FE Electrical and Computer 시험 대비: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 40개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

저항의 직렬·병렬

저항의 직렬 연결
Req = R1 + R2 + …
저항의 병렬 연결
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
두 저항의 병렬
Req = R1R2 / (R1 + R2)
옴의 법칙
V = I·R
전력
P = V·I = I²R = V²/R

방법

  1. 단자에서 가장 먼 회로망 끝에서 시작하세요.
  2. 직렬 저항은 더하고, 병렬 저항은 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …로 합성하세요.
  3. 단계마다 회로를 다시 그리세요.
  4. 단자 사이에 저항이 하나 남을 때까지 반복하세요.

마디 해석

키르히호프 전류 법칙
ΣIin = ΣIout
가지 전류
I = (Va − Vb)/R
기준 마디
Vground = 0

방법

  1. 기준 마디(접지)를 정하고 나머지 마디 전압에 이름을 붙이세요.
  2. 미지의 마디마다 키르히호프 전류 법칙을 쓰세요. 각 가지로 나가는 전류의 합은 들어오는 전류의 합과 같습니다.
  3. 모든 가지 전류를 (Va − Vb)/R로 나타내세요.
  4. 연립방정식을 푼 다음 필요한 전류를 구하세요.

망 해석

키르히호프 전압 법칙
모든 루프에서 ΣV = 0
공유 저항
전류 = I1 − I2
망 안의 전류원
그 망 전류가 정해짐

방법

  1. 회로의 모든 망(창)에 시계 방향 전류를 그리세요.
  2. 각 망을 따라 키르히호프 전압 법칙을 적용하세요. 전압 강하의 합은 0입니다.
  3. 두 망이 공유하는 저항에 흐르는 전류는 두 망 전류의 차입니다.
  4. 방정식을 푸세요. 결과가 음수이면 전류가 반대 방향으로 흐릅니다.

중첩의 원리

중첩의 원리
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
제거한 전압원
단락 (0 V)
제거한 전류원
개방 (0 A)
전압 분배
V2 = V·R2/(R1 + R2)
전류 분배
I1 = I·R2/(R1 + R2)

방법

  1. 독립 전원의 수를 세세요. 전원 하나마다 더 간단한 회로를 하나씩 풉니다.
  2. 전원 하나만 남기고 나머지는 끄세요. 전압원은 단락(도선)이 되고, 전류원은 개방(끊어진 부분)이 됩니다.
  3. 간단해진 회로에서 필요한 전압이나 전류를 구하고, 그 방향을 기록하세요.
  4. 모든 전원에 대해 반복한 뒤, 각 기여분을 부호와 함께 더하세요.

테브난·노턴

테브난 전압
Vth = Vopen circuit
테브난 저항
Rth: 모든 전원을 제거하고 a–b에서 본 저항
노턴 전류
IN = Vth/Rth
부하 전류
IL = Vth/(Rth + RL)
최대 전력 전달
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

방법

  1. 부하를 떼어 내고 두 단자를 a와 b로 표시하세요.
  2. a와 b 사이의 개방 전압을 구하세요. 이것이 Vth입니다.
  3. 모든 독립 전원을 끄고 a–b에서 본 저항을 구하세요. 이것이 Rth입니다.
  4. 부하를 등가 회로에 다시 연결합니다: Vth와 Rth의 직렬.
  5. 노턴 등가 회로로 변환합니다: IN = Vth/Rth, RN = Rth를 병렬로.

RC·RL 과도 현상

시정수
τ = RC | τ = L/R
응답
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
직류에서의 커패시터
개방; vC는 갑자기 변할 수 없음
직류에서의 인덕터
단락; iL은 갑자기 변할 수 없음
정상 상태 값
t ≈ 5τ

방법

  1. 스위칭 직후의 초깃값을 구하세요. 커패시터 전압과 인덕터 전류는 갑자기 변할 수 없습니다.
  2. 스위칭 후 충분히 지난 뒤의 최종값을 구하세요. 커패시터는 개방 회로, 인덕터는 단락 회로처럼 동작합니다.
  3. 커패시터나 인덕터에서 본 저항을 이용해 시정수 τ = RC 또는 τ = L/R을 구하세요.
  4. x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ를 쓰세요.

교류 임피던스와 페이저

임피던스
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
각주파수
ω = 2πf
크기와 위상각
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
페이저 옴의 법칙
V = I·Z

방법

  1. 주파수를 바꾸세요: ω = 2πf.
  2. 각 리액턴스를 구하세요: XL = ωL, XC = 1/(ωC).
  3. 임피던스는 Z = R + jX로 놓고 저항처럼 합성하세요.
  4. 크기 |Z| = √(R² + X²)와 각 φ = atan(X/R)을 구한 다음 페이저로 옴의 법칙을 쓰세요.

교류 전력과 역률

유효 전력
P = V·I·cos φ
무효 전력
Q = V·I·sin φ
피상 전력
S = V·I = √(P² + Q²)
역률
pf = cos φ = P/S
역률 보상 커패시터
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

3상 전력

Y 결선
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ 결선
VL = Vph, IL = √3·Iph
전체 유효 전력
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
피상 전력과 무효 전력
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
역률 개선용 커패시터
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
각 커패시터에 걸리는 전압
Δ: VL Y: VL/√3
전동기 입력
Pin = Pout/η

변압기

권수비
a = N1/N2 = V1/V2
전류비
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
정격 전류
I = S/V
환산 임피던스
Z1′ = a²·ZL
부분 부하에서의 동손
Pcu = x²·Pcu,fl
효율
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
최대 효율
x = √(Pcore/Pcu,fl)

연산 증폭기 회로

반전 증폭기
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
비반전 증폭기
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
가산 증폭기
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
이상적인 연산 증폭기
V+ = V−, Iin = 0

다이오드와 트랜지스터

다이오드(정전압 강하 모델)
VD = 0.7 V when conducting
활성 영역
VBE = 0.7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
고정 바이어스
IB = (VCC − 0.7)/RB
전압 분배 바이어스
IB = (VTH − 0.7)/(RTH + (β + 1)RE)
분압기의 테브난 등가
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
컬렉터 루프
VCE = VCC − ICRC − IERE
포화
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

진법

자릿값
2진수 2k, 8진수 8k, 16진수 16k
10진수로
Σ dk·bk
10진수에서
기수로 나누고, 나머지를 아래에서 위로 읽음
16진수 ↔ 2진수
16진수 한 자리 = 4비트
2의 보수
비트를 반전하고 1을 더함

디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭

기본 게이트
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
불 규칙
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
드모르간 법칙
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
카르노 맵의 순서
00, 01, 11, 10 (Gray code)
2ᵏ칸의 그룹
변수 k개를 잃음
4-대-1 멀티플렉서
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
플립플롭
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
카운터
n비트: 2ⁿ개 상태; mod-N: 2ⁿ ≥ N인 가장 작은 n; fout = fclk/N
리플 카운터
fmax = 1/(n·tpd)
링 카운터와 존슨 카운터
상태 n개와 2n개

방법

  1. 회로는 입력에서 출력까지 게이트를 하나씩 따라가며 모든 선에 값을 적거나, 식을 쓰고 진리표를 채우세요.
  2. 간소화할 때는 1(그리고 무정의항은 X)을 그레이 코드 행과 열(00, 01, 11, 10)을 가진 카르노 맵에 넣으세요.
  3. 1들을 1, 2, 4, 8, 16칸의 가능한 한 적고 큰 그룹으로 덮되 가장자리를 넘어 이어 보세요. 각 그룹은 일정하게 유지되는 변수로 이루어진 곱항 하나입니다. POS 형태는 0들을 묶으세요.
  4. 플립플롭과 카운터는 활성 클록 에지마다 입력을 읽고, 에지마다 상태를 적고, n비트 카운터는 2ⁿ개 상태 뒤에 되돌아간다는 것을 기억하세요.

안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

안정도
특성다항식의 모든 근이 좌반평면에 있음
라우스 표, 3차식의 s¹ 항
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
우반평면의 근
첫 번째 열의 부호 변화 횟수
3차식 s³ + a₂s² + a₁s + a₀
모든 a > 0이고 a₂·a₁ > a₀일 때 안정
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
특성방정식
1 + K·G(s) = 0
점근선
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
분기점과 합류점
dK/ds = 0
크기 조건
K = 1/|G(s)|
출발각
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

방법

  1. 폐루프 특성다항식을 쓰세요. 1 + K·G(s) = 0의 분모를 전개한 것입니다.
  2. 계수를 번갈아 라우스 표의 처음 두 행에 넣고 나머지 행을 만드세요.
  3. 첫 번째 열의 부호 변화를 세세요. 하나하나가 우반평면의 극점입니다. 표에 K가 들어 있으면 첫 번째 열의 모든 항이 양수로 유지되도록 하세요.
  4. 근궤적에서는 극점과 영점, 실수축 구간, 중심점에서 나오는 점근선, dK/ds = 0인 분기점을 표시하세요. 한 점에서의 이득은 K = 1/|G(s)|로 구합니다.

정상상태 오차와 PID 제어

시스템 형
G(s)의 s = 0에 있는 극점의 개수
오차 상수
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
계단 A
ess = A/(1 + Kp)
램프 A·t
ess = A/Kv
포물선 A·t²/2
ess = A/Ka
PID 제어기
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
2차 목표식
s² + 2ζωns + ωn²
오버슈트와 시간 지표
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

방법

  1. 개루프 C(s)·G(s)의 s = 0에 있는 극점을 세세요. 그것이 시스템 형입니다.
  2. 입력에 맞는 오차 상수를 구하세요. 계단 입력은 Kp, 램프 입력은 Kv, 포물선 입력은 Ka입니다.
  3. ess = A/(1 + Kp), A/Kv 또는 A/Ka를 적용하거나, 필요한 이득에 대해 풀이하세요.
  4. 감쇠나 속도 사양이 주어지면 폐루프 특성다항식을 쓰고 s² + 2ζω_n·s + ω_n²과 대응시키세요.

2연습 문제

1.저항의 직렬·병렬보통
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​20 ΩB

전원이 공급하며 R1에 흐르는 전류 IR1을(를) 구하시오.

V1 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
2.저항의 직렬·병렬어려움
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​15 ΩBR6​20 Ω

전원 V1이(가) 보는 합성 저항 Req을(를) 구하시오.

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 ΩR4 = 15 ΩR5 = 12 ΩR6 = 20 Ω
Req = Ω
3.마디 해석보통
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​15 ΩBIs​2 A

마디 해석법을 이용해 전류원 Is이(가) 공급하는 전력 PIs을(를) 구하시오.

V1 = 12 VIs = 2 AR1 = 4 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 Ω
PIs = W
4.마디 해석어려움
R1​ = 3 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​36 VR2​12 ΩAR4​3 ΩIR4​B0.05·VA​

마름모는 전압 제어 전류원이며, 0.05·VA의 전류(A 단위, VA은(는) V 단위)를 마디 B로 위로 밀어 넣는다. 마디 해석법을 이용해 화살표 방향으로 R4에 흐르는 전류 IR4을(를) 구하시오.

V1 = 36 VR1 = 3 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 3 Ωg = 0.05 A/V
IR4 = A
5.망 해석보통
R1​ = 5 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​10 VR3​5 ΩIR3​A+−V2​30 VI1​I2​

망 해석법을 이용해 화살표 방향으로 R3에 흐르는 전류 IR3을(를) 구하시오.

V1 = 10 VV2 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 5 Ω
IR3 = A
6.망 해석어려움
R1​ = 6 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR4​3 ΩAR5​12 ΩIR5​B+−V2​18 VI1​I2​I3​

망 해석법을 이용해 화살표 방향으로 R5에 흐르는 전류 IR5을(를) 구하시오.

V1 = 6 VV2 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 ΩR4 = 3 ΩR5 = 12 Ω
IR5 = A
7.중첩의 원리보통
R1​ = 3 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​15 ΩBIs​1.5 A

중첩의 원리를 이용해 화살표 방향으로 R1에 흐르는 전류 IR1을(를) 구하시오.

V1 = 9 VIs = 1.5 AR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
8.중첩의 원리어려움
R1​ = 10 ΩR2​ = 6 Ω−+VR2​R4​ = 2 Ω+−V1​36 VR3​30 ΩAIs​6 AB+−V2​15 V

중첩의 원리를 이용해 표시된 극성에서 R2 양단의 전압 VR2을(를) 구하시오.

V1 = 36 VIs = 6 AV2 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 ΩR4 = 2 Ω
VR2 = V
9.테브난·노턴보통
R1​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩARL​3 ΩIL​B

a–b 사이에 부하 RL = 3 Ω을 연결한다. 나머지 회로를 테브난 등가 회로로 바꾸고 부하 전류 IL을(를) 구하시오.

V1 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 ΩRL = 3 Ω
IL = A
10.테브난·노턴어려움
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAIs​2.5 ABRL​12 ΩIL​

a–b 사이에 부하 RL = 12 Ω을 연결한다. 나머지 회로를 테브난 등가 회로로 바꾸고 부하 전류 IL을(를) 구하시오.

V1 = 15 VIs = 2.5 AR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 10 ΩRL = 12 Ω
IL = A
11.RC·RL 과도 현상보통
+−Vs​5 Vt = 0R = 5 ΩL150 mHi(t)

t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. 회로가 정상 상태에 도달한 뒤 인덕터에 저장된 에너지 W(∞)을(를) mJ로 구하시오.

Vs = 5 VR = 5 ΩL = 150 mH
W(∞) = mJ
12.RC·RL 과도 현상어려움
+−Vs​9 Vt = 0R = 1 kΩC?+−vC​

타이머가 t = 0에 9 V 전원에서 저항을 통해 충전되지 않은 커패시터를 충전하기 시작한다. 타이머는 시작 후 정확히 50 ms에 커패시터 전압이 5.69 V에 도달할 때 작동해야 한다. R = 1 kΩ일 때 필요한 커패시턴스 C을(를) 구하시오.

Vs = 9 VVth = 5.69 VT = 50 msR = 1 kΩ
C = µF
13.교류 임피던스와 페이저보통
120 V200 HzR = 60 ΩL = 250 mHC = 47 µFI

직렬 RLC 회로가 120 V (실효값), 200 Hz 전원에 연결되어 있다. 회로의 역률 cos φ을(를) 구하시오.

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 250 mHC = 47 µF
cos φ =
14.교류 임피던스와 페이저어려움
12 V50 HzR = 15 ΩL = 150 mHC = 22 µF+−VC​

직렬 RLC 회로가 12 V (실효값), 50 Hz 전원에 연결되어 있다. 커패시터 양단 실효 전압 VC을(를) 구하시오.

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 15 ΩL = 150 mHC = 22 µF
VC = V
15.교류 전력과 역률보통
230 V15 kW, 0.6226 kW, 1I = ?

두 부하가 230 V 단상 전원에 병렬로 연결되어 있다: 지상 역률 0.6의 5 kW 부하와 26 kW 히터(역률 1). 전원에서 흐르는 전체 전류 I을(를) 구하시오.

V = 230 VP1 = 5 kW, pf1 = 0.6 지상P2 = 26 kW, pf2 = 1
I = A
16.교류 전력과 역률어려움
240 V50 Hz부하3 kW, 0.8C68 µFI = ?

단상 부하가 240 V, 50 Hz 전원에서 지상 역률 0.8로 3 kW를 소비한다. 68 µF 커패시터를 부하와 병렬로 연결한다. 새 선전류 I을(를) 구하시오.

P = 3 kWpf1 = 0.8V = 240 Vf = 50 HzC = 68 µF
I = A
17.3상 전력보통
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M22 kW, η = 88%cos φ = 0.88

3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 22 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 88%, 역률은 0.88(지상)이다. 전원의 선간 전압은 690 V이다. 선전류 IL을(를) 구하시오.

Pout = 22 kWη = 88%cos φ = 0.88VL = 690 V
IL = A
18.3상 전력어려움
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

평형 3상 부하가 400 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.8(지상)로 150 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.98(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Y 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.

P = 150 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.98VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.변압기보통
RL​ = 60 Ω511200 VV2​I1​ = ?I2​

권수비 N₁:N₂ = 5:1인 이상 변압기의 1차 권선에 1200 V가 가해진다. 2차 권선 양단에 60 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 전류 I1을(를) 구하시오.

N1:N2 = 5:1V1 = 1200 VRL = 60 Ω
I1 = A
20.변압기어려움
pf 0.9500 kVA, η = 97.5%

단상 500 kVA 변압기의 철손은 2000 W이다. 정격 부하, 역률 0.9(지상)에서 효율은 97.5%이다. 전부하 동손 Pcu,fl을(를) 와트 단위로 구하시오.

S = 500 kVAPcore = 2000 Wpf = 0.9η = 97.5%
Pcu,fl = W
21.연산 증폭기 회로보통
−+Vout​Rf​ = 10 kΩR1​ = 10 kΩVin​ = 1.1 V

연산 증폭기는 이상적이며 ±15 V 전원으로 동작한다. 출력 전압 Vout을(를) 구하시오.

Vin = 1.1 VR1 = 10 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
22.연산 증폭기 회로어려움
Vin​V1​Vout​1단: 반전R1​ = 2 kΩRf1​ = 22 kΩ2단: 비반전R2​ = 47 kΩRf2​ = 2 kΩ

이상적인 연산 증폭기 두 단이 종속 연결되어 있다: 반전 증폭기(R1, Rf1) 다음에 비반전 증폭기(접지 쪽 R2, 귀환에 Rf2)가 있다. 둘 다 ±15 V 전원으로 동작한다. 입력은 Vin = 0.75 V이다. 출력 전압 Vout을(를) 구하시오.

R1 = 2 kΩRf1 = 22 kΩR2 = 47 kΩRf2 = 2 kΩVin = 0.75 V
Vout = V
23.다이오드와 트랜지스터보통
RC​ = 1.2 kΩβ = 120VCC​ = 9 VRB​ = 680 kΩ

β = 120인 NPN 트랜지스터가 전원 VCC = 9 V에서 베이스 저항 RB = 680 kΩ을(를) 통해 바이어스된다. 컬렉터 저항은 RC = 1.2 kΩ이고 이미터는 접지되어 있다. VBE = 0.7 V로 하고 트랜지스터가 활성 영역에 있다고 가정한다. 컬렉터–이미터 전압 VCE을(를) 구하시오.

VCC = 9 VRB = 680 kΩRC = 1.2 kΩβ = 120VBE = 0.7 V
VCE = V
24.다이오드와 트랜지스터어려움
+−≥ 20 VR = ?6.2 V≤ 30 mA

6.2 V 제너 레귤레이터가 부하에 최대 30 mA를 공급해야 합니다. 입력은 20 V까지 떨어질 수 있고, 제너가 조정 상태를 유지하려면 최소 2 mA가 필요합니다. 조정 상태를 유지하는 최대 직렬 저항 Rmax을(를) 구하시오.

Vin,min = 20 VVZ = 6.2 VIL,max = 30 mAIZ,min = 2 mA
Rmax = Ω
25.진법보통
8비트 2의 보수?−128?64?32?16?8?4?2?1

−90를 8비트 2의 보수 패턴으로 쓰세요. 그 패턴을 부호 없는 2진수로 읽으면 10진수 값 U는 얼마일까요?

N = −908 bit
U =
26.진법어려움
16비트 2의 보수, N = ??부호???????????????

16비트 2의 보수로 저장할 수 있는 가장 작은(가장 음수인) 정수 N는 얼마일까요?

16 bit
N =
27.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭보통
ABCD000111100001111000010302041517061121130150140819111010

카르노 맵으로 F(A, B, C, D) = Σm(5, 7, 9, 11, 12, 13)의 최소 곱의 합(SOP) 형태를 구하시오. 전체 리터럴은 몇 개(L)인가(프라임이 붙은 변수도 리터럴 하나로 센다)?

F(A, B, C, D) = Σm(5, 7, 9, 11, 12, 13)
L =
28.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭어려움
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​CLKMOD-6

동기식 mod-6 카운터은(는) 0, 1, …, 5을(를) 센 다음 0으로 돌아간다. 2에서 시작한다. 클록 펄스가 21번 들어온 뒤 어떤 값(Q, 십진수)을 나타내는가?

Q0 = 221N = 6
Q =
29.라플라스 변환보통
t (s)f(t)t = 0.25f(0.25) = ?

부분분수 전개로 F(s) = 55/(s(s + 4)(s + 6))의 f(t)를 구하고, f(0.25)을(를) 계산하시오.

F(s) = 55/(s(s + 4)(s + 6))t = 0.25 s
f(0.25) =
30.라플라스 변환어려움
ReIm−2−4−6−8−10−12−14−16−18

어떤 시스템이 미분방정식 y″ + 3y′ + 2y = u′ + 16u으로 기술되며, 입력은 u(t), 출력은 y(t)이다. 전달함수 G(s) = Y(s)/U(s)를 구하고(초기 조건은 0), t = 0.8 s에서 임펄스 응답 g(t)를 계산하시오. g(0.8)을(를) 구하시오.

y″ + 3y′ + 2y = u′ + 16ut = 0.8 s
g(0.8) =
31.블록선도보통
R(s)+5K+1s + 1G(s)C(s)2H₁−−

플랜트 G(s) = 1/(s + 1)에 이득 H₁ = 2인 안쪽(마이너) 부피드백 루프가 있다. 제어기 이득 K = 5과 바깥쪽 단위 부피드백 루프가 시스템을 닫는다. 폐루프 극점 p을(를) 구하시오.

G(s) = 1/(s + 1)H₁ = 2K = 5
p =
32.블록선도어려움
R(s)+K(s + 1)(s + 7)(s + 8)G(s)C(s)−

플랜트 G(s) = K/((s + 1)(s + 7)(s + 8))가 단위 부피드백 루프에 놓여 있다. 라우스-후르비츠 판별법으로 폐루프가 안정한 최대 이득 Kmax을(를) 구하시오.

G(s) = K/((s + 1)(s + 7)(s + 8))단위 부피드백
Kmax =
33.계단 응답보통
t (s)y(t)1?

어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 23/(s² + 4s + 23)이고 단위 계단 입력을 받는다. 계단 응답의 백분율 오버슈트 %OS을(를) 구하시오.

G(s) = 23/(s² + 4s + 23)
%OS = %
34.계단 응답어려움
R(s)+Ks(s + 16)G(s)C(s)−

단위 부피드백 루프에서 G(s) = K/(s(s + 16))이다. 계단 응답의 오버슈트가 20 %가 되는 이득 K을(를) 구하시오.

G(s) = K/(s(s + 16))%OS = 20 %
K =
35.보드 선도와 여유보통
vin​C = 47 nFR = 4.7 kΩvout​

그림의 RC 고역 통과 필터은(는) R = 4.7 kΩ, C = 47 nF을(를) 가집니다. 360 Hz의 정현파 입력이 가해집니다. vin에 대한 vout의 위상 이동 φ을(를) 도 단위로 구하시오.

R = 4.7 kΩC = 47 nFf = 360 Hz
φ = °
36.보드 선도와 여유어려움
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = K/(s(s + 2)(s + 9))이다. 이득 여유 10 dB를 주는 이득 K을(를) 구하시오.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 9))GM = 10 dB
K =
37.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
R(s)+K1s(s + 2)(s + 4)C(s)−

그림의 루프는 개루프 전달함수가 L(s) = K/(s(s + 2)(s + 4))입니다. 폐루프가 안정 한계에 이를 때까지 이득을 올립니다. 지속 진동의 주파수 ω을(를) 구하시오.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 4))
ω = rad/s
38.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
ReImζ = 0.5−2−4−6j2j4j6

L(s) = K/(s(s + 6))의 근궤적이 그림에 있습니다. 폐루프 극점의 감쇠비가 ζ = 0.5가 되는 이득 K을(를) 구하시오.

L(s) = K/(s(s + 6))ζ = 0.5
K =
39.정상상태 오차와 PID 제어보통
R(s)+K(s + 2)(s + 10)C(s)−

단위 피드백 루프의 G(s) = K/((s + 2)(s + 10))입니다. 계단 입력에 대한 정상상태 오차가 5 %가 되는 이득 K을(를) 구하시오.

G(s) = K/((s + 2)(s + 10))ess = 5 %
K =
40.정상상태 오차와 PID 제어어려움
R(s)+K = 501s(s + 10)C(s)−

비례 제어기 K = 50이(가) 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 1/(s(s + 10))을(를) 제어합니다. ts ≈ 4/(ζωₙ)을 이용하여 계단 응답의 2 % 정착 시간 ts을(를) 구하시오.

G(s) = 1/(s(s + 10))K = 50
ts = s

3용액

1.저항의 직렬·병렬

답: IR1 = 0.4839 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.

R1​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​20 ΩB

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 = 12 + 20 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 8·32/(8+32) = 6.4 Ω
Req = R1 + 6.4 = 6 + 6.4 = 12.4 Ω

전원 전류

전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.

IR1 = V1/Req = 6/12.4 = 0.4839 A

답

IR1 = 0.4839 A
2.저항의 직렬·병렬

답: Req = 11.23 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.

R1​ = 3 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​15 ΩAR4​15 ΩBR6​20 Ω

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 = 12 + 20 = 32 Ω
R4 ∥ 32 = 10.21 Ω
R3 + 10.21 = 18.21 Ω
R2 ∥ 18.21 = 8.225 Ω
Req = R1 + 8.225 = 3 + 8.225 = 11.23 Ω

답

Req = 11.23 Ω
3.마디 해석

답: PIs = 36.14 W

마디 해석법: 기준 마디를 정하고, 모르는 마디 전압에 이름을 붙인 다음, 옴의 법칙 (I = ΔV/R)을 써서 각 미지 마디에서 키르히호프 전류 법칙을 세우고 연립 방정식을 풉니다.

마디 A에서 KCL

저항을 통해 A에서 나가는 전류는 전원이 A(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/8 + (VA − 12)/4 + (VA − VB)/10 = 0
0.475·VA − 0.1·VB = 3

마디 B에서 KCL

저항을 통해 B에서 나가는 전류는 전원이 B(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/15 + (VB − VA)/10 = 2
−0.1·VA + 0.1667·VB = 2

풀기

Δ = (0.475)(0.1667) − (−0.1)(−0.1) = 0.06917
VA = Δ1/Δ = 0.7/0.06917 = 10.12 V
VB = Δ2/Δ = 1.25/0.06917 = 18.07 V

전류원이 공급하는 전력

전원은 Iₛ를 접지(0 V)에서 VB로, 마디 B을(를) 향해 위로 밀어 올립니다. 전류가 + 단자에서 나오는 전원은 P = V·I를 공급합니다.

PIs = VB·Is = 18.07·2 = 36.14 W

답

PIs = 36.14 W
4.마디 해석

답: IR4 = 3.092 A

마디 해석법: 기준 마디를 정하고, 모르는 마디 전압에 이름을 붙인 다음, 옴의 법칙 (I = ΔV/R)을 써서 각 미지 마디에서 키르히호프 전류 법칙을 세우고 연립 방정식을 풉니다.

마디 A에서의 KCL

저항을 통해 A에서 나가는 전류는 전원이 A로 밀어 넣는 전류와 같습니다.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0.5417·VA − 0.125·VB = 12

마디 B에서의 KCL

종속 전원은 g·VA를 마디 B로 밀어 넣습니다. 독립 전원처럼 다룬 다음 VA 항을 좌변으로 옮기세요.

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0.05·VA
−0.175·VA + 0.4583·VB = 0

풀기

Δ = (0.5417)(0.4583) − (−0.125)(−0.175) = 0.2264
VA = Δ1/Δ = 5.5/0.2264 = 24.29 V
VB = Δ2/Δ = 2.1/0.2264 = 9.276 V

R₄의 전류

IR4 = VB/R4 = 9.276/3 = 3.092 A

답

IR4 = 3.092 A
5.망 해석

답: IR3 = 2.19 A

망 해석법: 평면 회로의 각 창에 고유한 루프 전류를 주고, 각 루프에서 키르히호프 전압 법칙(전압 강하의 합 = 전압 상승의 합)을 세워 풉니다. 가지 전류는 망 전류이거나, 공유 가지에서는 두 망 전류의 차입니다.

R1​ = 5 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​10 VR3​5 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

망 전류 정하기

각 창마다 시계 방향 전류를 그립니다: I1, I2. 두 망이 공유하는 저항에는 두 전류의 차가 흐릅니다.

망 1의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
5·I1 + 5(I1 − I2) = 10
10·I1 − 5·I2 = 10

망 2의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
8·I2 + 5(I2 − I1) = (−30)
−5·I1 + 13·I2 = −30

풀기

Δ = (10)(13) − (−5)(−5) = 105
I1 = Δ1/Δ = −20/105 = −0.1905 A
I2 = Δ2/Δ = −250/105 = −2.381 A

답

IR3 = I1 − I2 = 2.19 A

음의 망 전류는 반시계 방향으로 흐릅니다.

6.망 해석

답: IR5 = 0.4103 A

망 해석법: 평면 회로의 각 창에 고유한 루프 전류를 주고, 각 루프에서 키르히호프 전압 법칙(전압 강하의 합 = 전압 상승의 합)을 세워 풉니다. 가지 전류는 망 전류이거나, 공유 가지에서는 두 망 전류의 차입니다.

R1​ = 6 ΩR2​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​6 VR4​3 ΩAR5​12 ΩB+−V2​18 VI1​I2​I3​

망 전류 정하기

각 창마다 시계 방향 전류를 그립니다: I1, I2, I3. 두 망이 공유하는 저항에는 두 전류의 차가 흐릅니다.

망 1의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
6·I1 + 3(I1 − I2) = 6
9·I1 − 3·I2 = 6

망 2의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
10·I2 + 3(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 25·I2 − 12·I3 = 0

망 3의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
20·I3 + 12(I3 − I2) = (−18)
−12·I2 + 32·I3 = −18

풀기

Δ = 계수 행렬의 행렬식 = 5616
I1 = Δ1/Δ = 3288/5616 = 0.5855 A
I2 = Δ2/Δ = −1368/5616 = −0.2436 A
I3 = Δ3/Δ = −3672/5616 = −0.6538 A

답

IR5 = I2 − I3 = 0.4103 A

음의 망 전류는 반시계 방향으로 흐릅니다.

7.중첩의 원리

답: IR1 = 2.374 A

중첩의 원리: 선형 회로에서 모든 전압이나 전류는 각 독립 전원이 단독으로 작용할 때의 응답을 합한 것입니다. 전원을 끄려면 이상 전압원은 단락으로, 이상 전류원은 개방으로 바꿉니다. 저항은 그대로 둡니다.

R1​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​2 ΩAR4​15 ΩB개방

경우 1 · V1만 작용

Iₛ가 개방되므로 R₃와 R₄는 A에서 접지까지 하나의 직렬 가지를 이루고, 이 가지는 R₂와 병렬입니다.

R3+R4 = 2+15 = 17 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 2·17/(2+17) = 1.789 Ω
VA = 9·1.789/(3+1.789) = 3.363 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3.363·15/17 = 2.967 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (9 − 3.363)/3 = 1.879 A
R1​ = 3 ΩR3​ = 2 Ω단락R2​2 ΩAR4​15 ΩBIs​1.5 A

경우 2 · Is만 작용

V₁이 단락되므로 R₁은 R₂와 병렬입니다. Iₛ는 B에서 R₄와 R₃를 지나는 경로로 나뉩니다.

R1 ∥ R2 = 3·2/(3+2) = 1.2 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 15 ∥ 3.2 = 2.637 Ω
VB = Is·Req = (−1.5)·2.637 = −3.956 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −3.956·1.2/3.2 = −1.484 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − −1.484)/3 = 0.4945 A

성분을 더하기

IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = 1.879 + 0.4945 = 2.374 A

결과가 음수이면 실제로는 전류가 화살표와 반대로 흐른다는 뜻입니다.

8.중첩의 원리

답: VR2 = −9.29 V

중첩의 원리: 선형 회로에서 모든 전압이나 전류는 각 독립 전원이 단독으로 작용할 때의 응답을 합한 것입니다. 전원을 끄려면 이상 전압원은 단락으로, 이상 전류원은 개방으로 바꿉니다. 저항은 그대로 둡니다.

R1​ = 10 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 2 Ω+−V1​36 VR3​30 ΩA개방B단락

경우 1 · V1만 작용

V₂는 단락, Iₛ는 개방됩니다. A에서 보면 R₃는 직렬인 R₂+R₄와 병렬입니다.

R3 ∥ (R2+R4) = 30 ∥ 8 = 6.316 Ω
VA = 36·6.316/(10+6.316) = 13.94 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 13.94·2/8 = 3.484 V
VR2′ = VB − VA = 3.484 − 13.94 = −10.45 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 2 Ω단락R3​30 ΩAIs​6 AB단락

경우 2 · Is만 작용

두 전압원이 모두 단락됩니다. Iₛ는 B에서 R₄(이제 접지로)와, R₁ ∥ R₃와 직렬인 R₂로 나뉩니다.

R1 ∥ R3 = 7.5 Ω, 따라서 왼쪽 경로는 R2+7.5 = 13.5 Ω
Req = R4 ∥ 13.5 = 1.742 Ω
VB = Is·Req = (−6)·1.742 = −10.45 V
VA = VB·7.5/13.5 = −5.806 V
VR2″ = VB − VA = −10.45 − −5.806 = −4.645 V
R1​ = 10 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 2 Ω단락R3​30 ΩA개방B+−V2​15 V

경우 3 · V2만 작용

V₁은 단락, Iₛ는 개방됩니다. R₁ ∥ R₃가 A에 연결되고, R₂와 직렬로 B로 돌아갑니다.

R1 ∥ R3 = 10·30/(10+30) = 7.5 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 15·13.5/15.5 = 13.06 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 13.06·7.5/13.5 = 7.258 V
VR2‴ = VB − VA = 13.06 − 7.258 = 5.806 V

성분을 더하기

VR2 = VR2′ + VR2″ + VR2‴
VR2 = (−10.45) + (−4.645) + 5.806 = −9.29 V

결과가 음수이면 실제로는 극성이 표시와 반대로 되어 있다는 뜻입니다.

9.테브난·노턴

답: IL = 0.7018 A

테브난 정리: 모든 선형 2단자 회로는 하나의 전압원 Vth와 저항 Rth의 직렬 회로처럼 동작합니다. 노턴 정리는 같은 회로를 전류원 IN = Vth/Rth와 Rth의 병렬 회로로 나타냅니다.

R1​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω단락R2​5 ΩAabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.

R1 ∥ R2 = 2·5/(2+5) = 1.429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.429 + 20 = 21.43 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​24 VR2​5 ΩAab+−Vth​

개방 전압 Vth 구하기

a–b가 개방되면 R₃에 전류가 흐르지 않으므로 전압 강하가 없고 V_b = V_A입니다. R₁과 R₂는 전압 분배기를 이룹니다.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 24·5/(2+5) = 17.14 V
Rth​ = 21.43 Ω+−Vth​17.14 VRL​3 ΩIL​

부하를 테브난 등가 회로에 연결하기

테브난 전원과 직렬 R_th는 a–b에서 원래 회로와 똑같이 동작하므로, 부하는 단순한 직렬 루프를 보게 됩니다.

IL = Vth/(Rth + RL) = 17.14/(21.43 + 3) = 0.7018 A
10.테브난·노턴

답: IL = 1.795 A

테브난 정리: 모든 선형 2단자 회로는 하나의 전압원 Vth와 저항 Rth의 직렬 회로처럼 동작합니다. 노턴 정리는 같은 회로를 전류원 IN = Vth/Rth와 Rth의 병렬 회로로 나타냅니다.

R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω단락R2​15 ΩA개방BabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.

R1 ∥ R2 = 2·15/(2+15) = 1.765 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1.765 + 10 = 11.76 Ω
R1​ = 2 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​15 ΩAIs​2.5 ABab+−Vth​

개방 전압 Vth 구하기

a–b가 개방되면 Iₛ가 흐를 수 있는 경로는 R₃를 거쳐 마디 A로 가는 것뿐입니다. V₁과 Iₛ의 중첩으로 V_A를 구한 뒤 R₃의 전압 강하를 더합니다.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 13.24 + 2.5·1.765 = 17.65 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 17.65 + 2.5·10 = 42.65 V
Rth​ = 11.76 Ω+−Vth​42.65 VRL​12 ΩIL​

부하를 테브난 등가 회로에 연결하기

테브난 전원과 직렬 R_th는 a–b에서 원래 회로와 똑같이 동작하므로, 부하는 단순한 직렬 루프를 보게 됩니다.

IL = Vth/(Rth + RL) = 42.65/(11.76 + 12) = 1.795 A
11.RC·RL 과도 현상

답: W(∞) = 75 mJ

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.

시정수와 최종 전류

스위치를 닫고 오래 지나면 인덕터는 단락처럼 동작하므로 최종 전류는 R로만 정해집니다.

τ = L/R = 150 mH / 5 Ω = 30 ms
i(∞) = Vs/R = 5/5 = 1 A

저장된 에너지

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·150·1² = 75 mJ

답

W(∞) = 75 mJ
12.RC·RL 과도 현상

답: C = 49.99 µF

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.

필요한 시정수

5.69 = 9·(1 − e−50/τ) → τ = 50/ln(9/(9 − 5.69))
τ = 50/1 = 49.99 ms

정전 용량

kΩ × µF는 밀리초입니다.

C = τ/R = 49.99/1 = 49.99 µF

답

C = 49.99 µF
13.교류 임피던스와 페이저

답: cos φ = 0.1979

페이저를 이용한 교류 회로: 저항, 인덕터, 커패시터의 임피던스는 R, jωL, 1/(jωC)이며 ω = 2πf입니다. 직렬에서는 임피던스를 저항처럼 더하되 복소수로 계산합니다. 실효 전류와 전압은 |Z|를 쓴 옴의 법칙을 따릅니다.

리액턴스

XL = 314.2 Ω, XC = 16.93 Ω

임피던스

|Z| = √(60² + (297.2)²) = 303.2 Ω

역률

cos φ = R/|Z| = 60/303.2 = 0.1979
회로가 유도성이므로 역률은 지상입니다.

답

cos φ = 0.1979
14.교류 임피던스와 페이저

답: VC = 17.59 V

페이저를 이용한 교류 회로: 저항, 인덕터, 커패시터의 임피던스는 R, jωL, 1/(jωC)이며 ω = 2πf입니다. 직렬에서는 임피던스를 저항처럼 더하되 복소수로 계산합니다. 실효 전류와 전압은 |Z|를 쓴 옴의 법칙을 따릅니다.

리액턴스

ω = 2πf = 2π·50 = 314.2 rad/s
XL = ωL = 314.2·0.15 = 47.12 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314.2·22·10⁻⁶) = 144.7 Ω

임피던스

직렬에서는 임피던스를 복소수로 더합니다: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (−97.56)²) = 98.71 Ω

전류

직렬 회로의 모든 소자에는 같은 전류가 흐릅니다.

I = V/|Z| = 12/98.71 = 0.1216 A

커패시터 전압

VC = I·XC = 0.1216·144.7 = 17.59 V

답

VC = 17.59 V
15.교류 전력과 역률

답: I = 137.9 A

교류 전력: 피상 전력 S = V·I (VA)는 유용한 일을 하는 유효 전력 P = S·cos φ (W)와, 전원과 부하 사이를 오가는 무효 전력 Q = S·sin φ (var)로 나뉩니다. 역률은 cos φ입니다. 병렬 커패시터가 무효 전력을 현장에서 공급하므로 같은 유효 전력에서 선전류가 줄어듭니다.

각 부하의 무효 전력

지상 부하는 무효 전력을 소비하고(Q > 0), 진상 부하는 무효 전력을 공급합니다(Q < 0).

Q1 = 5·tan(arccos 0.6) = 6.667 kvar
Q2 = 0 = 0 kvar

합계

P = 5 + 26 = 31 kW
Q = 6.667 + 0 = 6.667 kvar
S = √(31² + 6.667²) = 31.71 kVA

전체 전류

I = S/V = 31709/230 = 137.9 A

답

I = 137.9 A
16.교류 전력과 역률

답: I = 13.2 A

교류 전력: 피상 전력 S = V·I (VA)는 유용한 일을 하는 유효 전력 P = S·cos φ (W)와, 전원과 부하 사이를 오가는 무효 전력 Q = S·sin φ (var)로 나뉩니다. 역률은 cos φ입니다. 병렬 커패시터가 무효 전력을 현장에서 공급하므로 같은 유효 전력에서 선전류가 줄어듭니다.

보상 전후의 무효 전력

유효 전력 P는 변하지 않고, 전원에서 끌어오는 무효 전력만 변합니다.

Q1 = 3·tan(arccos 0.8) = 2.25 kvar
QC = V²·2πf·C = 240²·2π·50·68·10⁻⁶ = 1230 var = 1.23 kvar
Q2 = 2.25 − 1.23 = 1.02 kvar

새 피상 전력

S2 = √(3² + 1.02²) = 3.168 kVA

새 선전류

I = S2/V = 3168/240 = 13.2 A

답

I = 13.2 A
17.3상 전력

답: IL = 23.77 A

평형 3상 계통: Y(성형) 결선에서는 선간 전압이 상전압의 √3배, VL = √3·Vph이고, 선전류는 상전류와 같습니다. Δ(삼각) 결선에서는 선간 전압이 상전압과 같고 선전류는 상전류의 √3배, IL = √3·Iph입니다. 전체 전력은 한 상 전력의 세 배입니다: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

전기 입력 전력

Pin = Pout/η = 22/0.88 = 25 kW

선전류

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 25000/(√3·690·0.88) = 23.77 A

답

IL = 23.77 A
18.3상 전력

답: Cph = 1360 µF

평형 3상 계통: Y(성형) 결선에서는 선간 전압이 상전압의 √3배, VL = √3·Vph이고, 선전류는 상전류와 같습니다. Δ(삼각) 결선에서는 선간 전압이 상전압과 같고 선전류는 상전류의 √3배, IL = √3·Iph입니다. 전체 전력은 한 상 전력의 세 배입니다: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. 역률 개선: 커패시터는 무효 전력을 부하 가까이에서 공급합니다, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). 세 커패시터는 각각 QC/3 = V²·ω·C를 공급하며, 여기서 V는 그 커패시터에 걸리는 전압으로 Δ 뱅크에서는 VL, Y 뱅크에서는 VL/√3입니다.

보상 전후의 무효 전력

유효 전력은 변하지 않으므로 각 역률이 무효 전력을 결정합니다: Q = P·tan φ.

Q1 = 150·tan(acos 0.8) = 150·0.75 = 112.5 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.98) = 150·0.2031 = 30.46 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

QC = Q1 − Q2 = 82.04 kvar

상당 정전 용량

Y 뱅크에서 각 커패시터는 선과 중성점 사이에 연결됩니다.

V = 400/√3 = 230.9 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 27347/(377·230.9²) = 1360 µF

답

Cph = 1360 µF
19.변압기

답: I1 = 0.8 A

이상 변압기: 전압은 권수의 비를, 전류는 그 역비를 따릅니다: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a, I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a이므로 입력 전력과 출력 전력이 같습니다, V₁·I₁ = V₂·I₂. 2차 측의 부하 임피던스 Z는 1차 측에서 보면 a²·Z로 보입니다.

2차 전압과 전류

V2 = 1200/5 = 240 V
I2 = 240/60 = 4 A

1차 전류

이상 변압기에는 손실이 없습니다: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/5 = 0.8 A

답

I1 = 0.8 A

확인: 1차 측에서 본 부하는 a²·RL = 1500 Ω이고, 1200/1500도 같은 전류를 줍니다.

20.변압기

답: Pcu,fl = 9538 W

변압기 손실: 철손(히스테리시스손과 와전류손)은 전압에 따라 정해지며 부하와 관계없이 일정합니다. 권선의 동손은 전류의 제곱에 비례하므로 정격 부하의 x배 부하에서는 x²·Pcu,fl입니다. 효율 η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu)이고, Pout = x·S·pf입니다. 효율은 동손이 철손과 같아지는 부하에서 최대가 됩니다.

출력 전력과 입력 전력

Pout = 500·0.9 = 450 kW
Pin = 450000/0.975 = 461538 W

전체 손실과 동손

Ploss = 461538 − 450000 = 11538 W
Pcu,fl = 11538 − 2000 = 9538 W

답

Pcu,fl = 9538 W
21.연산 증폭기 회로

답: Vout = 2.2 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 = 1.1/10 = 0.11 mA

출력 전압

R₁의 전류는 Rf에도 흐릅니다.

Vout = V₋ + I·Rf = 1.1 + 0.11·10 = 2.2 V

답

Vout = 2.2 V
22.연산 증폭기 회로

답: Vout = −8.601 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.

각 단의 이득

A1 = −Rf1/R1 = −22/2 = −11
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/47 = 1.043

단별 계산

V1 = −11·0.75 = −8.25 V
Vout = 1.043·(−8.25) = −8.601 V

답

Vout = −8.601 V
23.다이오드와 트랜지스터

답: VCE = 7.242 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.

베이스 전류

IB = (VCC − VBE)/RB = (9 − 0.7)/680 kΩ = 12.21 µA

컬렉터 전류

IC = β·IB = 120·12.21 µA = 1.465 mA

컬렉터–이미터 전압

VCE = 9 − 1.465 mA·1.2 kΩ = 7.242 V

답

VCE = 7.242 V
24.다이오드와 트랜지스터

답: Rmax = 431.3 Ω

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 전류

IR = 30 + 2 = 32 mA

최대 저항

Rmax = 13.8/0.032 = 431.3 Ω

답

Rmax = 431.3 Ω
25.진법

답: U = 166

위치 기수법: 각 자리의 값은 그 숫자에 밑의 거듭제곱을 곱한 것입니다. 2진수의 자리값은 1, 2, 4, 8, 16, …, 16진수는 1, 16, 256, …이며 A–F는 10–15를 뜻합니다. 8비트 2의 보수에서 가장 왼쪽 비트는 +128이 아니라 −128의 값을 가지며, 이렇게 음수를 저장합니다.

반전하고 1 더하기

90 = 0101 1010
반전 후: 1010 0101
+1 → 1010 0110

부호 없는 수로 읽기

1010 0110₂ = 256 − 90 = 166

답

U = 166
26.진법

답: N = −32768

위치 기수법: 각 자리의 값은 그 숫자에 밑의 거듭제곱을 곱한 것입니다. 2진수의 자리값은 1, 2, 4, 8, 16, …, 16진수는 1, 16, 256, …이며 A–F는 10–15를 뜻합니다. 8비트 2의 보수에서 가장 왼쪽 비트는 +128이 아니라 −128의 값을 가지며, 이렇게 음수를 저장합니다.

가장 음수인 값

−215 = −32768

답

N = −32768
27.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭

답: L = 9

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.

ABCD000111100001111000010302041517061121130150140819111010

1 묶기

모든 그룹은 2ᵏ칸의 직사각형입니다. 가장자리 칸은 반대쪽 가장자리의 칸과 이웃합니다.

A′BD
AB′D
ABC′

최소 SOP 형태

F = A′BD + AB′D + ABC′
L = 9

답

L = 9
28.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭

답: Q = 5

플립플롭과 카운터: 플립플롭은 클록의 활성 에지에서만 바뀝니다. D는 입력을 복사합니다(Q⁺ = D). T는 T = 1이면 토글합니다. JK는 00이면 유지, 01이면 리셋, 10이면 셋, 11이면 토글합니다. n비트 이진 카운터는 상태가 2ⁿ개이고 2ⁿ을 법으로 세며, mod-N 카운터는 0, 1, …, N − 1을 거쳐 다시 0으로 돌아가고 2ⁿ ≥ N인 가장 작은 n개의 플립플롭이 필요합니다. 리플 카운터는 단마다 주파수가 절반이 되므로 mod-N 카운터의 마지막 출력은 fclk/N으로 동작합니다. 플립플롭 n개의 존슨 카운터는 상태가 2n개, 링 카운터는 n개입니다.

완전한 주기

펄스 6개마다 카운터는 같은 상태로 돌아옵니다.

21 = 3·6 + 3

남은 펄스 뒤의 값

Q = (2 + 3) mod 6 = 5
Q = 101₂

답

Q = 5
29.라플라스 변환

답: f(0.25) = 0.7852

라플라스 변환: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt는 미분을 s의 곱셈으로 바꿉니다: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). 기본 변환쌍: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²)이며, s → s + σ로 이동하면 시간 함수에 e−σt가 곱해집니다. 유리 함수 F(s)를 역변환하려면 부분분수로 나눕니다. 단순 극점 p의 유수는 A = [(s − p)·F(s)] (s = p에서)입니다. 최종값 정리: f(∞) = lims→0 s·F(s). s·F(s)의 모든 극점이 좌반평면에 있을 때만 성립합니다. 초깃값 정리: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

부분분수 전개

F(s) = A/s + B/(s + 4) + C/(s + 6)
A = 55/(4·6) = 2.292
B = 55/((−4)·2) = −6.875
C = 55/((−6)·(−2)) = 4.583

역변환

f(t) = 2.292 − 6.875·e−4t + 4.583·e−6t

계산하기

f(0.25) = 2.292 − 6.875·e−4·0.25 + 4.583·e−6·0.25 = 0.7852

답

f(0.25) = 0.7852
30.라플라스 변환

답: g(0.8) = 3.913

라플라스 변환: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt는 미분을 s의 곱셈으로 바꿉니다: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). 기본 변환쌍: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²)이며, s → s + σ로 이동하면 시간 함수에 e−σt가 곱해집니다. 유리 함수 F(s)를 역변환하려면 부분분수로 나눕니다. 단순 극점 p의 유수는 A = [(s − p)·F(s)] (s = p에서)입니다. 최종값 정리: f(∞) = lims→0 s·F(s). s·F(s)의 모든 극점이 좌반평면에 있을 때만 성립합니다. 초깃값 정리: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

전달함수

G(s) = Y(s)/U(s) = (s + 16)/(s² + 3s + 2)

부분분수 전개

s² + 3s + 2 = (s + 1)(s + 2)
A = 15, B = −14

임펄스 응답

g(t) = 15·e−t − 14·e−2t
g(0.8) = 3.913

답

g(0.8) = 3.913
31.블록선도

답: p = −8

블록선도 대수: 직렬 블록은 곱하고(G₁·G₂), 병렬 블록은 더하며(G₁ + G₂), 순방향 경로 G와 피드백 경로 H를 가진 루프는 부(−)피드백이면 T = G/(1 + G·H), 정(+)피드백이면 G/(1 − G·H)로 줄어듭니다. 안쪽 루프부터 줄이고 바깥으로 진행하세요. 폐루프 극점은 특성방정식 1 + G(s)H(s) = 0의 근입니다. 안정한 루프에서 크기 A의 계단 입력은 정상상태 출력 A·T(0)을 줍니다. 단위 피드백에서 계단 입력에 대한 정상상태 오차는 A/(1 + Kp)이고 Kp = G(0)입니다.

안쪽 루프

Gᵢ = G/(1 + G·H₁) = 1/(s + 1 + 1·2) = 1/(s + 3)

바깥 루프

T(s) = K·Gᵢ/(1 + K·Gᵢ) = 5/(s + 3 + 5) = 5/(s + 8)

결과

p = −8

답

p = −8
32.블록선도

답: Kmax = 1080

블록선도 대수: 직렬 블록은 곱하고(G₁·G₂), 병렬 블록은 더하며(G₁ + G₂), 순방향 경로 G와 피드백 경로 H를 가진 루프는 부(−)피드백이면 T = G/(1 + G·H), 정(+)피드백이면 G/(1 − G·H)로 줄어듭니다. 안쪽 루프부터 줄이고 바깥으로 진행하세요. 폐루프 극점은 특성방정식 1 + G(s)H(s) = 0의 근입니다. 안정한 루프에서 크기 A의 계단 입력은 정상상태 출력 A·T(0)을 줍니다. 단위 피드백에서 계단 입력에 대한 정상상태 오차는 A/(1 + Kp)이고 Kp = G(0)입니다.

특성방정식

s³ + 16s² + 71s + 56 + K = 0

라우스 배열

s³ | 1 71
s² | 16 56 + K
s¹ | (16·71 − 56 − K)/16
s⁰ | 56 + K

안정 한계

첫 번째 열의 모든 항이 양수여야 합니다.

Kmax = 16·71 − 56 = 1080

답

Kmax = 1080
33.계단 응답

답: %OS = 23.66 %

계단 응답: 1차 시스템 G(s) = K/(τs + 1)은 크기 U의 계단에 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ)로 응답합니다. 시정수 τ 후에 최종값 K·U의 63.2 %에, 4τ 후에 98 %에 도달합니다. 2차 시스템 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²)는 극점 s = −ζωₙ ± jωd를 가지며 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)입니다. 0 < ζ < 1이면 계단 응답에 오버슈트가 생깁니다. 백분율 오버슈트 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), 피크 시간 tp = π/ωd, 2 % 정착 시간 ts ≈ 4/(ζωₙ). 분모를 s² + 2ζωₙs + ωₙ²과 비교하여 ωₙ과 ζ를 읽어 내세요. 질량-스프링-댐퍼에서는 ωₙ = √(k/m), ζ = c/(2√(km))이고, 직렬 RLC 회로에서는 ωₙ = 1/√(LC), ζ = (R/2)·√(C/L)입니다.

표준형과 비교하기

분모가 s² + 2ζωₙs + ωₙ²과 일치해야 합니다.

ωₙ² = 23 → ωₙ = 4.796 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·4.796) = 0.417

결과

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1.441 = 23.66 %

답

%OS = 23.66 %
34.계단 응답

답: K = 307.9

계단 응답: 1차 시스템 G(s) = K/(τs + 1)은 크기 U의 계단에 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ)로 응답합니다. 시정수 τ 후에 최종값 K·U의 63.2 %에, 4τ 후에 98 %에 도달합니다. 2차 시스템 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²)는 극점 s = −ζωₙ ± jωd를 가지며 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)입니다. 0 < ζ < 1이면 계단 응답에 오버슈트가 생깁니다. 백분율 오버슈트 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), 피크 시간 tp = π/ωd, 2 % 정착 시간 ts ≈ 4/(ζωₙ). 분모를 s² + 2ζωₙs + ωₙ²과 비교하여 ωₙ과 ζ를 읽어 내세요. 질량-스프링-댐퍼에서는 ωₙ = √(k/m), ζ = c/(2√(km))이고, 직렬 RLC 회로에서는 ωₙ = 1/√(LC), ζ = (R/2)·√(C/L)입니다.

폐루프 전달함수

T(s) = K/(s² + 16s + K)

오버슈트로 구하는 감쇠비

ζ = −ln(0.2)/√(π² + ln²(0.2)) = 0.4559

이득

ωₙ = 16/(2ζ) = 17.55 rad/s
K = ωₙ² = 307.9

답

K = 307.9
35.보드 선도와 여유

답: φ = 63.45 °

주파수 응답: 전달함수에 s = jω를 대입하세요. 데시벨 크기는 20·log₁₀|H(jω)|이고 위상은 분자 인수들의 각도의 합에서 분모 인수들의 각도를 뺀 값입니다. 1차 RC 또는 RL 필터의 차단(−3 dB) 주파수는 ωc = 1/(RC) 또는 R/L이며 fc = ωc/(2π)입니다. 저역 통과 필터는 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)와 φ = −atan(ω/ωc)를 줍니다. 점근(직선) 보드 선도에서 각 극점은 차단 주파수에서 크기를 10배 주파수당 20 dB씩 아래로 꺾고, 각 영점은 10배 주파수당 20 dB씩 위로 꺾으며, 적분기 1/s는 모든 주파수에서 −20 dB/decade를 줍니다. 이득 교차 주파수 ωc: |L(jω)| = 1(0 dB); 위상 여유 PM = 180° + ∠L(jωc). 위상 교차 주파수 ω180: ∠L(jω) = −180°; 이득 여유 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. 두 여유가 모두 양수이면 폐루프는 안정합니다.

차단 주파수

ωc = 1/(RC) = 1/(4700·4.7 × 10⁻⁸) = 4527 rad/s
fc = 720.5 Hz → f/fc = 360/720.5 = 0.4997

위상

φ = 90° − atan(0.4997) = 63.45°

답

φ = 63.45°
36.보드 선도와 여유

답: K = 62.61

주파수 응답: 전달함수에 s = jω를 대입하세요. 데시벨 크기는 20·log₁₀|H(jω)|이고 위상은 분자 인수들의 각도의 합에서 분모 인수들의 각도를 뺀 값입니다. 1차 RC 또는 RL 필터의 차단(−3 dB) 주파수는 ωc = 1/(RC) 또는 R/L이며 fc = ωc/(2π)입니다. 저역 통과 필터는 |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²)와 φ = −atan(ω/ωc)를 줍니다. 점근(직선) 보드 선도에서 각 극점은 차단 주파수에서 크기를 10배 주파수당 20 dB씩 아래로 꺾고, 각 영점은 10배 주파수당 20 dB씩 위로 꺾으며, 적분기 1/s는 모든 주파수에서 −20 dB/decade를 줍니다. 이득 교차 주파수 ωc: |L(jω)| = 1(0 dB); 위상 여유 PM = 180° + ∠L(jωc). 위상 교차 주파수 ω180: ∠L(jω) = −180°; 이득 여유 GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. 두 여유가 모두 양수이면 폐루프는 안정합니다.

위상 교차

(ω/2)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(2·9) = 4.243 rad/s

위상 교차 주파수에서의 크기

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 4)·√(ω² + 81)) = K/(2·9·(2 + 9)) = K/198

필요한 이득

198/K = 1010/20 = 3.162
K = 198/3.162 = 62.61

답

K = 62.61
37.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: ω = 2.828 rad/s

라우스–후르비츠 판별법: 선형 시스템은 특성다항식의 모든 근이 s평면의 좌반평면에 있을 때 안정합니다. 계수를 번갈아 라우스 표의 처음 두 행에 적습니다. 새 행의 각 항은 바로 위 두 행에서 구합니다. 3차식 a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀에서 s¹ 항은 b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂입니다. 첫 번째 열의 부호 변화 횟수는 우반평면에 있는 근의 개수와 같습니다. 계수에 이득 K가 들어 있으면 첫 번째 열의 모든 항이 양수로 유지되어야 합니다. s¹ 항을 0으로 만드는 이득이 안정 한계이고, 이때 s² 행으로 지속 진동의 주파수를 구합니다.

라우스 배열

s³ + 6s² + 8s + K = 0
s³: 1, 8
s²: 6, K
s¹: (6·8 − K)/6
s⁰: K

임계 이득

K = 6·8 = 48

보조방정식

임계 이득에서는 s¹ 행이 0이 되고, s² 행이 허수축 위의 극점을 알려 줍니다.

6s² + 48 = 0 → s = ±j√8
ω = 2.828 rad/s

답

ω = 2.828 rad/s
38.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: K = 36

근궤적: 이득 K를 0에서 ∞까지 변화시키면 폐루프 극점, 즉 1 + K·G(s) = 0의 근은 개루프 극점에서 개루프 영점 또는 무한대로 이동합니다. 실수축 위의 점은 그 오른쪽에 있는 실수 극점과 영점의 개수가 홀수일 때 근궤적에 속합니다. 무한대로 가는 n − m개의 가지는 점근선을 따르며, 그 각도는 (2q + 1)·180°/(n − m)이고 중심점 σₐ = (Σ 극점 − Σ 영점)/(n − m)에서 출발합니다. 가지는 dK/ds = 0인 곳에서 실수축을 떠나거나 만납니다. 각도 조건 ∠G(s) = 180°가 궤적의 모양을 정하고, 크기 조건 K = 1/|G(s)|가 궤적 위 임의의 점에서의 이득을 줍니다.

표준형과 비교하기

s² + 6s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0.5·ωₙ = 6 → ωₙ = 6 rad/s

이득

K = ωₙ² = 6² = 36

답

K = 36

폐루프 극점은 ζ 직선이 s = −3의 수직 가지와 만나는 곳에 있습니다.

39.정상상태 오차와 PID 제어

답: K = 380

정상상태 오차: 개루프 전달함수 G(s)인 단위 피드백 루프에서 오차는 E(s) = R(s)/(1 + G(s))이고, 최종값 정리에 의해 ess = lims→0 s·E(s)입니다. 시스템 형은 G(s)의 s = 0에 있는 극점의 개수입니다. 오차 상수는 Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s)이며 모두 s → 0에서의 극한입니다. 크기 A의 계단 입력은 ess = A/(1 + Kp), 램프 입력 A·t는 A/Kv, 포물선 입력 A·t²/2은 A/Ka를 줍니다. 0형 루프는 계단 입력을 유한한 오차로 추종하고, 1형 루프는 계단 입력을 정확히 추종하며 램프 입력은 유한한 오차로 추종합니다.

필요한 오차 상수

1/(1 + Kp) = 0.05 → Kp = 19

이득

K/20 = 19 → K = 380

답

K = 380

폐루프의 안정성도 확인하세요. 이 2차 루프는 K > 0이면 항상 안정합니다.

40.정상상태 오차와 PID 제어

답: ts = 0.8 s

P, PI, PID 제어: 제어기 C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s는 오차에 작용합니다. 비례 이득은 루프를 빠르게 하고 0형 플랜트의 오차를 줄이지만 완전히 없애지는 못합니다. 적분 항은 s = 0에 극점을 추가합니다. 시스템 형이 하나 올라가고 계단 입력을 오차 없이 추종합니다. 미분 항은 감쇠를 더합니다. 이득을 정하려면 폐루프 특성다항식을 쓰고 s² + 2ζωns + ωn²과 비교하세요. 그러면 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd이며 ωd = ωn√(1 − ζ²), ts ≈ 4/(ζωn)입니다.

특성다항식

s(s + 10) + 50·1 = s² + 10s + 50

ωₙ과 ζ

ωₙ = √50 = 7.071 rad/s
ζ = 10/(2·7.071) = 0.7071

정착 시간

ζωₙ = 10/2 = 5
ts ≈ 4/5 = 0.8 s

답

ts = 0.8 s

이 경우 정착 시간은 K에 의존하지 않습니다. K를 올리면 응답이 더 빠르게 진동할 뿐입니다.

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