네 변이 모두 120 Ω인 브리지에 5 V를 공급합니다. 센서 R₂가 변하면 출력이 Vab = 49.02 mV로 읽힙니다. R₂의 정확한 변화량 ΔR을(를) 구하시오.
Vs = 5 VR = 120 ΩVab = 49.02 mV
ΔR = Ω
12.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지어려움
네 변이 120 Ω인 브리지에 5 V를 여기하며 구성은 다음과 같습니다: 능동 게이지 하나(1/4 브리지). 게이지율은 2.05이고 변형률은 250 µε입니다. 브리지 출력 Vo을(를) mV 단위로 구하시오.
Vs = 5 VGF = 2.05ε = 250 µε
Vo = mV
13.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭보통
카르노 맵으로 F(A, B, C, D) = Σm(0, 4, 7, 8, 15)의 최소 곱의 합(SOP) 형태를 구하시오. 곱항은 몇 개(N)인가?
F(A, B, C, D) = Σm(0, 4, 7, 8, 15)
N =
14.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭어려움
d가 무정의항을 나타낼 때 F(A, B, C, D) = Σm(7, 8, 10, 13, 14) + d(2, 9)의 최소 SOP 형태를 구하시오. 리터럴은 몇 개(L)인가?
F(A, B, C, D) = Σm(7, 8, 10, 13, 14) + d(2, 9)
L =
3용액
1.다이오드와 트랜지스터
답: IC = 5.515 mA
BJT 동작점: 활성 영역에서 VBE = 0.7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB입니다. 베이스 루프에 KVL을 적용해 IB를 구하고, 이어서 IC를, 그다음 컬렉터–이미터 루프에서 VCE를 구하세요. 베이스의 분압기는 테브난 등가 VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂로 대체하며, 이미터 저항은 베이스 루프에서 (β + 1)배 크게 나타납니다.
분압기의 테브난 등가
VTH = 18·12/(47 + 12) = 3.661 V
RTH = 47·12/(47 + 12) = 9.559 kΩ
베이스 전류
베이스 루프를 따라 KVL. 이미터 전류는 (β + 1)·IB입니다.
IB = (3.661 − 0.7)/(9.559 + 151·0.47) = 36.77 µA
컬렉터 전류
IC = 150·36.77 µA = 5.515 mA
IE = 151·36.77 µA = 5.552 mA
답
IC = 5.515 mA
2.다이오드와 트랜지스터
답: PZ,max = 172.5 mW
제너 레귤레이터: 역방향 바이어스된 제너 다이오드는 전류가 최소값 IZ,min 이상인 동안 전압 VZ를 유지합니다. 직렬 저항 R이 입력과 출력의 차이를 받습니다: IR = (Vin − VZ)/R. 이 전류는 부하 IL = VZ/RL과 제너 IZ = IR − IL로 나뉩니다. 최악의 경우에 맞춰 설계하세요: 입력이 가장 낮고 부하가 가장 클 때도 IZ,min이 남아야 하고, 입력이 가장 높고 부하가 없을 때 제너 전력 PZ = VZ·IZ가 가장 큽니다.
최악의 경우의 제너 전류
IZ = 15.9/470 = 33.83 mA
제너 전력
PZ = 5.1·33.83 = 172.5 mW
답
PZ,max = 172.5 mW
3.연산 증폭기 회로
답: Vout = 6.6 V
이상 연산 증폭기 규칙: 부귀환이 있으면 연산 증폭기는 두 입력이 같은 전압(V₋ = V₊)이 되도록 출력을 조절하고, 어느 입력으로도 전류가 흘러 들어가지 않습니다. 이 두 사실로 반전 입력에서 KCL을 세우면 출력이 나옵니다.
반전 입력이 입력을 따라감
V₋ = V₊ = 1.1 V
I = V₋/R1 = 1.1/2 = 0.55 mA
출력 전압
R₁의 전류는 Rf에도 흐릅니다.
Vout = V₋ + I·Rf = 1.1 + 0.55·10 = 6.6 V
답
Vout = 6.6 V
4.연산 증폭기 회로
답: Vout = 1.811 V
이상 연산 증폭기 규칙: 부귀환이 있으면 연산 증폭기는 두 입력이 같은 전압(V₋ = V₊)이 되도록 출력을 조절하고, 어느 입력으로도 전류가 흘러 들어가지 않습니다. 이 두 사실로 반전 입력에서 KCL을 세우면 출력이 나옵니다.
입력 전류와 증가율
kΩ × µF는 밀리초입니다.
RC = 47 kΩ · 0.47 µF = 22.09 ms
증가율 = −Vin/(RC) = −(−0.4)/22.09 = 0.01811 V/ms
주어진 시각의 출력
이상값이 ±Vsat 안에 있으므로 적분기는 아직 잘리지 않았습니다.
Vout = −Vin·t/(RC) = −(−0.4)·100/22.09 = 1.811 V
답
Vout = 1.811 V
5.RC·RL 과도 현상
답: vR = 27.47 V
1차 과도 현상: 커패시터나 인덕터가 하나인 회로에서 모든 전압과 전류는 초기값에서 최종값으로 지수적으로 변합니다: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC 또는 τ = L/R. 약 5τ 뒤에 회로가 정상 상태가 됩니다.
시정수
τ = L/R = 33 mH / 50 Ω = 0.66 ms
전류의 감쇠
i(t) = 2.5·e−1/0.66 = 0.5494 A
vR = R·i = 50·0.5494 = 27.47 V
답
vR = 27.47 V
6.RC·RL 과도 현상
답: vC = 7.102 V
1차 과도 현상: 커패시터나 인덕터가 하나인 회로에서 모든 전압과 전류는 초기값에서 최종값으로 지수적으로 변합니다: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC 또는 τ = L/R. 약 5τ 뒤에 회로가 정상 상태가 됩니다.
초기값, 최종값, 시정수
커패시터 전압은 갑자기 변할 수 없으므로 저장된 값에서 시작해 전원 전압으로 향합니다.
vC(0) = 5 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 10 kΩ · 22 µF = 220 ms
vC(t) = 10 + (5 − 10)·e−t/τ
주어진 시각의 전압
vC(120) = 10 + (−5)·e−120/220 = 7.102 V
답
vC = 7.102 V
7.저항의 직렬·병렬
답: IR2 = 0.3789 A
직렬과 병렬 저항: 직렬에서는 각 저항에 같은 전류가 흐르고 R = R₁ + R₂ + …. 병렬에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리고 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. 사다리 회로는 하나의 합성 저항이 남을 때까지 한 쌍씩 줄입니다.
먼 쪽 끝부터 저항 합치기
전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.
R3 + R4 = 10 + 5 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 20·15/(20+15) = 8.571 Ω
Req = R1 + 8.571 = 5 + 8.571 = 13.57 Ω
전원 전류
전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.
IR1 = V1/Req = 12/13.57 = 0.8842 A
R₂에 흐르는 전류
R₁의 전압 강하를 빼면 마디 A의 전압, 즉 R₂ 양단 전압이 됩니다.
VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 0.8842·5 = 7.579 V
IR2 = VA/R2 = 7.579/20 = 0.3789 A
답
IR2 = 0.3789 A
8.저항의 직렬·병렬
답: Req = 26.79 Ω
직렬과 병렬 저항: 직렬에서는 각 저항에 같은 전류가 흐르고 R = R₁ + R₂ + …. 병렬에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리고 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. 사다리 회로는 하나의 합성 저항이 남을 때까지 한 쌍씩 줄입니다.
먼 쪽 끝부터 저항 합치기
전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.
R5 + R6 = 15 + 30 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 13.85 Ω
R3 + 13.85 = 16.85 Ω
R2 ∥ 16.85 = 1.788 Ω
Req = R1 + 1.788 = 25 + 1.788 = 26.79 Ω
답
Req = 26.79 Ω
9.DC-DC 컨버터
답: ΔIL = 0.2394 A
DC-DC 컨버터: 스위치 S는 매 주기 T = 1/f 중 D의 비율 동안 켜집니다. 정상상태에서 인덕터의 평균 전압은 0이며(볼트-초 평형), 이로부터 연속 전도 모드에서의 이상적인 변환비가 나옵니다. 강압(벅) Vo = D·Vin, 승압(부스트) Vo = Vin/(1 − D), 반전 벅-부스트 |Vo| = Vin·D/(1 − D)입니다. 이상적인 컨버터는 전력을 보존합니다: Vin·Iin = Vo·Io. S가 켜져 있는 동안 인덕터 전류는 ΔIL = VL·D·T/L만큼 증가하며, VL은 강압에서는 Vin − Vo, 승압과 벅-부스트에서는 Vin입니다. 출력 리플은 강압에서 ΔVo = ΔIL/(8fC), 승압과 벅-부스트에서 Io·D/(fC)입니다. 인덕터 전류가 겨우 0에 닿는 경우(CCM 경계)는 평균 인덕터 전류가 ΔIL/2와 같을 때입니다.
듀티비
D = 3/(9 + 3) = 0.25
켜짐 시간 동안의 인덕터 전압
S가 켜져 있는 동안 인덕터는 Vin에 바로 걸립니다.
VL = 9 V
리플 전류
ΔIL = VL·D/(L·f) = 9·0.25/(47·10⁻⁶·200·10³) = 0.2394 A
답
ΔIL = 0.2394 A
10.DC-DC 컨버터
답: C = 66.58 µF
DC-DC 컨버터: 스위치 S는 매 주기 T = 1/f 중 D의 비율 동안 켜집니다. 정상상태에서 인덕터의 평균 전압은 0이며(볼트-초 평형), 이로부터 연속 전도 모드에서의 이상적인 변환비가 나옵니다. 강압(벅) Vo = D·Vin, 승압(부스트) Vo = Vin/(1 − D), 반전 벅-부스트 |Vo| = Vin·D/(1 − D)입니다. 이상적인 컨버터는 전력을 보존합니다: Vin·Iin = Vo·Io. S가 켜져 있는 동안 인덕터 전류는 ΔIL = VL·D·T/L만큼 증가하며, VL은 강압에서는 Vin − Vo, 승압과 벅-부스트에서는 Vin입니다. 출력 리플은 강압에서 ΔVo = ΔIL/(8fC), 승압과 벅-부스트에서 Io·D/(fC)입니다. 인덕터 전류가 겨우 0에 닿는 경우(CCM 경계)는 평균 인덕터 전류가 ΔIL/2와 같을 때입니다.
듀티비
D = 7.5/15 = 0.5
인덕터 리플 전류
ΔIL = (15 − 7.5)·0.5/(220·10⁻⁶·40·10³) = 0.4261 A
정전 용량
C = 0.4261/(8·40·10³·20·10⁻³) = 66.58 µF
답
C = 66.58 µF
11.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지
답: ΔR = 4.8 Ω
휘트스톤 브리지: 두 개의 분압기가 하나의 전원 Vs를 공유합니다. 왼쪽 분압기 R1–R2는 Va = Vs·R2/(R1 + R2)를, 오른쪽 분압기 R3–R4는 Vb = Vs·R4/(R3 + R4)를 주며, 출력은 Vab = Va − Vb입니다. 브리지는 R1/R2 = R3/R4, 즉 R1·R4 = R2·R3일 때 평형(Vab = 0, 계기에 전류가 흐르지 않음)입니다. 출력 단자에서 보면 브리지는 Rth = R1∥R2 + R3∥R4인 테브난 전원입니다.
노드 전압
Va = 2.5 + 0.04902 = 2.549 V
분압식 풀기
R₂ = 120·2.549/(5 − 2.549) = 124.8 Ω
ΔR = 124.8 − 120 = 4.8 Ω
답
ΔR = 4.8 Ω
12.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지
답: Vo = 0.6406 mV
스트레인 게이지: 게이지는 변형률에 따라 저항이 변합니다: ΔR/R = GF·ε이며, 게이지율 GF는 금속 박막에서 약 2입니다. 모든 변이 R로 같은 브리지에서 능동 게이지 하나(1/4 브리지)는 Vo ≈ Vs·GF·ε/4를 줍니다. 서로 인접한 변에 반대 변형률을 받는 능동 게이지 둘(1/2 브리지)은 Vs·GF·ε/2를, 넷(풀 브리지)은 Vs·GF·ε를 줍니다. 응력은 훅의 법칙 σ = E·ε에서 구합니다. 로드셀은 감도를 mV/V로 표기합니다. 이는 여기 전압 1 V당 정격 하중에서의 출력입니다.
상대 저항 변화
ΔR/R = 2.05·250·10⁻⁶ = 0.0005125
브리지 출력
Vo ≈ Vs·GF·ε/4 = 5·0.0005125/4 = 0.6406 mV
답
Vo = 0.6406 mV
13.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: N = 3
카르노 맵: 칸은 그레이 코드(00, 01, 11, 10) 순서로 배열되므로, 가장자리를 넘어 이웃한 칸을 포함해 이웃한 칸은 정확히 한 변수만 다릅니다. 모든 1이 덮일 때까지 1들을 1, 2, 4, 8, 16칸의 직사각형으로, 가능한 한 크고 가능한 한 적게 묶으세요. 각 그룹은 그 안에서 일정하게 유지되는 변수로 이루어진 곱항 하나입니다. 2ᵏ칸의 그룹은 변수 k개를 잃습니다. 무정의항(X)은 그룹을 키우는 데 쓸 수 있지만 반드시 덮을 필요는 없습니다. 0들을 묶으면 최소 POS 형태가 나옵니다.
1 묶기
모든 그룹은 2ᵏ칸의 직사각형입니다. 가장자리 칸은 반대쪽 가장자리의 칸과 이웃합니다.
B′C′D′
BCD
A′C′D′
최소 SOP 형태
F = B′C′D′ + BCD + A′C′D′
N = 3
답
N = 3
14.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: L = 13
카르노 맵: 칸은 그레이 코드(00, 01, 11, 10) 순서로 배열되므로, 가장자리를 넘어 이웃한 칸을 포함해 이웃한 칸은 정확히 한 변수만 다릅니다. 모든 1이 덮일 때까지 1들을 1, 2, 4, 8, 16칸의 직사각형으로, 가능한 한 크고 가능한 한 적게 묶으세요. 각 그룹은 그 안에서 일정하게 유지되는 변수로 이루어진 곱항 하나입니다. 2ᵏ칸의 그룹은 변수 k개를 잃습니다. 무정의항(X)은 그룹을 키우는 데 쓸 수 있지만 반드시 덮을 필요는 없습니다. 0들을 묶으면 최소 POS 형태가 나옵니다.