Подготовка к экзамену FE Electrical and Computer: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (40) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Последовательные и параллельные резисторы

Последовательное соединение резисторов
Req = R1 + R2 + …
Параллельное соединение резисторов
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Два параллельно
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Закон Ома
V = I·R
Мощность
P = V·I = I²R = V²/R

Метод

  1. Начните с конца цепи, наиболее удалённого от зажимов.
  2. Последовательные резисторы складывайте, а параллельные объединяйте по формуле 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. После каждого шага перерисовывайте схему.
  4. Повторяйте, пока между зажимами не останется один резистор.

Метод узловых потенциалов

Закон токов Кирхгофа
ΣIin = ΣIout
Ток ветви
I = (Va − Vb)/R
Опорный узел
Vground = 0

Метод

  1. Выберите опорный узел (землю) и обозначьте потенциалы остальных узлов.
  2. Запишите первый закон Кирхгофа для каждого неизвестного узла: сумма токов, вытекающих по ветвям, равна сумме втекающих.
  3. Выразите ток каждой ветви как (Va − Vb)/R.
  4. Решите систему уравнений, затем найдите нужные токи.

Метод контурных токов

Закон напряжений Кирхгофа
ΣV = 0 в каждом контуре
Общий резистор
ток = I1 − I2
Источник тока в контуре
задаёт ток этого контура

Метод

  1. Нарисуйте в каждом контуре (ячейке) схемы контурный ток по часовой стрелке.
  2. Примените второй закон Кирхгофа к каждому контуру: сумма падений напряжения равна нулю.
  3. В резисторе, общем для двух контуров, ток равен разности двух контурных токов.
  4. Решите уравнения; отрицательный результат означает, что ток течёт в обратную сторону.

Метод наложения

Метод наложения
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Отключённый источник напряжения
короткое замыкание (0 V)
Отключённый источник тока
разрыв (0 A)
Делитель напряжения
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Делитель тока
I1 = I·R2/(R1 + R2)

Метод

  1. Посчитайте независимые источники. Для каждого источника вы решите одну более простую схему.
  2. Оставьте один источник, а остальные отключите: источник напряжения заменяется коротким замыканием (проводом), источник тока — разрывом цепи.
  3. Найдите в упрощённой схеме нужное напряжение или ток, следя за направлением.
  4. Повторите для каждого источника, затем сложите вклады с учётом знаков.

Тевенин и Нортон

Напряжение Тевенина
Vth = Vopen circuit
Сопротивление Тевенина
Rth: все источники отключены, со стороны a–b
Ток Нортона
IN = Vth/Rth
Ток нагрузки
IL = Vth/(Rth + RL)
Передача максимальной мощности
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Метод

  1. Отключите нагрузку и обозначьте два зажима a и b.
  2. Найдите напряжение холостого хода между a и b: это Vth.
  3. Отключите все независимые источники и найдите сопротивление со стороны a–b: это Rth.
  4. Верните нагрузку в эквивалентную схему: Vth последовательно с Rth.
  5. Для эквивалента Нортона преобразуйте: IN = Vth/Rth, с RN = Rth параллельно.

Переходные процессы RC и RL

Постоянная времени
τ = RC | τ = L/R
Отклик
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Конденсатор на постоянном токе
разрыв; vC не может измениться скачком
Катушка на постоянном токе
короткое замыкание; iL не может измениться скачком
Установившийся режим
t ≈ 5τ

Метод

  1. Найдите начальное значение сразу после коммутации: напряжение на конденсаторе и ток в катушке не могут изменяться скачком.
  2. Найдите установившееся значение спустя долгое время после коммутации: конденсатор ведёт себя как разрыв, катушка — как короткое замыкание.
  3. Найдите постоянную времени: τ = RC или τ = L/R, где берётся сопротивление со стороны конденсатора или катушки.
  4. Используйте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Полные сопротивления
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Угловая частота
ω = 2πf
Модуль и угол
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Закон Ома в комплексной форме
V = I·Z

Метод

  1. Переведите частоту: ω = 2πf.
  2. Найдите каждое реактивное сопротивление: XL = ωL и XC = 1/(ωC).
  3. Складывайте сопротивления как у резисторов, с Z = R + jX.
  4. Найдите модуль |Z| = √(R² + X²) и угол φ = atan(X/R), затем примените закон Ома для комплексных амплитуд.

Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Активная мощность
P = V·I·cos φ
Реактивная мощность
Q = V·I·sin φ
Полная мощность
S = V·I = √(P² + Q²)
Коэффициент мощности
pf = cos φ = P/S
Компенсирующий конденсатор
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Трёхфазная мощность

Соединение звездой (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Соединение треугольником (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Полная активная мощность
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Полная и реактивная мощность
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Компенсирующие конденсаторы
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Напряжение на каждом конденсаторе
Δ: VL Y: VL/√3
Потребляемая мощность двигателя
Pin = Pout/η

Трансформаторы

Коэффициент трансформации
a = N1/N2 = V1/V2
Отношение токов
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Номинальный ток
I = S/V
Приведённое сопротивление
Z1′ = a²·ZL
Потери в меди при неполной нагрузке
Pcu = x²·Pcu,fl
КПД
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Максимальный КПД
x = √(Pcore/Pcu,fl)

Схемы на операционных усилителях

Инвертирующий усилитель
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Неинвертирующий усилитель
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Суммирующий усилитель
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Идеальный ОУ
V+ = V−, Iin = 0

Диоды и транзисторы

Диод (постоянное падение напряжения)
VD = 0,7 V when conducting
Активный режим
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
Фиксированное смещение
IB = (VCC − 0,7)/RB
Смещение делителем напряжения
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
Эквивалент Тевенена для делителя
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
Контур коллектора
VCE = VCC − ICRC − IERE
Насыщение
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

Системы счисления

Веса разрядов
двоичная 2k, восьмеричная 8k, шестнадцатеричная 16k
В десятичную
Σ dk·bk
Из десятичной
делите на основание, остатки читайте снизу вверх
Шестнадцатеричная ↔ двоичная
одна шестнадцатеричная цифра = 4 бита
Дополнительный код
инвертируйте биты и прибавьте 1

Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Основные вентили
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Правила булевой алгебры
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
Законы де Моргана
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Порядок на карте Карно
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Группа из 2ᵏ клеток
теряет k переменных
Мультиплексор 4 в 1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Триггеры
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Счётчики
n-разрядный: 2ⁿ состояний; по модулю N: наименьшее n, при котором 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Асинхронный счётчик
fmax = 1/(n·tpd)
Кольцевой счётчик и счётчик Джонсона
n и 2n состояний

Метод

  1. Для схемы идите от входов к выходу вентиль за вентилем и записывайте значение на каждом проводе или запишите её выражение и заполните таблицу истинности.
  2. Для упрощения поставьте единицы (и безразличные состояния как X) на карту Карно со строками и столбцами в коде Грея: 00, 01, 11, 10.
  3. Покройте единицы как можно меньшим числом как можно больших групп по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, с переходом через края; каждая группа — один член-произведение из переменных, которые остаются постоянными. Для формы POS группируйте нули.
  4. Для триггеров и счётчиков считывайте входы на каждом активном фронте тактового сигнала, записывайте состояние после каждого фронта и помните, что n-разрядный счётчик возвращается к началу после 2ⁿ состояний.

Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Устойчивость
все корни характеристического полинома в левой полуплоскости
таблица Рауса, элемент s¹ кубического полинома
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Корни в правой полуплоскости
число смен знака в первом столбце
Кубический полином s³ + a₂s² + a₁s + a₀
устойчив, когда все a > 0 и a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Характеристическое уравнение
1 + K·G(s) = 0
Асимптоты
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Точки отрыва и входа
dK/ds = 0
Условие по модулю
K = 1/|G(s)|
Угол выхода
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Метод

  1. Запишите характеристический полином замкнутой системы: знаменатель уравнения 1 + K·G(s) = 0 после раскрытия скобок.
  2. Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса и достройте остальные строки.
  3. Посчитайте смены знака в первом столбце: каждая — это один полюс в правой полуплоскости. Если в таблице есть K, потребуйте, чтобы все элементы первого столбца оставались положительными.
  4. Для корневого годографа отметьте полюса и нули, участки вещественной оси, асимптоты из центра и точки отрыва, где dK/ds = 0. Для коэффициента усиления в точке используйте K = 1/|G(s)|.

Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Тип системы
число полюсов G(s) в точке s = 0
Коэффициенты ошибок
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Ступенька A
ess = A/(1 + Kp)
Линейное воздействие A·t
ess = A/Kv
Парабола A·t²/2
ess = A/Ka
ПИД-регулятор
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Целевая система второго порядка
s² + 2ζωns + ωn²
Перерегулирование и временные характеристики
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Метод

  1. Посчитайте полюса разомкнутого контура C(s)·G(s) в точке s = 0: это тип системы.
  2. Найдите коэффициент ошибки, соответствующий входу: Kp для ступеньки, Kv для линейного воздействия, Ka для параболы.
  3. Примените ess = A/(1 + Kp), A/Kv или A/Ka либо решите это уравнение относительно нужного коэффициента усиления.
  4. Для требований по демпфированию или скорости запишите характеристический полином замкнутой системы и приравняйте его коэффициенты к s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Тренировочные задачи

1.Последовательные и параллельные резисторыСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩIR2​AR4​6 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 15 VR1 = 20 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩIR2​AR4​12 ΩBR6​4 Ω

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 30 VR1 = 30 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 12 ΩR5 = 15 ΩR6 = 4 Ω
IR2 = A
3.Метод узловых потенциаловСредняя
R1​ = 2 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​3 ΩAR4​12 ΩBIs​1 A

Методом узловых потенциалов найдите мощность PIs, отдаваемую источником тока Is.

V1 = 30 VIs = 1 AR1 = 2 ΩR2 = 3 ΩR3 = 20 ΩR4 = 12 Ω
PIs = W
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 20 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAR4​10 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 13 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 ΩR4 = 10 ΩVA = 13 V
Is = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 3 ΩIR1​R2​ = 15 Ω+−V1​15 VR3​6 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток IR1 через R1 в направлении стрелки.

V1 = 15 VV2 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 Ω
IR1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 5 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 4 ΩIR3​+−V1​18 VR4​25 ΩAR5​5 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти ток IR3 через R3 в направлении стрелки.

V1 = 18 VV2 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 30 ΩR3 = 4 ΩR4 = 25 ΩR5 = 5 Ω
IR3 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​6 Ω+−VR2​AR4​12 ΩBIs​5 A

Используйте метод наложения, чтобы найти напряжение VR2 на R2 с указанной полярностью.

V1 = 15 VIs = 5 AR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 12 Ω
VR2 = V
8.Метод наложенияСложная
линейная цепьV1​V2​Is​IRL​

Линейная резистивная цепь содержит три независимых источника: V1, V2 и Is. Ток I через нагрузку измерен три раза. При номинальных значениях всех источников I = 24 mA. Если V1 удвоить, а два других оставить без изменений, I = 31,5 mA. Если изменить направление Is на противоположное, а два других оставить без изменений, I = 1 mA. Найдите ток нагрузки I, если V2 отключён, а V1 и Is имеют номинальные значения.

номинальные значения: I = 24 mA2·V1: I = 31,5 mA−Is: I = 1 mA
I = mA
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAab

Найдите сопротивление Тевенина Rth со стороны зажимов a–b.

V1 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 8 Ω
Rth = Ω
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAIs​2,5 ABRL​6 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 6 Ω. Замените остальную цепь эквивалентом Тевенина и найдите ток нагрузки IL.

V1 = 6 VIs = 2,5 AR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 ΩRL = 6 Ω
IL = A
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​9 Vt = 0R = 22 ΩL22 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W, запасённую в катушке при t = 1 ms, в mJ.

Vs = 9 VR = 22 ΩL = 22 mHt = 1 ms
W = mJ
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​5 Vt = 0R = 100 kΩC?+−vC​

Таймер при t = 0 начинает заряжать незаряженный конденсатор через резистор от источника 5 V. Он должен сработать, когда напряжение конденсатора достигнет 4,5 V, ровно через 1000 ms после старта. При R = 100 kΩ найдите необходимую ёмкость C.

Vs = 5 VVth = 4,5 VT = 1000 msR = 100 kΩ
C = µF
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
12 V200 HzR = 15 ΩC = 22 µFI

Резистор и конденсатор включены параллельно в сеть 12 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите действующее значение тока I.

V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩC = 22 µF
I = A
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
5 Vf0​R = 5 ΩL = 20 mHC = 10 µF

Последовательный RLC-контур питается от источника 5 V (действующее значение), частота которого равна резонансной частоте контура. Найдите действующее напряжение VL на катушке.

V = 5 V (rms)R = 5 ΩL = 20 mHC = 10 µF
VL = V
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
230 V115 kW, 0,85230 kW, 0,85I

К однофазной сети 230 V параллельно подключены две нагрузки: нагрузка 15 kW при коэффициенте мощности 0,85 (индуктивном) и нагрузка 30 kW при коэффициенте мощности 0,85 (индуктивном). Найдите общий коэффициент мощности cos φ со стороны сети.

V = 230 VP1 = 15 kW, pf1 = 0,85 отстающийP2 = 30 kW, pf2 = 0,85 отстающий
cos φ =
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P1​ = 74 kWQ1​S1​φ

Однофазный трансформатор 200 kVA питает нагрузку 74 kW при коэффициенте мощности 0,8 (индуктивном). Какую дополнительную активную мощность ΔP можно добавить в виде активной нагрузки (коэффициент мощности 1), прежде чем трансформатор достигнет своей номинальной мощности в kVA?

Smax = 200 kVAP1 = 74 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
17.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 690 VIL​ = 20 Acos φ = 0,7отстающий

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет линейный ток 20 A от сети с линейным напряжением 690 V. Коэффициент мощности 0,7 (отстающий). Найдите полную активную мощность P, потребляемую нагрузкой, в kW.

VL = 690 VIL = 20 Acos φ = 0,7
P = kW
18.Трёхфазная мощностьСложная
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 80 kW при коэффициенте мощности 0,65 (отстающий) от сети 400 V (линейное), 60 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,98 (отстающий). Активная мощность не меняется. Найдите полную реактивную мощность QC, которую должна выдавать конденсаторная батарея, в kvar.

P = 80 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.ТрансформаторыСредняя
4800 V240 VIHV​ILV​ = ?15 kVA

Однофазный трансформатор 15 kVA, 4800/240 V работает при номинальной нагрузке. Считайте его идеальным. Найдите ток ILV в обмотке низшего напряжения.

S = 15 kVAV1 = 4800 VV2 = 240 V
ILV = A
20.ТрансформаторыСложная
150 kVA

Однофазный трансформатор 150 kVA имеет потери в стали 750 W и потери в меди 2250 W при номинальной нагрузке. При какой нагрузке Sη,max, в kVA, его КПД максимален?

S = 150 kVAPcore = 750 WPcu,fl = 2250 W
Sη,max = kVA
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 2 kΩVin​ = −0,2 V

ОУ идеальный и питается от ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.

Vin = −0,2 VR1 = 2 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​Rf​ = 100 kΩV1​ = −1,3 VR1​ = 100 kΩV2​ = 0,9 VR2​ = 47 kΩ

Суммирующий усилитель использует идеальный ОУ с питанием ±15 V. Найдите выходное напряжение Vout.

V1 = −1,3 VV2 = 0,9 VR1 = 100 kΩR2 = 47 kΩRf = 100 kΩ
Vout = V
23.Диоды и транзисторыСредняя
RC​ = 2,7 kΩβ = 200IC​ = ?VCC​ = 10 VRB​ = 560 kΩ

NPN-транзистор с β = 200 смещён резистором базы RB = 560 kΩ от источника питания VCC = 10 V. Резистор коллектора RC = 2,7 kΩ, эмиттер заземлён. Примите VBE = 0,7 V и считайте, что транзистор работает в активном режиме. Найдите ток коллектора IC в mA.

VCC = 10 VRB = 560 kΩRC = 2,7 kΩβ = 200VBE = 0,7 V
IC = mA
24.Диоды и транзисторыСложная
+−≤ 15 V330 Ω5,1 V

Стабилизатор на стабилитроне 5,1 V имеет последовательный резистор 330 Ω. Входное напряжение может подниматься до 15 V, а нагрузка может быть отключена. Найдите наибольшую мощность PZ,max, которую должен рассеивать стабилитрон.

Vin,max = 15 VVZ = 5,1 VR = 330 Ω
PZ,max = mW
25.Системы счисленияСредняя
8-битный дополнительный код0−12806403201608040201

Установите биты так, чтобы они хранили −98 в 8-битном дополнительном коде. Чему равно значение комбинации U, если читать её как число без знака?

N = −988 bit
U =
26.Системы счисленияСложная
3873 кодов, b = ? бит?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

Система должна присвоить каждому из 3873 элементов собственный двоичный код одинаковой длины. Какое наименьшее число битов b нужно?

3873
b = bit
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
ABCD000111100001111000110312040517160120130150141819111110

С помощью карты Карно найдите минимальную форму «сумма произведений» (SOP) для F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 6, 7, 8, 9, 10, 11). Сколько членов-произведений, N, в ней?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 6, 7, 8, 9, 10, 11)
N =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
TQ0​Q0​TQ1​Q1​TQ2​Q2​TQ3​Q3​CLKMOD-10

Синхронный десятичный счётчик (по модулю 10) считает 0, 1, …, 9, а затем возвращается к 0. Он начинает с 8. Какое значение Q (в десятичном виде) он покажет после 18 тактовых импульсов?

Q0 = 818N = 10
Q =
29.Преобразования ЛапласаСредняя
t (s)f(t)t = 0,5f(0,5) = ?

Найдите f(t) для F(s) = 15/(s(s + 1)(s + 3)) разложением на простые дроби и вычислите f(0,5).

F(s) = 15/(s(s + 1)(s + 3))t = 0,5 s
f(0.5) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 9y′ + 18y = 54·u(t), где y(0) = 4 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 10. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,2).

y″ + 9y′ + 18y = 54·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 10t = 0,2 s
y(0.2) =
31.Структурные схемыСредняя
R(s)+K(s + 7)(s + 8)G(s)C(s)−

Объект G(s) = K/((s + 7)(s + 8)) помещён в контур с единичной отрицательной обратной связью. Найдите коэффициент K, при котором замкнутая система демпфирована критически (два равных вещественных полюса).

G(s) = K/((s + 7)(s + 8))единичная отрицательная обратная связь
K =
32.Структурные схемыСложная
R(s)+K(s + 1)(s + 3)(s + 7)G(s)C(s)−

Объект G(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 7)) помещён в контур с единичной отрицательной обратной связью. С помощью критерия Рауса–Гурвица найдите наибольший коэффициент Kmax, при котором замкнутая система устойчива.

G(s) = K/((s + 1)(s + 3)(s + 7))единичная отрицательная обратная связь
Kmax =
33.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)3ts​ = ?

Система имеет передаточную функцию G(s) = 15/(s² + s + 5) и получает на вход единичную ступеньку. Найдите время установления ts переходной характеристики по критерию 2 %, используя ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 15/(s² + s + 5)
ts = s
34.Переходная характеристикаСложная
k = 800 N/mc = 38 N·s/mm = 5 kgF = 100 Nx(t)

Масса m = 5 kg подвешена на пружине k = 800 N/m с вязким демпфером c = 38 N·s/m (m·x″ + c·x′ + k·x = F). Из состояния покоя в равновесии внезапно прикладывается постоянная сила F = 100 N. Найдите коэффициент демпфирования ζ.

m = 5 kgk = 800 N/mc = 38 N·s/mF = 100 N
ζ =
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
|H| (dB)1101001000−80−60−40−20020ω (rad/s)ω = 20

Найдите точный модуль |G(jω)| функции G(s) = 715/((s + 11)(s + 13)) при ω = 20 rad/s в dB.

G(s) = 715/((s + 11)(s + 13))ω = 20 rad/s
|G(jω)| = dB
36.Диаграммы Боде и запасыСложная
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​ = ?

Контур с единичной обратной связью имеет передаточную функцию разомкнутой системы L(s) = 22/(s(s + 1)(s + 8)). Найдите частоту перехода фазы ω180, где ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 22/(s(s + 1)(s + 8))
ω180 = rad/s
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
R(s)+K1(s + 1)(s + 5)(s + 6)C(s)−

Контур с единичной обратной связью имеет L(s) = K/((s + 1)(s + 5)(s + 6)), K > 0. Найдите наибольший коэффициент усиления Kmax, при котором замкнутая система устойчива.

L(s) = K/((s + 1)(s + 5)(s + 6))
Kmax =
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
ReIm−1−2−3−4j1j2

Для L(s) = K/((s + 3)(s² + 4s + 8)) найдите угол выхода θd корневого годографа из комплексного полюса в верхней полуплоскости, отсчитываемый от положительного направления вещественной оси.

L(s) = K/((s + 3)(s² + 4s + 8))
θd = °
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
R(s)+K(s + 5)(s + 10)C(s)−

Контур с единичной обратной связью имеет G(s) = K/((s + 5)(s + 10)). Найдите коэффициент усиления K, при котором установившаяся ошибка по ступеньке составляет 20 %.

G(s) = K/((s + 5)(s + 10))ess = 20 %
K =
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
R(s)+K = 401s(s + 8)C(s)−

Пропорциональный регулятор K = 40 управляет объектом G(s) = 1/(s(s + 8)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите перерегулирование %OS переходной характеристики в процентах.

G(s) = 1/(s(s + 8))K = 40
%OS = %

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,6034 A

Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.

R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​6 ΩB

Объединяйте резисторы с дальнего конца

Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.

R3 + R4 = 8 + 6 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 2·14/(2+14) = 1,75 Ω
Req = R1 + 1,75 = 20 + 1,75 = 21,75 Ω

Ток источника

Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.

IR1 = V1/Req = 15/21,75 = 0,6897 A

Ток через R₂

Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 0,6897·20 = 1,207 V
IR2 = VA/R2 = 1,207/2 = 0,6034 A

Ответ

IR2 = 0,6034 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,6062 A

Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.

R1​ = 30 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​12 ΩBR6​4 Ω

Объединяйте резисторы с дальнего конца

Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.

R5 + R6 = 15 + 4 = 19 Ω
R4 ∥ 19 = 7,355 Ω
R3 + 7,355 = 10,35 Ω
R2 ∥ 10,35 = 3,372 Ω
Req = R1 + 3,372 = 30 + 3,372 = 33,37 Ω

Ток источника

Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.

IR1 = V1/Req = 30/33,37 = 0,899 A

Ток через R₂

Вычтите падение на R₁, чтобы получить напряжение в узле A, то есть напряжение на R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 0,899·30 = 3,031 V
IR2 = VA/R2 = 3,031/5 = 0,6062 A

Ответ

IR2 = 0,6062 A
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: PIs = 14,17 W

Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.

ЗТК в узле A

Токи, вытекающие из A через резисторы, равны току, который источники подают в A.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/3 + (VA − 30)/2 + (VA − VB)/20 = 0
0,8833·VA − 0,05·VB = 15

ЗТК в узле B

Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники подают в B.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/12 + (VB − VA)/20 = 1
−0,05·VA + 0,1333·VB = 1

Решите

Δ = (0,8833)(0,1333) − (−0,05)(−0,05) = 0,1153
VA = Δ1/Δ = 2,05/0,1153 = 17,78 V
VB = Δ2/Δ = 1,633/0,1153 = 14,17 V

Мощность, отдаваемая источником тока

Источник направляет ток Iₛ вверх в узел B, от земли (0 V) к VB. Источник, ток которого выходит из его вывода +, отдаёт мощность P = V·I.

PIs = VB·Is = 14,17·1 = 14,17 W

Ответ

PIs = 14,17 W
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 11,9 A

Метод узловых потенциалов: выберите опорный узел, обозначьте неизвестные узловые напряжения, запишите закон токов Кирхгофа для каждого неизвестного узла с помощью закона Ома (I = ΔV/R) и решите полученные уравнения.

ЗТК в узле A

VA известно, поэтому это уравнение даёт VB.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(13 − 12)/20 + 13/5 = (VB − 13)/30
2,65 = (VB − 13)/30 → VB = 92,5 V

ЗТК в узле B

Токи, вытекающие из B через резисторы, равны току, который источники направляют в B.

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (92,5 − 13)/30 + 92,5/10 = 11,9 A

Ответ

Is = 11,9 A
5.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 0,8824 A

Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.

R1​ = 3 ΩR2​ = 15 Ω+−V1​15 VR3​6 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

Задайте контурные токи

В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.

ЗНК для контура 1

При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
3·I1 + 6(I1 − I2) = 15
9·I1 − 6·I2 = 15

ЗНК для контура 2

При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
15·I2 + 6(I2 − I1) = (−30)
−6·I1 + 21·I2 = −30

Решите

Δ = (9)(21) − (−6)(−6) = 153
I1 = Δ1/Δ = 135/153 = 0,8824 A
I2 = Δ2/Δ = −180/153 = −1,176 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,8824 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR3 = −2,641 A

Метод контурных токов: дайте каждому окну плоской цепи свой контурный ток, запишите закон напряжений Кирхгофа для каждого контура (сумма падений = сумма подъёмов) и решите. Токи ветвей — это контурный ток или разность двух контурных токов в общей ветви.

R1​ = 5 ΩR2​ = 30 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​18 VR4​25 ΩAR5​5 ΩB+−V2​24 VI1​I2​I3​

Задайте контурные токи

В каждом окне нарисуйте ток по часовой стрелке: I1, I2, I3. Резистор, общий для двух контуров, проводит разность их токов.

ЗНК для контура 1

При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
5·I1 + 25(I1 − I2) = 18
30·I1 − 25·I2 = 18

ЗНК для контура 2

При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
30·I2 + 25(I2 − I1) + 5(I2 − I3) = 0
−25·I1 + 60·I2 − 5·I3 = 0

ЗНК для контура 3

При обходе по часовой стрелке падения напряжения на резисторах равны подъёмам напряжения источников (от − к + в направлении обхода).

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
4·I3 + 5(I3 − I2) = (−24)
−5·I2 + 9·I3 = −24

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 9825
I1 = Δ1/Δ = 6270/9825 = 0,6382 A
I2 = Δ2/Δ = 450/9825 = 0,0458 A
I3 = Δ3/Δ = −25950/9825 = −2,641 A

Ответ

IR3 = I3 = −2,641 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: VR2 = 17,34 V

Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.

R1​ = 15 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​12 ΩBОБРЫВ

Случай 1 · действует только V1

Iₛ становится разрывом, поэтому R₃ и R₄ образуют одну последовательную ветвь от A к земле, параллельную R₂.

R3+R4 = 2+12 = 14 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·14/(6+14) = 4,2 Ω
VA = 15·4,2/(15+4,2) = 3,281 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,281·12/14 = 2,813 V
VR2′ = VA − 0 = 3,281 − 0 = 3,281 V
R1​ = 15 ΩR3​ = 2 ΩКЗR2​6 ΩAR4​12 ΩBIs​5 A

Случай 2 · действует только Is

V₁ становится коротким замыканием, поэтому R₁ параллелен R₂. Iₛ в точке B делится между R₄ и путём через R₃.

R1 ∥ R2 = 15·6/(15+6) = 4,286 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 12 ∥ 6,286 = 4,125 Ω
VB = Is·Req = 5·4,125 = 20,63 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 20,63·4,286/6,286 = 14,06 V
VR2″ = VA − 0 = 14,06 − 0 = 14,06 V

Сложите составляющие

VR2 = VR2′ + VR2″
VR2 = 3,281 + 14,06 = 17,34 V

Отрицательный результат означает, что на самом деле полярность противоположна указанной.

8.Метод наложения

Ответ: I = 19 mA

Метод наложения: в линейной цепи любое напряжение или ток равно сумме откликов на каждый независимый источник, действующий отдельно. Чтобы отключить источник, замените идеальный источник напряжения коротким замыканием, а идеальный источник тока — разрывом. Резисторы остаются на месте.

Записываем измерения через вклады

Каждый вклад пропорционален своему источнику.

I₁ + I₂ + I₃ = 24
2·I₁ + I₂ + I₃ = 31,5
I₁ + I₂ − I₃ = 1

Находим вклады

I₁ = 31,5 − 24 = 7,5 mA
I₃ = (24 − 1)/2 = 11,5 mA
I₂ = 24 − 7,5 − 11,5 = 5 mA

Отключаем V₂

I = I₁ + I₃ = 7,5 + 11,5 = 19 mA

Ответ

I = 19 mA
9.Тевенин и Нортон

Ответ: Rth = 13,45 Ω

Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.

R1​ = 12 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​10 ΩAabRth​

Найдите Rth со всеми отключёнными источниками

Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.

R1 ∥ R2 = 12·10/(12+10) = 5,455 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,455 + 8 = 13,45 Ω
10.Тевенин и Нортон

Ответ: IL = 1,93 A

Теорема Тевенина: любая линейная двухполюсная цепь ведёт себя как один источник напряжения Vth, последовательный с сопротивлением Rth. Теорема Нортона представляет ту же цепь как источник тока IN = Vth/Rth, параллельный Rth.

R1​ = 10 ΩR3​ = 8 ΩКЗR2​15 ΩAОБРЫВBabRth​

Найдите Rth со всеми отключёнными источниками

Замените источники напряжения короткими замыканиями, а источники тока — разрывами, затем посмотрите на цепь со стороны a–b.

R1 ∥ R2 = 10·15/(10+15) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 8 = 14 Ω
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAIs​2,5 ABab+−Vth​

Найдите Vth — напряжение холостого хода

Когда a–b разомкнуты, Iₛ может течь только через R₃ в узел A. Найдите V_A наложением V₁ и Iₛ, затем прибавьте падение на R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 3,6 + 2,5·6 = 18,6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 18,6 + 2,5·8 = 38,6 V
Rth​ = 14 Ω+−Vth​38,6 VRL​6 ΩIL​

Подключите нагрузку к эквиваленту Тевенина

Источник Тевенина и последовательный R_th ведут себя на a–b точно как исходная цепь, поэтому нагрузка видит простой последовательный контур.

IL = Vth/(Rth + RL) = 38,6/(14 + 6) = 1,93 A
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W = 0,7356 mJ

Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.

Постоянная времени и конечный ток

Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.

τ = L/R = 22 mH / 22 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 9/22 = 0,4091 A

Ток в заданный момент

i(t) = 0,4091·(1 − e−1/1) = 0,2586 A

Запасённая энергия

W = ½·L·i² = ½·22·0,2586² = 0,7356 mJ

Ответ

W = 0,7356 mJ
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: C = 4,343 µF

Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.

Требуемая постоянная времени

4,5 = 5·(1 − e−1000/τ) → τ = 1000/ln(5/(5 − 4,5))
τ = 1000/2,303 = 434,3 ms

Ёмкость

kΩ умножить на µF даёт миллисекунды.

C = τ/R = 434,3/100 = 4,343 µF

Ответ

C = 4,343 µF
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: I = 0,8661 A

Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.

Реактивное сопротивление

XC = 1/(ωC) = 1/(2π·200·22·10⁻⁶) = 36,17 Ω

Токи ветвей

Обе ветви подключены прямо к источнику, поэтому к каждой приложено полное напряжение V.

IR = V/R = 12/15 = 0,8 A
IX = V/XC = 12/36,17 = 0,3318 A

Общий ток

Ток резистора совпадает по фазе с V, а реактивный ток сдвинут на 90°, поэтому они складываются как катеты прямоугольного треугольника.

I = √(IR² + IX²) = √(0,8² + 0,3318²) = 0,8661 A

Ответ

I = 0,8661 A
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: VL = 44,72 V

Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.

Резонанс

При резонансе реактивные сопротивления компенсируются, поэтому полное сопротивление равно просто R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,02·10·10⁻⁶) = 2236 rad/s
I = V/R = 5/5 = 1 A

Напряжение на катушке

XL = ω₀L = 2236·0,02 = 44,72 Ω
VL = I·XL = 1·44,72 = 44,72 V

Ответ

VL = 44,72 V

Это в Q = 8,944 раз больше напряжения источника.

15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: cos φ = 0,85

Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.

Реактивная мощность каждой нагрузки

Индуктивная нагрузка потребляет реактивную мощность (Q > 0); ёмкостная — отдаёт её (Q < 0).

Q1 = 15·tan(arccos 0,85) = 9,296 kvar
Q2 = 30·tan(arccos 0,85) = 18,59 kvar

Суммы

P = 15 + 30 = 45 kW
Q = 9,296 + 18,59 = 27,89 kvar
S = √(45² + 27,89²) = 52,94 kVA

Общий коэффициент мощности

cos φ = P/S = 45/52,94 = 0,85 отстающий

Ответ

cos φ = 0,85
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: ΔP = 118,1 kW

Мощность переменного тока: полная мощность S = V·I (VA) складывается из активной мощности P = S·cos φ (W), совершающей полезную работу, и реактивной мощности Q = S·sin φ (var), которая колеблется между источником и нагрузкой. Коэффициент мощности — cos φ. Параллельный конденсатор поставляет реактивную мощность на месте, поэтому ток линии уменьшается при той же активной мощности.

Реактивная мощность существующей нагрузки

Q1 = 74·tan(arccos 0,8) = 55,5 kvar

Наибольшая суммарная активная мощность

При полной нагрузке S = Smax, а Q от активной нагрузки не меняется.

P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 55,5²) = 192,1 kW

Дополнительная активная мощность

ΔP = 192,1 − 74 = 118,1 kW

Ответ

ΔP = 118,1 kW
17.Трёхфазная мощность

Ответ: P = 16,73 kW

Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Полная мощность

S = √3·VL·IL = √3·690·20 = 23,9 kVA

Активная мощность

P = S·cos φ = 23,9·0,7 = 16,73 kW

Ответ

P = 16,73 kW
18.Трёхфазная мощность

Ответ: QC = 77,29 kvar

Симметричные трёхфазные системы: при соединении звездой (Y) линейное напряжение в √3 раз больше фазного, VL = √3·Vph, а линейный ток равен фазному. При соединении треугольником (Δ) линейное напряжение равно фазному, а линейный ток в √3 раз больше фазного, IL = √3·Iph. Полная мощность в три раза больше мощности одной фазы: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Компенсация реактивной мощности: конденсаторы вырабатывают реактивную мощность на месте, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Каждый из трёх конденсаторов даёт QC/3 = V²·ω·C, где V — напряжение на этом конденсаторе: VL в батарее, соединённой треугольником, VL/√3 — в батарее, соединённой звездой.

Реактивная мощность до и после

Активная мощность не меняется, поэтому каждый коэффициент мощности задаёт реактивную мощность: Q = P·tan φ.

Q1 = 80·tan(acos 0,65) = 80·1,169 = 93,53 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,98) = 80·0,2031 = 16,24 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 77,29 kvar

Ответ

QC = 77,29 kvar
19.Трансформаторы

Ответ: ILV = 62,5 A

Идеальный трансформатор: напряжения относятся как числа витков, а токи — обратно: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a и I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, поэтому входная мощность равна выходной, V₁·I₁ = V₂·I₂. Сопротивление нагрузки Z во вторичной цепи со стороны первичной обмотки выглядит как a²·Z.

Номинальный ток

Через обе обмотки передаётся одинаковая полная мощность.

ILV = S/V = 15000/240 = 62,5 A

Ответ

ILV = 62,5 A
20.Трансформаторы

Ответ: Sη,max = 86,6 kVA

Потери в трансформаторе: потери в стали (гистерезис и вихревые токи) зависят от напряжения и одинаковы при любой нагрузке. Потери в меди обмоток пропорциональны квадрату тока, поэтому при доле x от номинальной нагрузки они равны x²·Pcu,fl. КПД η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), где Pout = x·S·pf. КПД максимален при той нагрузке, при которой потери в меди равны потерям в стали.

Потери в меди равны потерям в стали

x²·2250 = 750 → x = √(750/2250) = 0,5774

Нагрузка при максимальном КПД

Sη,max = x·S = 0,5774·150 = 86,6 kVA

Ответ

Sη,max = 86,6 kVA
21.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −10,2 V

Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.

Инвертирующий вход повторяет вход

V₋ = V₊ = −0,2 V
I = V₋/R1 = −0,2/2 = −0,1 mA

Выходное напряжение

Ток через R₁ течёт и через Rf.

Vout = V₋ + I·Rf = −0,2 + (−0,1)·100 = −10,2 V

Ответ

Vout = −10,2 V
22.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −0,6149 V

Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.

Входные токи

V₋ = 0, поэтому на каждом входном резисторе всё его входное напряжение.

I1 = V1/R1 = −1,3/100 = −0,013 mA
I2 = V2/R2 = 0,9/47 = 0,01915 mA
If = I1 + I2 = 0,006149 mA

Выходное напряжение

Vout = −Rf·If = −100·0,006149 = −0,6149 V

Ответ

Vout = −0,6149 V
23.Диоды и транзисторы

Ответ: IC = 3,321 mA

Рабочая точка биполярного транзистора: в активном режиме VBE = 0,7 V, IC = β·IB и IE = (β + 1)·IB. Найдите IB из базового контура по второму закону Кирхгофа, затем IC, затем VCE из контура коллектор–эмиттер. Делитель напряжения в цепи базы заменяют эквивалентом Тевенена VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; резистор в цепи эмиттера в базовом контуре выглядит в (β + 1) раз больше.

Ток базы

IB = (VCC − VBE)/RB = (10 − 0,7)/560 kΩ = 16,61 µA

Ток коллектора

IC = β·IB = 200·16,61 µA = 3,321 mA

Ответ

IC = 3,321 mA

Проверка: VCE = 1,032 V заметно больше 0,2 V, значит, транзистор действительно в активном режиме.

24.Диоды и транзисторы

Ответ: PZ,max = 153 mW

Стабилизатор на стабилитроне: стабилитрон, включённый в обратном направлении, удерживает напряжение VZ, пока его ток остаётся выше минимума IZ,min. Последовательный резистор R берёт на себя разность между входным и выходным напряжением: IR = (Vin − VZ)/R. Этот ток делится между нагрузкой, IL = VZ/RL, и стабилитроном: IZ = IR − IL. Проектируйте для худших случаев: при наименьшем входном напряжении и наибольшей нагрузке должен оставаться ток IZ,min, а при наибольшем входном напряжении без нагрузки получается наибольшая мощность стабилитрона PZ = VZ·IZ.

Ток стабилитрона в худшем случае

IZ = 9,9/330 = 30 mA

Мощность стабилитрона

PZ = 5,1·30 = 153 mW

Ответ

PZ,max = 153 mW
25.Системы счисления

Ответ: U = 158

Установка битов: каждый бит стоит степень двойки (128, 64, …, 1). Одна шестнадцатеричная цифра — это ровно четыре бита, а в 8-битном дополнительном коде крайний левый бит стоит −128. Побитовые операции работают с каждой позицией бита отдельно.

Инвертируйте и прибавьте единицу

98 = 0110 0010
инвертировано: 1001 1101
+1 → 1001 1110

Прочитайте как беззнаковое

1001 1110₂ = 256 − 98 = 158

Ответ

U = 158
26.Системы счисления

Ответ: b = 12 bit

Позиционные системы счисления: каждая цифра стоит своего значения, умноженного на степень основания. В двоичной системе разряды стоят 1, 2, 4, 8, 16, …, в шестнадцатеричной 1, 16, 256, …, а A–F обозначают 10–15. В 8-битном дополнительном коде крайний левый бит стоит −128 вместо +128; так хранятся отрицательные числа.

Степени двойки

211 = 2048 < 3873
212 = 4096 ≥ 3873

Ответ

b = 12
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: N = 4

Карты Карно: клетки упорядочены по коду Грея (00, 01, 11, 10), поэтому соседние клетки, включая те, что через края, отличаются ровно одной переменной. Группируйте единицы в прямоугольники по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, как можно большие и в как можно меньшем числе, пока не будет покрыта каждая единица. Каждая группа — один член-произведение: переменные, которые внутри неё остаются постоянными. Группа из 2ᵏ клеток теряет k переменных. Безразличные состояния (X) можно использовать, чтобы увеличить группы, но покрывать их не обязательно. Если группировать нули, получится минимальная форма POS.

ABCD000111100001111000110312040517160120130150141819111110

Сгруппируйте единицы

Каждая группа — прямоугольник из 2ᵏ клеток; клетки на краю соседствуют с клетками на противоположном краю.

B′C′D
B′CD′
AB′
A′BC

Минимальная форма SOP

F = B′C′D + B′CD′ + AB′ + A′BC
N = 4

Ответ

N = 4

Существует другая группировка того же размера; в ней то же число членов и литералов.

28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: Q = 6

Триггеры и счётчики: триггер меняется только по активному фронту тактового сигнала. D копирует свой вход (Q⁺ = D); T переключается при T = 1; JK сохраняет состояние при 00, сбрасывает при 01, устанавливает при 10 и переключает при 11. n-разрядный двоичный счётчик имеет 2ⁿ состояний и считает по модулю 2ⁿ; счётчик по модулю N считает 0, 1, …, N − 1 и возвращается к 0, и ему нужно наименьшее число триггеров n, при котором 2ⁿ ≥ N. Каждый разряд асинхронного счётчика делит частоту пополам, поэтому последний выход счётчика по модулю N работает на частоте fclk/N. У счётчика Джонсона из n триггеров 2n состояний, у кольцевого счётчика n.

Полные циклы

Каждые 10 импульсов возвращают счётчик в то же состояние.

18 = 1·10 + 8

Значение после оставшихся импульсов

Q = (8 + 8) mod 10 = 6
Q = 0110₂

Ответ

Q = 6
29.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.5) = 1,009

Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 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), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Простые дроби

F(s) = A/s + B/(s + 1) + C/(s + 3)
A = 15/(1·3) = 5
B = 15/((−1)·2) = −7,5
C = 15/((−3)·(−2)) = 2,5

Обратное преобразование

f(t) = 5 − 7,5·e−t + 2,5·e−3t

Вычислите

f(0,5) = 5 − 7,5·e−0,5 + 2,5·e−3·0,5 = 1,009

Ответ

f(0,5) = 1,009
30.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.2) = 9,293

Преобразование Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt превращает производные в умножение на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартные пары: 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), а сдвиг s → s + σ умножает функцию времени на e−σt. Чтобы найти оригинал рациональной F(s), разложите её на простые дроби: вычет простого полюса p равен A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема о конечном значении: f(∞) = lims→0 s·F(s), верна только когда все полюсы s·F(s) лежат в левой полуплоскости. Теорема о начальном значении: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Преобразование уравнения

(s² + 9s + 18)·Y(s) = 4s + 36 + 540/s
Y(s) = (4s² + 36s + 540)/(s(s + 3)(s + 6))

Простые дроби

A = 540/(3·6) = 30
B = 468/((−3)·3) = −52
C = 468/((−6)·(−3)) = 26

Результат

y(t) = 30 − 52·e−3t + 26·e−6t
y(0,2) = 9,293

Ответ

y(0,2) = 9,293

Проверка: y(0) = A + B + C = 4.

31.Структурные схемы

Ответ: K = 0,25

Алгебра структурных схем: блоки, соединённые последовательно, перемножаются (G₁·G₂), блоки, соединённые параллельно, складываются (G₁ + G₂), а контур с прямым путём G и обратной связью H сводится к T = G/(1 + G·H) при отрицательной обратной связи и G/(1 − G·H) при положительной. Сначала упрощайте внутренние контуры, затем двигайтесь наружу. Полюсы замкнутой системы — корни характеристического уравнения 1 + G(s)H(s) = 0. Для устойчивого контура ступенчатый вход величиной A даёт установившийся выход A·T(0); при единичной обратной связи установившаяся ошибка по ступеньке равна A/(1 + Kp), где Kp = G(0).

Характеристическое уравнение

1 + K/((s + 7)(s + 8)) = 0 → s² + 15s + 56 + K = 0

Кратный корень

Квадратный трёхчлен s² + βs + γ имеет двойной корень, когда β² = 4γ.

15² = 4(56 + K) → K = 225/4 − 56 = 0,25

Ответ

K = 0,25
Тогда оба полюса замкнутой системы находятся в s = −7,5.
32.Структурные схемы

Ответ: Kmax = 320

Алгебра структурных схем: блоки, соединённые последовательно, перемножаются (G₁·G₂), блоки, соединённые параллельно, складываются (G₁ + G₂), а контур с прямым путём G и обратной связью H сводится к T = G/(1 + G·H) при отрицательной обратной связи и G/(1 − G·H) при положительной. Сначала упрощайте внутренние контуры, затем двигайтесь наружу. Полюсы замкнутой системы — корни характеристического уравнения 1 + G(s)H(s) = 0. Для устойчивого контура ступенчатый вход величиной A даёт установившийся выход A·T(0); при единичной обратной связи установившаяся ошибка по ступеньке равна A/(1 + Kp), где Kp = G(0).

Характеристическое уравнение

s³ + 11s² + 31s + 21 + K = 0

Таблица Рауса

s³ | 1 31
s² | 11 21 + K
s¹ | (11·31 − 21 − K)/11
s⁰ | 21 + K

Граница устойчивости

Все элементы первого столбца должны быть положительными.

Kmax = 11·31 − 21 = 320

Ответ

Kmax = 320
33.Переходная характеристика

Ответ: ts = 8 s

Переходная характеристика: система первого порядка G(s) = K/(τs + 1) отвечает на ступеньку величиной U сигналом y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): за одну постоянную времени τ она достигает 63,2 % конечного значения K·U, а за 4τ — 98 %. Система второго порядка G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) имеет полюсы s = −ζωₙ ± jωd, где ωd = ωₙ√(1 − ζ²). При 0 < ζ < 1 переходная характеристика перерегулируется: перерегулирование %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), время пика tp = π/ωd, а время установления по критерию 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Сравните знаменатель с s² + 2ζωₙs + ωₙ², чтобы найти ωₙ и ζ. Для системы масса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) и ζ = c/(2√(km)); для последовательной RLC-цепи ωₙ = 1/√(LC) и ζ = (R/2)·√(C/L).

Сравните со стандартной формой

Знаменатель должен совпадать с s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 5 → ωₙ = 2,236 rad/s
2ζωₙ = 1 → ζ = 1/(2·2,236) = 0,2236

Результат

ζωₙ = 0,5 → ts ≈ 4/0,5 = 8 s

Ответ

ts = 8 s
34.Переходная характеристика

Ответ: ζ = 0,3004

Переходная характеристика: система первого порядка G(s) = K/(τs + 1) отвечает на ступеньку величиной U сигналом y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): за одну постоянную времени τ она достигает 63,2 % конечного значения K·U, а за 4τ — 98 %. Система второго порядка G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) имеет полюсы s = −ζωₙ ± jωd, где ωd = ωₙ√(1 − ζ²). При 0 < ζ < 1 переходная характеристика перерегулируется: перерегулирование %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), время пика tp = π/ωd, а время установления по критерию 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). Сравните знаменатель с s² + 2ζωₙs + ωₙ², чтобы найти ωₙ и ζ. Для системы масса–пружина–демпфер ωₙ = √(k/m) и ζ = c/(2√(km)); для последовательной RLC-цепи ωₙ = 1/√(LC) и ζ = (R/2)·√(C/L).

Собственная частота и коэффициент демпфирования

ωₙ = √(k/m) = √(800/5) = 12,65 rad/s
ζ = c/(2√(km)) = 38/(2·√(800·5)) = 0,3004

Результат

ζ = 0,3004

Ответ

ζ = 0,3004
35.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: |G(jω)| = 2,367 dB

Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.

Перемножьте модули

|G(j20)| = 715/(√(20² + 11²)·√(20² + 13²)) = 715/(22,83·23,85) = 1,313

Результат

20·log₁₀(1,313) = 2,367 dB

Ответ

|G(jω)| = 2,367 dB
36.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: ω180 = 2,828 rad/s

Частотная характеристика: подставьте s = jω в передаточную функцию. Модуль в децибелах равен 20·log₁₀|H(jω)|, а фаза — сумме углов множителей числителя минус сумма углов множителей знаменателя. У фильтра первого порядка RC или RL частота среза (−3 dB) равна ωc = 1/(RC) или R/L, и fc = ωc/(2π); фильтр нижних частот даёт |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) и φ = −atan(ω/ωc). На асимптотической (кусочно-линейной) диаграмме Боде каждый полюс на своей частоте среза загибает модуль вниз на 20 dB/decade, каждый нуль загибает его вверх на 20 dB/decade, а интегратор 1/s даёт −20 dB/decade на всех частотах. Частота среза усиления ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); запас по фазе PM = 180° + ∠L(jωc). Частота перехода фазы ω180: ∠L(jω) = −180°; запас по усилению GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Замкнутая система устойчива, когда оба запаса положительны.

Частота перехода фазы

(ω/1)·(ω/8) = 1 → ω180 = √(1·8) = 2,828 rad/s

Ответ

ω180 = 2,828 rad/s
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: Kmax = 462

Критерий Рауса–Гурвица: линейная система устойчива, если все корни её характеристического полинома лежат в левой полуплоскости s-плоскости. Запишите коэффициенты поочерёдно в первые две строки таблицы Рауса. Каждый элемент новой строки вычисляется по двум строкам над ней; для кубического полинома a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ элемент строки s¹ равен b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Число смен знака в первом столбце равно числу корней в правой полуплоскости. Если в коэффициенты входит коэффициент усиления K, все элементы первого столбца должны оставаться положительными: значение усиления, при котором элемент строки s¹ обращается в нуль, — граница устойчивости, а строка s² затем даёт частоту незатухающих колебаний.

Характеристический полином

s³ + 12s² + 41s + 30 + K = 0

Таблица Рауса

s³: 1, 41
s²: 12, 30 + K
s¹: (12·41 − 30 − K)/12
s⁰: 30 + K

Условие

Элемент строки s¹ должен оставаться положительным.

K < 12·41 − 30 = 462

Ответ

Kmax = 462

На границе устойчивости контур колеблется с частотой ω = √41 = 6,403 rad/s.

38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: θd = 26,57 °

Корневой годограф: при изменении коэффициента усиления K от 0 до ∞ полюса замкнутой системы, то есть корни уравнения 1 + K·G(s) = 0, перемещаются от полюсов разомкнутой системы к её нулям или в бесконечность. Точка на вещественной оси принадлежит годографу, если число вещественных полюсов и нулей правее неё нечётно. Ветви, уходящие в бесконечность (их n − m), идут вдоль асимптот под углами (2q + 1)·180°/(n − m), выходящих из центра асимптот σₐ = (Σ полюсов − Σ нулей)/(n − m). Ветви покидают вещественную ось или возвращаются на неё там, где dK/ds = 0. Условие по углу ∠G(s) = 180° определяет форму годографа, а условие по модулю K = 1/|G(s)| даёт коэффициент усиления в любой точке годографа.

Положения полюсов

s² + 4s + 8 = 0 → s = −2 ± j2
s = −3

Углы от остальных полюсов

∠(−2 + j2 + 3) = atan2(2, 1) = 63,43°
∠(−2 + j2 − (−2 − j2)) = ∠(j4) = 90°

Угол выхода

θd = 180° − 63,43° − 90° = 26,57°

Ответ

θd = 26,57°
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: K = 200

Установившаяся ошибка: в контуре с единичной обратной связью и передаточной функцией разомкнутой системы G(s) ошибка равна E(s) = R(s)/(1 + G(s)), а по теореме о конечном значении ess = lims→0 s·E(s). Тип системы — это число полюсов G(s) в точке s = 0. Коэффициенты ошибок: Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) и Ka = lim s²·G(s), все при s → 0. Ступенчатое воздействие величиной A даёт ess = A/(1 + Kp), линейное A·t даёт A/Kv, а параболическое A·t²/2 даёт A/Ka. Контур типа 0 отслеживает ступеньку с конечной ошибкой, контур типа 1 отслеживает её точно, а линейное воздействие — с конечной ошибкой.

Требуемый коэффициент ошибки

1/(1 + Kp) = 0,2 → Kp = 4

Коэффициент усиления

K/50 = 4 → K = 200

Ответ

K = 200

Проверьте и устойчивость замкнутой системы: для этого контура второго порядка устойчив любой K > 0.

40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: %OS = 7,691 %

П-, ПИ- и ПИД-регулирование: регулятор C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s воздействует на ошибку. Пропорциональный коэффициент ускоряет контур и уменьшает ошибку объекта типа 0, но никогда не устраняет её. Интегральная составляющая добавляет полюс в точке s = 0: тип системы повышается на единицу, и ступенька отслеживается без ошибки. Дифференциальная составляющая добавляет демпфирование. Чтобы подобрать коэффициенты, запишите характеристический полином замкнутой системы и сравните его с s² + 2ζωns + ωn². Тогда %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, где ωd = ωn√(1 − ζ²), и ts ≈ 4/(ζωn).

Характеристический полином

s(s + 8) + 40·1 = s² + 8s + 40

ωₙ и ζ

ωₙ = √40 = 6,325 rad/s
ζ = 8/(2·6,325) = 0,6325

Перерегулирование

%OS = 100·e−0,6325π/√(1 − 0,6325²) = 7,691 %

Ответ

%OS = 7,691 %

Это независимый учебный материал. ExamProblems не связан с организацией, проводящей этот экзамен, и не одобрен ею; название экзамена используется только для описания содержания. Экзамен FE exam проводит NCEES; эта организация не связана с ExamProblems и не поддерживает его.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-electrical