t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. t = 5 ms에서 인덕터에 저장된 에너지 W을(를) mJ로 구하시오.
Vs = 12 VR = 22 ΩL = 68 mHt = 5 ms
W = mJ
12.RC·RL 과도 현상어려움
t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 2 V이다. vC이(가) 9 V에 도달하는 데 걸리는 시간은? t을(를) 구하시오.
Vs = 12 VR = 2.2 kΩC = 68 µFvC(0) = 2 V
t = ms
13.교류 임피던스와 페이저보통
직렬 RLC 회로가 50 V (실효값), 100 Hz 전원에 연결되어 있다. 임피던스의 위상각 φ을(를) 도 단위로 구하시오 (전류가 전압보다 뒤질 때 양).
V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 4.7 µF
φ = °
14.교류 임피던스와 페이저어려움
저항 R1이(가) R2와(과) 커패시터 C의 병렬 조합과 직렬로 연결되어 120 V(실효값), 200 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.
V = 120 V (rms)f = 200 HzR1 = 20 ΩR2 = 80 ΩC = 4.7 µF
I = A
15.교류 전력과 역률보통
임피던스 Z = 12 + j9 Ω인 부하가 230 V(실효값) 단상 전원에 연결되어 있다. 부하가 흡수하는 유효 전력 P을(를) 구하시오.
V = 230 VZ = 12 + j9 Ω
P = W
16.교류 전력과 역률어려움
단상 부하가 230 V, 60 Hz 전원에서 지상 역률 0.6로 5 kW를 소비한다. 47 µF 커패시터를 부하와 병렬로 연결한다. 전원에서 본 새 역률 cos φ을(를) 구하시오.
P = 5 kWpf1 = 0.6V = 230 Vf = 60 HzC = 47 µF
cos φ =
17.3상 전력보통
평형 3상 부하가 선간 전압 480 V의 전원에서 선전류 12 A를 끌어 쓴다. 역률은 0.8(지상)이다. 부하가 소비하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 480 VIL = 12 Acos φ = 0.8
P = kW
18.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 400 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.7(지상)로 250 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.95(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Y 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.
P = 250 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.95VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.변압기보통
출력 저항이 450 Ω인 증폭기가 이상 변압기를 통해 50 Ω 스피커를 구동한다. 최대 전력 전달을 위해 증폭기에서 본 스피커는 450 Ω으로 보여야 한다. 권수비 a = N₁/N₂을(를) 구하시오.
Rs = 450 ΩRL = 50 Ω
a =
20.변압기어려움
단상 150 kVA 변압기의 철손은 1200 W이다. 정격 부하, 역률 0.8(지상)에서 효율은 96.5%이다. 전부하 동손 Pcu,fl을(를) 와트 단위로 구하시오.
S = 150 kVAPcore = 1200 Wpf = 0.8η = 96.5%
Pcu,fl = W
21.연산 증폭기 회로보통
이 비반전 증폭기의 전압 이득이 51이(가) 되도록 하는 귀환 저항 Rf을(를) 고르시오.
R1 = 2 kΩAv = 51
Rf = kΩ
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| = √(12² + 9²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 230/15 = 15.33 A
유효 전력
P = I²·R = 15.33²·12 = 2821 W
답
P = 2821 W
16.교류 전력과 역률
답: cos φ = 0.6575
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 = 5·tan(arccos 0.6) = 6.667 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·60·47·10⁻⁶ = 937.3 var = 0.9373 kvar
Q2 = 6.667 − 0.9373 = 5.729 kvar
새 피상 전력
S2 = √(5² + 5.729²) = 7.604 kVA
새 역률
cos φ = P/S2 = 5/7.604 = 0.6575
답
cos φ = 0.6575
17.3상 전력
답: P = 7.981 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 = √3·480·12 = 9.977 kVA
유효 전력
P = S·cos φ = 9.977·0.8 = 7.981 kW
답
P = 7.981 kW
18.3상 전력
답: Cph = 2866 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.
환산 부하 정합
a²·50 = 450
a = √(450/50) = √9 = 3
답
a = 3
20.변압기
답: Pcu,fl = 3152 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 = 150·0.8 = 120 kW
Pin = 120000/0.965 = 124352 W
전체 손실과 동손
Ploss = 124352 − 120000 = 4352 W
Pcu,fl = 4352 − 1200 = 3152 W
답
Pcu,fl = 3152 W
21.연산 증폭기 회로
답: Rf = 100 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 전류
V₋ = 0이므로 각 입력 저항에는 입력 전압 전체가 걸립니다.
I1 = V1/R1 = 0.1/100 = 0.001 mA
I2 = V2/R2 = −1.7/22 = −0.07727 mA
If = I1 + I2 = −0.07627 mA
출력 전압
Vout = −Rf·If = −47·(−0.07627) = 3.585 V
답
Vout = 3.585 V
23.다이오드와 트랜지스터
답: VCE = 5.671 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 = 12·6.8/(33 + 6.8) = 2.05 V
RTH = 33·6.8/(33 + 6.8) = 5.638 kΩ
베이스 전류
베이스 루프를 따라 KVL. 이미터 전류는 (β + 1)·IB입니다.
IB = (2.05 − 0.7)/(5.638 + 151·0.68) = 12.47 µA
컬렉터 전류
IC = 150·12.47 µA = 1.87 mA
IE = 151·12.47 µA = 1.882 mA
컬렉터–이미터 전압
VCE = 12 − 1.87·2.7 − 1.882·0.68 = 5.671 V
답
VCE = 5.671 V
24.다이오드와 트랜지스터
답: ID = 45 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 = 0.6 + I·(100 + 20)
동작 전류
ID = 5.4/120 = 45 mA
VD = 0.6 + 0.045·20 = 1.5 V
답
ID = 45 mA
25.진법
답: N = −120
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 + 8 = −120
답
N = −120
26.진법
답: N = −512
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
−29 = −512
답
N = −512
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.
0 묶기
모든 그룹은 2ᵏ칸의 직사각형입니다. 가장자리 칸은 반대쪽 가장자리의 칸과 이웃합니다.
(B + C′)
(A′ + B)
(A + B′ + C)
최소 POS 형태
F = (B + C′)(A′ + B)(A + B′ + C)
N = 3
답
N = 3
28.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: N = 4
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.
소 임플리컨트
1과 X로 만들 수 있는 가장 큰 그룹들.
C′D′, BD′, BC′, B′CD, A′
최소 덮개
F = C′D′ + BC′ + B′CD + A′
N = 4
답
N = 4
29.라플라스 변환
답: A = 13
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).
분모 인수분해
s² + 3s + 2 = (s + 1)(s + 2)
F(s) = A/(s + 1) + B/(s + 2)
가리기 규칙
(s + 1)를 곱하고 s = −1을 대입하세요. B항은 사라집니다.
A = (6s + 19)/(s + 2) |s = −1 = 13/1 = 13
답
A = 13
(B = −7이므로 f(t) = 13·e−t − 7·e−2t)
30.라플라스 변환
답: y(0.4) = 2.174
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).
방정식 변환하기
Y(s) = 40/(s(s + 1)(s + 2))
부분분수 전개
A = 40/(1·2) = 20
B = 40/((−1)·1) = −40
C = 40/((−2)·(−1)) = 20
배설량
y(t) = 20 − 40·e−t + 20·e−2t
y(0.4) = 2.174
답
y(0.4) = 2.174
31.블록선도
답: T(0) = 0.8831
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.
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 + 7s² + 6s + K = 0
s³: 1, 6
s²: 7, K
s¹: (7·6 − K)/7
s⁰: K
안정한 최대 이득
Kmax = 7·6 = 42
배율
m = 42/14 = 3
답
m = 3
이 배율은 비로 나타낸 이득 여유이며 9.542 dB입니다.
38.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: σa = −4.333
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.
극점과 영점
극점: 0, −5, −8
n − m = 3 − 0 = 3
도심
σa = (−13)/3 = −4.333
답
σa = −4.333
3개의 점근선이 중심점에서 60°, 180°, 300°의 각도로 뻗어 나갑니다.
39.정상상태 오차와 PID 제어
답: K = 8
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 속도 상수
Kv = A/ess = 1/0.5 = 2
이득
K = 4·Kv = 8
답
K = 8
이득이 크면 이 루프는 감쇠가 매우 작아집니다: ζ = 0.7071. 이런 상충 때문에 보상기를 사용합니다.
40.정상상태 오차와 PID 제어
답: ess = 2
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.
속도 상수
s·C(s) = 5s + 10 → s → 0일 때 10.
Kv = 10·2/20 = 1
램프 오차
ess = 2/1 = 2
답
ess = 2
PI 제어기는 계단 오차를 완전히 없앱니다. 램프 입력은 일정한 지연을 두고 추종합니다.
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