LC直列共振回路の共振周波数は f = 1/(2π√(LC)) で与えられる。共振周波数はLC積の平方根に反比例するため、LC積が大きいほど小さくなる。
令和6年度 上期 第三種電気主任技術者 理論 問8
図のように、二つのLC直列共振回路A、Bがあり、それぞれの共振周波数がf_A[Hz]、f_B[Hz]である。これらA、Bをさらに直列に接続した場合、全体としての共振周波数がf_AB[Hz]になった。f_A、f_B及びf_ABの大小関係として、正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

選択肢
解説
結論 → 詳細 → 補足 の 3 層構成
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解説
結論 → 詳細 → 補足 の 3 層構成
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回路A: L・Cなので LC積は「LC」。 f_A = 1/(2π√(LC))
回路B: 2L・Cなので LC積は「2LC」。 f_B = 1/(2π√(2LC))
補足Layer 3展開閉じる
回路Aと回路Bを直列接続すると、インダクタは直列で加算され L_total = L + 2L = 3L となる。コンデンサは同じ値Cが2個直列になるので C_total = C/2 となる(1/C_total = 1/C + 1/C = 2/C)。
よって全体のLC積は L_total × C_total = 3L × C/2 = 1.5LC。
3つのLC積を比較すると、
A: LC < AB: 1.5LC < B: 2LC
LC積が小さいほど共振周波数は大きいので、大小関係は逆転し、
f_A(A:LC) > f_AB(AB:1.5LC) > f_B(B:2LC)
すなわち f_B < f_AB < f_A となる。
数値検証(LC=1と仮置き): f_A = 1/(2π√1) ≒ 0.159, f_AB = 1/(2π√1.5) ≒ 0.130, f_B = 1/(2π√2) ≒ 0.113。よって f_B(0.113) < f_AB(0.130) < f_A(0.159) で条件を満たす。
したがって正答は(3) f_B < f_AB < f_A。
各選択肢の解説
- (1)
f_A < f_B < f_AB
誤り。実際にはf_Aが最大なのにこの肢は最小とし、f_ABはf_Bとf_Aの中間なのに最大としている。各回路のLC積はAがLC、直列回路が1.5LC、Bが2LCであり、周波数はその平方根の逆数に比例する。
- (2)
f_A < f_AB < f_B
誤り。f_A < f_AB < f_B という順序。計算上はLC積の大小がA: LC < AB: 1.5LC < B: 2LCであり、共振周波数はLC積の平方根に反比例するため、周波数の大小は LC積の大小と逆順(f_A > f_AB > f_B)になる。この選択肢はf_Aを最小・f_Bを最大としており、逆順になっていないため誤り。
- (3)
f_B < f_AB < f_A
正しい。LC積はAがLC、直列回路が1.5LC、Bが2LC。f=1/(2π√LC)のため f_B<f_AB<f_A となる。比較用にLC=1と置けば、f_B≈0.113、f_AB≈0.130、f_A≈0.159と同じ単位系で順序を確かめられる。
- (4)
f_AB < f_A < f_B
誤り。f_AB < f_A < f_B という順序。実際にはLC積の大小関係から f_Aとf_Bの間にf_ABが位置し(f_B < f_AB < f_A)、f_ABが最小・f_Bが最大という配置にはならないため誤り。
- (5)
f_AB < f_B < f_A
誤り。f_AB < f_B < f_A という順序。実際にはf_ABはf_Aとf_Bの中間の値であり、最小になることはない(LC_AB=1.5LCはLC_A=1LCとLC_B=2LCの中間であるため、f_ABもf_Aとf_Bの中間になる)。この選択肢はf_ABを最小としているため誤り。
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