선형 저항 회로에 전압원 Vs 하나와 전류원 Is 하나가 있다. 부하 저항의 전류 I를 두 번 측정했다: Vs = 6 V, Is = 10 mA일 때 I = 6.2 mA이고, Vs = 20 V, Is = 4 mA일 때 I = 23.6 mA이다. Vs = 8 V, Is = 8 mA일 때의 부하 전류 I을(를) 구하시오.
6 V, 10 mA → 6.2 mA20 V, 4 mA → 23.6 mAVs = 8 V, Is = 8 mA
t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. t = 1 ms에서 전류 i을(를) 구하시오.
Vs = 6 VR = 15 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
12.RC·RL 과도 현상어려움
t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 15 V이다. vC이(가) 12.5 V에 도달하는 데 걸리는 시간은? t을(를) 구하시오.
Vs = 10 VR = 2.2 kΩC = 22 µFvC(0) = 15 V
t = ms
13.교류 임피던스와 페이저보통
직렬 RLC 회로가 12 V (실효값), 100 Hz 전원에 연결되어 있다. 전원에서 공급받는 유효 전력 P을(를) 구하시오.
V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 80 ΩL = 50 mHC = 10 µF
P = W
14.교류 임피던스와 페이저어려움
직렬 RLC 회로가 100 V (실효값), 200 Hz 전원에 연결되어 있다. 회로의 공진 주파수 f0을(를) 구하시오.
V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩL = 250 mHC = 22 µF
f0 = Hz
15.교류 전력과 역률보통
단상 전동기가 400 V 전원에서 지상 역률 0.65로 25 kW를 소비한다. 선전류 I을(를) 구하시오.
P = 25 kWpf = 0.65V = 400 V
I = A
16.교류 전력과 역률어려움
단상 부하가 230 V, 50 Hz 전원에서 지상 역률 0.8로 15 kW를 소비한다. 병렬로 연결한 커패시터가 역률을 0.9(으)로 높인다. 커패시터가 공급해야 하는 무효 전력 QC을(를) 구하시오.
P = 15 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9V = 230 Vf = 50 Hz
QC = kvar
17.3상 전력보통
평형 3상 부하가 선간 전압 415 V의 전원에서 선전류 50 A를 끌어 쓴다. 역률은 0.9(지상)이다. 부하가 소비하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 415 VIL = 50 Acos φ = 0.9
P = kW
18.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 480 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.7(지상)로 80 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 = 80 kWpf1 = 0.7pf2 = 0.95VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.변압기보통
권수비 N₁:N₂ = 4:1인 이상 변압기의 1차 권선에 480 V가 가해진다. 2차 권선 양단에 5 Ω 저항이 연결되어 있다. 1차 전류 I1을(를) 구하시오.
N1:N2 = 4:1V1 = 480 VRL = 5 Ω
I1 = A
20.변압기어려움
단상 100 kVA 변압기의 철손은 300 W이고 정격 부하에서의 동손은 900 W이다. 이 변압기가 정격 kVA의 50%를 역률 0.8(지상)로 공급한다. 이 부하에서의 전체 손실 Ploss을(를) 와트 단위로 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.
선전류
일을 하는 것은 유효분뿐이므로 역률로 나눕니다.
I = P/(V·cos φ) = 25000/(400·0.65) = 96.15 A
답
I = 96.15 A
16.교류 전력과 역률
답: QC = 3.985 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 = 15·tan(36.87°) = 11.25 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(25.84°) = 7.265 kvar
QC = Q1 − Q2 = 3.985 kvar
답
QC = 3.985 kvar
17.3상 전력
답: P = 32.35 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 = √3·415·50 = 35.94 kVA
유효 전력
P = S·cos φ = 35.94·0.9 = 32.35 kW
답
P = 32.35 kW
18.3상 전력
답: Cph = 636.9 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 = 480/4 = 120 V
I2 = 120/5 = 24 A
1차 전류
이상 변압기에는 손실이 없습니다: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/4 = 6 A
답
I1 = 6 A
확인: 1차 측에서 본 부하는 a²·RL = 80 Ω이고, 480/80도 같은 전류를 줍니다.
20.변압기
답: Ploss = 525 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.
이 부하에서의 동손
Pcu = x²·Pcu,fl = 0.25·900 = 225 W
전체 손실
철손은 어떤 부하에서도 같습니다.
Ploss = 300 + 225 = 525 W
답
Ploss = 525 W
이 부하에서의 효율은 η = 98.7%입니다.
21.연산 증폭기 회로
답: V− = 0.2232 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 단자의 전압
R₃와 R₄에는 같은 전류가 흐르므로 전압 분배기를 이루며, 귀환이 V₋ = V₊가 되게 합니다.
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 = −0.4/1 = −0.4 mA
I2 = V2/R2 = 1.2/4.7 = 0.2553 mA
If = I1 + I2 = −0.1447 mA
답
If = −0.1447 mA
23.다이오드와 트랜지스터
답: IC = 2.148 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 = 20·6.8/(39 + 6.8) = 2.969 V
RTH = 39·6.8/(39 + 6.8) = 5.79 kΩ
베이스 전류
베이스 루프를 따라 KVL. 이미터 전류는 (β + 1)·IB입니다.
IB = (2.969 − 0.7)/(5.79 + 121·1) = 17.9 µA
컬렉터 전류
IC = 120·17.9 µA = 2.148 mA
IE = 121·17.9 µA = 2.166 mA
답
IC = 2.148 mA
24.다이오드와 트랜지스터
답: ID = 30.74 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
9 = 0.7 + I·(220 + 50)
동작 전류
ID = 8.3/270 = 30.74 mA
VD = 0.7 + 0.03074·50 = 2.237 V
답
ID = 30.74 mA
25.진법
답: U = 234
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
22 = 0001 0110
반전 후: 1110 1001
+1 → 1110 1010
부호 없는 수로 읽기
1110 1010₂ = 256 − 22 = 234
답
U = 234
26.진법
답: R = 46
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.
0011 1110
AND 0010 1110
= 0010 1110
결과의 값
0010 1110₂ = 46
답
R = 46
27.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: L = 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.
1 묶기
모든 그룹은 2ᵏ칸의 직사각형입니다. 가장자리 칸은 반대쪽 가장자리의 칸과 이웃합니다.
BC
A′C′
최소 SOP 형태
F = BC + A′C′
L = 4
답
L = 4
28.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: 클록 에지 7
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 + 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 = 1
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.
분기점
K = −(s + 5)(s + 7)에 대해 dK/ds = 0이면 2s + 12 = 0이 됩니다.
sb = −6
크기 조건
K = |−6 + 5|·|−6 + 7| = 1·1 = 1
답
K = 1
이 이득에서 폐루프는 임계 감쇠(ζ = 1)입니다.
39.정상상태 오차와 PID 제어
답: ess = 0.1667
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 = 10·3/1 = 30
포물선 오차
ess = 5/30 = 0.1667
답
ess = 0.1667
40.정상상태 오차와 PID 제어
답: ts = 2 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) + 20·5 = s² + 4s + 100
ωₙ과 ζ
ωₙ = √100 = 10 rad/s
ζ = 4/(2·10) = 0.2
정착 시간
ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/2 = 2 s
답
ts = 2 s
이 경우 정착 시간은 K에 의존하지 않습니다. K를 올리면 응답이 더 빠르게 진동할 뿐입니다.
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