FE Electrical and Computer 시험 대비: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 40개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

저항의 직렬·병렬

저항의 직렬 연결
Req = R1 + R2 + …
저항의 병렬 연결
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
두 저항의 병렬
Req = R1R2 / (R1 + R2)
옴의 법칙
V = I·R
전력
P = V·I = I²R = V²/R

방법

  1. 단자에서 가장 먼 회로망 끝에서 시작하세요.
  2. 직렬 저항은 더하고, 병렬 저항은 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …로 합성하세요.
  3. 단계마다 회로를 다시 그리세요.
  4. 단자 사이에 저항이 하나 남을 때까지 반복하세요.

마디 해석

키르히호프 전류 법칙
ΣIin = ΣIout
가지 전류
I = (Va − Vb)/R
기준 마디
Vground = 0

방법

  1. 기준 마디(접지)를 정하고 나머지 마디 전압에 이름을 붙이세요.
  2. 미지의 마디마다 키르히호프 전류 법칙을 쓰세요. 각 가지로 나가는 전류의 합은 들어오는 전류의 합과 같습니다.
  3. 모든 가지 전류를 (Va − Vb)/R로 나타내세요.
  4. 연립방정식을 푼 다음 필요한 전류를 구하세요.

망 해석

키르히호프 전압 법칙
모든 루프에서 ΣV = 0
공유 저항
전류 = I1 − I2
망 안의 전류원
그 망 전류가 정해짐

방법

  1. 회로의 모든 망(창)에 시계 방향 전류를 그리세요.
  2. 각 망을 따라 키르히호프 전압 법칙을 적용하세요. 전압 강하의 합은 0입니다.
  3. 두 망이 공유하는 저항에 흐르는 전류는 두 망 전류의 차입니다.
  4. 방정식을 푸세요. 결과가 음수이면 전류가 반대 방향으로 흐릅니다.

중첩의 원리

중첩의 원리
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
제거한 전압원
단락 (0 V)
제거한 전류원
개방 (0 A)
전압 분배
V2 = V·R2/(R1 + R2)
전류 분배
I1 = I·R2/(R1 + R2)

방법

  1. 독립 전원의 수를 세세요. 전원 하나마다 더 간단한 회로를 하나씩 풉니다.
  2. 전원 하나만 남기고 나머지는 끄세요. 전압원은 단락(도선)이 되고, 전류원은 개방(끊어진 부분)이 됩니다.
  3. 간단해진 회로에서 필요한 전압이나 전류를 구하고, 그 방향을 기록하세요.
  4. 모든 전원에 대해 반복한 뒤, 각 기여분을 부호와 함께 더하세요.

테브난·노턴

테브난 전압
Vth = Vopen circuit
테브난 저항
Rth: 모든 전원을 제거하고 a–b에서 본 저항
노턴 전류
IN = Vth/Rth
부하 전류
IL = Vth/(Rth + RL)
최대 전력 전달
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

방법

  1. 부하를 떼어 내고 두 단자를 a와 b로 표시하세요.
  2. a와 b 사이의 개방 전압을 구하세요. 이것이 Vth입니다.
  3. 모든 독립 전원을 끄고 a–b에서 본 저항을 구하세요. 이것이 Rth입니다.
  4. 부하를 등가 회로에 다시 연결합니다: Vth와 Rth의 직렬.
  5. 노턴 등가 회로로 변환합니다: IN = Vth/Rth, RN = Rth를 병렬로.

RC·RL 과도 현상

시정수
τ = RC | τ = L/R
응답
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
직류에서의 커패시터
개방; vC는 갑자기 변할 수 없음
직류에서의 인덕터
단락; iL은 갑자기 변할 수 없음
정상 상태 값
t ≈ 5τ

방법

  1. 스위칭 직후의 초깃값을 구하세요. 커패시터 전압과 인덕터 전류는 갑자기 변할 수 없습니다.
  2. 스위칭 후 충분히 지난 뒤의 최종값을 구하세요. 커패시터는 개방 회로, 인덕터는 단락 회로처럼 동작합니다.
  3. 커패시터나 인덕터에서 본 저항을 이용해 시정수 τ = RC 또는 τ = L/R을 구하세요.
  4. x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ를 쓰세요.

교류 임피던스와 페이저

임피던스
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
각주파수
ω = 2πf
크기와 위상각
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
페이저 옴의 법칙
V = I·Z

방법

  1. 주파수를 바꾸세요: ω = 2πf.
  2. 각 리액턴스를 구하세요: XL = ωL, XC = 1/(ωC).
  3. 임피던스는 Z = R + jX로 놓고 저항처럼 합성하세요.
  4. 크기 |Z| = √(R² + X²)와 각 φ = atan(X/R)을 구한 다음 페이저로 옴의 법칙을 쓰세요.

교류 전력과 역률

유효 전력
P = V·I·cos φ
무효 전력
Q = V·I·sin φ
피상 전력
S = V·I = √(P² + Q²)
역률
pf = cos φ = P/S
역률 보상 커패시터
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

3상 전력

Y 결선
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ 결선
VL = Vph, IL = √3·Iph
전체 유효 전력
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
피상 전력과 무효 전력
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
역률 개선용 커패시터
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
각 커패시터에 걸리는 전압
Δ: VL Y: VL/√3
전동기 입력
Pin = Pout/η

변압기

권수비
a = N1/N2 = V1/V2
전류비
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
정격 전류
I = S/V
환산 임피던스
Z1′ = a²·ZL
부분 부하에서의 동손
Pcu = x²·Pcu,fl
효율
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
최대 효율
x = √(Pcore/Pcu,fl)

연산 증폭기 회로

반전 증폭기
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
비반전 증폭기
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
가산 증폭기
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
이상적인 연산 증폭기
V+ = V−, Iin = 0

다이오드와 트랜지스터

다이오드(정전압 강하 모델)
VD = 0.7 V when conducting
활성 영역
VBE = 0.7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
고정 바이어스
IB = (VCC − 0.7)/RB
전압 분배 바이어스
IB = (VTH − 0.7)/(RTH + (β + 1)RE)
분압기의 테브난 등가
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
컬렉터 루프
VCE = VCC − ICRC − IERE
포화
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

진법

자릿값
2진수 2k, 8진수 8k, 16진수 16k
10진수로
Σ dk·bk
10진수에서
기수로 나누고, 나머지를 아래에서 위로 읽음
16진수 ↔ 2진수
16진수 한 자리 = 4비트
2의 보수
비트를 반전하고 1을 더함

디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭

기본 게이트
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
불 규칙
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
드모르간 법칙
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
카르노 맵의 순서
00, 01, 11, 10 (Gray code)
2ᵏ칸의 그룹
변수 k개를 잃음
4-대-1 멀티플렉서
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
플립플롭
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
카운터
n비트: 2ⁿ개 상태; mod-N: 2ⁿ ≥ N인 가장 작은 n; fout = fclk/N
리플 카운터
fmax = 1/(n·tpd)
링 카운터와 존슨 카운터
상태 n개와 2n개

방법

  1. 회로는 입력에서 출력까지 게이트를 하나씩 따라가며 모든 선에 값을 적거나, 식을 쓰고 진리표를 채우세요.
  2. 간소화할 때는 1(그리고 무정의항은 X)을 그레이 코드 행과 열(00, 01, 11, 10)을 가진 카르노 맵에 넣으세요.
  3. 1들을 1, 2, 4, 8, 16칸의 가능한 한 적고 큰 그룹으로 덮되 가장자리를 넘어 이어 보세요. 각 그룹은 일정하게 유지되는 변수로 이루어진 곱항 하나입니다. POS 형태는 0들을 묶으세요.
  4. 플립플롭과 카운터는 활성 클록 에지마다 입력을 읽고, 에지마다 상태를 적고, n비트 카운터는 2ⁿ개 상태 뒤에 되돌아간다는 것을 기억하세요.

안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

안정도
특성다항식의 모든 근이 좌반평면에 있음
라우스 표, 3차식의 s¹ 항
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
우반평면의 근
첫 번째 열의 부호 변화 횟수
3차식 s³ + a₂s² + a₁s + a₀
모든 a > 0이고 a₂·a₁ > a₀일 때 안정
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
특성방정식
1 + K·G(s) = 0
점근선
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
분기점과 합류점
dK/ds = 0
크기 조건
K = 1/|G(s)|
출발각
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

방법

  1. 폐루프 특성다항식을 쓰세요. 1 + K·G(s) = 0의 분모를 전개한 것입니다.
  2. 계수를 번갈아 라우스 표의 처음 두 행에 넣고 나머지 행을 만드세요.
  3. 첫 번째 열의 부호 변화를 세세요. 하나하나가 우반평면의 극점입니다. 표에 K가 들어 있으면 첫 번째 열의 모든 항이 양수로 유지되도록 하세요.
  4. 근궤적에서는 극점과 영점, 실수축 구간, 중심점에서 나오는 점근선, dK/ds = 0인 분기점을 표시하세요. 한 점에서의 이득은 K = 1/|G(s)|로 구합니다.

정상상태 오차와 PID 제어

시스템 형
G(s)의 s = 0에 있는 극점의 개수
오차 상수
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
계단 A
ess = A/(1 + Kp)
램프 A·t
ess = A/Kv
포물선 A·t²/2
ess = A/Ka
PID 제어기
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
2차 목표식
s² + 2ζωns + ωn²
오버슈트와 시간 지표
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

방법

  1. 개루프 C(s)·G(s)의 s = 0에 있는 극점을 세세요. 그것이 시스템 형입니다.
  2. 입력에 맞는 오차 상수를 구하세요. 계단 입력은 Kp, 램프 입력은 Kv, 포물선 입력은 Ka입니다.
  3. ess = A/(1 + Kp), A/Kv 또는 A/Ka를 적용하거나, 필요한 이득에 대해 풀이하세요.
  4. 감쇠나 속도 사양이 주어지면 폐루프 특성다항식을 쓰고 s² + 2ζω_n·s + ω_n²과 대응시키세요.

2연습 문제

1.저항의 직렬·병렬보통
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩIR2​AR4​4 ΩB

R2에 흐르는 전류 IR2을(를) 구하시오.

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
2.저항의 직렬·병렬어려움
R1​ = 25 ΩIR1​R3​ = 15 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​20 ΩBR6​12 Ω

전원이 공급하며 R1에 흐르는 전류 IR1을(를) 구하시오.

V1 = 15 VR1 = 25 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩR4 = 20 ΩR5 = 5 ΩR6 = 12 Ω
IR1 = A
3.마디 해석보통
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​10 ΩBIs​5 A

마디 해석법을 이용해 마디 전압 VB (접지 기준)을(를) 구하시오.

V1 = 24 VIs = 5 AR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 ΩR4 = 10 Ω
VB = V
4.마디 해석어려움
R1​ = 10 Ω+−Vs​ = 9 V+−V1​36 VR2​10 ΩAR3​25 ΩBIs​4 A

A와 B 사이의 전압원 Vₛ는 + 단자가 A에 있으므로 VA − VB = Vₛ가 됩니다. 슈퍼노드를 이용한 마디 해석법으로 마디 전압 VA (접지 기준)을(를) 구하시오.

V1 = 36 VIs = 4 AVs = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 25 Ω
VA = V
5.망 해석보통
R1​ = 12 ΩR2​ = 12 ΩIR2​+−V1​9 VR3​12 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

망 해석법을 이용해 화살표 방향으로 R2에 흐르는 전류 IR2을(를) 구하시오.

V1 = 9 VV2 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 Ω
IR2 = A
6.망 해석어려움
R1​ = 12 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR4​6 ΩAR5​25 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

망 해석법을 이용해 망 전류 I1 (시계 방향)을(를) 구하시오.

V1 = 24 VV2 = 24 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 ΩR5 = 25 Ω
I1 = A
7.중첩의 원리보통
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBIs​5 A

중첩의 원리를 이용해 R1이(가) 흡수하는 전력 PR1을(를) 구하시오.

V1 = 12 VIs = 5 AR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 12 Ω
PR1 = W
8.중첩의 원리어려움
R1​ = 20 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​5 VR3​2 ΩIR3​AIs​2 AB−+V2​6 V

중첩의 원리를 이용해 화살표 방향으로 R3에 흐르는 전류 IR3을(를) 구하시오.

V1 = 5 VIs = 2 AV2 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 30 ΩR3 = 2 ΩR4 = 5 Ω
IR3 = A
9.테브난·노턴보통
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAab

단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.

V1 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 Ω
Vth = V
10.테브난·노턴어려움
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩAIs​4 ABRL​10 ΩIL​

a–b 사이에 부하 RL = 10 Ω을 연결한다. 나머지 회로를 테브난 등가 회로로 바꾸고 부하 전류 IL을(를) 구하시오.

V1 = 36 VIs = 4 AR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 ΩRL = 10 Ω
IL = A
11.RC·RL 과도 현상보통
+−Vs​6 Vt = 0R = 50 ΩL10 mHi(t)

t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. t = 1 ms에서 인덕터에 저장된 에너지 W을(를) mJ로 구하시오.

Vs = 6 VR = 50 ΩL = 10 mHt = 1 ms
W = mJ
12.RC·RL 과도 현상어려움
+−Vs​10 Vt = 0R = 1 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 6 V

t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 6 V이다. t = 25 ms에서 커패시터 전압 vC을(를) 구하시오.

Vs = 10 VR = 1 kΩC = 22 µFvC(0) = 6 Vt = 25 ms
vC = V
13.교류 임피던스와 페이저보통
Vf0​ = 500 HzRL = 10 mHC = ?

L = 10 mH인 직렬 RLC 회로가 500 Hz에서 공진해야 한다. 필요한 커패시턴스 C을(를) 구하시오.

f0 = 500 HzL = 10 mH
C = µF
14.교류 임피던스와 페이저어려움
24 V1000 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 2.2 µFI

직렬 RLC 회로가 24 V (실효값), 1000 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.

V = 24 V (rms)f = 1000 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 2.2 µF
I = A
15.교류 전력과 역률보통
240 V12 kW, 0.65219 kW, 0.7I

두 부하가 240 V 단상 전원에 병렬로 연결되어 있다: 지상 역률 0.65의 2 kW 부하와 진상 역률 0.7의 19 kW 부하. 전원에서 본 전체 역률 cos φ을(를) 구하시오.

V = 240 VP1 = 2 kW, pf1 = 0.65 지상P2 = 19 kW, pf2 = 0.7 진상
cos φ =
16.교류 전력과 역률어려움
230 V50 Hz부하21 kW, 0.75C150 µFI

단상 부하가 230 V, 50 Hz 전원에서 지상 역률 0.75로 21 kW를 소비한다. 150 µF 커패시터를 부하와 병렬로 연결한다. 전원에서 본 새 역률 cos φ을(를) 구하시오.

P = 21 kWpf1 = 0.75V = 230 Vf = 50 HzC = 150 µF
cos φ =
17.3상 전력보통
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M55 kW, η = 91%cos φ = 0.84

3상 유도 전동기가 전부하에서 기계적 출력 55 kW를 낸다. 이 부하에서 효율은 91%, 역률은 0.84(지상)이다. 전원의 선간 전압은 415 V이다. 선전류 IL을(를) 구하시오.

Pout = 55 kWη = 91%cos φ = 0.84VL = 415 V
IL = A
18.3상 전력어려움
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

평형 3상 부하가 415 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.78(지상)로 80 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.9(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Δ 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.

P = 80 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.9VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.변압기보통
480 V240 VIHV​ILV​ = ?500 kVA

단상 500 kVA, 480/240 V 변압기가 정격 부하로 운전 중이다. 이상 변압기로 본다. 저압 권선의 전류 ILV을(를) 구하시오.

S = 500 kVAV1 = 480 VV2 = 240 V
ILV = A
20.변압기어려움
pf 0.9525 kVA, η = 98.2%

단상 25 kVA 변압기의 철손은 125 W이다. 정격 부하, 역률 0.95(지상)에서 효율은 98.2%이다. 전부하 동손 Pcu,fl을(를) 와트 단위로 구하시오.

S = 25 kVAPcore = 125 Wpf = 0.95η = 98.2%
Pcu,fl = W
21.연산 증폭기 회로보통
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 2 kΩVin​

이 비반전 증폭기의 전압 이득이 31이(가) 되도록 하는 귀환 저항 Rf을(를) 고르시오.

R1 = 2 kΩAv = 31
Rf = kΩ
22.연산 증폭기 회로어려움
−+Vout​R2​ = 100 kΩV1​ = 0.2 VR1​ = 100 kΩV2​ = 0.6 VR3​ = 4.7 kΩR4​ = 100 kΩ

연산 증폭기는 이상적이며 ±15 V 전원으로 동작한다. 저항비가 맞지 않는다. 출력 전압 Vout을(를) 구하시오.

V1 = 0.2 VV2 = 0.6 VR1 = 100 kΩR2 = 100 kΩR3 = 4.7 kΩR4 = 100 kΩ
Vout = V
23.다이오드와 트랜지스터보통
RC​ = 1.5 kΩβ = 100IC​ = ?VCC​ = 10 VRB​ = 820 kΩ

β = 100인 NPN 트랜지스터가 전원 VCC = 10 V에서 베이스 저항 RB = 820 kΩ을(를) 통해 바이어스된다. 컬렉터 저항은 RC = 1.5 kΩ이고 이미터는 접지되어 있다. VBE = 0.7 V로 하고 트랜지스터가 활성 영역에 있다고 가정한다. 컬렉터 전류 IC을(를) mA 단위로 구하시오.

VCC = 10 VRB = 820 kΩRC = 1.5 kΩβ = 100VBE = 0.7 V
IC = mA
24.다이오드와 트랜지스터어려움
RC​ = 470 Ωβ = 100VCC​ = 24 V5 VRB​ = ?

β = 100인 NPN 트랜지스터가 VCC = 24 V와 컬렉터 사이에 연결된 470 Ω 부하 저항을 스위칭한다. 이미터는 접지되어 있다. 베이스는 5 V 논리 출력에서 베이스 저항 RB을(를) 통해 구동된다. VBE = 0.7 V, VCE(sat) = 0.2 V로 한다. 트랜지스터를 겨우 포화시킬 수 있는 가장 큰 베이스 저항 RB을(를) kΩ 단위로 구하시오.

VCC = 24 VRC = 470 Ωβ = 100Vin = 5 VVBE = 0.7 VVCE(sat) = 0.2 V
RB = kΩ
25.진법보통
8비트 2의 보수?−128?64?32?16?8?4?2?1

−20를 8비트 2의 보수 패턴으로 쓰세요. 그 패턴을 부호 없는 2진수로 읽으면 10진수 값 U는 얼마일까요?

N = −208 bit
U =
26.진법어려움
비트를 클릭해 설정하세요012806403201608040201

0001 1000 OR 1001 1100의 8비트 결과가 되도록 비트를 설정하세요. 결과의 값 R은 십진수로 얼마입니까?

0001 1000OR1001 1100
R =
27.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭보통
ABC00011110011001031204051706

카르노 맵으로 F(A, B, C) = Σm(0, 2, 7)의 최소 곱의 합(SOP) 형태를 구하시오. 전체 리터럴은 몇 개(L)인가(프라임이 붙은 변수도 리터럴 하나로 센다)?

F(A, B, C) = Σm(0, 2, 7)
L =
28.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭어려움
CLKD12345678

상승 에지 트리거 D 플립플롭이 Q = 0에서 시작하여 그림의 입력을 상승 클록 에지 8번에 걸쳐 받는다. Q의 상태는 몇 번(N) 바뀌는가?

Q₀ = 0D
N =
29.라플라스 변환보통
ReIm5

완전제곱식으로 만들어 F(s) = (4s + 8)/(s² + 2s + 26)의 f(t)를 구하고, f(0.2)을(를) 계산하시오.

F(s) = (4s + 8)/(s² + 2s + 26)t = 0.2 s
f(0.2) =
30.라플라스 변환어려움
t (s)y(t)t = 0.25y(0.25) = ?

어떤 시스템이 y″ + 9y′ + 18y = 72·u(t)을(를) 따르며, y(0) = 6, y′(0) = 0이다. t = 0에서 계단 입력 u(t) = 1가 가해진다. 라플라스 변환으로 y(0.25)을(를) 구하시오.

y″ + 9y′ + 18y = 72·u(t)y(0) = 6y′(0) = 0u(t) = 1t = 0.25 s
y(0.25) =
31.블록선도보통
R(s)+40s + 8G(s)C(s)0.1H−

플랜트 G(s) = 40/(s + 8)가 센서 이득 H = 0.1인 부피드백 루프에서 제어된다. 폐루프의 시정수 τ을(를) 구하시오.

G(s) = 40/(s + 8)H = 0.1
τ = s
32.블록선도어려움
R(s)+12제어기+D(s)+8s + 9플랜트C(s)−

비례 제어기 K = 12이 플랜트 G(s) = 8/(s + 9)를 단위 부피드백 루프에서 구동한다. 외란 D가 플랜트 입력에 들어온다(제어기 출력에 더해진다). 크기 2의 기준 계단과 크기 5의 외란 계단이 동시에 가해진다. 정상상태 출력 css을(를) 구하시오.

K = 12G(s) = 8/(s + 9)D = 5R = 2
css =
33.계단 응답보통
t (s)y(t)3?

어떤 시스템의 전달함수가 G(s) = 141/(s² + 3s + 47)이고 단위 계단 입력을 받는다. 계단 응답의 백분율 오버슈트 %OS을(를) 구하시오.

G(s) = 141/(s² + 3s + 47)
%OS = %
34.계단 응답어려움
k = 200 N/mc = 9 N·s/mm = 2.5 kgF = 20 Nx(t)

질량 m = 2.5 kg이 스프링 k = 200 N/m과 점성 댐퍼 c = 9 N·s/m에 매달려 있다(m·x″ + c·x′ + k·x = F). 평형 상태로 정지해 있다가 일정한 힘 F = 20 N이 갑자기 가해진다. 변위의 백분율 오버슈트 %OS을(를) 구하시오.

m = 2.5 kgk = 200 N/mc = 9 N·s/mF = 20 N
%OS = %
35.보드 선도와 여유보통
vin​R = 22 kΩC = 2.2 nFvout​

그림의 RC 저역 통과 필터은(는) R = 22 kΩ, C = 2.2 nF을(를) 가집니다. 33 kHz의 정현파 입력이 가해집니다. vin에 대한 vout의 위상 이동 φ을(를) 도 단위로 구하시오.

R = 22 kΩC = 2.2 nFf = 33 kHz
φ = °
36.보드 선도와 여유어려움
|H| (dB)0.10.1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

단위 되먹임 루프의 개루프 전달함수는 L(s) = 12/(s(s + 1)(s + 8))이다. 이득 여유 GM을(를) dB 단위로 구하시오.

L(s) = 12/(s(s + 1)(s + 8))
GM = dB
37.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적보통
R(s)+K1s(s + 4)(s + 8)C(s)−

그림의 루프는 개루프 전달함수가 L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8))입니다. 폐루프가 안정하기 위한 최대 이득 Kmax을(를) 구하시오.

L(s) = K/(s(s + 4)(s + 8))
Kmax =
38.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적어려움
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81j1j2

L(s) = K(s + 7)/(s(s + 4))의 근궤적은 s = 0과 s = −4 사이에서 실수축을 떠나 원을 그리며 돌아, 영점의 왼쪽에서 다시 실수축과 만납니다. 분기점 sb을(를) 구하시오.

L(s) = K(s + 7)/(s(s + 4))
sb =
39.정상상태 오차와 PID 제어보통
R(s)+K = 200.51s + 1C(s)−

프로세스 G(s) = 0.5/(1s + 1)을(를) 단위 피드백 루프에서 비례 이득 K = 20로 제어합니다. 계단 입력에 대한 정상상태 오차 ess을(를) 계단 크기에 대한 백분율로 구하시오.

G(s) = 0.5/(1s + 1)K = 20
ess = %
40.정상상태 오차와 PID 제어어려움
r(t) = 5t+5 + 10/s4(s + 1)(s + 2)C(s)−

PI 제어기 C(s) = 5 + 10/s가 단위 피드백 루프에서 플랜트 G(s) = 4/((s + 1)(s + 2))을(를) 제어합니다. 램프 입력 r(t) = 5t에 대한 정상상태 오차 ess을(를) 구하시오.

C(s) = 5 + 10/sG(s) = 4/((s + 1)(s + 2))r(t) = 5t
ess =

3용액

1.저항의 직렬·병렬

답: IR2 = 0.25 A

직렬과 병렬 저항: 직렬에서는 각 저항에 같은 전류가 흐르고 R = R₁ + R₂ + …. 병렬에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리고 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. 사다리 회로는 하나의 합성 저항이 남을 때까지 한 쌍씩 줄입니다.

R1​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​4 ΩB

먼 쪽 끝부터 저항 합치기

전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.

R3 + R4 = 8 + 4 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Req = R1 + 6 = 12 + 6 = 18 Ω

전원 전류

전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.

IR1 = V1/Req = 9/18 = 0.5 A

R₂에 흐르는 전류

R₁의 전압 강하를 빼면 마디 A의 전압, 즉 R₂ 양단 전압이 됩니다.

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0.5·12 = 3 V
IR2 = VA/R2 = 3/12 = 0.25 A

답

IR2 = 0.25 A
2.저항의 직렬·병렬

답: IR1 = 0.4543 A

직렬과 병렬 저항: 직렬에서는 각 저항에 같은 전류가 흐르고 R = R₁ + R₂ + …. 병렬에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리고 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. 사다리 회로는 하나의 합성 저항이 남을 때까지 한 쌍씩 줄입니다.

R1​ = 25 ΩR3​ = 15 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​20 ΩBR6​12 Ω

먼 쪽 끝부터 저항 합치기

전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.

R5 + R6 = 5 + 12 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 9.189 Ω
R3 + 9.189 = 24.19 Ω
R2 ∥ 24.19 = 8.021 Ω
Req = R1 + 8.021 = 25 + 8.021 = 33.02 Ω

전원 전류

전원은 Req만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.

IR1 = V1/Req = 15/33.02 = 0.4543 A

답

IR1 = 0.4543 A
3.마디 해석

답: VB = 32.33 V

마디 해석법: 기준 마디를 정하고, 모르는 마디 전압에 이름을 붙인 다음, 옴의 법칙 (I = ΔV/R)을 써서 각 미지 마디에서 키르히호프 전류 법칙을 세우고 연립 방정식을 풉니다.

R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​15 ΩAR4​10 ΩBIs​5 A

마디 설정

접지는 아래 도선입니다. 알고 있는 마디 전압은 전원에서 바로 나옵니다 (V1 = 24 V). 미지수: VA, VB.

마디 A에서 KCL

저항을 통해 A에서 나가는 전류는 전원이 A(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/15 + (VA − 24)/15 + (VA − VB)/4 = 0
0.3833·VA − 0.25·VB = 1.6

마디 B에서 KCL

저항을 통해 B에서 나가는 전류는 전원이 B(으)로 밀어 넣는 전류와 같습니다.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/10 + (VB − VA)/4 = 5
−0.25·VA + 0.35·VB = 5

풀기

Δ = (0.3833)(0.35) − (−0.25)(−0.25) = 0.07167
VA = Δ1/Δ = 1.81/0.07167 = 25.26 V
VB = Δ2/Δ = 2.317/0.07167 = 32.33 V

답

VB = 32.33 V
4.마디 해석

답: VA = 33.17 V

마디 해석법: 기준 마디를 정하고, 모르는 마디 전압에 이름을 붙인 다음, 옴의 법칙 (I = ΔV/R)을 써서 각 미지 마디에서 키르히호프 전류 법칙을 세우고 연립 방정식을 풉니다.

슈퍼노드 만들기

A와 B 사이의 전압원에는 미지의 전류가 흐르므로 A나 B에서 따로 KCL을 쓸 수 없습니다. A, B와 전원을 하나의 슈퍼노드로 묶으세요. 들어오는 전류와 나가는 전류가 같습니다.

VB = VA − 9
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is

풀기

(VA − 36)/10 + VA/10 + (VA − 9)/25 = 4
VA·(1/10 + 1/10 + 1/25) = 4 + 36/10 + 9/25 = 7.96
VA = 7.96/0.24 = 33.17 V
VB = 24.17 V

답

VA = 33.17 V
5.망 해석

답: IR2 = −0.3056 A

망 해석법: 평면 회로의 각 창에 고유한 루프 전류를 주고, 각 루프에서 키르히호프 전압 법칙(전압 강하의 합 = 전압 상승의 합)을 세워 풉니다. 가지 전류는 망 전류이거나, 공유 가지에서는 두 망 전류의 차입니다.

R1​ = 12 ΩR2​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​12 ΩA+−V2​10 VI1​I2​

망 전류 정하기

각 창마다 시계 방향 전류를 그립니다: I1, I2. 두 망이 공유하는 저항에는 두 전류의 차가 흐릅니다.

망 1의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
12·I1 + 12(I1 − I2) = 9
24·I1 − 12·I2 = 9

망 2의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
12·I2 + 12(I2 − I1) = (−10)
−12·I1 + 24·I2 = −10

풀기

Δ = (24)(24) − (−12)(−12) = 432
I1 = Δ1/Δ = 96/432 = 0.2222 A
I2 = Δ2/Δ = −132/432 = −0.3056 A

답

IR2 = I2 = −0.3056 A

음의 망 전류는 반시계 방향으로 흐릅니다.

6.망 해석

답: I1 = 1.109 A

망 해석법: 평면 회로의 각 창에 고유한 루프 전류를 주고, 각 루프에서 키르히호프 전압 법칙(전압 강하의 합 = 전압 상승의 합)을 세워 풉니다. 가지 전류는 망 전류이거나, 공유 가지에서는 두 망 전류의 차입니다.

R1​ = 12 ΩR2​ = 8 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR4​6 ΩAR5​25 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

망 전류 정하기

각 창마다 시계 방향 전류를 그립니다: I1, I2, I3. 두 망이 공유하는 저항에는 두 전류의 차가 흐릅니다.

망 1의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
12·I1 + 6(I1 − I2) = 24
18·I1 − 6·I2 = 24

망 2의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
8·I2 + 6(I2 − I1) + 25(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 39·I2 − 25·I3 = 0

망 3의 KVL

시계 방향으로 돌면 저항의 전압 강하 합은 전원의 전압 상승 합과 같습니다 (진행 방향으로 −에서 +).

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
6·I3 + 25(I3 − I2) = (−24)
−25·I2 + 31·I3 = −24

풀기

Δ = 계수 행렬의 행렬식 = 9396
I1 = Δ1/Δ = 10416/9396 = 1.109 A
I2 = Δ2/Δ = −6336/9396 = −0.6743 A
I3 = Δ3/Δ = −12384/9396 = −1.318 A

답

I1 = 1.109 A

음의 망 전류는 반시계 방향으로 흐릅니다.

7.중첩의 원리

답: PR1 = 0.3115 W

중첩의 원리: 선형 회로에서 모든 전압이나 전류는 각 독립 전원이 단독으로 작용할 때의 응답을 합한 것입니다. 전원을 끄려면 이상 전압원은 단락으로, 이상 전류원은 개방으로 바꿉니다. 저항은 그대로 둡니다.

R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​12 ΩB개방

경우 1 · V1만 작용

Iₛ가 개방되므로 R₃와 R₄는 A에서 접지까지 하나의 직렬 가지를 이루고, 이 가지는 R₂와 병렬입니다.

R3+R4 = 20+12 = 32 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·32/(6+32) = 5.053 Ω
VA = 12·5.053/(4+5.053) = 6.698 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 6.698·12/32 = 2.512 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (12 − 6.698)/4 = 1.326 A
R1​ = 4 ΩR3​ = 20 Ω단락R2​6 ΩAR4​12 ΩBIs​5 A

경우 2 · Is만 작용

V₁이 단락되므로 R₁은 R₂와 병렬입니다. Iₛ는 B에서 R₄와 R₃를 지나는 경로로 나뉩니다.

R1 ∥ R2 = 4·6/(4+6) = 2.4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 22.4 = 7.814 Ω
VB = Is·Req = 5·7.814 = 39.07 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 39.07·2.4/22.4 = 4.186 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 4.186)/4 = −1.047 A

전류 기여분 더하기

IR1 = IR1′ + IR1″ = 1.326 + (−1.047) = 0.2791 A

저항의 전력

전력은 전류의 제곱에 의존하므로 중첩의 원리를 따르지 않습니다. 전류를 먼저 더한 다음 제곱하세요.

PR1 = IR1²·R1 = 0.2791²·4 = 0.3115 W

답

PR1 = 0.3115 W

각 경우의 전력을 더하면 11.41 W가 되는데, 이는 틀린 값입니다.

8.중첩의 원리

답: IR3 = 0.179 A

중첩의 원리: 선형 회로에서 모든 전압이나 전류는 각 독립 전원이 단독으로 작용할 때의 응답을 합한 것입니다. 전원을 끄려면 이상 전압원은 단락으로, 이상 전류원은 개방으로 바꿉니다. 저항은 그대로 둡니다.

R1​ = 20 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 5 Ω+−V1​5 VR3​2 ΩA개방B단락

경우 1 · V1만 작용

V₂는 단락, Iₛ는 개방됩니다. A에서 보면 R₃는 직렬인 R₂+R₄와 병렬입니다.

R3 ∥ (R2+R4) = 2 ∥ 35 = 1.892 Ω
VA = 5·1.892/(20+1.892) = 0.4321 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 0.4321·5/35 = 0.06173 V
IR3′ = (0 − VA)/R3 = (0 − 0.4321)/2 = −0.216 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 5 Ω단락R3​2 ΩAIs​2 AB단락

경우 2 · Is만 작용

두 전압원이 모두 단락됩니다. Iₛ는 B에서 R₄(이제 접지로)와, R₁ ∥ R₃와 직렬인 R₂로 나뉩니다.

R1 ∥ R3 = 1.818 Ω, 따라서 왼쪽 경로는 R2+1.818 = 31.82 Ω
Req = R4 ∥ 31.82 = 4.321 Ω
VB = Is·Req = (−2)·4.321 = −8.642 V
VA = VB·1.818/31.82 = −0.4938 V
IR3″ = (0 − VA)/R3 = (0 − −0.4938)/2 = 0.2469 A
R1​ = 20 ΩR2​ = 30 ΩR4​ = 5 Ω단락R3​2 ΩA개방B−+V2​6 V

경우 3 · V2만 작용

V₁은 단락, Iₛ는 개방됩니다. R₁ ∥ R₃가 A에 연결되고, R₂와 직렬로 B로 돌아갑니다.

R1 ∥ R3 = 20·2/(20+2) = 1.818 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−6)·31.82/36.82 = −5.185 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −5.185·1.818/31.82 = −0.2963 V
IR3‴ = (0 − VA)/R3 = (0 − −0.2963)/2 = 0.1481 A

성분을 더하기

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = (−0.216) + 0.2469 + 0.1481 = 0.179 A

결과가 음수이면 실제로는 전류가 화살표와 반대로 흐른다는 뜻입니다.

9.테브난·노턴

답: Vth = 3 V

테브난 정리: 모든 선형 2단자 회로는 하나의 전압원 Vth와 저항 Rth의 직렬 회로처럼 동작합니다. 노턴 정리는 같은 회로를 전류원 IN = Vth/Rth와 Rth의 병렬 회로로 나타냅니다.

R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω단락R2​3 ΩAabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.

R1 ∥ R2 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 3 = 5 Ω
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAab+−Vth​

개방 전압 Vth 구하기

a–b가 개방되면 R₃에 전류가 흐르지 않으므로 전압 강하가 없고 V_b = V_A입니다. R₁과 R₂는 전압 분배기를 이룹니다.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 9·3/(6+3) = 3 V
10.테브난·노턴

답: IL = 3 A

테브난 정리: 모든 선형 2단자 회로는 하나의 전압원 Vth와 저항 Rth의 직렬 회로처럼 동작합니다. 노턴 정리는 같은 회로를 전류원 IN = Vth/Rth와 Rth의 병렬 회로로 나타냅니다.

R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω단락R2​6 ΩA개방BabRth​

모든 전원을 끄고 Rth 구하기

전압원은 단락으로, 전류원은 개방으로 바꾼 뒤 a–b에서 회로를 들여다봅니다.

R1 ∥ R2 = 4·6/(4+6) = 2.4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2.4 + 6 = 8.4 Ω
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩAIs​4 ABab+−Vth​

개방 전압 Vth 구하기

a–b가 개방되면 Iₛ가 흐를 수 있는 경로는 R₃를 거쳐 마디 A로 가는 것뿐입니다. V₁과 Iₛ의 중첩으로 V_A를 구한 뒤 R₃의 전압 강하를 더합니다.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 21.6 + 4·2.4 = 31.2 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 31.2 + 4·6 = 55.2 V
Rth​ = 8.4 Ω+−Vth​55.2 VRL​10 ΩIL​

부하를 테브난 등가 회로에 연결하기

테브난 전원과 직렬 R_th는 a–b에서 원래 회로와 똑같이 동작하므로, 부하는 단순한 직렬 루프를 보게 됩니다.

IL = Vth/(Rth + RL) = 55.2/(8.4 + 10) = 3 A
11.RC·RL 과도 현상

답: W = 0.07103 mJ

1차 과도 현상: 커패시터나 인덕터가 하나인 회로에서 모든 전압과 전류는 초기값에서 최종값으로 지수적으로 변합니다: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC 또는 τ = L/R. 약 5τ 뒤에 회로가 정상 상태가 됩니다.

시정수와 최종 전류

스위치를 닫고 오래 지나면 인덕터는 단락처럼 동작하므로 최종 전류는 R로만 정해집니다.

τ = L/R = 10 mH / 50 Ω = 0.2 ms
i(∞) = Vs/R = 6/50 = 0.12 A

주어진 시각의 전류

i(t) = 0.12·(1 − e−1/0.2) = 0.1192 A

저장된 에너지

W = ½·L·i² = ½·10·0.1192² = 0.07103 mJ

답

W = 0.07103 mJ
12.RC·RL 과도 현상

답: vC = 8.716 V

1차 과도 현상: 커패시터나 인덕터가 하나인 회로에서 모든 전압과 전류는 초기값에서 최종값으로 지수적으로 변합니다: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, τ = RC 또는 τ = L/R. 약 5τ 뒤에 회로가 정상 상태가 됩니다.

초기값, 최종값, 시정수

커패시터 전압은 갑자기 변할 수 없으므로 저장된 값에서 시작해 전원 전압으로 향합니다.

vC(0) = 6 V, vC(∞) = Vs = 10 V
τ = R·C = 1 kΩ · 22 µF = 22 ms
vC(t) = 10 + (6 − 10)·e−t/τ

주어진 시각의 전압

vC(25) = 10 + (−4)·e−25/22 = 8.716 V

답

vC = 8.716 V
13.교류 임피던스와 페이저

답: C = 10.13 µF

페이저를 이용한 교류 회로: 저항, 인덕터, 커패시터의 임피던스는 R, jωL, 1/(jωC)이며 ω = 2πf입니다. 직렬에서는 임피던스를 저항처럼 더하되 복소수로 계산합니다. 실효 전류와 전압은 |Z|를 쓴 옴의 법칙을 따릅니다.

공진 조건

공진에서는 유도성 리액턴스와 용량성 리액턴스가 상쇄됩니다: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·500 = 3142 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(3142²·0.01) = 10.13 µF

답

C = 10.13 µF
14.교류 임피던스와 페이저

답: I = 0.09872 A

페이저를 이용한 교류 회로: 저항, 인덕터, 커패시터의 임피던스는 R, jωL, 1/(jωC)이며 ω = 2πf입니다. 직렬에서는 임피던스를 저항처럼 더하되 복소수로 계산합니다. 실효 전류와 전압은 |Z|를 쓴 옴의 법칙을 따릅니다.

리액턴스

ω = 2πf = 2π·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0.05 = 314.2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·2.2·10⁻⁶) = 72.34 Ω

임피던스

직렬에서는 임피던스를 복소수로 더합니다: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (241.8)²) = 243.1 Ω

전류

직렬 회로의 모든 소자에는 같은 전류가 흐릅니다.

I = V/|Z| = 24/243.1 = 0.09872 A

답

I = 0.09872 A
15.교류 전력과 역률

답: cos φ = 0.7764

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.

각 부하의 무효 전력

지상 부하는 무효 전력을 소비하고(Q > 0), 진상 부하는 무효 전력을 공급합니다(Q < 0).

Q1 = 2·tan(arccos 0.65) = 2.338 kvar
Q2 = −19·tan(arccos 0.7) = −19.38 kvar

합계

P = 2 + 19 = 21 kW
Q = 2.338 + (−19.38) = −17.05 kvar
S = √(21² + (−17.05)²) = 27.05 kVA

전체 역률

cos φ = P/S = 21/27.05 = 0.7764 진상

답

cos φ = 0.7764
16.교류 전력과 역률

답: cos φ = 0.7949

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 = 21·tan(arccos 0.75) = 18.52 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·150·10⁻⁶ = 2493 var = 2.493 kvar
Q2 = 18.52 − 2.493 = 16.03 kvar

새 피상 전력

S2 = √(21² + 16.03²) = 26.42 kVA

새 역률

cos φ = P/S2 = 21/26.42 = 0.7949

답

cos φ = 0.7949
17.3상 전력

답: IL = 100.1 A

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.

전기 입력 전력

Pin = Pout/η = 55/0.91 = 60.44 kW

선전류

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 60440/(√3·415·0.84) = 100.1 A

답

IL = 100.1 A
18.3상 전력

답: Cph = 130.6 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 = 80·tan(acos 0.78) = 80·0.8023 = 64.18 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0.9) = 80·0.4843 = 38.75 kvar

커패시터가 공급하는 무효 전력

QC = Q1 − Q2 = 25.44 kvar

상당 정전 용량

Δ 뱅크에서 각 커패시터는 두 선 사이에 연결됩니다.

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 8479/(377·415²) = 130.6 µF

답

Cph = 130.6 µF
19.변압기

답: ILV = 2083 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.

ILV = S/V = 500000/240 = 2083 A

답

ILV = 2083 A
20.변압기

답: Pcu,fl = 310.3 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 = 25·0.95 = 23.75 kW
Pin = 23750/0.982 = 24185 W

전체 손실과 동손

Ploss = 24185 − 23750 = 435.3 W
Pcu,fl = 435.3 − 125 = 310.3 W

답

Pcu,fl = 310.3 W
21.연산 증폭기 회로

답: Rf = 60 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.

비반전 증폭기의 이득

V₋ = V₊ = Vin이고 R₁의 전류는 Rf에도 흐르므로 Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (31 − 1)·2 = 60 kΩ

답

Rf = 60 kΩ
22.연산 증폭기 회로

답: Vout = 0.9461 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.

+ 입력의 전압

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = 0.6·100/(4.7 + 100) = 0.5731 V

두 입력의 중첩

V₂ = 0이면 V₁은 반전 증폭기로 보입니다. V₁ = 0이면 V₊가 비반전 이득 1 + R₂/R₁로 증폭됩니다.

Vout = −(100/100)·0.2 + (1 + 100/100)·0.5731 = −0.2 + 1.146 = 0.9461 V

답

Vout = 0.9461 V
23.다이오드와 트랜지스터

답: IC = 1.134 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.

베이스 전류

IB = (VCC − VBE)/RB = (10 − 0.7)/820 kΩ = 11.34 µA

컬렉터 전류

IC = β·IB = 100·11.34 µA = 1.134 mA

답

IC = 1.134 mA

확인: VCE = 8.299 V로 0.2 V보다 충분히 크므로 트랜지스터는 실제로 활성 영역에 있습니다.

24.다이오드와 트랜지스터

답: RB = 8.492 kΩ

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.

포화 시 컬렉터 전류

IC(sat) = (24 − 0.2)/470 = 50.64 mA

최소 베이스 전류

IB(min) = IC(sat)/β = 50.64/100 = 506.4 µA

베이스 저항

RB = (5 − 0.7)/IB = 4.3 V/0.5064 mA = 8.492 kΩ

답

RB = 8.492 kΩ

이보다 작은 베이스 저항도 모두 트랜지스터를 포화시킵니다. 실제로는 몇 배 작은 값을 고릅니다.

25.진법

답: U = 236

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.

반전하고 1 더하기

20 = 0001 0100
반전 후: 1110 1011
+1 → 1110 1100

부호 없는 수로 읽기

1110 1100₂ = 256 − 20 = 236

답

U = 236
26.진법

답: R = 156

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

OR은 적어도 하나의 비트가 1인 곳에서 1입니다.

0001 1000
OR 1001 1100
= 1001 1100

결과의 값

1001 1100₂ = 156

답

R = 156
27.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭

답: L = 5

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.

ABC00011110011001031204051706

1 묶기

모든 그룹은 2ᵏ칸의 직사각형입니다. 가장자리 칸은 반대쪽 가장자리의 칸과 이웃합니다.

A′C′
ABC

최소 SOP 형태

F = A′C′ + ABC
L = 5

답

L = 5
28.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭

답: N = 6

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.

에지마다의 Q

D 플립플롭은 상승 에지마다 D를 복사합니다: Q⁺ = D.

1: D = 0 → Q = 0
2: D = 1 → Q = 1
3: D = 0 → Q = 0
4: D = 1 → Q = 1
5: D = 0 → Q = 0
6: D = 1 → Q = 1
7: D = 1 → Q = 1
8: D = 0 → Q = 0

변화 세기

0 → 0 → 1 → 0 → 1 → 0 → 1 → 1 → 0
N = 6

답

N = 6
29.라플라스 변환

답: f(0.2) = 2.321

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).

완전제곱식 만들기

s² + 2s + 26 = (s + 1)² + 25 = (s + 1)² + 5²

분자 맞추기

F(s) = 4·(s + 1)/((s + 1)² + 5²) + (4/5)·5/((s + 1)² + 5²)

역변환

f(t) = e−t·(4·cos 5t + 0.8·sin 5t)
f(0.2) = e−0.2·(4·cos(5·0.2) + 0.8·sin(5·0.2)) = 2.321

답

f(0.2) = 2.321
30.라플라스 변환

답: y(0.25) = 5.443

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

(s² + 9s + 18)·Y(s) = 6s + 54 + 72/s
Y(s) = (6s² + 54s + 72)/(s(s + 3)(s + 6))

부분분수 전개

A = 72/(3·6) = 4
B = −36/((−3)·3) = 4
C = −36/((−6)·(−3)) = −2

결과

y(t) = 4 + 4·e−3t − 2·e−6t
y(0.25) = 5.443

답

y(0.25) = 5.443

확인: y(0) = A + B + C = 6.

31.블록선도

답: τ = 0.08333 s

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.

폐루프 전달함수

T(s) = G/(1 + G·H) = 40/(s + 8 + 4) = 40/(s + 12)

결과

τ = 1/12 = 0.08333 s

답

τ = 0.08333 s
32.블록선도

답: css = 2.21

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.

전달함수

C/D = G/(1 + K·G) = 8/(s + 9 + 96)
C/R = K·G/(1 + K·G) = 96/(s + 9 + 96)

정상 상태

css = 2·96/105 + 5·8/105 = 2.21

답

css = 2.21

K가 클수록 외란의 영향이 줄어들지만, 비례 제어기로는 결코 0이 되지 않습니다.

33.계단 응답

답: %OS = 49.44 %

계단 응답: 1차 시스템 G(s) = K/(τs + 1)은 크기 U의 계단에 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ)로 응답합니다. 시정수 τ 후에 최종값 K·U의 63.2 %에, 4τ 후에 98 %에 도달합니다. 2차 시스템 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²)는 극점 s = −ζωₙ ± jωd를 가지며 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)입니다. 0 < ζ < 1이면 계단 응답에 오버슈트가 생깁니다. 백분율 오버슈트 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), 피크 시간 tp = π/ωd, 2 % 정착 시간 ts ≈ 4/(ζωₙ). 분모를 s² + 2ζωₙs + ωₙ²과 비교하여 ωₙ과 ζ를 읽어 내세요. 질량-스프링-댐퍼에서는 ωₙ = √(k/m), ζ = c/(2√(km))이고, 직렬 RLC 회로에서는 ωₙ = 1/√(LC), ζ = (R/2)·√(C/L)입니다.

표준형과 비교하기

분모가 s² + 2ζωₙs + ωₙ²과 일치해야 합니다.

ωₙ² = 47 → ωₙ = 6.856 rad/s
2ζωₙ = 3 → ζ = 3/(2·6.856) = 0.2188

결과

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−0.7044 = 49.44 %

답

%OS = 49.44 %
34.계단 응답

답: %OS = 52.44 %

계단 응답: 1차 시스템 G(s) = K/(τs + 1)은 크기 U의 계단에 y(t) = K·U·(1 − e−t/τ)로 응답합니다. 시정수 τ 후에 최종값 K·U의 63.2 %에, 4τ 후에 98 %에 도달합니다. 2차 시스템 G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²)는 극점 s = −ζωₙ ± jωd를 가지며 ωd = ωₙ√(1 − ζ²)입니다. 0 < ζ < 1이면 계단 응답에 오버슈트가 생깁니다. 백분율 오버슈트 %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), 피크 시간 tp = π/ωd, 2 % 정착 시간 ts ≈ 4/(ζωₙ). 분모를 s² + 2ζωₙs + ωₙ²과 비교하여 ωₙ과 ζ를 읽어 내세요. 질량-스프링-댐퍼에서는 ωₙ = √(k/m), ζ = c/(2√(km))이고, 직렬 RLC 회로에서는 ωₙ = 1/√(LC), ζ = (R/2)·√(C/L)입니다.

고유 진동수와 감쇠비

ωₙ = √(k/m) = √(200/2.5) = 8.944 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 9/(2·√(200·2.5)) = 0.2012

결과

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 52.44 %

답

%OS = 52.44 %
35.보드 선도와 여유

답: φ = −84.31 °

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.

차단 주파수

ωc = 1/(RC) = 1/(22000·2.2 × 10⁻⁹) = 20661 rad/s
fc = 3288 Hz → f/fc = 33000/3288 = 10.04

위상

φ = − atan(10.04) = −84.31°

답

φ = −84.31°
36.보드 선도와 여유

답: GM = 15.56 dB

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.

위상 교차

(ω/1)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(1·8) = 2.828 rad/s

위상 교차 주파수에서의 크기

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 64)) = K/(1·8·(1 + 8)) = K/72

이득 여유

GM = 20·log₁₀(72/12) = 15.56 dB

답

GM = 15.56 dB
37.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: Kmax = 384

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 + 12s² + 32s + K = 0

라우스 배열

s³: 1, 32
s²: 12, K
s¹: (12·32 − K)/12
s⁰: K

조건

첫 번째 열의 모든 항이 양수여야 합니다.

K > 0
12·32 − K > 0 → K < 384

답

Kmax = 384

K = 384에서 폐루프는 ω = √32 = 5.657 rad/s로 진동합니다.

38.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적

답: sb = −2.417

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 + 4s)/(s + 7)

정류점

몫의 미분법으로 미분하고 분자를 0으로 놓으세요.

(2s + 4)(s + 7) − (s² + 4s) = s² + 14s + 28 = 0
s = −7 ± √21 = −2.417, −11.58

분기점

sb = −2.417

답

sb = −2.417

두 분기·합류점 사이에서 근궤적은 영점을 중심으로 하는 원이며, 반지름은 √21 = 4.583입니다.

39.정상상태 오차와 PID 제어

답: ess = 9.091 %

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 = 20·0.5 = 10

계단 오차

ess = 100/(1 + 10) = 9.091 %

답

ess = 9.091 %
40.정상상태 오차와 PID 제어

답: ess = 0.25

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.

속도 상수

s·C(s) = 5s + 10 → s → 0일 때 10.

Kv = 10·4/2 = 20

램프 오차

ess = 5/20 = 0.25

답

ess = 0.25

PI 제어기는 계단 오차를 완전히 없앱니다. 램프 입력은 일정한 지연을 두고 추종합니다.

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