Q factor(Q値)

LCR回路測定に関する翻訳で、Q factor(Q値)という言葉がよく出てくる(例えば、Agilentインピーダンス/ネットワーク解析Application Listのp8)。Q factorは、Quality factorの略である。

Q値とは、一般に、振動系の共振の鋭さの指標であり、以下のように定義される。

Q=(系に蓄えられているエネルギー)/(1サイクルの間に失われるエネルギー)

ここで例として、直列LCR回路に交流電圧Vを印加して、交流電流Iが流れる場合を考える。直列LCR回路のインピーダンスZは、

Z=R+j(ωL-1/(ωC))

なので、その大きさ|Z|は、

|Z|=√(R^2+(ωL-1/(ωC))^2)

であり、ω=ω0=1/√(LC)のときに最小値(|Z|=R)になる。この状態が共振状態であり、電流の大きさ|I|が最大値(|I|=I0)になる。

直列LCR回路に蓄えられているエネルギーEsは、コンデンサに蓄えられているエネルギーとコイルに蓄えられているエネルギーの和なので、コンデンサにかかる電圧をVcとして、

Es=(1/2)LI^2+(1/2)CVc^2

と表される。Vc=Asin(ωt)とすると、I=C×(dVc/dt)=ωCAcos(ωt)なので、

Es=(1/2)L×ω^2×C^2×A^2×cos^2(ωt)+(1/2)C×A^2×sin^2(ωt)

となる。したがって、共振状態(ω=ω0=1/√(LC))のときに、この回路に蓄えられているエネルギーは、

Es=(1/2)C×A^2  (1)

となる。

また、この回路で、1サイクルの間に失われるエネルギーEdは、抵抗Rで消費される電力×1サイクルの時間(1/ω0)なので、

Ed=R×Irms^2×(1/ω0)=R×(ω^2×C^2×A^2/2)×(1/ω0)=((1/2)×((RC)/(ω0L))×A^2))  (2)

となる。(1)式と(2)式から、Qは、

Q=Es/Ed=ω0L/R=1/(ω0RC)  (3)

となる。

一方、共振の鋭さの指標である、

ω0/(ω2-ω1)、ω1とω2は、電流が最大電流I0の1/√2となるときの周波数

から(3)式を計算することもできる。

計算の概略は、共振回路を流れる電流の大きさ|I|=|V|/|Z|=|V|/√(R^2+(ωL-1/(ωC))^2)とその回路の共振時(ω=ω0=1/√(LC)のとき)の電流の大きさI0=V/Rから、|I|/|I0|=R/√(R^2+(ωL-1/(ωC))^2)であり、ω=ω1、ω2のときに|I|/|I0|=1/√2なので、ω1とω2が求まり、ω1-ω2=R/Lとなり、ω0/(ω2-ω1)を計算すると(3)式になっている。

Q値については、以下を参照。

東京大学大学院新領域創成科学研究科複雑理工学専攻 牧野泰才氏のページ > 資料 >
Q値

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