선형 저항 회로에 독립 전원 세 개 V1, V2, Is이(가) 있다. 부하 전류 I를 세 번 측정했다. 모든 전원이 정상값일 때 I = 31.5 mA이다. V1을(를) 두 배로 하고 나머지 둘은 그대로 두면 I = 42 mA이다. Is의 방향을 반대로 하고 나머지 둘은 그대로 두면 I = 9.5 mA이다. V2을(를) 끄고 V1와(과) Is이(가) 정상값일 때의 부하 전류 I을(를) 구하시오.
정상: I = 31.5 mA2·V1: I = 42 mA−Is: I = 9.5 mA
I = mA
9.테브난·노턴보통
노턴 전류 IN을(를) 구하시오: 단자를 단락했을 때 a에서 b로 흐르는 전류.
V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 Ω
IN = A
10.테브난·노턴어려움
단자 a–b에서 본 테브난 전압 Vth을(를) 구하시오.
V1 = 30 VIs = 2.5 AR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 Ω
Vth = V
11.RC·RL 과도 현상보통
인덕터에 3 A의 정상 전류가 흐른다. t = 0에 스위치가 R을 통한 루프를 닫고 전원이 제거되어, 인덕터 전류는 R을 통해 감쇠한다. t = 5 ms에서 전류 i을(를) 구하시오.
i(0) = 3 AR = 68 ΩL = 220 mHt = 5 ms
i = A
12.RC·RL 과도 현상어려움
R2 양단의 스위치가 오랫동안 닫혀 있었으므로 인덕터 전류는 정상 상태이다. t = 0에 스위치가 열린다. t = 2 ms에서의 인덕터 전류 i을(를) 구하시오.
Vs = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 33 ΩL = 68 mHt = 2 ms
i = A
13.교류 임피던스와 페이저보통
저항과 커패시터가 100 V(실효값), 500 Hz 전원에 병렬로 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.
V = 100 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩC = 10 µF
I = A
14.교류 임피던스와 페이저어려움
직렬 RLC 회로의 R = 15 Ω, L = 1 mH, C = 0.022 µF이다. 공진에서의 선택도 Q을(를) 구하시오.
R = 15 ΩL = 1 mHC = 0.022 µF
Q =
15.교류 전력과 역률보통
단상 전동기가 230 V 전원에서 지상 역률 0.75로 1 kW를 소비한다. 전동기가 소비하는 무효 전력 Q을(를) 구하시오.
P = 1 kWpf = 0.75V = 230 V
Q = kvar
16.교류 전력과 역률어려움
단상 부하가 240 V, 60 Hz 전원에서 지상 역률 0.8로 10 kW를 소비한다. 병렬로 연결한 커패시터가 역률을 0.9(으)로 높인다. 커패시터가 공급해야 하는 무효 전력 QC을(를) 구하시오.
P = 10 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9V = 240 Vf = 60 Hz
QC = kvar
17.3상 전력보통
상당 임피던스가 8 + j6 Ω인 평형 Δ 결선 부하가 선간 전압 415 V의 평형 3상 전원에 연결되어 있다. 부하가 흡수하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 415 VZ = 8 + j6 Ω 상당
P = kW
18.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 415 V(선간), 60 Hz 전원에서 역률 0.75(지상)로 120 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.92(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터는 Y 결선이다. 각 커패시터의 정전 용량 Cph을(를) µF 단위로 구하시오.
P = 120 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.92VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.변압기보통
단상 50 kVA, 6600/230 V 변압기가 정격 부하로 운전 중이다. 이상 변압기로 본다. 저압 권선의 전류 ILV을(를) 구하시오.
S = 50 kVAV1 = 6600 VV2 = 230 V
ILV = A
20.변압기어려움
단상 500 kVA 변압기의 철손은 3000 W이고 정격 부하에서의 동손은 7500 W이다. 이 변압기가 정격 kVA의 25%를 역률 0.9(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.
위상각
φ = arccos(0.75) = 41.41°, tan φ = 0.8819
무효 전력
Q = P·tan φ = 1·0.8819 = 0.8819 kvar
답
Q = 0.8819 kvar
16.교류 전력과 역률
답: QC = 2.657 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 = 10·tan(36.87°) = 7.5 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(25.84°) = 4.843 kvar
QC = Q1 − Q2 = 2.657 kvar
답
QC = 2.657 kvar
17.3상 전력
답: P = 41.33 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 = 415 V
상전류
|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 415/10 = 41.5 A
전체 유효 전력
각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.
P = 3·Iph²·R = 3·41.5²·8 = 41.33 kW
답
P = 41.33 kW
확인: cos φ = R/|Z| = 0.8이고, √3·VL·IL·cos φ도 같은 전력을 줍니다.
18.3상 전력
답: Cph = 842.6 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.
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 = 50000/230 = 217.4 A
답
ILV = 217.4 A
20.변압기
답: Ploss = 3469 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 = 0.0625·7500 = 468.8 W
전체 손실
철손은 어떤 부하에서도 같습니다.
Ploss = 3000 + 468.8 = 3469 W
답
Ploss = 3469 W
이 부하에서의 효율은 η = 97.01%입니다.
21.연산 증폭기 회로
답: Rf = 89.3 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.
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.
저항 양단의 전압
VR = 24 − 5·2 = 14 V
저항
R = 14/0.005 = 2800 Ω
답
R = 2800 Ω
저항은 70 mW를 소비합니다.
24.다이오드와 트랜지스터
답: Rmax = 207.1 Ω
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 전류
IR = 40 + 2 = 42 mA
최대 저항
Rmax = 8.7/0.042 = 207.1 Ω
답
Rmax = 207.1 Ω
25.진법
답: N = 77
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.
64 + 8 + 4 + 1 = 77
답
N = 77
26.진법
답: b = 11 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
210 = 1024 < 1648
211 = 2048 ≥ 1648
답
b = 11
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′CD′
A′CD
AB′C′
최소 SOP 형태
F = B′CD′ + A′CD + AB′C′
N = 3
답
N = 3
28.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: N = 4
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
T 플립플롭은 T = 1이면 상승 에지마다 토글하고 T = 0이면 유지합니다.
1: T = 1 → Q = 1
2: T = 0 → Q = 1
3: T = 0 → Q = 1
4: T = 1 → Q = 0
5: T = 1 → Q = 1
6: T = 1 → Q = 0
변화 세기
0 → 1 → 1 → 1 → 0 → 1 → 0
N = 4
답
N = 4
29.라플라스 변환
답: f(1.2) = 6.387
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).
부분분수 전개
F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 6)
A = 60/(1·6) = 10
B = 60/((−1)·5) = −12
C = 60/((−6)·(−5)) = 2
역변환
f(t) = 10 − 12·e−t + 2·e−6t
계산하기
f(1.2) = 10 − 12·e−1.2 + 2·e−6·1.2 = 6.387
답
f(1.2) = 6.387
30.라플라스 변환
답: y(0.2) = 0.1798
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) = 15/(s(s + 3)(s + 5))
부분분수 전개
A = 15/(3·5) = 1
B = 15/((−3)·2) = −2.5
C = 15/((−5)·(−2)) = 1.5
배설량
y(t) = 1 − 2.5·e−3t + 1.5·e−5t
y(0.2) = 0.1798
답
y(0.2) = 0.1798
31.블록선도
답: p = −20.5
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.
s² + c₁s + c₀에서 모든 근이 좌반평면에 있을 필요충분조건은 c₁ > 0이고 c₀ > 0입니다.
0 + K > 0 → K > 0
5K − 4 > 0 → K > 0.8
Kmin = 0.8
답
Kmin = 0.8
38.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: K = 16
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 + 6)(s + 14)에 대해 dK/ds = 0이면 2s + 20 = 0이 됩니다.
sb = −10
크기 조건
K = |−10 + 6|·|−10 + 14| = 4·4 = 16
답
K = 16
이 이득에서 폐루프는 임계 감쇠(ζ = 1)입니다.
39.정상상태 오차와 PID 제어
답: ess = 0.02
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.
속도 상수
Kv = lim s·G(s) = 50
계단 성분
Kp = ∞ → estep = 0
램프 오차
ess = 1/50 = 0.02
답
ess = 0.02
40.정상상태 오차와 PID 제어
답: %OS = 7.691 %
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) + 2·5 = s² + 4s + 10
ωₙ과 ζ
ωₙ = √10 = 3.162 rad/s
ζ = 4/(2·3.162) = 0.6325
오버슈트
%OS = 100·e−0.6325π/√(1 − 0.6325²) = 7.691 %
답
%OS = 7.691 %
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