電気工学では、抵抗器 (R)、コンデンサ (C)、インダクタ (L)) などの受動線形要素で構成されるネットワークの解析が基本です。これらの要素は回路に編成され、入力と出力の関係を伝達関数を使用して解析できます。コンデンサの両端の電圧を入力電圧に関連付ける RLC 回路の伝達関数は、キルヒホッフの法則を用いて導出できます。
伝達関数を導出するには、要素が直列に接続された RLC 回路を考えます。キルヒホッフの電圧法則 (KVL) は、閉回路内のすべての電圧の和がゼロであることを示しています。 RLC 回路の場合、これは初期条件がゼロであると仮定すると、次の積分微分方程式に変換されます。
ここで、V(t) は入力電圧、VR(t)=i(t)R は抵抗器の電圧、VC(t) =q(t)/C はコンデンサの電圧、q(t) はコンデンサの電荷、VL(t) = L(di(t)/dt) はインダクタの電圧です。
電流i(t) は電荷 q(t) と次の式で関連しています i(t)=dq(t)/dt。これらの関係を KVL 方程式に代入すると、次のようになります。
方程式を電圧形式で書き、両辺のラプラス変換を取り、すべての初期条件がゼロであると仮定すると、次の方程式が得られます。
項を並べ替えて伝達関数を解きます。
この伝達関数は、周波数領域での入力電圧に対するコンデンサの電圧を表します。インピーダンスは抵抗に似ていますが、コンデンサとインダクタに適用でき、伝達関数を定義する上で重要な役割を果たします。さらに、キルヒホッフの電流法則 (KCL) を使用して、ノード解析によって伝達関数を導出することもできます。この法則は、ノードに入る電流の和が、ノードから出る電流の和と等しくなければならないことを示しています。 RLC 回路では、総電流はコンデンサを流れる電流と、抵抗器とインダクタの直列接続を流れる電流の和です。KCL を適用して簡略化することで、同じ伝達関数を導出できます。
KVL と KCL は回路解析の強力なツールであり、周波数領域での電気ネットワークの動的動作を簡潔に記述する伝達関数の導出を可能にします。これらの方法は、さまざまなアプリケーションでの複雑な回路の設計と解析に不可欠です。
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