β = 150인 NPN 트랜지스터가 VCC = 12 V와 컬렉터 사이에 연결된 220 Ω 부하 저항을 스위칭한다. 이미터는 접지되어 있다. 베이스는 3.3 V 논리 출력에서 베이스 저항 RB을(를) 통해 구동된다. VBE = 0.7 V, VCE(sat) = 0.2 V로 한다. 트랜지스터를 겨우 포화시킬 수 있는 가장 큰 베이스 저항 RB을(를) kΩ 단위로 구하시오.
게이지율 2인 120 Ω 스트레인 게이지가 강철 막대에 부착되어 있습니다. 하중을 받으면 저항이 0.12 Ω 증가합니다. 변형률 ε을(를) 마이크로 스트레인(µε) 단위로 구하시오.
R = 120 ΩGF = 2ΔR = 0.12 Ω
ε = µε
13.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭보통
카르노 맵으로 F(A, B, C, D) = Σm(0, 3, 5, 6, 9, 10, 13)의 최소 합의 곱(POS) 형태를 구하시오. 합항(인수)은 몇 개(N)인가?
F(A, B, C, D) = Σm(0, 3, 5, 6, 9, 10, 13)
N =
14.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭어려움
d가 무정의항을 나타낼 때 F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 3, 4, 9, 10) + d(11, 13)의 필수 소 임플리컨트의 개수 N을(를) 구하시오.
F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 3, 4, 9, 10) + d(11, 13)
N =
3용액
1.다이오드와 트랜지스터
답: VCE = 13.17 V
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 = 20·10/(56 + 10) = 3.03 V
RTH = 56·10/(56 + 10) = 8.485 kΩ
베이스 전류
베이스 루프를 따라 KVL. 이미터 전류는 (β + 1)·IB입니다.
IB = (3.03 − 0.7)/(8.485 + 101·1) = 21.28 µA
컬렉터 전류
IC = 100·21.28 µA = 2.128 mA
IE = 101·21.28 µA = 2.15 mA
컬렉터–이미터 전압
VCE = 20 − 2.128·2.2 − 2.15·1 = 13.17 V
답
VCE = 13.17 V
2.다이오드와 트랜지스터
답: RB = 7.271 kΩ
스위치로서의 BJT: 부하를 완전히 켜려면 트랜지스터를 포화 영역으로 구동합니다. 이때 VCE = VCE(sat)이고 컬렉터 전류는 부하가 정합니다: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. 포화에는 최소 IB = IC(sat)/β가 필요합니다. 베이스 전류가 이보다 작으면 트랜지스터는 활성 영역에 머물고 IC = β·IB입니다.
포화 시 컬렉터 전류
IC(sat) = (12 − 0.2)/220 = 53.64 mA
최소 베이스 전류
IB(min) = IC(sat)/β = 53.64/150 = 357.6 µA
베이스 저항
RB = (3.3 − 0.7)/IB = 2.6 V/0.3576 mA = 7.271 kΩ
답
RB = 7.271 kΩ
이보다 작은 베이스 저항도 모두 트랜지스터를 포화시킵니다. 실제로는 몇 배 작은 값을 고릅니다.
3.연산 증폭기 회로
답: Rf = 400 kΩ
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.
t = τ·ln((20 − 12)/(15.2 − 12)) = 149.6·ln(2.5) = 137.1 ms
답
t = 137.1 ms
7.저항의 직렬·병렬
답: Req = 24.29 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.
R3 + R4 = 10 + 5 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 6·15/(6+15) = 4.286 Ω
Req = R1 + 4.286 = 20 + 4.286 = 24.29 Ω
답
Req = 24.29 Ω
8.저항의 직렬·병렬
답: IR2 = 0.1508 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.
R5 + R6 = 2 + 8 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 7.143 Ω
R3 + 7.143 = 10.14 Ω
R2 ∥ 10.14 = 6.051 Ω
Req = R1 + 6.051 = 10 + 6.051 = 16.05 Ω
전원 전류
전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.
IR1 = V1/Req = 6/16.05 = 0.3738 A
R₂에 흐르는 전류
R₁의 전압 강하를 빼면 마디 A의 전압, 즉 R₂ 양단 전압이 됩니다.
VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0.3738·10 = 2.262 V
IR2 = VA/R2 = 2.262/15 = 0.1508 A
답
IR2 = 0.1508 A
9.DC-DC 컨버터
답: Imax = 0.6395 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 = 6.3/9 = 0.7
평균 전류와 리플 전류
Io = 6.3/12 = 0.525 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 2.7·0.7/(330·10⁻⁶·25·10³) = 0.2291 A
최대 전류
Imax = 0.525 + 0.2291/2 = 0.6395 A
답
Imax = 0.6395 A
10.DC-DC 컨버터
답: Lcrit = 2.16 µH
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 = 56/(24 + 56) = 0.7
경계 조건
평균 인덕터 전류를 리플 전류의 절반과 같게 놓고 L에 대해 푸세요.
Lcrit = (1 − D)²·R/(2f)
임계 인덕턴스
Lcrit = (1 − 0.7)²·12/(2250·10³) = 2.16 µH
답
Lcrit = 2.16 µH
11.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지
답: Ig = 4735 µA
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.
테브난 전압
Vth = 9·(1000/1800 − 40/1040) = 4.654 V
테브난 저항
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 482.9 Ω
검류계 전류
Ig = 4.654/(482.9 + 500) = 4735 µA
답
Ig = 4735 µA
12.휘트스톤 브리지와 스트레인 게이지
답: ε = 500 µε
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 = 0.12/120 = 0.001
변형률
ε = 0.001/2 = 0.0005 = 500 µε
답
ε = 500 µε
13.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: N = 7
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.
0 묶기
모든 그룹은 2ᵏ칸의 직사각형입니다. 가장자리 칸은 반대쪽 가장자리의 칸과 이웃합니다.
(B′ + C + D)
(B′ + C′ + D′)
(A′ + C + D)
(A′ + C′ + D′)
(A′ + B′ + D)
(A + B + C + D′)
(A + B + C′ + D)
최소 POS 형태
F = (B′ + C + D)(B′ + C′ + D′)(A′ + C + D)(A′ + C′ + D′)(A′ + B′ + D)(A + B + C + D′)(A + B + C′ + D)
N = 7
답
N = 7
같은 크기의 다른 묶음도 있으며, 항과 리터럴의 수는 같습니다.
14.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.