t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. t = 1 ms에서 전류 i을(를) 구하시오.
Vs = 20 VR = 33 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
12.RC·RL 과도 현상어려움
스위치가 오랫동안 닫혀 있었으므로 회로는 정상 상태이다. t = 0에 스위치가 열린다. t = 750 ms에서 R2을(를) 흐르는 전류 i2을(를) 구하시오.
Vs = 6 VR1 = 1 kΩR2 = 6.8 kΩC = 47 µFt = 750 ms
i2 = mA
13.교류 임피던스와 페이저보통
저항과 인덕터가 24 V(실효값), 60 Hz 전원에 병렬로 연결되어 있다. 임피던스의 크기 |Z|을(를) 구하시오.
V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 25 ΩL = 100 mH
|Z| = Ω
14.교류 임피던스와 페이저어려움
직렬 RLC 회로가 50 V (실효값), 50 Hz 전원에 연결되어 있다. 회로의 공진 주파수 f0을(를) 구하시오.
V = 50 V (rms)f = 50 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 47 µF
f0 = Hz
15.교류 전력과 역률보통
단상 전동기가 400 V 전원에서 지상 역률 0.7로 9 kW를 소비한다. 전동기가 소비하는 무효 전력 Q을(를) 구하시오.
P = 9 kWpf = 0.7V = 400 V
Q = kvar
16.교류 전력과 역률어려움
단상 부하가 400 V, 60 Hz 전원에서 지상 역률 0.6로 10 kW를 소비한다. 병렬로 연결한 커패시터가 역률을 0.9(으)로 높인다. 커패시터가 공급해야 하는 무효 전력 QC을(를) 구하시오.
P = 10 kWpf1 = 0.6pf2 = 0.9V = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
17.3상 전력보통
상당 임피던스가 12 + j5 Ω인 평형 Δ 결선 부하가 선간 전압 480 V의 평형 3상 전원에 연결되어 있다. 부하가 흡수하는 전체 유효 전력 P을(를) kW 단위로 구하시오.
VL = 480 VZ = 12 + j5 Ω 상당
P = kW
18.3상 전력어려움
평형 3상 부하가 415 V(선간), 50 Hz 전원에서 역률 0.78(지상)로 250 kW를 소비한다. 부하에 병렬로 연결한 3상 커패시터 뱅크로 전체 역률을 0.98(지상)까지 높여야 한다. 유효 전력은 변하지 않는다. 커패시터 뱅크가 공급해야 하는 전체 무효 전력 QC을(를) kvar 단위로 구하시오.
P = 250 kWpf1 = 0.78pf2 = 0.98VL = 415 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.변압기보통
단상 75 kVA, 11000/400 V 변압기가 정격 부하로 운전 중이다. 이상 변압기로 본다. 고압 권선의 전류 IHV을(를) 구하시오.
S = 75 kVAV1 = 11000 VV2 = 400 V
IHV = A
20.변압기어려움
단상 75 kVA 변압기의 철손은 225 W이고 정격 부하에서의 동손은 900 W이다. 이 변압기가 정격 kVA의 50%를 역률 0.95(지상)로 공급한다. 이 부하에서의 전체 손실 Ploss을(를) 와트 단위로 구하시오.
β = 50인 NPN 트랜지스터가 전원 VCC = 9 V에서 베이스 저항 RB = 330 kΩ을(를) 통해 바이어스된다. 컬렉터 저항은 RC = 2.7 kΩ이고 이미터는 접지되어 있다. VBE = 0.7 V로 하고 트랜지스터가 활성 영역에 있다고 가정한다. 컬렉터–이미터 전압 VCE을(를) 구하시오.
VCC = 9 VRB = 330 kΩRC = 2.7 kΩβ = 50VBE = 0.7 V
VCE = V
24.다이오드와 트랜지스터어려움
β = 100인 NPN 트랜지스터가 VCC = 9 V와 컬렉터 사이에 연결된 100 Ω 부하 저항을 스위칭한다. 이미터는 접지되어 있다. 베이스는 5 V 논리 출력에서 베이스 저항 RB = 47 kΩ을(를) 통해 구동된다. VBE = 0.7 V, VCE(sat) = 0.2 V로 한다. 입력이 high일 때 컬렉터 전류 IC을(를) mA 단위로 구하시오. 먼저 트랜지스터가 포화되는지 판단하시오.
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(0.7) = 45.57°, tan φ = 1.02
무효 전력
Q = P·tan φ = 9·1.02 = 9.182 kvar
답
Q = 9.182 kvar
16.교류 전력과 역률
답: QC = 8.49 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(53.13°) = 13.33 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(25.84°) = 4.843 kvar
QC = Q1 − Q2 = 8.49 kvar
답
QC = 8.49 kvar
17.3상 전력
답: P = 49.08 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 = 480 V
상전류
|Z| = √(12² + 5²) = 13 Ω
Iph = 480/13 = 36.92 A
전체 유효 전력
각 임피던스의 저항 성분만 유효 전력을 흡수합니다.
P = 3·Iph²·R = 3·36.92²·12 = 49.08 kW
답
P = 49.08 kW
확인: cos φ = R/|Z| = 0.9231이고, √3·VL·IL·cos φ도 같은 전력을 줍니다.
18.3상 전력
답: QC = 149.8 kvar
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 = 250·tan(acos 0.78) = 250·0.8023 = 200.6 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0.98) = 250·0.2031 = 50.76 kvar
커패시터가 공급하는 무효 전력
QC = Q1 − Q2 = 149.8 kvar
답
QC = 149.8 kvar
19.변압기
답: IHV = 6.818 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.
IHV = S/V = 75000/11000 = 6.818 A
답
IHV = 6.818 A
20.변압기
답: Ploss = 450 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 = 225 + 225 = 450 W
답
Ploss = 450 W
이 부하에서의 효율은 η = 98.75%입니다.
21.연산 증폭기 회로
답: Rf = 2000 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 = 0.7/47 = 0.01489 mA
I2 = V2/R2 = 1.6/100 = 0.016 mA
If = I1 + I2 = 0.03089 mA
출력 전압
Vout = −Rf·If = −22·0.03089 = −0.6797 V
답
Vout = −0.6797 V
23.다이오드와 트랜지스터
답: VCE = 5.605 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.
베이스 전류
IB = (VCC − VBE)/RB = (9 − 0.7)/330 kΩ = 25.15 µA
컬렉터 전류
IC = β·IB = 50·25.15 µA = 1.258 mA
컬렉터–이미터 전압
VCE = 9 − 1.258 mA·2.7 kΩ = 5.605 V
답
VCE = 5.605 V
24.다이오드와 트랜지스터
답: IC = 9.149 mA
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.
베이스 전류
IB = (5 − 0.7)/47 kΩ = 91.49 µA
포화인가, 활성인가?
β·IB가 IC(sat)보다 작으므로 트랜지스터는 활성 영역에 머뭅니다.
β·IB = 9.149 mA
IC(sat) = (9 − 0.2)/100 = 88 mA
컬렉터 전류
IC = β·IB = 9.149 mA
답
IC = 9.149 mA
트랜지스터가 활성 영역에 있으므로 부하가 완전히 켜지지 않습니다.
25.진법
답: U = 252
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
4 = 0000 0100
반전 후: 1111 1011
+1 → 1111 1100
부호 없는 수로 읽기
1111 1100₂ = 256 − 4 = 252
답
U = 252
26.진법
답: M = 256 KiB
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.
비트와 바이트
256·256·32 = 2097152 bit = 262144 B
KiB로 변환
262144/1024 = 256 KiB
답
M = 256 KiB
27.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: L = 13
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′
AC′D′
AB′C
A′B′C′D
최소 SOP 형태
F = B′CD′ + AC′D′ + AB′C + A′B′C′D
L = 13
답
L = 13
28.디지털 논리: 게이트, 카르노 맵, 플립플롭
답: fmax = 33.33 MHz
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.
최악의 안정화 시간
T = 6·5 ns = 30 ns
최대 주파수
fmax = 1/30 ns = 33.33 MHz
답
fmax = 33.33 MHz
29.라플라스 변환
답: A = 10.5
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 + 8s + 15 = (s + 3)(s + 5)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 5)
가리기 규칙
(s + 3)를 곱하고 s = −3을 대입하세요. B항은 사라집니다.
A = (2s + 27)/(s + 5) |s = −3 = 21/2 = 10.5
답
A = 10.5
(B = −8.5이므로 f(t) = 10.5·e−3t − 8.5·e−5t)
30.라플라스 변환
답: g(0.5) = 1.257
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).
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 + 11s² + 30s + K = 0
라우스 배열
s³: 1, 30
s²: 11, K
s¹: (11·30 − K)/11
s⁰: K
조건
첫 번째 열의 모든 항이 양수여야 합니다.
K > 0
11·30 − K > 0 → K < 330
답
Kmax = 330
K = 330에서 폐루프는 ω = √30 = 5.477 rad/s로 진동합니다.
38.안정도: 라우스–후르비츠와 근궤적
답: θd = −14.04 °
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.
극점의 위치
s² + 6s + 25 = 0 → s = −3 ± j4
s = −2
다른 극점들로부터의 각
∠(−3 + j4 + 2) = atan2(4, -1) = 104°
∠(−3 + j4 − (−3 − j4)) = ∠(j8) = 90°
출발각
θd = 180° − 104° − 90° = −14.04°
답
θd = −14.04°
39.정상상태 오차와 PID 제어
답: ess = 4.762 %
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 = 4·5 = 20
계단 오차
ess = 100/(1 + 20) = 4.762 %
답
ess = 4.762 %
40.정상상태 오차와 PID 제어
답: Ki = 1.6
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 + 1)을 곱하세요.
s² + (1 + 10Kp)s + 10Ki
목표 다항식
s² + 2·0.8·4s + 4² = s² + 6.4s + 16
계수를 맞추세요
10Ki = 16 → Ki = 1.6
답
Ki = 1.6
적분 항이 루프를 1형으로 만들므로 계단 입력은 정상상태 오차 없이 추종됩니다.
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