t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. 스위치를 닫은 뒤 얼마 후에 전류가 최종값의 90%에 도달하는가? t을(를) 구하시오.
Vs = 12 VR = 15 ΩL = 220 mH
t = ms
12.RC·RL 과도 현상어려움
스위치가 오랫동안 닫혀 있었으므로 회로는 정상 상태이다. t = 0에 스위치가 열린다. t = 40 ms에서 커패시터 전압 vC을(를) 구하시오.
Vs = 24 VR1 = 1 kΩR2 = 1 kΩC = 47 µFt = 40 ms
vC = V
13.교류 임피던스와 페이저보통
C = 0.47 µF인 직렬 RLC 회로가 60 Hz에서 공진해야 한다. 필요한 인덕턴스 L을(를) 구하시오.
f0 = 60 HzC = 0.47 µF
L = mH
14.교류 임피던스와 페이저어려움
직렬 RLC 회로가 120 V (실효값), 200 Hz 전원에 연결되어 있다. 회로의 공진 주파수 f0을(를) 구하시오.
V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 100 µF
f0 = Hz
15.교류 전력과 역률보통
임피던스 Z = 7 + j24 Ω인 부하가 240 V(실효값) 단상 전원에 연결되어 있다. 부하가 흡수하는 유효 전력 P을(를) 구하시오.
V = 240 VZ = 7 + j24 Ω
P = W
16.교류 전력과 역률어려움
단상 부하가 400 V, 60 Hz 전원에서 지상 역률 0.65로 40 kW를 소비한다. 병렬로 연결한 커패시터가 역률을 0.95(으)로 높인다. 커패시터가 공급해야 하는 무효 전력 QC을(를) 구하시오.
P = 40 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.95V = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
17.3상 전력보통
평형 3상 부하가 선간 전압 415 V의 전원에서 선전류 15 A를 끌어 쓴다. 역률은 0.88(지상)이다. 부하가 소비하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 415 VIL = 15 Acos φ = 0.88
P = kW
18.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 415 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.72(지상)로 120 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.9(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Y 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.
P = 120 kWpf1 = 0.72pf2 = 0.9VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.변압기보통
권수비 N₁:N₂ = 5:1인 이상 변압기의 1차 권선에 1150 V가 가해진다. 2차 권선 양단에 10 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 전류 I1을(를) 구하시오.
N1:N2 = 5:1V1 = 1150 VRL = 10 Ω
I1 = A
20.변압기어려움
단상 250 kVA 변압기의 철손은 2000 W이고 정격 부하에서의 동손은 5000 W이다. 효율이 최대가 되는 부하 Sη,max은(는) 몇 kVA인가?
S = 250 kVAPcore = 2000 WPcu,fl = 5000 W
Sη,max = kVA
21.연산 증폭기 회로보통
연산 증폭기는 이상적이며 ±15 V 전원으로 동작한다. 출력 전압 Vout을(를) 구하시오.
Vin = −1.2 VR1 = 10 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
22.연산 증폭기 회로어려움
가산 증폭기는 ±15 V 전원의 이상 연산 증폭기를 사용한다. 출력 전압 Vout을(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.
전류
|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω
I = V/|Z| = 240/25 = 9.6 A
유효 전력
P = I²·R = 9.6²·7 = 645.1 W
답
P = 645.1 W
16.교류 전력과 역률
답: QC = 33.62 kvar
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 = P·tan φ1 = 40·tan(49.46°) = 46.77 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 40·tan(18.19°) = 13.15 kvar
QC = Q1 − Q2 = 33.62 kvar
답
QC = 33.62 kvar
17.3상 전력
답: P = 9.488 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.
피상 전력
S = √3·VL·IL = √3·415·15 = 10.78 kVA
유효 전력
P = S·cos φ = 10.78·0.88 = 9.488 kW
답
P = 9.488 kW
18.3상 전력
답: Cph = 1064 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.
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 = 1150/5 = 230 V
I2 = 230/10 = 23 A
1차 전류
이상 변압기에는 손실이 없습니다: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/5 = 4.6 A
답
I1 = 4.6 A
확인: 1차 측에서 본 부하는 a²·RL = 250 Ω이고, 1150/250도 같은 전류를 줍니다.
20.변압기
답: Sη,max = 158.1 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
x²·5000 = 2000 → x = √(2000/5000) = 0.6325
최대 효율에서의 부하
Sη,max = x·S = 0.6325·250 = 158.1 kVA
답
Sη,max = 158.1 kVA
21.연산 증폭기 회로
답: Vout = −2.4 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₊ = −1.2 V
I = V₋/R1 = −1.2/10 = −0.12 mA
출력 전압
R₁의 전류는 Rf에도 흐릅니다.
Vout = V₋ + I·Rf = −1.2 + (−0.12)·10 = −2.4 V
답
Vout = −2.4 V
22.연산 증폭기 회로
답: Vout = 1.8 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 전류
V₋ = 0이므로 각 입력 저항에는 입력 전압 전체가 걸립니다.
I1 = V1/R1 = −1.3/1 = −1.3 mA
I2 = V2/R2 = 0.8/2 = 0.4 mA
If = I1 + I2 = −0.9 mA
출력 전압
Vout = −Rf·If = −2·(−0.9) = 1.8 V
답
Vout = 1.8 V
23.다이오드와 트랜지스터
답: VCE = 9.351 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 = 12·10/(56 + 10) = 1.818 V
RTH = 56·10/(56 + 10) = 8.485 kΩ
베이스 전류
베이스 루프를 따라 KVL. 이미터 전류는 (β + 1)·IB입니다.
IB = (1.818 − 0.7)/(8.485 + 81·2.2) = 5.99 µA
컬렉터 전류
IC = 80·5.99 µA = 0.4792 mA
IE = 81·5.99 µA = 0.4852 mA
컬렉터–이미터 전압
VCE = 12 − 0.4792·3.3 − 0.4852·2.2 = 9.351 V
답
VCE = 9.351 V
24.다이오드와 트랜지스터
답: ID = 15.07 mA
LED와 다이오드 회로: 순방향 바이어스된 LED는 전류와 관계없이 대략 순방향 전압 VF(빨강은 약 2 V, 파랑이나 흰색은 약 3 V)만큼 전압이 떨어집니다. 직렬 저항이 전류를 정합니다: 직렬 LED n개에 대해 R = (Vs − n·VF)/I. 더 정확한 다이오드 모델 V = V₀ + I·rd에서는 동작점이 다이오드 직선과 부하선 I = (Vs − V)/R이 만나는 곳이므로 I = (Vs − V₀)/(R + rd)입니다.
두 식을 결합하기
6 = 0.65 + I·(330 + 25)
동작 전류
ID = 5.35/355 = 15.07 mA
VD = 0.65 + 0.01507·25 = 1.027 V
답
ID = 15.07 mA
25.진법
답: N = −110
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 + 16 + 2 = −110
답
N = −110
26.진법
답: b = 12 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
211 = 2048 < 3981
212 = 4096 ≥ 3981
답
b = 12
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.
1 묶기
모든 그룹은 2ᵏ칸의 직사각형입니다. 가장자리 칸은 반대쪽 가장자리의 칸과 이웃합니다.
B′C
AC
AB′
A′BC′
최소 SOP 형태
F = B′C + AC + AB′ + A′BC′
L = 9
답
L = 9
28.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: N = 1
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.
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 + 1ω² − 169 = 0
ω² = (−1 + √(1 + 4·169))/2 = 12.51
ωc = 3.537 rad/s
위상 여유
∠L(jωc) = −90° − atan(3.537/1) = −164.2°
PM = 180° + ∠L = 15.79°
답
PM = 15.79°
37.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: ω = 5.657 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 + 12s² + 32s + K = 0
s³: 1, 32
s²: 12, K
s¹: (12·32 − K)/12
s⁰: K
임계 이득
K = 12·32 = 384
보조방정식
임계 이득에서는 s¹ 행이 0이 되고, s² 행이 허수축 위의 극점을 알려 줍니다.
12s² + 384 = 0 → s = ±j√32
ω = 5.657 rad/s
답
ω = 5.657 rad/s
38.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: K = 4
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 + 2s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0.5·ωₙ = 2 → ωₙ = 2 rad/s
이득
K = ωₙ² = 2² = 4
답
K = 4
폐루프 극점은 ζ 직선이 s = −1의 수직 가지와 만나는 곳에 있습니다.
39.정상상태 오차와 PID 제어
답: ess = 7.407 %
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 = 5·2.5 = 12.5
계단 오차
ess = 100/(1 + 12.5) = 7.407 %
답
ess = 7.407 %
40.정상상태 오차와 PID 제어
답: Ki = 2.25
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
1 + C(s)G(s) = 0에 s(s + 2)을 곱하세요.
s² + (2 + 4Kp)s + 4Ki
목표 다항식
s² + 2·0.8·3s + 3² = s² + 4.8s + 9
계수를 맞추세요
4Ki = 9 → Ki = 2.25
답
Ki = 2.25
적분 항이 루프를 1형으로 만들므로 계단 입력은 정상상태 오차 없이 추종됩니다.
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