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​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩIR2​AR4​2 ΩB

Найдите ток IR2 через R2.

V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
2.Последовательные и параллельные резисторыСложная
R1​ = 15 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAR4​5 ΩBR6​20 Ω

Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.

V1 = 5 VR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 ΩR5 = 30 ΩR6 = 20 Ω
Req = Ω
3.Метод узловых потенциаловСредняя
−+Vs​ = 10 VIs​2 AAR1​6 ΩR2​2 ΩB

Вывод + источника напряжения Vₛ между A и B находится у B, поэтому он задаёт VB − VA = Vₛ. Методом узловых потенциалов с супер-узлом найдите узловое напряжение VA (относительно земли).

Is = 2 AVs = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 2 Ω
VA = V
4.Метод узловых потенциаловСложная
R1​ = 30 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​5 VR2​15 ΩAR4​8 ΩBIs​?

Источник тока регулируют до тех пор, пока напряжение узла A не станет VA = 7 V. Методом узловых потенциалов найдите ток источника Is (направление как на схеме).

V1 = 5 VR1 = 30 ΩR2 = 15 ΩR3 = 20 ΩR4 = 8 ΩVA = 7 V
Is = A
5.Метод контурных токовСредняя
R1​ = 5 ΩR2​ = 8 Ω+−V1​30 VR3​12 ΩA+−V2​9 VI1​I2​

Используйте метод контурных токов, чтобы найти контурный ток I1 (по часовой стрелке).

V1 = 30 VV2 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 Ω
I1 = A
6.Метод контурных токовСложная
R1​ = 8 ΩIR1​R2​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR4​3 ΩAR5​3 ΩB+−V2​15 VI1​I2​I3​

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

V1 = 6 VV2 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 5 ΩR4 = 3 ΩR5 = 3 Ω
IR1 = A
7.Метод наложенияСредняя
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 ΩIR3​+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​4 ΩBIs​2,5 A

Используйте метод наложения, чтобы найти мощность PR3, потребляемую R3.

V1 = 15 VIs = 2,5 AR1 = 12 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 4 Ω
PR3 = W
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 = 4 mA. Если V1 удвоить, а два других оставить без изменений, I = 11,5 mA. Если изменить направление Is на противоположное, а два других оставить без изменений, I = 16 mA. Найдите ток нагрузки I, если V2 отключён, а V1 и Is имеют номинальные значения.

номинальные значения: I = 4 mA2·V1: I = 11,5 mA−Is: I = 16 mA
I = mA
9.Тевенин и НортонСредняя
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAab

Найдите напряжение Тевенина Vth со стороны зажимов a–b.

V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 Ω
Vth = V
10.Тевенин и НортонСложная
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAIs​3 ABRL​30 ΩIL​

К a–b подключена нагрузка RL = 30 Ω. С помощью эквивалента Тевенина найдите мощность PL, передаваемую в нагрузку.

V1 = 24 VIs = 3 AR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩRL = 30 Ω
PL = W
11.Переходные процессы RC и RLСредняя
+−Vs​10 Vt = 0R = 5 ΩL220 mHi(t)

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите энергию W(∞), запасённую в катушке после установления режима, в mJ.

Vs = 10 VR = 5 ΩL = 220 mH
W(∞) = mJ
12.Переходные процессы RC и RLСложная
+−Vs​10 VR1​ = 5 ΩR2​ = 33 Ωзамыкается при t = 0L150 mHi(t)

Ключ, шунтирующий R2, был разомкнут долгое время, поэтому ток катушки установившийся. При t = 0 ключ замыкается и закорачивает R2. Через какое время после t = 0 ток катушки достигнет 1,479 A? Найдите t.

Vs = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 33 ΩL = 150 mH
t = ms
13.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСредняя
Vf0​ = 2000 HzRL = ?C = 0,22 µF

Последовательный RLC-контур с C = 0,22 µF должен резонировать на частоте 2000 Hz. Найдите необходимую индуктивность L.

f0 = 2000 HzC = 0,22 µF
L = mH
14.Полное сопротивление и комплексные амплитудыСложная
24 Vf0​R = 10 ΩL = 5 mHC = 0,1 µF

Последовательный RLC-контур питается от источника 24 V (действующее значение), частота которого равна резонансной частоте контура. Найдите действующее напряжение VL на катушке.

V = 24 V (rms)R = 10 ΩL = 5 mHC = 0,1 µF
VL = V
15.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСредняя
120 VR + jXP = 1485 W16,5 A

Индуктивная нагрузка потребляет 16,5 A и 1485 W от однофазной сети 120 V (действующее значение). Представьте её как сопротивление R, соединённое последовательно с реактивным сопротивлением X. Найдите R.

V = 120 VI = 16,5 AP = 1485 W
R = Ω
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощностиСложная
P = 5 kWQ1​S1​φ1​QC​

Однофазная нагрузка потребляет 5 kW при коэффициенте мощности 0,75 (индуктивном) от сети 240 V, 60 Hz. Параллельно подключённый конденсатор повышает коэффициент мощности до 0,92. Найдите необходимую ёмкость C.

P = 5 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,92V = 240 Vf = 60 Hz
C = µF
17.Трёхфазная мощностьСредняя
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M18,5 kW, η = 91%cos φ = 0,9

Трёхфазный асинхронный двигатель при полной нагрузке развивает механическую мощность 18,5 kW. При этой нагрузке его КПД равен 91%, а коэффициент мощности 0,9 (отстающий). Линейное напряжение сети 480 V. Найдите линейный ток IL.

Pout = 18,5 kWη = 91%cos φ = 0,9VL = 480 V
IL = A
18.Трёхфазная мощностьСложная
P = 150 kWφ1​S1​Q2​QC​

Симметричная трёхфазная нагрузка потребляет 150 kW при коэффициенте мощности 0,75 (отстающий) от сети 480 V (линейное), 50 Hz. Трёхфазная конденсаторная батарея, включённая параллельно нагрузке, должна повысить общий коэффициент мощности до 0,95 (отстающий). Активная мощность не меняется. Конденсаторы соединены звездой. Найдите ёмкость Cph каждого конденсатора в µF.

P = 150 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.ТрансформаторыСредняя
50 Ω81

К вторичной обмотке идеального трансформатора с коэффициентом трансформации N₁:N₂ = 8:1 подключён резистор 50 Ω. Найдите сопротивление R1′ со стороны первичной обмотки.

N1:N2 = 8:1RL = 50 Ω
R1′ = Ω
20.ТрансформаторыСложная
500 kVA

Однофазный трансформатор 500 kVA имеет потери в стали 1500 W и потери в меди 3000 W при номинальной нагрузке. При какой нагрузке Sη,max, в kVA, его КПД максимален?

S = 500 kVAPcore = 1500 WPcu,fl = 3000 W
Sη,max = kVA
21.Схемы на операционных усилителяхСредняя
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 4,7 kΩVin​

Подберите резистор обратной связи Rf, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 5.

R1 = 4,7 kΩAv = 5
Rf = kΩ
22.Схемы на операционных усилителяхСложная
−+Vout​R2​ = 47 kΩV1​ = 0,6 VR1​ = 22 kΩV2​ = −1,9 VR3​ = 2 kΩR4​ = 10 kΩ

ОУ идеальный и питается от ±15 V. Отношения резисторов не согласованы. Найдите выходное напряжение Vout.

V1 = 0,6 VV2 = −1,9 VR1 = 22 kΩR2 = 47 kΩR3 = 2 kΩR4 = 10 kΩ
Vout = V
23.Диоды и транзисторыСредняя
RC​ = 2,7 kΩβ = 100RE​ = 2,2 kΩVCC​ = 15 VR1​ = 56 kΩR2​ = 15 kΩ

NPN-транзистор с β = 100 смещён делителем напряжения от VCC = 15 V: R₁ = 56 kΩ от VCC к базе и R₂ = 15 kΩ от базы к земле. Резистор коллектора RC = 2,7 kΩ, резистор эмиттера RE = 2,2 kΩ. Примите VBE = 0,7 V и используйте эквивалент Тевенена для делителя (ток базы не пренебрегайте). Найдите напряжение коллектор–эмиттер VCE.

VCC = 15 VR1 = 56 kΩR2 = 15 kΩRC = 2,7 kΩRE = 2,2 kΩβ = 100
VCE = V
24.Диоды и транзисторыСложная
RC​ = 220 Ωβ = 100VCC​ = 24 V5 VRB​ = ?

NPN-транзистор с β = 100 коммутирует нагрузочный резистор 220 Ω, включённый между VCC = 24 V и его коллектором. Эмиттер заземлён. База управляется от логического выхода 5 V через резистор базы RB. Примите VBE = 0,7 V и VCE(sat) = 0,2 V. Для надёжного переключения рассчитайте ток базы в 2 раз больше минимального, нужного для насыщения. Найдите RB в kΩ.

VCC = 24 VRC = 220 Ωβ = 100Vin = 5 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 Vкоэффициент запаса = 2
RB = kΩ
25.Системы счисленияСредняя
веса разрядов в дополнительном коде1−12816413211618140211

8-битная комбинация 1111 1101 хранит целое число со знаком в дополнительном коде. Каково его значение N в десятичной системе?

1111 11018 bit
N =
26.Системы счисленияСложная
нажимайте на биты, чтобы установить их012806403201608040201

Установите биты в 8-битный результат операции 1110 0100 >> 1. Чему равно значение результата R в десятичной системе?

1110 0100>> 1
R =
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
MUX0I0​C′I1​1I2​C′I3​ABS1​S0​F

У мультиплексора 4 в 1 адресные входы S₁ = A и S₀ = B, а информационные входы подключены так: I₀ = 0, I₁ = C′, I₂ = 1, I₃ = C′. Для скольких из 8 комбинаций A, B и C выход F = 1? Найдите N.

I₀ = 0I₁ = C′I₂ = 1I₃ = C′
N =
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
DQ0​Q0​DQ1​Q1​DQ2​Q2​DQ3​Q3​DQ4​Q4​DQ5​Q5​DQ6​Q6​DQ7​Q7​CLKRING

Кольцевой счётчик построен из 8 D-триггеров, последний выход подан обратно на первый вход, и он начинает с единственной 1. Через сколько различных состояний, N, он проходит?

n = 8
N =
29.Преобразования ЛапласаСредняя
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Найдите f(t) для F(s) = (4s + 17)/(s² + 8s + 16) и вычислите f(0,4).

F(s) = (4s + 17)/(s² + 8s + 16)t = 0,4 s
f(0.4) =
30.Преобразования ЛапласаСложная
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Система подчиняется уравнению y″ + 9y′ + 18y = 36·u(t), где y(0) = 1 и y′(0) = 0. В момент t = 0 подаётся ступенчатый вход u(t) = 4. С помощью преобразования Лапласа найдите y(0,2).

y″ + 9y′ + 18y = 36·u(t)y(0) = 1y′(0) = 0u(t) = 4t = 0,2 s
y(0.2) =
31.Структурные схемыСредняя
R(s)+21s + 1G(s)C(s)0,25H−

Объект G(s) = 21/(s + 1) управляется в контуре отрицательной обратной связи, у датчика которой коэффициент H = 0,25. Найдите постоянную времени τ замкнутой системы.

G(s) = 21/(s + 1)H = 0,25
τ = s
32.Структурные схемыСложная
R(s)+28s(s + 7)G(s)C(s)2H−

Объект G(s) = 28/(s(s + 7)) охвачен отрицательной обратной связью с коэффициентом датчика H = 2. Полюсы замкнутой системы комплексные. Найдите их вещественную часть σ.

G(s) = 28/(s(s + 7))H = 2
σ =
33.Переходная характеристикаСредняя
t (s)y(t)3

Система имеет передаточную функцию G(s) = 198/(s² + 6s + 66) и получает на вход единичную ступеньку. Полюсы равны s = σ ± jωd. Найдите вещественную часть σ.

G(s) = 198/(s² + 6s + 66)
σ =
34.Переходная характеристикаСложная
R(s)+Ks(s + 10)G(s)C(s)−

У контура с единичной отрицательной обратной связью G(s) = K/(s(s + 10)). Найдите коэффициент K, при котором переходная характеристика имеет перерегулирование 2 %.

G(s) = K/(s(s + 10))%OS = 2 %
K =
35.Диаграммы Боде и запасыСредняя
|H| (dB)0,11101001000−60−40−20020ω (rad/s)ω = 1

Найдите точный модуль |G(jω)| функции G(s) = 1824/((s + 12)(s + 19)) при ω = 1 rad/s в dB.

G(s) = 1824/((s + 12)(s + 19))ω = 1 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) = 316/(s(s + 5)(s + 9)). Найдите частоту перехода фазы ω180, где ∠L(jω) = −180°.

L(s) = 316/(s(s + 5)(s + 9))
ω180 = rad/s
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСредняя
R(s)+K1(s + 1)(s + 2)(s + 4)C(s)−

Контур с единичной обратной связью имеет L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 4)), K > 0. Найдите наибольший коэффициент усиления Kmax, при котором замкнутая система устойчива.

L(s) = K/((s + 1)(s + 2)(s + 4))
Kmax =
38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годографСложная
ReIm−2−4−6−8−10−12j2

Контур с единичной обратной связью имеет L(s) = K/((s + 10)(s + 8)(s + 5)). Найдите точку σa, в которой асимптоты корневого годографа пересекают вещественную ось.

L(s) = K/((s + 10)(s + 8)(s + 5))
σa =
39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСредняя
r(t) = 2 + 0,5t+10s(s + 2)(s + 4)C(s)−

На контур с единичной обратной связью и G(s) = 10/(s(s + 2)(s + 4)) подан вход r(t) = 2 + 0,5t (ступенька плюс линейное воздействие). Найдите установившуюся ошибку ess.

G(s) = 10/(s(s + 2)(s + 4))r(t) = 2 + 0,5t
ess =
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулированиеСложная
r(t) = 1t+5 + 2/s20(s + 2)(s + 5)C(s)−

ПИ-регулятор C(s) = 5 + 2/s управляет объектом G(s) = 20/((s + 2)(s + 5)) в контуре с единичной обратной связью. Найдите установившуюся ошибку ess для линейного входа r(t) = 1t.

C(s) = 5 + 2/sG(s) = 20/((s + 2)(s + 5))r(t) = 1t
ess =

3Растворы

1.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: IR2 = 0,1154 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​ = 12 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​2 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 = 2 + 2 = 4 Ω
R2 ∥ 4 = 10·4/(10+4) = 2,857 Ω
Req = R1 + 2,857 = 12 + 2,857 = 14,86 Ω

Ток источника

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

IR1 = V1/Req = 6/14,86 = 0,4038 A

Ток через R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 6 − 0,4038·12 = 1,154 V
IR2 = VA/R2 = 1,154/10 = 0,1154 A

Ответ

IR2 = 0,1154 A
2.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: Req = 16,73 Ω

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​ = 15 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​5 VR2​2 ΩAR4​5 ΩBR6​20 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 = 30 + 20 = 50 Ω
R4 ∥ 50 = 4,545 Ω
R3 + 4,545 = 12,55 Ω
R2 ∥ 12,55 = 1,725 Ω
Req = R1 + 1,725 = 15 + 1,725 = 16,73 Ω

Ответ

Req = 16,73 Ω
3.Метод узловых потенциалов

Ответ: VA = −4,5 V

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.

Образуем супер-узел

Через источник напряжения между A и B течёт неизвестный ток, поэтому ЗТК нельзя записать отдельно для A или B. Объедините A, B и источник в один супер-узел: втекающий в него ток равен вытекающему.

VB = VA + Vs = VA + 10
VA/R1 + VB/R2 = Is

Решите

VA/6 + (VA + 10)/2 = 2
VA = (2 − 10/2)/(1/6 + 1/2) = −4,5 V
VB = −4,5 + 10 = 5,5 V

Ответ

VA = −4,5 V
4.Метод узловых потенциалов

Ответ: Is = 2,742 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
(7 − 5)/30 + 7/15 = (VB − 7)/20
0,5333 = (VB − 7)/20 → VB = 17,67 V

ЗТК в узле B

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

Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (17,67 − 7)/20 + 17,67/8 = 2,742 A

Ответ

Is = 2,742 A
5.Метод контурных токов

Ответ: I1 = 2,51 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​ = 8 Ω+−V1​30 VR3​12 ΩA+−V2​9 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
5·I1 + 12(I1 − I2) = 30
17·I1 − 12·I2 = 30

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
8·I2 + 12(I2 − I1) = (−9)
−12·I1 + 20·I2 = −9

Решите

Δ = (17)(20) − (−12)(−12) = 196
I1 = Δ1/Δ = 492/196 = 2,51 A
I2 = Δ2/Δ = 207/196 = 1,056 A

Ответ

I1 = 2,51 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

6.Метод контурных токов

Ответ: IR1 = 0,4104 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​ = 8 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​6 VR4​3 ΩAR5​3 ΩB+−V2​15 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
8·I1 + 3(I1 − I2) = 6
11·I1 − 3·I2 = 6

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
4·I2 + 3(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 10·I2 − 3·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
5·I3 + 3(I3 − I2) = (−15)
−3·I2 + 8·I3 = −15

Решите

Δ = определитель матрицы коэффициентов = 709
I1 = Δ1/Δ = 291/709 = 0,4104 A
I2 = Δ2/Δ = −351/709 = −0,4951 A
I3 = Δ3/Δ = −1461/709 = −2,061 A

Ответ

IR1 = I1 = 0,4104 A

Отрицательный контурный ток течёт против часовой стрелки.

7.Метод наложения

Ответ: PR3 = 6,25 W

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​ = 12 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​5 ΩAR4​4 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 = 4+4 = 8 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
VA = 15·3,077/(12+3,077) = 3,061 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 3,061·4/8 = 1,531 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (3,061 − 1,531)/4 = 0,3827 A
R1​ = 12 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​5 ΩAR4​4 ΩBIs​2,5 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. Стрелка Iₛ направлена вниз, от своего узла, поэтому Iₛ отводит ток из этого узла: его член входит со знаком минус.

R1 ∥ R2 = 12·5/(12+5) = 3,529 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 7,529 = 2,612 Ω
VB = −Is·Req = −2,5·2,612 = −6,531 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = −6,531·3,529/7,529 = −3,061 V
IR3″ = (VA − VB)/R3 = (−3,061 − −6,531)/4 = 0,8673 A

Складываем вклады токов

IR3 = IR3′ + IR3″ = 0,3827 + 0,8673 = 1,25 A

Мощность в резисторе

Мощность зависит от квадрата тока, поэтому принцип наложения к ней неприменим: сначала сложите токи, затем возведите в квадрат.

PR3 = IR3²·R3 = 1,25²·4 = 6,25 W

Ответ

PR3 = 6,25 W

Сложение мощностей отдельных случаев дало бы 3,595 W, что неверно.

8.Метод наложения

Ответ: I = 1,5 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 = 4
2·I₁ + I₂ + I₃ = 11,5
I₁ + I₂ − I₃ = 16

Находим вклады

I₁ = 11,5 − 4 = 7,5 mA
I₃ = (4 − 16)/2 = −6 mA
I₂ = 4 − 7,5 − (−6) = 2,5 mA

Отключаем V₂

I = I₁ + I₃ = 7,5 + (−6) = 1,5 mA

Ответ

I = 1,5 mA
9.Тевенин и Нортон

Ответ: Vth = 2 V

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​ = 20 ΩR3​ = 4 ΩКЗR2​5 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 = 20·5/(20+5) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 4 = 8 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​10 VR2​5 ΩAab+−Vth​

Найдите Vth — напряжение холостого хода

Когда a–b разомкнуты, через R₃ ток не течёт, поэтому падения на нём нет и V_b = V_A. R₁ и R₂ образуют делитель напряжения.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 10·5/(20+5) = 2 V
10.Тевенин и Нортон

Ответ: PL = 14,47 W

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​ = 3 ΩR3​ = 12 ΩКЗR2​2 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 = 3·2/(3+2) = 1,2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,2 + 12 = 13,2 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAIs​3 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) = 9,6 + (−3)·1,2 = 6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 6 + (−3)·12 = −30 V
Rth​ = 13,2 Ω−+Vth​30 VRL​30 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) = −30/(13,2 + 30) = −0,6944 A
PL = IL²·RL = −0,6944²·30 = 14,47 W
11.Переходные процессы RC и RL

Ответ: W(∞) = 440 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 = 220 mH / 5 Ω = 44 ms
i(∞) = Vs/R = 10/5 = 2 A

Запасённая энергия

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·220·2² = 440 mJ

Ответ

W(∞) = 440 mJ
12.Переходные процессы RC и RL

Ответ: t = 36,12 ms

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.

Начальное значение, конечное значение, постоянная времени

До t = 0 в контур входят оба резистора; после этого замкнутый ключ шунтирует R₂.

i(0) = 10/(5 + 33) = 0,2632 A
i(∞) = 10/5 = 2 A
τ = L/R = 150/5 = 30 ms
i(t) = 2 + (0,2632 − 2)·e−t/τ

Выразите время

e−t/τ = (1,479 − 2)/(0,2632 − 2) = 0,3
t = 30·ln(3,334) = 36,12 ms

Ответ

t = 36,12 ms
13.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: L = 28,78 mH

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|.

Условие резонанса

При резонансе индуктивное и ёмкостное сопротивления компенсируют друг друга: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·2000 = 12566 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(12566²·0,22·10⁻⁶) = 28,78 mH

Ответ

L = 28,78 mH
14.Полное сопротивление и комплексные амплитуды

Ответ: VL = 536,7 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/√(0,005·0,1·10⁻⁶) = 44721 rad/s
I = V/R = 24/10 = 2,4 A

Напряжение на катушке

XL = ω₀L = 44721·0,005 = 223,6 Ω
VL = I·XL = 2,4·223,6 = 536,7 V

Ответ

VL = 536,7 V

Это в Q = 22,36 раз больше напряжения источника.

15.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: R = 5,455 Ω

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.

Сопротивление по активной мощности

R = P/I² = 1485/16,5² = 5,455 Ω

Ответ

R = 5,455 Ω
16.Мощность переменного тока и коэффициент мощности

Ответ: C = 105 µF

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 до и после

Активная мощность P не меняется; меняется только реактивная мощность из сети.

Q1 = P·tan φ1 = 5·tan(41,41°) = 4,41 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(23,07°) = 2,13 kvar
QC = Q1 − Q2 = 2,28 kvar

Ёмкость

Конденсатор, подключённый к сети, поставляет Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 2280/(2π·60·240²) = 105 µF

Ответ

C = 105 µF
17.Трёхфазная мощность

Ответ: IL = 27,17 A

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.

Потребляемая электрическая мощность

Pin = Pout/η = 18,5/0,91 = 20,33 kW

Ток линии

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 20330/(√3·480·0,9) = 27,17 A

Ответ

IL = 27,17 A
18.Трёхфазная мощность

Ответ: Cph = 1146 µF

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 = 150·tan(acos 0,75) = 150·0,8819 = 132,3 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar

Реактивная мощность конденсаторов

QC = Q1 − Q2 = 82,98 kvar

Ёмкость на фазу

В батарее, соединённой звездой, каждый конденсатор включён между линейным проводом и нейтральной точкой.

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 27662/(314,2·277,1²) = 1146 µF

Ответ

Cph = 1146 µF
19.Трансформаторы

Ответ: R1′ = 3200 Ω

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.

Приведённое сопротивление

Напряжение растёт в a раз, а ток уменьшается в a раз, поэтому отношение V/I растёт в a² раз.

R1′ = a²·RL = 8²·50 = 3200 Ω

Ответ

R1′ = 3200 Ω
20.Трансформаторы

Ответ: Sη,max = 353,6 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

x²·3000 = 1500 → x = √(1500/3000) = 0,7071

Нагрузка при максимальном КПД

Sη,max = x·S = 0,7071·500 = 353,6 kVA

Ответ

Sη,max = 353,6 kVA
21.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Rf = 18,8 kΩ

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.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊ = Vin, а ток через R₁ течёт и через Rf, поэтому Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (5 − 1)·4,7 = 18,8 kΩ

Ответ

Rf = 18,8 kΩ
22.Схемы на операционных усилителях

Ответ: Vout = −6,248 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.

Напряжение на входе +

V₊ = V2·R4/(R3 + R4) = −1,9·10/(2 + 10) = −1,583 V

Наложение двух входов

При V₂ = 0 для V₁ схема — инвертирующий усилитель. При V₁ = 0 V₊ усиливается с коэффициентом неинвертирующего усилителя 1 + R₂/R₁.

Vout = −(47/22)·0,6 + (1 + 47/22)·(−1,583) = −1,282 + (−4,966) = −6,248 V

Ответ

Vout = −6,248 V
23.Диоды и транзисторы

Ответ: VCE = 9,807 V

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.

Эквивалент Тевенена для делителя

VTH = 15·15/(56 + 15) = 3,169 V
RTH = 56·15/(56 + 15) = 11,83 kΩ

Ток базы

Второй закон Кирхгофа для базового контура; ток эмиттера равен (β + 1)·IB.

IB = (3,169 − 0,7)/(11,83 + 101·2,2) = 10,55 µA

Ток коллектора

IC = 100·10,55 µA = 1,055 mA
IE = 101·10,55 µA = 1,066 mA

Напряжение коллектор–эмиттер

VCE = 15 − 1,055·2,7 − 1,066·2,2 = 9,807 V

Ответ

VCE = 9,807 V
24.Диоды и транзисторы

Ответ: RB = 1,987 kΩ

Биполярный транзистор как ключ: чтобы полностью включить нагрузку, транзистор вводят в насыщение, где VCE = VCE(sat), а ток коллектора определяется нагрузкой: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. Для насыщения нужен ток базы не менее IB = IC(sat)/β. Если ток базы меньше, транзистор остаётся в активном режиме, и IC = β·IB.

Ток коллектора в насыщении

IC(sat) = (24 − 0,2)/220 = 108,2 mA

Минимальный ток базы

IB(min) = IC(sat)/β = 108,2/100 = 1082 µA

Расчётный ток базы

IB = 2·1082 µA = 2164 µA

Резистор базы

RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/2,164 mA = 1,987 kΩ

Ответ

RB = 1,987 kΩ
25.Системы счисления

Ответ: N = −3

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.

Сложите веса

Остальные биты сохраняют свои обычные положительные веса.

−128 + 64 + 32 + 16 + 8 + 4 + 1 = −3

Ответ

N = −3
26.Системы счисления

Ответ: R = 114

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.

Бит за битом

Сдвиг вправо на 1 перемещает каждый бит на 1 позиций вправо; биты, выходящие за правый край, теряются, а слева входят нули.

1110 0100 >> 1
= 0111 0010

Значение результата

0111 0010₂ = 114

Ответ

R = 114
27.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: N = 4

Мультиплексор: мультиплексор 2ⁿ в 1 передаёт на выход один из своих информационных входов; адресные входы, читаемые как двоичное число, выбирают, какой именно. Для мультиплексора 4 в 1 с адресами S₁S₀ = AB: F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃. Если подключить информационные входы к 0, 1, C или C′, мультиплексор реализует любую функцию от A, B и C, что — распространённый способ построить логику на одной микросхеме.

Выражение выхода

F = A′BC′ + AB′ + ABC′

Строки с F = 1

ABC = 010, 100, 101, 110
N = 4

Ответ

N = 4
28.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: N = 8

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.

Последовательность для 8 триггеров

10000000 → 01000000 → 00100000 → 00010000 → 00001000 → 00000100 → 00000010 → 00000001

Число состояний

N = 8

Ответ

N = 8
29.Преобразования Лапласа

Ответ: f(0.4) = 0,8883

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).

Разложение знаменателя на множители

s² + 8s + 16 = (s + 4)²

Простые дроби

4s + 17 = 4(s + 4) + 1
F(s) = 4/(s + 4) + 1/(s + 4)²

Обратное преобразование

f(t) = 4·e−4t + t·e−4t
f(0,4) = (4 + 1·0,4)·e−4·0,4 = 0,8883

Ответ

f(0,4) = 0,8883
30.Преобразования Лапласа

Ответ: y(0.2) = 2,425

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) = 1s + 9 + 144/s
Y(s) = (s² + 9s + 144)/(s(s + 3)(s + 6))

Простые дроби

A = 144/(3·6) = 8
B = 126/((−3)·3) = −14
C = 126/((−6)·(−3)) = 7

Результат

y(t) = 8 − 14·e−3t + 7·e−6t
y(0,2) = 2,425

Ответ

y(0,2) = 2,425

Проверка: y(0) = A + B + C = 1.

31.Структурные схемы

Ответ: τ = 0,16 s

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).

Передаточная функция замкнутой системы

T(s) = G/(1 + G·H) = 21/(s + 1 + 5,25) = 21/(s + 6,25)

Результат

τ = 1/6,25 = 0,16 s

Ответ

τ = 0,16 s
32.Структурные схемы

Ответ: σ = −3,5

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

s(s + 7) + 28·2 = 0 → s² + 7s + 56 = 0

Корни

s = −3,5 ± j·√(56 − 12,25) = −3,5 ± j6,614
σ = −3,5

Ответ

σ = −3,5
33.Переходная характеристика

Ответ: σ = −3

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 = 66 → ωₙ = 8,124 rad/s
2ζωₙ = 6 → ζ = 6/(2·8,124) = 0,3693

Результат

σ = −ζωₙ = −6/2 = −3

Ответ

σ = −3
34.Переходная характеристика

Ответ: K = 41,12

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).

Передаточная функция замкнутой системы

T(s) = K/(s² + 10s + K)

Коэффициент демпфирования по перерегулированию

ζ = −ln(0,02)/√(π² + ln²(0,02)) = 0,7797

Коэффициент усиления

ωₙ = 10/(2ζ) = 6,413 rad/s
K = ωₙ² = 41,12

Ответ

K = 41,12
35.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: |G(jω)| = 18,02 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(j1)| = 1824/(√(1² + 12²)·√(1² + 19²)) = 1824/(12,04·19,03) = 7,961

Результат

20·log₁₀(7,961) = 18,02 dB

Ответ

|G(jω)| = 18,02 dB
36.Диаграммы Боде и запасы

Ответ: ω180 = 6,708 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/5)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(5·9) = 6,708 rad/s

Ответ

ω180 = 6,708 rad/s
37.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: Kmax = 90

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 + 7s² + 14s + 8 + K = 0

Таблица Рауса

s³: 1, 14
s²: 7, 8 + K
s¹: (7·14 − 8 − K)/7
s⁰: 8 + K

Условие

Элемент строки s¹ должен оставаться положительным.

K < 7·14 − 8 = 90

Ответ

Kmax = 90

На границе устойчивости контур колеблется с частотой ω = √14 = 3,742 rad/s.

38.Устойчивость: Раус–Гурвиц и корневой годограф

Ответ: σa = −7,667

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.

Полюса и нули

полюса: −10, −8, −5
n − m = 3 − 0 = 3

Центр тяжести

σa = (−23)/3 = −7,667

Ответ

σa = −7,667

3 асимптоты выходят из центра под углами 60°, 180°, 300°.

39.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 0,4

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.

Коэффициент скоростной ошибки

Kv = lim s·G(s) = 1,25

Ступенчатая часть

Kp = ∞ → estep = 0

Ошибка по линейному воздействию

ess = 0,5/1,25 = 0,4

Ответ

ess = 0,4
40.Установившаяся ошибка и ПИД-регулирование

Ответ: ess = 0,25

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).

Коэффициент скоростной ошибки

s·C(s) = 5s + 2 → 2 при s → 0.

Kv = 2·20/10 = 4

Ошибка по линейному воздействию

ess = 1/4 = 0,25

Ответ

ess = 0,25

ПИ-регулятор полностью устраняет ошибку по ступеньке; линейное воздействие отслеживается с постоянным отставанием.

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