t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. 스위치를 닫은 뒤 얼마 후에 전류가 최종값의 99%에 도달하는가? t을(를) 구하시오.
Vs = 12 VR = 20 ΩL = 100 mH
t = ms
12.RC·RL 과도 현상어려움
t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 5 V이다. t = 200 ms에서 커패시터 전압 vC을(를) 구하시오.
Vs = 20 VR = 10 kΩC = 68 µFvC(0) = 5 Vt = 200 ms
vC = V
13.교류 임피던스와 페이저보통
직렬 RLC 회로가 230 V (실효값), 100 Hz 전원에 연결되어 있다. 임피던스의 위상각 φ을(를) 도 단위로 구하시오 (전류가 전압보다 뒤질 때 양).
V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 22 µF
φ = °
14.교류 임피던스와 페이저어려움
직렬 RLC 회로의 R = 10 Ω, L = 1 mH, C = 0.47 µF이다. 대역폭 B(반전력 주파수 사이 대역의 폭)을(를) Hz로 구하시오.
R = 10 ΩL = 1 mHC = 0.47 µF
B = Hz
15.교류 전력과 역률보통
단상 전동기가 400 V 전원에서 지상 역률 0.75로 37 kW를 소비한다. 선전류 I을(를) 구하시오.
P = 37 kWpf = 0.75V = 400 V
I = A
16.교류 전력과 역률어려움
200 kVA 단상 변압기가 지상 역률 0.65의 69 kW 부하에 전력을 공급한다. 변압기가 kVA 정격에 도달하기 전까지 저항성(역률 1) 부하로 추가할 수 있는 유효 전력 ΔP은(는) 얼마인가?
Smax = 200 kVAP1 = 69 kWpf1 = 0.65
ΔP = kW
17.3상 전력보통
상당 임피던스가 20 + j15 Ω인 평형 Δ 결선 부하가 선간 전압 480 V의 평형 3상 전원에 연결되어 있다. 부하가 흡수하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 480 VZ = 20 + j15 Ω 상당
P = kW
18.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 415 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.78(지상)로 150 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.9(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터 뱅크가 공급해야 하는 전체 무효 전력 QC을(를) kvar 단위로 구하시오.
P = 150 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.9VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.변압기보통
권수비 N₁:N₂ = 4:1인 이상 변압기의 1차 권선에 960 V가 가해진다. 2차 권선 양단에 40 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 전류 I1을(를) 구하시오.
N1:N2 = 4:1V1 = 960 VRL = 40 Ω
I1 = A
20.변압기어려움
단상 200 kVA 변압기의 철손은 1000 W이고 정격 부하에서의 동손은 2000 W이다. 효율이 최대가 되는 부하 Sη,max은(는) 몇 kVA인가?
S = 200 kVAPcore = 1000 WPcu,fl = 2000 W
Sη,max = kVA
21.연산 증폭기 회로보통
연산 증폭기는 이상적이며 ±15 V 전원으로 동작한다. 출력 전압 Vout을(를) 구하시오.
Vin = −0.9 VR1 = 22 kΩRf = 47 kΩ
Vout = V
22.연산 증폭기 회로어려움
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. 전체 전압 이득 Av = Vout/Vin을(를) 구하시오.
R1 = 22 kΩRf1 = 22 kΩR2 = 4.7 kΩRf2 = 22 kΩ
Av =
23.다이오드와 트랜지스터보통
β = 80인 NPN 트랜지스터가 전원 VCC = 12 V에서 베이스 저항 RB = 470 kΩ을(를) 통해 바이어스된다. 컬렉터 저항은 RC = 2.2 kΩ이고 이미터는 접지되어 있다. VBE = 0.7 V로 하고 트랜지스터가 활성 영역에 있다고 가정한다. 컬렉터 전류 IC을(를) mA 단위로 구하시오.
VCC = 12 VRB = 470 kΩRC = 2.2 kΩβ = 80VBE = 0.7 V
IC = mA
24.다이오드와 트랜지스터어려움
12 V 제너 레귤레이터에 150 Ω 직렬 저항이 있습니다. 입력은 17 V까지 올라갈 수 있고 부하가 분리될 수 있습니다. 제너가 소비해야 하는 최대 전력 PZ,max을(를) 구하시오.
Vin,max = 17 VVZ = 12 VR = 150 Ω
PZ,max = mW
25.진법보통
8비트 2의 보수로 −85을 저장하도록 비트를 설정하세요. 부호 없는 수로 읽으면 패턴의 값 U은 얼마입니까?
N = −858 bit
U =
26.진법어려움
1010 0011 AND 0010 0110의 8비트 결과가 되도록 비트를 설정하세요. 결과의 값 R은 십진수로 얼마입니까?
1010 0011AND0010 0110
R =
27.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭보통
카르노 맵으로 F(A, B, C, D) = Σm(0, 3, 7, 8, 10)의 최소 곱의 합(SOP) 형태를 구하시오. 곱항은 몇 개(N)인가?
F(A, B, C, D) = Σm(0, 3, 7, 8, 10)
N =
28.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭어려움
상승 에지 트리거 JK 플립플롭이 Q = 0에서 시작하여 그림의 입력을 상승 클록 에지 7번에 걸쳐 받는다. Q의 상태는 몇 번(N) 바뀌는가?
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.
선전류
일을 하는 것은 유효분뿐이므로 역률로 나눕니다.
I = P/(V·cos φ) = 37000/(400·0.75) = 123.3 A
답
I = 123.3 A
16.교류 전력과 역률
답: ΔP = 114 kW
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.
기존 부하의 무효 전력
Q1 = 69·tan(arccos 0.65) = 80.67 kvar
최대 전체 유효 전력
정격 전부에서 S = Smax이며, 저항성 부하는 Q를 바꾸지 않습니다.
P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 80.67²) = 183 kW
추가 유효 전력
ΔP = 183 − 69 = 114 kW
답
ΔP = 114 kW
17.3상 전력
답: P = 22.12 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 = VL = 480 V
상전류
|Z| = √(20² + 15²) = 25 Ω
Iph = 480/25 = 19.2 A
전체 유효 전력
각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.
P = 3·Iph²·R = 3·19.2²·20 = 22.12 kW
답
P = 22.12 kW
확인: cos φ = R/|Z| = 0.8이고, √3·VL·IL·cos φ도 같은 전력을 줍니다.
18.3상 전력
답: QC = 47.69 kvar
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 0.78) = 150·0.8023 = 120.3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0.9) = 150·0.4843 = 72.65 kvar
커패시터가 공급하는 무효 전력
QC = Q1 − Q2 = 47.69 kvar
답
QC = 47.69 kvar
19.변압기
답: I1 = 1.5 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 = 960/4 = 240 V
I2 = 240/40 = 6 A
1차 전류
이상 변압기에는 손실이 없습니다: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/4 = 1.5 A
답
I1 = 1.5 A
확인: 1차 측에서 본 부하는 a²·RL = 640 Ω이고, 960/640도 같은 전류를 줍니다.
20.변압기
답: Sη,max = 141.4 kVA
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.
동손 = 철손
x²·2000 = 1000 → x = √(1000/2000) = 0.7071
최대 효율에서의 부하
Sη,max = x·S = 0.7071·200 = 141.4 kVA
답
Sη,max = 141.4 kVA
21.연산 증폭기 회로
답: Vout = −2.823 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.
확인: VCE = 7.769 V로 0.2 V보다 충분히 크므로 트랜지스터는 실제로 활성 영역에 있습니다.
24.다이오드와 트랜지스터
답: PZ,max = 400 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 = 5/150 = 33.33 mA
제너 전력
PZ = 12·33.33 = 400 mW
답
PZ,max = 400 mW
25.진법
답: U = 171
비트 설정: 각 비트는 2의 거듭제곱(128, 64, …, 1)의 값을 가집니다. 16진수 한 자리는 정확히 네 비트이고, 8비트 2의 보수에서 맨 왼쪽 비트의 값은 −128입니다. 비트 연산은 각 비트 자리를 따로 처리합니다.
반전하고 1 더하기
85 = 0101 0101
반전 후: 1010 1010
+1 → 1010 1011
부호 없는 수로 읽기
1010 1011₂ = 256 − 85 = 171
답
U = 171
26.진법
답: R = 34
비트 설정: 각 비트는 2의 거듭제곱(128, 64, …, 1)의 값을 가집니다. 16진수 한 자리는 정확히 네 비트이고, 8비트 2의 보수에서 맨 왼쪽 비트의 값은 −128입니다. 비트 연산은 각 비트 자리를 따로 처리합니다.
비트별로
AND는 두 비트가 모두 1인 곳에서만 1입니다.
1010 0011
AND 0010 0110
= 0010 0010
결과의 값
0010 0010₂ = 34
답
R = 34
27.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′
A′CD
AB′D′
최소 SOP 형태
F = B′C′D′ + A′CD + AB′D′
N = 3
답
N = 3
28.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: N = 2
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.
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.
이득 교차
ω⁴ + 25ω² − 48400 = 0
ω² = (−25 + √(625 + 4·48400))/2 = 207.9
ωc = 14.42 rad/s
답
ωc = 14.42 rad/s
37.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: Kmax = 110
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.
특성방정식
s³ + 11s² + 10s + K = 0
라우스 배열
s³: 1, 10
s²: 11, K
s¹: (11·10 − K)/11
s⁰: K
조건
첫 번째 열의 모든 항이 양수여야 합니다.
K > 0
11·10 − K > 0 → K < 110
답
Kmax = 110
K = 110에서 폐루프는 ω = √10 = 3.162 rad/s로 진동합니다.
38.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: ω = 5.831 rad/s
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.
임계 이득
s³ + 11s² + 34s + 24 + K = 0
s¹: (11·34 − 24 − K)/11 = 0 → K = 350
교차 주파수
11s² + 24 + 350 = 11s² + 374 = 0 → s² = −34
ω = √34 = 5.831 rad/s
답
ω = 5.831 rad/s
39.정상상태 오차와 PID 제어
답: ess = 16.67 %
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.
위치 상수
Kp = 5·1 = 5
계단 오차
ess = 100/(1 + 5) = 16.67 %
답
ess = 16.67 %
40.정상상태 오차와 PID 제어
답: Kd = 1.78 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 + 3) + 4(10 + Kds) = s² + (3 + 4Kd)s + 40
고유 진동수
ωₙ = √40 = 6.325 rad/s
미분 이득
3 + 4Kd = 2·0.8·6.325 = 10.12
Kd = 1.78 s
답
Kd = 1.78 s
미분 항은 ωₙ을 바꾸지 않고 감쇠를 더합니다.
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