선형 저항 회로에 독립 전원 세 개 V1, V2, Is이(가) 있다. 부하 전류 I를 세 번 측정했다. 모든 전원이 정상값일 때 I = 12 mA이다. V1을(를) 두 배로 하고 나머지 둘은 그대로 두면 I = 12.5 mA이다. Is의 방향을 반대로 하고 나머지 둘은 그대로 두면 I = 10 mA이다. V2을(를) 끄고 V1와(과) Is이(가) 정상값일 때의 부하 전류 I을(를) 구하시오.
정상: I = 12 mA2·V1: I = 12.5 mA−Is: I = 10 mA
I = mA
9.테브난·노턴보통
단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.
V1 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
10.테브난·노턴어려움
a–b 사이에 부하 RL = 10 Ω을 연결한다. 테브난 등가 회로를 이용해 부하에 전달되는 전력 PL을(를) 구하시오.
β = 100인 NPN 트랜지스터가 VCC = 12 V와 컬렉터 사이에 연결된 220 Ω 부하 저항을 스위칭한다. 이미터는 접지되어 있다. 베이스는 5 V 논리 출력에서 베이스 저항 RB = 4.7 kΩ을(를) 통해 구동된다. VBE = 0.7 V, VCE(sat) = 0.2 V로 한다. 입력이 high일 때 컬렉터 전류 IC을(를) mA 단위로 구하시오. 먼저 트랜지스터가 포화되는지 판단하시오.
플랜트 G(s) = K/(s(s + 4)(s + 8))가 단위 부피드백 루프에 놓여 있다. 라우스-후르비츠 판별법으로 폐루프가 안정한 최대 이득 Kmax을(를) 구하시오.
G(s) = K/(s(s + 4)(s + 8))단위 부피드백
Kmax =
33.계단 응답보통
어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 90/(s² + 8s + 30)이고 단위 계단 입력을 받는다. 계단 응답의 백분율 오버슈트 %OS을(를) 구하시오.
G(s) = 90/(s² + 8s + 30)
%OS = %
34.계단 응답어려움
질량 m = 20 kg이 스프링 k = 5000 N/m과 점성 댐퍼 c = 379 N·s/m에 매달려 있다(m·x″ + c·x′ + k·x = F). 평형 상태로 정지해 있다가 일정한 힘 F = 25 N이 갑자기 가해진다. 변위가 가장 커지는 시간 tp을(를) 구하시오.
m = 20 kgk = 5000 N/mc = 379 N·s/mF = 25 N
tp = s
35.보드 선도와 여유보통
ω = 8 rad/s에서 G(s) = 3200/((s + 10)(s + 16))의 정확한 크기 |G(jω)|을(를) dB 단위로 구하시오.
G(s) = 3200/((s + 10)(s + 16))ω = 8 rad/s
|G(jω)| = dB
36.보드 선도와 여유어려움
단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8))이다. 이득 여유 20 dB를 주는 이득 K을(를) 구하시오.
L(s) = K/(s(s + 6)(s + 8))GM = 20 dB
K =
37.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
그림의 루프는 K = 320, L(s) = K/(s(s + 6)(s + 10))로 동작합니다. 폐루프가 불안정해지기 전까지 이득을 몇 배 m까지 올릴 수 있습니까?
L(s) = K/(s(s + 6)(s + 10))K = 320
m =
38.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
L(s) = K(s + 11)/(s(s + 6))의 근궤적은 s = 0과 s = −6 사이에서 실수축을 떠나 원을 그리며 돌아, 영점의 왼쪽에서 다시 실수축과 만납니다. 합류점 si을(를) 구하시오.
L(s) = K(s + 11)/(s(s + 6))
si =
39.정상상태 오차와 PID 제어보통
포물선 입력 r(t) = 2·t²/2이 G(s) = 20(s + 2)/(s²(s + 1))인 단위 피드백 루프에 가해집니다. 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.
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.
위상각
φ = arccos(0.65) = 49.46°, tan φ = 1.169
무효 전력
Q = P·tan φ = 19·1.169 = 22.21 kvar
답
Q = 22.21 kvar
16.교류 전력과 역률
답: Pmax = 100 W
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.
켤레 정합
부하 리액턴스는 전원 리액턴스를 상쇄하고, 부하 저항은 전원 저항과 같습니다.
ZL = Zs* = 25 − j15 Ω
최대 전력
I = Vs/(2Rs) = 100/50 = 2 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 100²/(4·25) = 100 W
답
Pmax = 100 W
17.3상 전력
답: P = 18.43 kW
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.
상전압
Vph = 480/√3 = 277.1 V
상전류
|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 277.1/10 = 27.71 A
전체 유효 전력
각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.
P = 3·Iph²·R = 3·27.71²·8 = 18.43 kW
답
P = 18.43 kW
확인: cos φ = R/|Z| = 0.8이고, √3·VL·IL·cos φ도 같은 전력을 줍니다.
18.3상 전력
답: Cph = 355.4 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 = 120·tan(acos 0.7) = 120·1.02 = 122.4 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0.9) = 120·0.4843 = 58.12 kvar
커패시터가 공급하는 무효 전력
QC = Q1 − Q2 = 64.31 kvar
상당 정전 용량
Δ 뱅크에서 각 커패시터는 두 선 사이에 연결됩니다.
V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 21435/(377·400²) = 355.4 µF
답
Cph = 355.4 µF
19.변압기
답: IHV = 31.25 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.
정격 전류
두 권선은 같은 피상 전력을 전달합니다.
IHV = S/V = 15000/480 = 31.25 A
답
IHV = 31.25 A
20.변압기
답: Pcu,fl = 525.4 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 = 25·0.8 = 20 kW
Pin = 20000/0.965 = 20725 W
전체 손실과 동손
Ploss = 20725 − 20000 = 725.4 W
Pcu,fl = 725.4 − 200 = 525.4 W
답
Pcu,fl = 525.4 W
21.연산 증폭기 회로
답: Rf = 4 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.
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 = 1 kΩ · 0.47 µF = 0.47 ms
증가율 = −Vin/(RC) = −2.9/0.47 = −6.17 V/ms
주어진 시각의 출력
이상값이 ±Vsat 안에 있으므로 적분기는 아직 잘리지 않았습니다.
Vout = −Vin·t/(RC) = −2.9·1/0.47 = −6.17 V
답
Vout = −6.17 V
23.다이오드와 트랜지스터
답: IC = 1.422 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 = 20·15/(100 + 15) = 2.609 V
RTH = 100·15/(100 + 15) = 13.04 kΩ
베이스 전류
베이스 루프를 따라 KVL. 이미터 전류는 (β + 1)·IB입니다.
IB = (2.609 − 0.7)/(13.04 + 101·1.2) = 14.22 µA
컬렉터 전류
IC = 100·14.22 µA = 1.422 mA
IE = 101·14.22 µA = 1.436 mA
답
IC = 1.422 mA
24.다이오드와 트랜지스터
답: IC = 53.64 mA
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.
베이스 전류
IB = (5 − 0.7)/4.7 kΩ = 914.9 µA
포화인가, 활성인가?
β·IB가 IC(sat)보다 크므로 트랜지스터는 포화됩니다.
β·IB = 91.49 mA
IC(sat) = (12 − 0.2)/220 = 53.64 mA
컬렉터 전류
IC = IC(sat) = 53.64 mA
답
IC = 53.64 mA
트랜지스터는 포화 상태입니다.
25.진법
답: N = −17
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.
자리값 더하기
나머지 비트는 원래의 양의 자리값을 유지합니다.
−128 + 64 + 32 + 8 + 4 + 2 + 1 = −17
답
N = −17
26.진법
답: b = 11 bit
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.
2의 거듭제곱
210 = 1024 < 1586
211 = 2048 ≥ 1586
답
b = 11
27.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: AB = 10, CD = 11
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.
각 1의 이웃
이웃한 1이 있는 1은 두 칸 이상의 그룹에 들어갈 수 있습니다.
m11: m10, m9, m15, m3 → 0
고립된 1
m11 = AB′CD → AB = 10, CD = 11
답
AB = 10, CD = 11
28.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: 클록 에지 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.
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 + 16s² + 60s + K = 0
s³: 1, 60
s²: 16, K
s¹: (16·60 − K)/16
s⁰: K
안정한 최대 이득
Kmax = 16·60 = 960
배율
m = 960/320 = 3
답
m = 3
이 배율은 비로 나타낸 이득 여유이며 9.542 dB입니다.
38.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: si = −18.42
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.
실수축을 따른 이득
K(s) = −(s² + 6s)/(s + 11)
정류점
몫의 미분법으로 미분하고 분자를 0으로 놓으세요.
(2s + 6)(s + 11) − (s² + 6s) = s² + 22s + 66 = 0
s = −11 ± √55 = −3.584, −18.42
합류점
si = −18.42
답
si = −18.42
두 분기·합류점 사이에서 근궤적은 영점을 중심으로 하는 원이며, 반지름은 √55 = 7.416입니다.
39.정상상태 오차와 PID 제어
답: ess = 0.05
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.
가속도 상수
Ka = 20·2/1 = 40
포물선 오차
ess = 2/40 = 0.05
답
ess = 0.05
40.정상상태 오차와 PID 제어
답: Kd = 0.3384 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 + 4) + 5(2 + Kds) = s² + (4 + 5Kd)s + 10
고유 진동수
ωₙ = √10 = 3.162 rad/s
미분 이득
4 + 5Kd = 2·0.9·3.162 = 5.692
Kd = 0.3384 s
답
Kd = 0.3384 s
미분 항은 ωₙ을 바꾸지 않고 감쇠를 더합니다.
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