-3 |
| \(1 \leftrightarrow \dfrac{1}{s}\)、\(e^{-at} \leftrightarrow \dfrac{1}{s + a}\) |
ラプラス変換 |
III-4 |
| \(\sin\omega t \leftrightarrow \dfrac{\omega}{s^2 + \omega^2}\)、\(\cos\omega t \leftrightarrow \dfrac{s}{s^2 + \omega^2}\) |
ラプラス変換 |
III-4 |
| \(\dfrac{df}{dt} \leftrightarrow sF(s) - f(0)\) |
微分の性質 |
III-4 |
| \(R\)、\(sL\)、\(\dfrac{1}{sC}\) |
\(s\) 領域のインピーダンス |
III-5 |
ひずみ波交流
| 公式 |
意味 |
回 |
| \(f(t) = a_0 + \sum(a_n\cos n\omega t + b_n\sin n\omega t)\) |
フーリエ級数 |
III-6 |
| \(\dfrac{4A}{\pi}\left(\sin\omega t + \dfrac{1}{3}\sin 3\omega t + \cdots\right)\) |
方形波(振幅 \(A\)) |
III-6 |
| \(V = \sqrt{V_0^2 + V_1^2 + V_2^2 + \cdots}\) |
ひずみ波の実効値 |
III-7 |
| \(k = \dfrac{\sqrt{V_2^2 + V_3^2 + \cdots}}{V_1}\) |
ひずみ率 |
III-7 |
| \(P = V_0I_0 + \sum V_nI_n\cos\varphi_n\) |
ひずみ波の電力 |
III-7 |
多相交流
| 公式 |
意味 |
回 |
| \(V_l = \sqrt{3}V_p\)、\(I_l = I_p\) |
Y 結線 |
III-8 |
| \(V_l = V_p\)、\(I_l = \sqrt{3}I_p\) |
Δ 結線 |
III-8 |
| \(\dot{Z}_Y = \dot{Z}_\Delta/3\) |
平衡負荷の Δ→Y 換算 |
III-9 |
| \(P = \sqrt{3}V_lI_l\cos\varphi = 3V_pI_p\cos\varphi\) |
平衡三相電力 |
III-10 |
| \(P_V = \sqrt{3}VI\)(利用率 86.6%) |
V 結線の出力 |
III-10 |
| \(\dot{V}_{N'} = \dfrac{\dot{Y}_a\dot{E}_a + \dot{Y}_b\dot{E}_b + \dot{Y}_c\dot{E}_c}{\dot{Y}_a + \dot{Y}_b + \dot{Y}_c}\) |
不平衡 Y 負荷の中性点電位 |
III-11 |
| \(V_l = \sqrt{2}E\)、\(I_N = \sqrt{2}I\) |
二相 3 線式 |
III-12 |
| \(N_s = \dfrac{120f}{p}\) |
同期速度 [min⁻¹] |
III-13 |
よく使う数値
|
値 |
| \(\sqrt{2}\) |
1.414 |
| \(\sqrt{3}\) |
1.732 |
| \(1/\sqrt{2}\) |
0.707 |
| \(\pi\) |
3.1416 |
| \(e\) |
2.718 |
| \(e^{-1}\) |
0.368 |
| \(1/\sqrt{3}\) |
0.577 |
| \(\sqrt{3}/2\) |
0.866 |
| \(2\pi \times 50\) |
314.2 |
| \(2\pi \times 60\) |
377.0 |
| \(3 + j4\) |
\(5\angle 53.1°\) |
| \(4 + j3\) |
\(5\angle 36.9°\) |
| \(1 + j1\) |
\(1.414\angle 45°\) |