Luyện thi FE Điện và Máy tính: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 40 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mớiQuay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Điện trở nối tiếp và song song

Điện trở nối tiếp
Req = R1 + R2 + …
Điện trở song song
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Hai điện trở song song
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Định luật Ohm
V = I·R
Công suất
P = V·I = I²R = V²/R

Phương pháp

  1. Bắt đầu từ đầu của mạng xa các cực nhất.
  2. Gộp các điện trở nối tiếp bằng cách cộng chúng, và các điện trở song song bằng 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Vẽ lại mạch sau mỗi bước.
  4. Lặp lại cho đến khi chỉ còn một điện trở giữa hai cực.

Phương pháp điện thế nút

Định luật Kirchhoff về dòng điện
ΣIin = ΣIout
Dòng điện nhánh
I = (Va − Vb)/R
Nút tham chiếu
Vground = 0

Phương pháp

  1. Chọn một nút tham chiếu (đất) và đặt tên cho các điện thế nút còn lại.
  2. Viết định luật Kirchhoff về dòng tại mỗi nút chưa biết: dòng đi ra qua mỗi nhánh bằng dòng đi vào.
  3. Biểu diễn mọi dòng nhánh dưới dạng (Va − Vb)/R.
  4. Giải hệ phương trình, rồi tìm bất kỳ dòng điện nào bạn cần.

Phương pháp dòng điện mạch vòng

Định luật Kirchhoff về điện áp
ΣV = 0 quanh mỗi vòng
Điện trở chung
dòng điện = I1 − I2
Nguồn dòng trong mạch vòng
xác định dòng điện của mạch vòng đó

Phương pháp

  1. Vẽ một dòng điện theo chiều kim đồng hồ trong mỗi mạch vòng (ô) của mạch.
  2. Áp dụng định luật Kirchhoff về điện áp quanh mỗi mạch vòng: tổng các sụt áp bằng không.
  3. Trong điện trở chung của hai mạch vòng, dòng điện là hiệu của hai dòng mạch vòng.
  4. Giải các phương trình; kết quả âm nghĩa là dòng điện chạy ngược lại.

Nguyên lý xếp chồng

Nguyên lý xếp chồng
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Nguồn điện áp đã tắt
ngắn mạch (0 V)
Nguồn dòng đã tắt
hở mạch (0 A)
Cầu chia áp
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Cầu chia dòng
I1 = I·R2/(R1 + R2)

Phương pháp

  1. Đếm các nguồn độc lập. Bạn sẽ giải một mạch đơn giản hơn cho mỗi nguồn.
  2. Giữ một nguồn và tắt các nguồn còn lại: nguồn điện áp trở thành ngắn mạch (một sợi dây), nguồn dòng trở thành hở mạch (một khoảng hở).
  3. Giải mạch đơn giản hơn để tìm điện áp hoặc dòng điện bạn cần, theo dõi chiều của nó.
  4. Lặp lại cho mọi nguồn, rồi cộng các thành phần với dấu của chúng.

Thévenin và Norton

Điện áp Thévenin
Vth = Vopen circuit
Điện trở Thévenin
Rth: tắt mọi nguồn, nhìn từ a–b
Dòng Norton
IN = Vth/Rth
Dòng điện qua tải
IL = Vth/(Rth + RL)
Truyền công suất cực đại
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

Phương pháp

  1. Bỏ tải ra và đánh dấu hai cực a và b.
  2. Tìm điện áp hở mạch giữa a và b: đây là Vth.
  3. Tắt mọi nguồn độc lập và tìm điện trở nhìn từ a–b: đây là Rth.
  4. Đặt lại tải vào mạch tương đương: Vth nối tiếp với Rth.
  5. Với mạch tương đương Norton, hãy chuyển đổi: IN = Vth/Rth, với RN = Rth mắc song song.

Quá độ RC và RL

Hằng số thời gian
τ = RC | τ = L/R
Đáp ứng
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Tụ điện ở chế độ một chiều
hở mạch; vC không thể nhảy vọt
Cuộn cảm ở chế độ một chiều
ngắn mạch; iL không thể nhảy vọt
Đã ổn định
t ≈ 5τ

Phương pháp

  1. Tìm giá trị ban đầu ngay sau khi đóng cắt: điện áp tụ điện và dòng điện cuộn cảm không thể nhảy vọt.
  2. Tìm giá trị cuối rất lâu sau khi đóng cắt: tụ điện hoạt động như hở mạch, cuộn cảm như ngắn mạch.
  3. Tìm hằng số thời gian: τ = RC hoặc τ = L/R, dùng điện trở mà tụ điện hoặc cuộn cảm nhìn thấy.
  4. Dùng x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Tổng trở xoay chiều và phasor

Tổng trở
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Tần số góc
ω = 2πf
Độ lớn và góc
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Định luật Ohm dạng phasor
V = I·Z

Phương pháp

  1. Đổi tần số: ω = 2πf.
  2. Tìm từng điện kháng: XL = ωL và XC = 1/(ωC).
  3. Cộng các tổng trở như điện trở, với Z = R + jX.
  4. Tìm độ lớn |Z| = √(R² + X²) và góc φ = atan(X/R), rồi dùng định luật Ohm với phasor.

Công suất xoay chiều và hệ số công suất

Công suất tác dụng
P = V·I·cos φ
Công suất phản kháng
Q = V·I·sin φ
Công suất biểu kiến
S = V·I = √(P² + Q²)
Hệ số công suất
pf = cos φ = P/S
Tụ điện bù
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Công suất ba pha

Nối sao (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Nối tam giác (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Tổng công suất tác dụng
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Công suất biểu kiến và phản kháng
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Tụ điện bù
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Điện áp trên mỗi tụ điện
Δ: VL Y: VL/√3
Công suất vào của động cơ
Pin = Pout/η

Máy biến áp

Tỉ số vòng dây
a = N1/N2 = V1/V2
Tỉ số dòng điện
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Dòng điện định mức
I = S/V
Tổng trở quy đổi
Z1′ = a²·ZL
Tổn hao đồng khi non tải
Pcu = x²·Pcu,fl
Hiệu suất
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Hiệu suất cực đại
x = √(Pcore/Pcu,fl)

Mạch khuếch đại thuật toán

Bộ khuếch đại đảo
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Bộ khuếch đại không đảo
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Bộ khuếch đại cộng
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Op-amp lý tưởng
V+ = V−, Iin = 0

Diode và transistor

Diode (sụt áp không đổi)
VD = 0,7 V when conducting
Vùng tích cực
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
Phân cực cố định
IB = (VCC − 0,7)/RB
Phân cực bằng cầu chia áp
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
Thévenin của cầu chia áp
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
Vòng cực thu
VCE = VCC − ICRC − IERE
Bão hòa
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β

Hệ đếm

Giá trị vị trí
nhị phân 2k, bát phân 8k, thập lục phân 16k
Sang thập phân
Σ dk·bk
Từ thập phân
chia cho cơ số, đọc các số dư từ dưới lên
Thập lục phân ↔ nhị phân
một chữ số thập lục phân = 4 bit
Số bù hai
đảo các bit và cộng 1

Logic số: cổng, bìa K và flip-flop

Các cổng cơ bản
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Các quy tắc Boole
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgan
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Thứ tự của bìa Karnaugh
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Nhóm 2ᵏ ô
mất k biến
Bộ ghép kênh 4-sang-1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Flip-flop
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Bộ đếm
n bit: 2ⁿ trạng thái; mod-N: n nhỏ nhất thỏa 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Bộ đếm gợn sóng
fmax = 1/(n·tpd)
Bộ đếm vòng và Johnson
n và 2n trạng thái

Phương pháp

  1. Với một mạch, hãy làm từ các đầu vào đến đầu ra từng cổng một và ghi giá trị trên mọi dây, hoặc viết biểu thức của nó rồi điền bảng chân trị.
  2. Để rút gọn, hãy đặt các số 1 (và các điều kiện tùy định là X) vào một bìa Karnaugh với hàng và cột theo mã Gray: 00, 01, 11, 10.
  3. Hãy phủ các số 1 bằng càng ít nhóm và càng lớn càng tốt gồm 1, 2, 4, 8 hoặc 16 ô, cuộn qua mép; mỗi nhóm là một số hạng tích gồm các biến không đổi. Hãy nhóm các số 0 cho dạng POS.
  4. Với flip-flop và bộ đếm, hãy đọc các đầu vào tại mỗi sườn xung nhịp tích cực, ghi trạng thái sau mỗi sườn, và nhớ rằng bộ đếm n bit quay vòng sau 2ⁿ trạng thái.

Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm

Ổn định
mọi nghiệm của đa thức đặc trưng ở nửa mặt phẳng trái
bảng Routh, phần tử s¹ của đa thức bậc ba
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Nghiệm ở nửa mặt phẳng phải
số lần đổi dấu trong cột đầu tiên
Đa thức bậc ba s³ + a₂s² + a₁s + a₀
ổn định khi mọi a > 0 và a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Phương trình đặc trưng
1 + K·G(s) = 0
Đường tiệm cận
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Điểm tách và điểm nhập
dK/ds = 0
Điều kiện biên độ
K = 1/|G(s)|
Góc xuất phát
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)

Phương pháp

  1. Viết đa thức đặc trưng vòng kín: mẫu số của 1 + K·G(s) = 0, sau khi nhân ra.
  2. Đặt các hệ số xen kẽ vào hai hàng đầu tiên của bảng Routh và lập các hàng còn lại.
  3. Đếm số lần đổi dấu trong cột đầu tiên: mỗi lần là một cực ở nửa mặt phẳng phải. Khi K có trong bảng, hãy yêu cầu mọi phần tử của cột đầu tiên giữ dương.
  4. Với quỹ đạo nghiệm, đánh dấu các cực và điểm không, các đoạn trên trục thực, các đường tiệm cận từ trọng tâm và các điểm tách/nhập nơi dK/ds = 0. Dùng K = 1/|G(s)| cho độ lợi tại một điểm.

Sai số xác lập và điều khiển PID

Loại của hệ
số cực của G(s) tại s = 0
Hằng số sai số
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Bước nhảy A
ess = A/(1 + Kp)
Tín hiệu dốc A·t
ess = A/Kv
Parabol A·t²/2
ess = A/Ka
Bộ điều khiển PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Mục tiêu bậc hai
s² + 2ζωns + ωn²
Độ vượt quá và thời gian
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)

Phương pháp

  1. Đếm các cực của vòng hở C(s)·G(s) tại s = 0: đó là loại của hệ.
  2. Tính hằng số sai số khớp với đầu vào: Kp cho bước nhảy, Kv cho tín hiệu dốc, Ka cho parabol.
  3. Áp dụng ess = A/(1 + Kp), A/Kv hay A/Ka, hoặc giải nó theo độ lợi bạn cần.
  4. Với yêu cầu về độ cản hoặc tốc độ, viết đa thức đặc trưng vòng kín và so sánh nó với s² + 2ζω_n·s + ω_n².

2Bài tập

1.Điện trở nối tiếp và song songTrung bình
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAR4​15 ΩB

Tìm dòng điện IR1 do nguồn cung cấp, chạy qua R1.

V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
2.Điện trở nối tiếp và song songKhó
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩIR2​AR4​12 ΩBR6​5 Ω

Tìm dòng điện IR2 qua R2.

V1 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 ΩR5 = 5 ΩR6 = 5 Ω
IR2 = A
3.Phương pháp điện thế nútTrung bình
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​8 ΩBIs​2,5 A

Dùng phương pháp điện thế nút để tìm công suất PIs do nguồn dòng Is cung cấp.

V1 = 30 VIs = 2,5 AR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 Ω
PIs = W
4.Phương pháp điện thế nútKhó
R1​ = 6 ΩIR1​R2​ = 5 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​12 VR3​3 ΩAR5​8 ΩBIs​1 A+−V2​15 V

Dùng phương pháp điện thế nút để tìm dòng điện IR1 chạy qua R1 theo chiều mũi tên.

V1 = 12 VIs = 1 AV2 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 12 ΩR5 = 8 Ω
IR1 = A
5.Phương pháp dòng điện mạch vòngTrung bình
R1​ = 5 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​30 VR3​4 ΩIR3​A+−V2​30 VI1​I2​

Dùng phương pháp dòng điện mạch vòng để tìm dòng điện IR3 chạy qua R3 theo chiều mũi tên.

V1 = 30 VV2 = 30 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
IR3 = A
6.Phương pháp dòng điện mạch vòngKhó
R1​ = 15 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR4​3 ΩAR5​4 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

Dùng phương pháp dòng điện mạch vòng để tìm dòng điện mạch vòng I1 (theo chiều kim đồng hồ).

V1 = 10 VV2 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩR4 = 3 ΩR5 = 4 Ω
I1 = A
7.Nguyên lý xếp chồngTrung bình
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩIR2​AR4​4 ΩBIs​1,5 A

Dùng nguyên lý chồng chất để tìm công suất PR2 tiêu thụ bởi R2.

V1 = 30 VIs = 1,5 AR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 ΩR4 = 4 Ω
PR2 = W
8.Nguyên lý xếp chồngKhó
R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​9 VR3​25 ΩIR3​AIs​1,5 AB+−V2​?

Tìm giá trị của nguồn áp V2 (cực tính như hình) để dòng điện IR3 qua R3 bằng không.

V1 = 9 VIs = 1,5 AR1 = 8 ΩR2 = 6 ΩR3 = 25 ΩR4 = 25 Ω
V2 = V
9.Thévenin và NortonTrung bình
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAab

Tìm điện trở Thévenin Rth nhìn từ cặp cực a–b.

V1 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 Ω
Rth = Ω
10.Thévenin và NortonKhó
R1​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAIs​5 ABab

Tìm dòng Norton IN: dòng điện chạy từ a đến b nếu nối tắt hai cực.

V1 = 10 VIs = 5 AR1 = 3 ΩR2 = 30 ΩR3 = 30 Ω
IN = A
11.Quá độ RC và RLTrung bình
+−Vs​15 Vt = 0R = 100 ΩL33 mHi(t)

Cuộn cảm không có dòng điện trước khi khóa đóng tại t = 0. Tìm điện áp vL trên cuộn cảm tại t = 1 ms.

Vs = 15 VR = 100 ΩL = 33 mHt = 1 ms
vL = V
12.Quá độ RC và RLKhó
+−Vs​6 Vt = 0R = 10 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 4 V

Ngay trước khi khóa đóng tại t = 0, tụ điện giữ 4 V với cực tính như hình. Tìm điện áp tụ điện vC tại t = 100 ms.

Vs = 6 VR = 10 kΩC = 33 µFvC(0) = 4 Vt = 100 ms
vC = V
13.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
50 V200 HzR = 50 ΩL = 200 mHC = 2,2 µFI

Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 50 V (hiệu dụng), 200 Hz. Tìm dòng điện hiệu dụng I.

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
I = A
14.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
1 Vf0​R = 5 ΩL = 50 mHC = 2,2 µF

Một mạch RLC nối tiếp được kích bởi nguồn 1 V (hiệu dụng) có tần số đặt bằng tần số cộng hưởng của mạch. Tìm điện áp hiệu dụng VL trên cuộn cảm.

V = 1 V (rms)R = 5 ΩL = 50 mHC = 2,2 µF
VL = V
15.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
120 VZ12 + j9 ΩI

Một tải có trở kháng Z = 12 + j9 Ω được nối với nguồn một pha 120 V (hiệu dụng). Tìm công suất phản kháng Q mà nó hấp thụ.

V = 120 VZ = 12 + j9 Ω
Q = var
16.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtKhó
50 V1000 HzRs​ = 50 ΩXs​ = j15 ΩZL​ = ?

Một nguồn 50 V (hiệu dụng), 1000 Hz có trở kháng trong Zs = 50 + j15 Ω. Trở kháng tải ZL có thể được chọn tự do. Tìm công suất thực lớn nhất Pmax có thể cấp cho tải.

Vs = 50 V (rms)f = 1000 HzZs = 50 + j15 Ω
Pmax = W
17.Công suất ba phaTrung bình
ABCVL​ = 208 VIL​ = 10 Acos φ = 0,9trễ pha

Một tải ba pha cân bằng lấy dòng điện dây 10 A từ nguồn có điện áp dây 208 V. Hệ số công suất là 0,9 trễ. Tìm tổng công suất tác dụng P mà tải tiêu thụ, theo kW.

VL = 208 VIL = 10 Acos φ = 0,9
P = kW
18.Công suất ba phaKhó
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

Một tải ba pha cân bằng lấy 120 kW với hệ số công suất 0,8 trễ từ nguồn 480 V (điện áp dây), 50 Hz. Một bộ tụ điện ba pha mắc song song với tải phải nâng hệ số công suất tổng lên 0,92 trễ. Công suất tác dụng giữ nguyên. Các tụ điện được nối sao (Y). Tìm điện dung Cph của mỗi tụ theo µF.

P = 120 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,92VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.Máy biến ápTrung bình
RL​ = 10 Ω51600 VV2​I1​ = ?I2​

Một máy biến áp lý tưởng có tỉ số vòng dây N₁:N₂ = 5:1 được đặt 600 V vào cuộn sơ cấp. Một điện trở 10 Ω được nối qua cuộn thứ cấp. Tìm dòng điện sơ cấp I1.

N1:N2 = 5:1V1 = 600 VRL = 10 Ω
I1 = A
20.Máy biến ápKhó
pf 0,85250 kVA, 50% tải

Một máy biến áp một pha 250 kVA có tổn thất lõi 2000 W và tổn thất đồng 6000 W ở tải định mức. Nó cấp 50% kVA định mức với hệ số công suất 0,85 trễ. Tìm tổng tổn thất Ploss theo watt ở tải này.

S = 250 kVAPcore = 2000 WPcu,fl = 6000 Wx = 0,5pf = 0,85
Ploss = W
21.Mạch khuếch đại thuật toánTrung bình
−+Vout​Rf​ = 100 kΩR1​ = 2 kΩVin​

Op-amp là lý tưởng và chạy từ nguồn ±15 V; đầu ra của nó bão hòa ở ±12 V. Mạch khuếch đại không đảo được kích bằng sóng sin. Tìm biên độ đầu vào lớn nhất Vin,max (giá trị đỉnh) để đầu ra không bị cắt.

R1 = 2 kΩRf = 100 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
22.Mạch khuếch đại thuật toánKhó
−+Vout​Rf​ = 2 kΩV1​ = −1,6 VR1​ = 4,7 kΩV2​ = 0,4 VR2​ = 10 kΩ

Bộ khuếch đại cộng dùng op-amp lý tưởng với nguồn cấp ±15 V. Tìm điện áp ngõ ra Vout.

V1 = −1,6 VV2 = 0,4 VR1 = 4,7 kΩR2 = 10 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
23.Diode và transistorTrung bình
RC​ = 2,7 kΩβ = 120IC​ = ?RE​ = 1,5 kΩVCC​ = 20 VR1​ = 82 kΩR2​ = 22 kΩ

Một transistor NPN có β = 120 được phân cực bằng cầu chia áp từ VCC = 20 V: R₁ = 82 kΩ từ VCC đến cực nền và R₂ = 22 kΩ từ cực nền xuống đất. Điện trở cực thu là RC = 2,7 kΩ và điện trở cực phát là RE = 1,5 kΩ. Lấy VBE = 0,7 V và dùng mạch tương đương Thévenin của cầu chia áp (không bỏ qua dòng điện cực nền). Tìm dòng điện cực thu IC theo mA.

VCC = 20 VR1 = 82 kΩR2 = 22 kΩRC = 2,7 kΩRE = 1,5 kΩβ = 120
IC = mA
24.Diode và transistorKhó
RC​ = 100 Ωβ = 100IC​ = ?VCC​ = 12 V3,3 VRB​ = 4,7 kΩ

Một transistor NPN có β = 100 đóng cắt một điện trở tải 100 Ω nối giữa VCC = 12 V và cực thu của nó. Cực phát được nối đất. Cực nền được điều khiển từ ngõ ra logic 3,3 V qua điện trở nền RB = 4,7 kΩ. Lấy VBE = 0,7 V và VCE(sat) = 0,2 V. Tìm dòng điện cực thu IC theo mA khi ngõ vào ở mức cao. Trước hết hãy xác định xem transistor có bão hòa không.

VCC = 12 VRC = 100 Ωβ = 100Vin = 3,3 VVBE = 0,7 VVCE(sat) = 0,2 VRB = 4,7 kΩ
IC = mA
25.Hệ đếmTrung bình
Số bù hai 8 bit0−12806403201608040201

Đặt các bit để lưu −4 theo bù hai 8 bit. Đọc như một số không dấu, giá trị U của mẫu là bao nhiêu?

N = −48 bit
U =
26.Hệ đếmKhó
Bù hai 32 bit, N = ??dấu???????????????????????????????

Số nguyên âm nhất N có thể lưu trong số bù hai 32 bit là bao nhiêu?

32 bit
N =
27.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopTrung bình
ABCD000111100001111000111302140507160120130150141819111010

Hãy dùng bìa Karnaugh để tìm dạng tích các tổng (POS) tối thiểu của F(A, B, C, D) = Σm(1, 3, 4, 6, 8, 9, 11). Nó có bao nhiêu số hạng tổng (thừa số) N?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 3, 4, 6, 8, 9, 11)
N =
28.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopKhó
DQ3​Q3​DQ2​Q2​DQ1​Q1​DQ0​Q0​CLKJOHNSON

Một bộ đếm Johnson 4 bit Q₃Q₂Q₁Q₀ bắt đầu ở 0000. Ở mỗi sườn xung nhịp các bit dịch sang phải một vị trí (Q₃ → Q₂ → Q₁ → Q₀) và Q₃ nhận giá trị đảo của Q₀. Hãy cho trạng thái Q = Q₃Q₂Q₁Q₀ dưới dạng số thập phân sau 7 sườn xung nhịp.

Q₃Q₂Q₁Q₀ = 00007
Q =
29.Biến đổi LaplaceTrung bình
ReIm−224

Tìm f(t) cho F(s) = (3s + 6)/(s² + 2s + 17) bằng cách hoàn thành bình phương, và tính f(1,5).

F(s) = (3s + 6)/(s² + 2s + 17)t = 1,5 s
f(1.5) =
30.Biến đổi LaplaceKhó
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Một hệ thống tuân theo y″ + 4y′ + 3y = 3·u(t), với y(0) = 4 và y′(0) = 0. Tại t = 0 một đầu vào bước u(t) = 5 được đặt vào. Dùng biến đổi Laplace để tìm y(0,2).

y″ + 4y′ + 3y = 3·u(t)y(0) = 4y′(0) = 0u(t) = 5t = 0,2 s
y(0.2) =
31.Sơ đồ khốiTrung bình
R(s)+Ks(s + 14)G(s)C(s)−

Đối tượng G(s) = K/(s(s + 14)) nằm trong vòng hồi tiếp âm đơn vị. Tìm độ lợi K để vòng kín tắt dần tới hạn (hai cực thực bằng nhau).

G(s) = K/(s(s + 14))hồi tiếp âm đơn vị
K =
32.Sơ đồ khốiKhó
R(s)+4bộ điều khiển+D(s)+5s + 6đối tượngC(s)−

Một bộ điều khiển tỷ lệ K = 4 điều khiển đối tượng G(s) = 5/(s + 6) trong vòng hồi tiếp âm đơn vị. Một nhiễu D đi vào đầu vào của đối tượng (được cộng vào đầu ra bộ điều khiển). Với R = 0, một bậc thang nhiễu có độ lớn 2 được đặt vào. Tìm đầu ra xác lập css.

K = 4G(s) = 5/(s + 6)D = 2R = 0
css =
33.Đáp ứng bướcTrung bình
t (s)y(t)1?

Một hệ có hàm truyền G(s) = 42/(s² + 5s + 42) và nhận tín hiệu vào là bước nhảy đơn vị. Tìm độ vọt lố phần trăm %OS của đáp ứng bước.

G(s) = 42/(s² + 5s + 42)
%OS = %
34.Đáp ứng bướcKhó
R(s)+15s(s + 2)G(s)C(s)−

Một vòng hồi tiếp âm đơn vị có G(s) = 15/(s(s + 2)). Tìm thời gian xác lập 2 % ts của đáp ứng bước vòng kín, dùng ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 15/(s(s + 2))
ts = s
35.Biểu đồ Bode và độ dự trữTrung bình
|H| (dB)0,11101001000−80−60−40−2002040ω (rad/s)ω = 3

Tìm độ lớn chính xác |G(jω)| của G(s) = 741/((s + 3)(s + 19)) tại ω = 3 rad/s, theo dB.

G(s) = 741/((s + 3)(s + 19))ω = 3 rad/s
|G(jω)| = dB
36.Biểu đồ Bode và độ dự trữKhó
|H| (dB)0,10,1111010100100−80−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Một vòng hồi tiếp đơn vị có hàm truyền vòng hở L(s) = 20/(s(s + 1)(s + 10)). Tìm độ dự trữ biên GM theo dB.

L(s) = 20/(s(s + 1)(s + 10))
GM = dB
37.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệmTrung bình
R(s)+K1s(s + 1)(s + 8)C(s)−

Vòng trong sơ đồ có hàm truyền vòng hở L(s) = K/(s(s + 1)(s + 8)). Độ lợi được tăng cho đến khi vòng kín ở bờ vực ổn định. Tìm tần số ω của dao động duy trì.

L(s) = K/(s(s + 1)(s + 8))
ω = rad/s
38.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệmKhó
ReIm−2−4−6−8−10−12−14−16j2j4sb​

Quỹ đạo nghiệm của L(s) = K/((s + 5)(s + 13)) được cho. Tìm độ lợi K tại điểm tách sb, nơi hai cực vòng kín gặp nhau trên trục thực.

L(s) = K/((s + 5)(s + 13))
K =
39.Sai số xác lập và điều khiển PIDTrung bình
R(s)+K(s + 5)(s + 10)C(s)−

Một vòng phản hồi đơn vị có G(s) = K/((s + 5)(s + 10)). Tìm độ lợi K cho sai số xác lập 20 % với đầu vào bước nhảy.

G(s) = K/((s + 5)(s + 10))ess = 20 %
K =
40.Sai số xác lập và điều khiển PIDKhó
R(s)+K = 252s(s + 2)C(s)−

Một bộ điều khiển tỉ lệ K = 25 điều khiển đối tượng G(s) = 2/(s(s + 2)) trong một vòng phản hồi đơn vị. Tìm thời gian đỉnh tp của đáp ứng bước.

G(s) = 2/(s(s + 2))K = 25
tp = s

3Dung dịch

1.Điện trở nối tiếp và song song

Đáp số: IR1 = 0,3931 A

Điện trở nối tiếp và song song: khi nối tiếp, cùng một dòng điện chạy qua mỗi điện trở và R = R₁ + R₂ + …. Khi song song, mỗi điện trở có cùng điện áp và 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Mạch hình thang được rút gọn từng cặp một cho đến khi còn một điện trở tương đương duy nhất.

R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAR4​15 ΩB

Gộp các điện trở từ đầu xa

Bắt đầu từ đầu xa nguồn nhất và làm ngược về phía nguồn. Các điện trở có cùng dòng điện thì mắc nối tiếp; các điện trở nối giữa cùng hai nút thì mắc song song.

R3 + R4 = 2 + 15 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 8·17/(8+17) = 5,44 Ω
Req = R1 + 5,44 = 20 + 5,44 = 25,44 Ω

Dòng điện từ nguồn

Nguồn chỉ thấy Req, nên định luật Ohm cho ra dòng điện nó cung cấp. Dòng điện đó chạy qua R₁.

IR1 = V1/Req = 10/25,44 = 0,3931 A

Đáp số

IR1 = 0,3931 A
2.Điện trở nối tiếp và song song

Đáp số: IR2 = 2,234 A

Điện trở nối tiếp và song song: khi nối tiếp, cùng một dòng điện chạy qua mỗi điện trở và R = R₁ + R₂ + …. Khi song song, mỗi điện trở có cùng điện áp và 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Mạch hình thang được rút gọn từng cặp một cho đến khi còn một điện trở tương đương duy nhất.

R1​ = 5 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​2 ΩAR4​12 ΩBR6​5 Ω

Gộp các điện trở từ đầu xa

Bắt đầu từ đầu xa nguồn nhất và làm ngược về phía nguồn. Các điện trở có cùng dòng điện thì mắc nối tiếp; các điện trở nối giữa cùng hai nút thì mắc song song.

R5 + R6 = 5 + 5 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 5,455 Ω
R3 + 5,455 = 9,455 Ω
R2 ∥ 9,455 = 1,651 Ω
Req = R1 + 1,651 = 5 + 1,651 = 6,651 Ω

Dòng điện từ nguồn

Nguồn chỉ thấy Req, nên định luật Ohm cho ra dòng điện nó cung cấp. Dòng điện đó chạy qua R₁.

IR1 = V1/Req = 18/6,651 = 2,706 A

Dòng điện qua R₂

Trừ độ sụt áp trên R₁ để có điện áp tại nút A, cũng là điện áp trên R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 2,706·5 = 4,468 V
IR2 = VA/R2 = 4,468/2 = 2,234 A

Đáp số

IR2 = 2,234 A
3.Phương pháp điện thế nút

Đáp số: PIs = 43,86 W

Phương pháp điện thế nút: chọn một nút tham chiếu, đặt tên các điện thế nút chưa biết, viết định luật dòng Kirchhoff tại mỗi nút chưa biết bằng định luật Ohm (I = ΔV/R), rồi giải hệ phương trình thu được.

KCL tại nút A

Dòng điện đi ra khỏi A qua các điện trở bằng dòng điện các nguồn đẩy vào A.

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/5 + (VA − 30)/6 + (VA − VB)/10 = 0
0,4667·VA − 0,1·VB = 5

KCL tại nút B

Dòng điện đi ra khỏi B qua các điện trở bằng dòng điện các nguồn đẩy vào B.

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/8 + (VB − VA)/10 = 2,5
−0,1·VA + 0,225·VB = 2,5

Giải

Δ = (0,4667)(0,225) − (−0,1)(−0,1) = 0,095
VA = Δ1/Δ = 1,375/0,095 = 14,47 V
VB = Δ2/Δ = 1,667/0,095 = 17,54 V

Công suất do nguồn dòng cung cấp

Nguồn đẩy Iₛ lên vào nút B, từ đất (0 V) đến VB. Nguồn có dòng điện đi ra từ cực + của nó cung cấp công suất P = V·I.

PIs = VB·Is = 17,54·2,5 = 43,86 W

Đáp số

PIs = 43,86 W
4.Phương pháp điện thế nút

Đáp số: IR1 = 1,412 A

Phương pháp điện thế nút: chọn một nút tham chiếu, đặt tên các điện thế nút chưa biết, viết định luật dòng Kirchhoff tại mỗi nút chưa biết bằng định luật Ohm (I = ΔV/R), rồi giải hệ phương trình thu được.

R1​ = 6 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​12 VR3​3 ΩAR5​8 ΩBIs​1 A+−V2​15 V

Thiết lập các nút

Đất là dây dưới cùng. Các điện thế nút đã biết lấy thẳng từ các nguồn (V1 = 12 V, V2 = 15 V). Ẩn số: VA, VB.

KCL tại nút A

Dòng điện đi ra khỏi A qua các điện trở bằng dòng điện các nguồn đẩy vào A.

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/3 + (VA − 12)/6 + (VA − VB)/5 = 0
0,7·VA − 0,2·VB = 2

KCL tại nút B

Dòng điện đi ra khỏi B qua các điện trở bằng dòng điện các nguồn đẩy vào B.

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/8 + (VB − VA)/5 + (VB − 15)/12 = (−1)
−0,2·VA + 0,4083·VB = 0,25

Giải

Δ = (0,7)(0,4083) − (−0,2)(−0,2) = 0,2458
VA = Δ1/Δ = 0,8667/0,2458 = 3,525 V
VB = Δ2/Δ = 0,575/0,2458 = 2,339 V

Đáp số

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (12 − 3,525)/6 = 1,412 A
5.Phương pháp dòng điện mạch vòng

Đáp số: IR3 = 3,75 A

Phương pháp dòng điện mạch vòng: gán cho mỗi ô của mạch phẳng một dòng điện vòng riêng, viết định luật điện áp Kirchhoff quanh mỗi vòng (tổng sụt áp = tổng điện áp tăng), rồi giải. Dòng nhánh là dòng mạch vòng, hoặc hiệu của hai dòng mạch vòng trên nhánh chung.

R1​ = 5 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​30 VR3​4 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

Gán các dòng điện mạch vòng

Vẽ một dòng điện theo chiều kim đồng hồ trong mỗi ô: I1, I2. Điện trở chung của hai mạch vòng có dòng bằng hiệu của hai dòng mạch vòng.

KVL quanh mạch vòng 1

Đi theo chiều kim đồng hồ, tổng sụt áp trên các điện trở bằng tổng điện áp nguồn tăng (từ − sang + theo chiều đi).

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
5·I1 + 4(I1 − I2) = 30
9·I1 − 4·I2 = 30

KVL quanh mạch vòng 2

Đi theo chiều kim đồng hồ, tổng sụt áp trên các điện trở bằng tổng điện áp nguồn tăng (từ − sang + theo chiều đi).

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
20·I2 + 4(I2 − I1) = (−30)
−4·I1 + 24·I2 = −30

Giải

Δ = (9)(24) − (−4)(−4) = 200
I1 = Δ1/Δ = 600/200 = 3 A
I2 = Δ2/Δ = −150/200 = −0,75 A

Đáp số

IR3 = I1 − I2 = 3,75 A

Dòng điện mạch vòng âm chạy ngược chiều kim đồng hồ.

6.Phương pháp dòng điện mạch vòng

Đáp số: I1 = 0,4502 A

Phương pháp dòng điện mạch vòng: gán cho mỗi ô của mạch phẳng một dòng điện vòng riêng, viết định luật điện áp Kirchhoff quanh mỗi vòng (tổng sụt áp = tổng điện áp tăng), rồi giải. Dòng nhánh là dòng mạch vòng, hoặc hiệu của hai dòng mạch vòng trên nhánh chung.

R1​ = 15 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​10 VR4​3 ΩAR5​4 ΩB+−V2​12 VI1​I2​I3​

Gán các dòng điện mạch vòng

Vẽ một dòng điện theo chiều kim đồng hồ trong mỗi ô: I1, I2, I3. Điện trở chung của hai mạch vòng có dòng bằng hiệu của hai dòng mạch vòng.

KVL quanh mạch vòng 1

Đi theo chiều kim đồng hồ, tổng sụt áp trên các điện trở bằng tổng điện áp nguồn tăng (từ − sang + theo chiều đi).

R1·I1 + R4(I1 − I2) = V1
15·I1 + 3(I1 − I2) = 10
18·I1 − 3·I2 = 10

KVL quanh mạch vòng 2

Đi theo chiều kim đồng hồ, tổng sụt áp trên các điện trở bằng tổng điện áp nguồn tăng (từ − sang + theo chiều đi).

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
4·I2 + 3(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−3·I1 + 11·I2 − 4·I3 = 0

KVL quanh mạch vòng 3

Đi theo chiều kim đồng hồ, tổng sụt áp trên các điện trở bằng tổng điện áp nguồn tăng (từ − sang + theo chiều đi).

R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
3·I3 + 4(I3 − I2) = (−12)
−4·I2 + 7·I3 = −12

Giải

Δ = định thức của ma trận hệ số = 1035
I1 = Δ1/Δ = 466/1035 = 0,4502 A
I2 = Δ2/Δ = −654/1035 = −0,6319 A
I3 = Δ3/Δ = −2148/1035 = −2,075 A

Đáp số

I1 = 0,4502 A

Dòng điện mạch vòng âm chạy ngược chiều kim đồng hồ.

7.Nguyên lý xếp chồng

Đáp số: PR2 = 40,96 W

Nguyên lý xếp chồng: trong mạch tuyến tính, mọi điện áp hoặc dòng điện đều bằng tổng các đáp ứng do từng nguồn độc lập tác dụng riêng. Để tắt một nguồn, thay nguồn điện áp lý tưởng bằng ngắn mạch và nguồn dòng lý tưởng bằng hở mạch. Các điện trở giữ nguyên vị trí.

R1​ = 4 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​4 ΩBHỞ MẠCH

Trường hợp 1 · chỉ V1 tác dụng

Iₛ trở thành hở mạch, nên R₃ và R₄ tạo thành một nhánh nối tiếp từ A xuống đất, song song với R₂.

R3+R4 = 6+4 = 10 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·10/(6+10) = 3,75 Ω
VA = 30·3,75/(4+3,75) = 14,52 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 14,52·4/10 = 5,806 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (14,52 − 0)/6 = 2,419 A
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 ΩNGẮN MẠCHR2​6 ΩAR4​4 ΩBIs​1,5 A

Trường hợp 2 · chỉ Is tác dụng

V₁ trở thành ngắn mạch, nên R₁ song song với R₂. Iₛ chia tại B giữa R₄ và đường đi qua R₃.

R1 ∥ R2 = 4·6/(4+6) = 2,4 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 4 ∥ 8,4 = 2,71 Ω
VB = Is·Req = 1,5·2,71 = 4,065 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 4,065·2,4/8,4 = 1,161 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (1,161 − 0)/6 = 0,1935 A

Cộng các phần đóng góp của dòng điện

IR2 = IR2′ + IR2″ = 2,419 + 0,1935 = 2,613 A

Công suất trên điện trở

Công suất phụ thuộc vào bình phương dòng điện, nên không tuân theo nguyên lý chồng chất: hãy cộng các dòng điện trước, rồi bình phương.

PR2 = IR2²·R2 = 2,613²·6 = 40,96 W

Đáp số

PR2 = 40,96 W

Cộng công suất của các trường hợp riêng lẻ sẽ cho 35,34 W, là sai.

8.Nguyên lý xếp chồng

Đáp số: V2 = 2,625 V

Nguyên lý xếp chồng: trong mạch tuyến tính, mọi điện áp hoặc dòng điện đều bằng tổng các đáp ứng do từng nguồn độc lập tác dụng riêng. Để tắt một nguồn, thay nguồn điện áp lý tưởng bằng ngắn mạch và nguồn dòng lý tưởng bằng hở mạch. Các điện trở giữ nguyên vị trí.

R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 Ω+−V1​9 VR3​25 ΩAHỞ MẠCHBNGẮN MẠCH

Trường hợp 1 · V1 tác dụng riêng

V₂ trở thành ngắn mạch và Iₛ trở thành hở mạch. Nhìn từ A, R₃ song song với cặp nối tiếp R₂+R₄.

R3 ∥ (R2+R4) = 25 ∥ 31 = 13,84 Ω
VA = 9·13,84/(8+13,84) = 5,703 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,703·25/31 = 4,599 V
R1​ = 8 ΩR2​ = 6 ΩR4​ = 25 ΩNGẮN MẠCHR3​25 ΩAIs​1,5 ABNGẮN MẠCH

Trường hợp 2 · Is tác dụng riêng

Cả hai nguồn điện áp trở thành ngắn mạch. Iₛ chia tại B giữa R₄ (giờ nối xuống đất) và R₂ nối tiếp với R₁ ∥ R₃. Mũi tên của Iₛ hướng xuống, ra xa khỏi nút của nó, nên Iₛ lấy dòng điện ra khỏi nút đó: số hạng của nó có dấu trừ.

R1 ∥ R3 = 6,061 Ω, nên nhánh bên trái là R2+6,061 = 12,06 Ω
Req = R4 ∥ 12,06 = 8,136 Ω
VB = −Is·Req = −1,5·8,136 = −12,2 V
VA = VB·6,061/12,06 = −6,132 V

Trường hợp 3 · V2 tác dụng riêng, trên mỗi vôn

V₁ trở thành ngắn mạch và Iₛ trở thành hở mạch. R₁ ∥ R₃ treo từ A, nối tiếp với R₂ về B.

R1 ∥ R3 = 6,061 Ω
VA‴ = V2·6,061/(25 + 6 + 6,061) = 0,1635·V2

Cho VA bằng không

Với VA = 0, không có điện áp trên R₃, nên dòng điện qua nó bằng không.

VA′ + VA″ + VA‴ = 5,703 + (−6,132) + 0,1635·V2 = 0
V2 = 0,4293/0,1635 = 2,625 V

Đáp số

V2 = 2,625 V
9.Thévenin và Norton

Đáp số: Rth = 14 Ω

Định lý Thévenin: mọi mạng tuyến tính hai cực đều hoạt động như một nguồn điện áp Vth duy nhất nối tiếp với điện trở Rth. Định lý Norton cho cùng mạng đó dưới dạng nguồn dòng IN = Vth/Rth song song với Rth.

R1​ = 12 ΩR3​ = 10 ΩNGẮN MẠCHR2​6 ΩAabRth​

Tìm Rth khi tắt mọi nguồn

Thay nguồn điện áp bằng ngắn mạch và nguồn dòng bằng hở mạch, rồi nhìn vào mạch từ a–b.

R1 ∥ R2 = 12·6/(12+6) = 4 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 4 + 10 = 14 Ω
10.Thévenin và Norton

Đáp số: IN = 5,278 A

Định lý Thévenin: mọi mạng tuyến tính hai cực đều hoạt động như một nguồn điện áp Vth duy nhất nối tiếp với điện trở Rth. Định lý Norton cho cùng mạng đó dưới dạng nguồn dòng IN = Vth/Rth song song với Rth.

R1​ = 3 ΩR3​ = 30 ΩNGẮN MẠCHR2​30 ΩAHỞ MẠCHBabRth​

Tìm Rth khi tắt mọi nguồn

Thay nguồn điện áp bằng ngắn mạch và nguồn dòng bằng hở mạch, rồi nhìn vào mạch từ a–b.

R1 ∥ R2 = 3·30/(3+30) = 2,727 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,727 + 30 = 32,73 Ω
R1​ = 3 ΩR3​ = 30 Ω+−V1​10 VR2​30 ΩAIs​5 ABab+−Vth​

Tìm Vth, điện áp hở mạch

Khi a–b hở, đường duy nhất cho Iₛ là qua R₃ vào nút A. Tìm V_A bằng xếp chồng V₁ và Iₛ, rồi cộng thêm độ sụt áp trên R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 9,091 + 5·2,727 = 22,73 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 22,73 + 5·30 = 172,7 V
IN​5,278 ARth​32,73 Ωab

Mạch tương đương Norton

Nguồn Norton là cùng mạch đó nhìn như một nguồn dòng song song với R_th. Dòng của nó là dòng ngắn mạch tại a–b.

IN = Vth/Rth = 172,7/32,73 = 5,278 A
11.Quá độ RC và RL

Đáp số: vL = 0,7245 V

Quá độ bậc nhất: trong mạch có một tụ điện hoặc một cuộn cảm, mọi điện áp và dòng điện biến thiên theo hàm mũ từ giá trị ban đầu đến giá trị cuối: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, với τ = RC hoặc τ = L/R. Sau khoảng 5τ mạch đã ổn định.

Hằng số thời gian và dòng điện cuối

Rất lâu sau khi khóa đóng, cuộn cảm hoạt động như ngắn mạch, nên dòng điện cuối chỉ do R quyết định.

τ = L/R = 33 mH / 100 Ω = 0,33 ms
i(∞) = Vs/R = 15/100 = 0,15 A

Điện áp cuộn cảm

Tại t = 0, toàn bộ điện áp nguồn xuất hiện trên cuộn cảm; sau đó nó giảm dần về không.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 15·e−1/0,33 = 0,7245 V

Đáp số

vL = 0,7245 V
12.Quá độ RC và RL

Đáp số: vC = 4,523 V

Quá độ bậc nhất: trong mạch có một tụ điện hoặc một cuộn cảm, mọi điện áp và dòng điện biến thiên theo hàm mũ từ giá trị ban đầu đến giá trị cuối: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, với τ = RC hoặc τ = L/R. Sau khoảng 5τ mạch đã ổn định.

Giá trị đầu, giá trị cuối, hằng số thời gian

Điện áp tụ điện không thể nhảy vọt, nên nó bắt đầu từ giá trị đã tích và hướng tới điện áp nguồn.

vC(0) = 4 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 10 kΩ · 33 µF = 330 ms
vC(t) = 6 + (4 − 6)·e−t/τ

Điện áp tại thời điểm đã cho

vC(100) = 6 + (−2)·e−100/330 = 4,523 V

Đáp số

vC = 4,523 V
13.Tổng trở xoay chiều và phasor

Đáp số: I = 0,4126 A

Mạch xoay chiều với phasor: điện trở, cuộn cảm và tụ điện có tổng trở lần lượt là R, jωL và 1/(jωC), với ω = 2πf. Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như điện trở, nhưng là số phức. Dòng điện và điện áp hiệu dụng tuân theo định luật Ohm với |Z|.

Điện kháng

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,2 = 251,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·2,2·10⁻⁶) = 361,7 Ω

Tổng trở

Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như số phức: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (−110,4)²) = 121,2 Ω

Dòng điện

Cùng một dòng điện chạy qua mọi phần tử của mạch nối tiếp.

I = V/|Z| = 50/121,2 = 0,4126 A

Đáp số

I = 0,4126 A
14.Tổng trở xoay chiều và phasor

Đáp số: VL = 30,15 V

Mạch xoay chiều với phasor: điện trở, cuộn cảm và tụ điện có tổng trở lần lượt là R, jωL và 1/(jωC), với ω = 2πf. Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như điện trở, nhưng là số phức. Dòng điện và điện áp hiệu dụng tuân theo định luật Ohm với |Z|.

Cộng hưởng

Tại cộng hưởng các điện kháng triệt tiêu, nên trở kháng chỉ là R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·2,2·10⁻⁶) = 3015 rad/s
I = V/R = 1/5 = 0,2 A

Điện áp trên cuộn cảm

XL = ω₀L = 3015·0,05 = 150,8 Ω
VL = I·XL = 0,2·150,8 = 30,15 V

Đáp số

VL = 30,15 V

Đây là Q = 30,15 lần điện áp nguồn.

15.Công suất xoay chiều và hệ số công suất

Đáp số: Q = 576 var

Công suất xoay chiều: công suất biểu kiến S = V·I (VA) tách thành công suất tác dụng P = S·cos φ (W), thực hiện công có ích, và công suất phản kháng Q = S·sin φ (var), dao động qua lại giữa nguồn và tải. Hệ số công suất là cos φ. Một tụ điện mắc song song cung cấp công suất phản kháng tại chỗ, nên dòng điện trên đường dây giảm với cùng công suất tác dụng.

Dòng điện

|Z| = √(12² + 9²) = 15 Ω
I = V/|Z| = 120/15 = 8 A

Công suất phản kháng

Q = I²·X = 8²·9 = 576 var

Đáp số

Q = 576 var
16.Công suất xoay chiều và hệ số công suất

Đáp số: Pmax = 12,5 W

Công suất xoay chiều: công suất biểu kiến S = V·I (VA) tách thành công suất tác dụng P = S·cos φ (W), thực hiện công có ích, và công suất phản kháng Q = S·sin φ (var), dao động qua lại giữa nguồn và tải. Hệ số công suất là cos φ. Một tụ điện mắc song song cung cấp công suất phản kháng tại chỗ, nên dòng điện trên đường dây giảm với cùng công suất tác dụng.

Phối hợp liên hợp

Điện kháng của tải triệt tiêu điện kháng của nguồn, và điện trở tải bằng điện trở nguồn.

ZL = Zs* = 50 − j15 Ω

Công suất cực đại

I = Vs/(2Rs) = 50/100 = 0,5 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 50²/(4·50) = 12,5 W

Đáp số

Pmax = 12,5 W
17.Công suất ba pha

Đáp số: P = 3,242 kW

Hệ ba pha cân bằng: trong nối sao (Y), điện áp dây bằng √3 lần điện áp pha, VL = √3·Vph, và dòng điện dây bằng dòng điện pha. Trong nối tam giác (Δ), điện áp dây bằng điện áp pha và dòng điện dây bằng √3 lần dòng điện pha, IL = √3·Iph. Tổng công suất bằng ba lần công suất của một pha: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Công suất biểu kiến

S = √3·VL·IL = √3·208·10 = 3,603 kVA

Công suất tác dụng

P = S·cos φ = 3,603·0,9 = 3,242 kW

Đáp số

P = 3,242 kW
18.Công suất ba pha

Đáp số: Cph = 537,2 µF

Hệ ba pha cân bằng: trong nối sao (Y), điện áp dây bằng √3 lần điện áp pha, VL = √3·Vph, và dòng điện dây bằng dòng điện pha. Trong nối tam giác (Δ), điện áp dây bằng điện áp pha và dòng điện dây bằng √3 lần dòng điện pha, IL = √3·Iph. Tổng công suất bằng ba lần công suất của một pha: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Bù hệ số công suất: tụ điện cung cấp công suất phản kháng tại chỗ, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Mỗi tụ trong ba tụ cung cấp QC/3 = V²·ω·C, trong đó V là điện áp trên tụ đó: VL trong bộ nối tam giác (Δ), VL/√3 trong bộ nối sao (Y).

Công suất phản kháng trước và sau

Công suất tác dụng không đổi, nên mỗi hệ số công suất xác định công suất phản kháng: Q = P·tan φ.

Q1 = 120·tan(acos 0,8) = 120·0,75 = 90 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,92) = 120·0,426 = 51,12 kvar

Công suất phản kháng từ các tụ điện

QC = Q1 − Q2 = 38,88 kvar

Điện dung mỗi pha

Trong bộ nối sao (Y), mỗi tụ được nối giữa một dây pha và điểm sao.

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 12960/(314,2·277,1²) = 537,2 µF

Đáp số

Cph = 537,2 µF
19.Máy biến áp

Đáp số: I1 = 2,4 A

Máy biến áp lý tưởng: điện áp tỉ lệ với số vòng dây và dòng điện theo tỉ lệ nghịch: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a và I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, nên công suất vào bằng công suất ra, V₁·I₁ = V₂·I₂. Một tổng trở tải Z ở thứ cấp trông như a²·Z khi nhìn từ sơ cấp.

Điện áp và dòng điện thứ cấp

V2 = 600/5 = 120 V
I2 = 120/10 = 12 A

Dòng điện sơ cấp

Máy biến áp lý tưởng không có tổn thất: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/5 = 2,4 A

Đáp số

I1 = 2,4 A

Kiểm tra: tải nhìn từ sơ cấp là a²·RL = 250 Ω, và 600/250 cho cùng dòng điện.

20.Máy biến áp

Đáp số: Ploss = 3500 W

Tổn thất của máy biến áp: tổn thất lõi (từ trễ và dòng điện xoáy) phụ thuộc vào điện áp và như nhau ở mọi tải. Tổn thất đồng ở các cuộn dây tỉ lệ với bình phương dòng điện, nên ở một phần x của tải định mức nó là x²·Pcu,fl. Hiệu suất η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), với Pout = x·S·pf. Hiệu suất cao nhất ở tải mà tổn thất đồng bằng tổn thất lõi.

Tổn thất đồng ở tải này

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,25·6000 = 1500 W

Tổng tổn thất

Tổn thất lõi như nhau ở mọi tải.

Ploss = 2000 + 1500 = 3500 W

Đáp số

Ploss = 3500 W

Hiệu suất ở tải này là η = 96,81%.

21.Mạch khuếch đại thuật toán

Đáp số: Vin,max = 0,2353 V

Quy tắc của op-amp lý tưởng: với hồi tiếp âm, op-amp điều khiển ngõ ra sao cho hai ngõ vào ở cùng điện áp (V₋ = V₊), và không có dòng điện chạy vào cả hai ngõ vào. Viết KCL tại ngõ vào đảo với hai sự kiện này sẽ cho ra ngõ ra.

Độ khuếch đại

Av = 1 + Rf/R1 = 1 + 100/2 = 51

Đầu vào lớn nhất trước khi bị cắt

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/51 = 0,2353 V

Đáp số

Vin,max = 0,2353 V
22.Mạch khuếch đại thuật toán

Đáp số: Vout = 0,6009 V

Quy tắc của op-amp lý tưởng: với hồi tiếp âm, op-amp điều khiển ngõ ra sao cho hai ngõ vào ở cùng điện áp (V₋ = V₊), và không có dòng điện chạy vào cả hai ngõ vào. Viết KCL tại ngõ vào đảo với hai sự kiện này sẽ cho ra ngõ ra.

Dòng điện ngõ vào

V₋ = 0, nên mỗi điện trở ngõ vào chịu toàn bộ điện áp ngõ vào của nó.

I1 = V1/R1 = −1,6/4,7 = −0,3404 mA
I2 = V2/R2 = 0,4/10 = 0,04 mA
If = I1 + I2 = −0,3004 mA

Điện áp ngõ ra

Vout = −Rf·If = −2·(−0,3004) = 0,6009 V

Đáp số

Vout = 0,6009 V
23.Diode và transistor

Đáp số: IC = 2,131 mA

Điểm phân cực của BJT: trong vùng tích cực VBE = 0,7 V, IC = β·IB và IE = (β + 1)·IB. Tìm IB từ vòng cực nền bằng KVL, rồi IC, rồi VCE từ vòng cực thu–cực phát. Cầu chia áp ở cực nền được thay bằng mạch tương đương Thévenin VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; điện trở cực phát xuất hiện lớn gấp (β + 1) lần trong vòng cực nền.

Mạch tương đương Thévenin của cầu chia áp

VTH = 20·22/(82 + 22) = 4,231 V
RTH = 82·22/(82 + 22) = 17,35 kΩ

Dòng điện cực nền

KVL quanh vòng cực nền; dòng điện cực phát là (β + 1)·IB.

IB = (4,231 − 0,7)/(17,35 + 121·1,5) = 17,76 µA

Dòng điện cực thu

IC = 120·17,76 µA = 2,131 mA
IE = 121·17,76 µA = 2,149 mA

Đáp số

IC = 2,131 mA
24.Diode và transistor

Đáp số: IC = 55,32 mA

BJT làm khóa: để bật hoàn toàn một tải, transistor được đưa vào bão hòa, nơi VCE = VCE(sat) và dòng điện cực thu do tải quyết định: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. Bão hòa cần dòng cực nền ít nhất IB = IC(sat)/β. Nếu dòng điện cực nền nhỏ hơn, transistor ở lại vùng tích cực và IC = β·IB.

Dòng điện cực nền

IB = (3,3 − 0,7)/4,7 kΩ = 553,2 µA

Bão hòa hay tích cực?

β·IB nhỏ hơn IC(sat), nên transistor ở vùng tích cực.

β·IB = 55,32 mA
IC(sat) = (12 − 0,2)/100 = 118 mA

Dòng điện cực thu

IC = β·IB = 55,32 mA

Đáp số

IC = 55,32 mA

Transistor ở vùng tích cực, nên tải chưa được bật hoàn toàn.

25.Hệ đếm

Đáp số: U = 252

Đặt các bit: mỗi bit có giá trị bằng một lũy thừa của hai (128, 64, …, 1). Một chữ số hex đúng bằng bốn bit, và trong bù hai 8 bit, bit ngoài cùng bên trái có giá trị −128. Các phép toán theo bit làm việc trên từng vị trí bit riêng biệt.

Đảo bit và cộng một

4 = 0000 0100
đã đảo: 1111 1011
+1 → 1111 1100

Đọc như số không dấu

1111 1100₂ = 256 − 4 = 252

Đáp số

U = 252
26.Hệ đếm

Đáp số: N = −2,147 × 10⁹

Hệ đếm theo vị trí: mỗi chữ số có giá trị bằng giá trị của nó nhân với một lũy thừa của cơ số. Trong hệ nhị phân, các vị trí có giá trị 1, 2, 4, 8, 16, …; trong hệ thập lục phân 1, 16, 256, …, với A–F biểu diễn 10–15. Trong số bù hai 8 bit, bit ngoài cùng bên trái có giá trị −128 thay vì +128, đó là cách lưu số âm.

Giá trị âm nhất

−231 = −2147483648

Đáp số

N = −2147483648
27.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop

Đáp số: N = 4

Bìa Karnaugh: các ô được sắp xếp theo mã Gray (00, 01, 11, 10), nên các ô kề nhau, kể cả những ô qua mép, khác nhau đúng một biến. Hãy nhóm các số 1 thành hình chữ nhật gồm 1, 2, 4, 8 hoặc 16 ô, lớn nhất có thể và ít nhóm nhất có thể, cho đến khi mọi số 1 đều được phủ. Mỗi nhóm là một số hạng tích: các biến không đổi bên trong nó. Một nhóm 2ᵏ ô mất k biến. Các điều kiện tùy định (X) có thể dùng để làm nhóm lớn hơn nhưng không bắt buộc phải được phủ. Nhóm các số 0 thay vào đó sẽ cho dạng POS tối thiểu.

ABCD000111100001111000111302140507160120130150141819111010

Nhóm các số 0

Mỗi nhóm là một hình chữ nhật gồm 2ᵏ ô; các ô ở mép kề với các ô ở mép đối diện.

(B′ + D′)
(B + C′ + D)
(A′ + B′)
(A + B + D)

Dạng POS tối thiểu

F = (B′ + D′)(B + C′ + D)(A′ + B′)(A + B + D)
N = 4

Đáp số

N = 4

Có một cách nhóm khác cùng kích thước; nó có cùng số số hạng và literal.

28.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop

Đáp số: Q = 1

Flip-flop và bộ đếm: một flip-flop chỉ thay đổi ở sườn tích cực của xung nhịp. D sao chép đầu vào của nó (Q⁺ = D); T đảo khi T = 1; JK giữ nguyên với 00, đặt về 0 với 01, đặt lên 1 với 10 và đảo với 11. Một bộ đếm nhị phân n bit có 2ⁿ trạng thái và đếm theo modulo 2ⁿ; một bộ đếm mod-N đếm 0, 1, …, N − 1 rồi về lại 0, và cần số flip-flop n nhỏ nhất thỏa 2ⁿ ≥ N. Mỗi tầng của bộ đếm gợn sóng chia đôi tần số, nên đầu ra cuối của bộ đếm mod-N chạy ở fclk/N. Một bộ đếm Johnson gồm n flip-flop có 2n trạng thái, bộ đếm vòng có n.

Trạng thái sau mỗi sườn

0000 → 1000 → 1100 → 1110 → 1111 → 0111 → 0011 → 0001

Giá trị thập phân

0001₂ = 1

Đáp số

Q = 1
29.Biến đổi Laplace

Đáp số: f(1.5) = 0,596

Biến đổi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt biến đạo hàm thành phép nhân với s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Các cặp chuẩn: 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), và phép dịch s → s + σ nhân hàm theo thời gian với e−σt. Để biến đổi ngược một F(s) hữu tỉ, hãy tách thành các phân thức riêng: thặng dư của cực đơn p là A = [(s − p)·F(s)] tại s = p. Định lý giá trị cuối: f(∞) = lims→0 s·F(s), chỉ đúng khi mọi cực của s·F(s) nằm trong nửa mặt phẳng trái. Định lý giá trị đầu: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Hoàn thành bình phương

s² + 2s + 17 = (s + 1)² + 16 = (s + 1)² + 4²

Ghép tử số

F(s) = 3·(s + 1)/((s + 1)² + 4²) + (3/4)·4/((s + 1)² + 4²)

Biến đổi ngược

f(t) = e−t·(3·cos 4t + 0,75·sin 4t)
f(1,5) = e−1,5·(3·cos(4·1,5) + 0,75·sin(4·1,5)) = 0,596

Đáp số

f(1,5) = 0,596
30.Biến đổi Laplace

Đáp số: y(0.2) = 4,046

Biến đổi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt biến đạo hàm thành phép nhân với s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Các cặp chuẩn: 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), và phép dịch s → s + σ nhân hàm theo thời gian với e−σt. Để biến đổi ngược một F(s) hữu tỉ, hãy tách thành các phân thức riêng: thặng dư của cực đơn p là A = [(s − p)·F(s)] tại s = p. Định lý giá trị cuối: f(∞) = lims→0 s·F(s), chỉ đúng khi mọi cực của s·F(s) nằm trong nửa mặt phẳng trái. Định lý giá trị đầu: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Biến đổi phương trình

(s² + 4s + 3)·Y(s) = 4s + 16 + 15/s
Y(s) = (4s² + 16s + 15)/(s(s + 1)(s + 3))

Phân thức riêng

A = 15/(1·3) = 5
B = 3/((−1)·2) = −1,5
C = 3/((−3)·(−2)) = 0,5

Kết quả

y(t) = 5 − 1,5·e−t + 0,5·e−3t
y(0,2) = 4,046

Đáp số

y(0,2) = 4,046

Kiểm tra: y(0) = A + B + C = 4.

31.Sơ đồ khối

Đáp số: K = 49

Đại số sơ đồ khối: các khối nối tiếp thì nhân (G₁·G₂), các khối song song thì cộng (G₁ + G₂), và một vòng có đường thuận G và đường hồi tiếp H rút gọn thành T = G/(1 + G·H) với hồi tiếp âm và G/(1 − G·H) với hồi tiếp dương. Rút gọn các vòng bên trong trước, rồi làm dần ra ngoài. Các cực vòng kín là nghiệm của phương trình đặc trưng 1 + G(s)H(s) = 0. Với vòng ổn định, đầu vào bậc thang có độ lớn A cho đầu ra xác lập A·T(0); với hồi tiếp đơn vị, sai số xác lập đối với bậc thang là A/(1 + Kp) với Kp = G(0).

Phương trình đặc trưng

1 + K/(s(s + 14)) = 0 → s² + 14s + K = 0

Nghiệm kép

Tam thức s² + βs + γ có nghiệm kép khi β² = 4γ.

14² = 4K → K = 196/4 = 49

Đáp số

K = 49
Khi đó cả hai cực vòng kín đều tại s = −7.
32.Sơ đồ khối

Đáp số: css = 0,3846

Đại số sơ đồ khối: các khối nối tiếp thì nhân (G₁·G₂), các khối song song thì cộng (G₁ + G₂), và một vòng có đường thuận G và đường hồi tiếp H rút gọn thành T = G/(1 + G·H) với hồi tiếp âm và G/(1 − G·H) với hồi tiếp dương. Rút gọn các vòng bên trong trước, rồi làm dần ra ngoài. Các cực vòng kín là nghiệm của phương trình đặc trưng 1 + G(s)H(s) = 0. Với vòng ổn định, đầu vào bậc thang có độ lớn A cho đầu ra xác lập A·T(0); với hồi tiếp đơn vị, sai số xác lập đối với bậc thang là A/(1 + Kp) với Kp = G(0).

Hàm truyền

C/D = G/(1 + K·G) = 5/(s + 6 + 20)

Trạng thái ổn định

css = 2·5/26 = 0,3846

Đáp số

css = 0,3846

K lớn hơn làm giảm ảnh hưởng của nhiễu, nhưng với bộ điều khiển tỷ lệ thì không bao giờ về không.

33.Đáp ứng bước

Đáp số: %OS = 26,89 %

Đáp ứng bước: một hệ bậc nhất G(s) = K/(τs + 1) đáp ứng với một bước nhảy có biên độ U là y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): nó đạt 63,2 % giá trị cuối K·U sau một hằng số thời gian τ và 98 % sau 4τ. Một hệ bậc hai G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) có các cực s = −ζωₙ ± jωd với ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Với 0 < ζ < 1, đáp ứng bước có độ vọt lố: độ vọt lố phần trăm %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), thời gian đỉnh tp = π/ωd, và thời gian xác lập 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). So sánh mẫu số với s² + 2ζωₙs + ωₙ² để suy ra ωₙ và ζ. Với hệ khối lượng–lò xo–giảm chấn ωₙ = √(k/m) và ζ = c/(2√(km)); với mạch RLC nối tiếp ωₙ = 1/√(LC) và ζ = (R/2)·√(C/L).

So sánh với dạng chuẩn

Mẫu số phải khớp với s² + 2ζωₙs + ωₙ².

ωₙ² = 42 → ωₙ = 6,481 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·6,481) = 0,3858

Kết quả

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 100·e−1,314 = 26,89 %

Đáp số

%OS = 26,89 %
34.Đáp ứng bước

Đáp số: ts = 4 s

Đáp ứng bước: một hệ bậc nhất G(s) = K/(τs + 1) đáp ứng với một bước nhảy có biên độ U là y(t) = K·U·(1 − e−t/τ): nó đạt 63,2 % giá trị cuối K·U sau một hằng số thời gian τ và 98 % sau 4τ. Một hệ bậc hai G(s) = K·ωₙ²/(s² + 2ζωₙs + ωₙ²) có các cực s = −ζωₙ ± jωd với ωd = ωₙ√(1 − ζ²). Với 0 < ζ < 1, đáp ứng bước có độ vọt lố: độ vọt lố phần trăm %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), thời gian đỉnh tp = π/ωd, và thời gian xác lập 2 % ts ≈ 4/(ζωₙ). So sánh mẫu số với s² + 2ζωₙs + ωₙ² để suy ra ωₙ và ζ. Với hệ khối lượng–lò xo–giảm chấn ωₙ = √(k/m) và ζ = c/(2√(km)); với mạch RLC nối tiếp ωₙ = 1/√(LC) và ζ = (R/2)·√(C/L).

Hàm truyền vòng kín

T(s) = 15/(s² + 2s + 15): ωₙ = 3,873 rad/s, ζ = 0,2582

Thời gian xác lập

ζωₙ = 2/2 = 1
ts ≈ 4/(ζωₙ) = 4 s

Đáp số

ts = 4 s

Với vòng này ζωₙ = a/2 bất kể K bằng bao nhiêu: tăng K làm tăng độ vọt lố nhưng không rút ngắn thời gian xác lập.

35.Biểu đồ Bode và độ dự trữ

Đáp số: |G(jω)| = 19,16 dB

Đáp ứng tần số: thay s = jω vào hàm truyền. Độ lớn theo decibel là 20·log₁₀|H(jω)| và pha là tổng các góc của các nhân tử ở tử trừ đi các góc của các nhân tử ở mẫu. Một bộ lọc RC hoặc RL bậc nhất có tần số góc (−3 dB) tại ωc = 1/(RC) hoặc R/L, và fc = ωc/(2π); bộ lọc thông thấp cho |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) và φ = −atan(ω/ωc). Trong biểu đồ Bode tiệm cận (đường thẳng), mỗi cực bẻ độ lớn xuống 20 dB/decade tại tần số góc của nó, mỗi điểm không bẻ nó lên 20 dB/decade, và một bộ tích phân 1/s cho −20 dB/decade ở mọi tần số. Tần số cắt biên ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); độ dự trữ pha PM = 180° + ∠L(jωc). Tần số cắt pha ω180: ∠L(jω) = −180°; độ dự trữ biên GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Vòng kín ổn định khi cả hai độ dự trữ đều dương.

Nhân các độ lớn

|G(j3)| = 741/(√(3² + 3²)·√(3² + 19²)) = 741/(4,243·19,24) = 9,08

Kết quả

20·log₁₀(9,08) = 19,16 dB

Đáp số

|G(jω)| = 19,16 dB
36.Biểu đồ Bode và độ dự trữ

Đáp số: GM = 14,81 dB

Đáp ứng tần số: thay s = jω vào hàm truyền. Độ lớn theo decibel là 20·log₁₀|H(jω)| và pha là tổng các góc của các nhân tử ở tử trừ đi các góc của các nhân tử ở mẫu. Một bộ lọc RC hoặc RL bậc nhất có tần số góc (−3 dB) tại ωc = 1/(RC) hoặc R/L, và fc = ωc/(2π); bộ lọc thông thấp cho |H| = 1/√(1 + (ω/ωc)²) và φ = −atan(ω/ωc). Trong biểu đồ Bode tiệm cận (đường thẳng), mỗi cực bẻ độ lớn xuống 20 dB/decade tại tần số góc của nó, mỗi điểm không bẻ nó lên 20 dB/decade, và một bộ tích phân 1/s cho −20 dB/decade ở mọi tần số. Tần số cắt biên ωc: |L(jω)| = 1 (0 dB); độ dự trữ pha PM = 180° + ∠L(jωc). Tần số cắt pha ω180: ∠L(jω) = −180°; độ dự trữ biên GM = −20·log₁₀|L(jω180)| dB. Vòng kín ổn định khi cả hai độ dự trữ đều dương.

Tần số cắt pha

(ω/1)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(1·10) = 3,162 rad/s

Độ lớn tại tần số cắt pha

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 1)·√(ω² + 100)) = K/(1·10·(1 + 10)) = K/110

Độ dự trữ biên

GM = 20·log₁₀(110/20) = 14,81 dB

Đáp số

GM = 14,81 dB
37.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm

Đáp số: ω = 2,828 rad/s

Tiêu chuẩn Routh–Hurwitz: một hệ tuyến tính ổn định khi mọi nghiệm của đa thức đặc trưng của nó nằm ở nửa trái của mặt phẳng s. Viết các hệ số xen kẽ vào hai hàng đầu tiên của bảng Routh. Mỗi phần tử của một hàng mới đến từ hai hàng phía trên nó; với đa thức bậc ba a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ phần tử s¹ là b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Số lần đổi dấu trong cột đầu tiên bằng số nghiệm ở nửa mặt phẳng phải. Với độ lợi K trong các hệ số, mọi phần tử của cột đầu phải dương: độ lợi làm phần tử s¹ bằng không là giới hạn ổn định, và hàng s² khi đó cho tần số của dao động duy trì.

Bảng Routh

s³ + 9s² + 8s + K = 0
s³: 1, 8
s²: 9, K
s¹: (9·8 − K)/9
s⁰: K

Độ lợi tới hạn

K = 9·8 = 72

Phương trình phụ

Tại độ lợi tới hạn hàng s¹ bằng không; hàng s² cho các cực trên trục ảo.

9s² + 72 = 0 → s = ±j√8
ω = 2,828 rad/s

Đáp số

ω = 2,828 rad/s
38.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm

Đáp số: K = 16

Quỹ đạo nghiệm số: khi độ lợi K đi từ 0 đến ∞, các cực vòng kín, tức các nghiệm của 1 + K·G(s) = 0, di chuyển từ các cực vòng hở đến các điểm không vòng hở hoặc đến vô cực. Một điểm trên trục thực thuộc quỹ đạo khi số cực và điểm không thực ở bên phải nó là số lẻ. n − m nhánh đi đến vô cực theo các đường tiệm cận ở các góc (2q + 1)·180°/(n − m), xuất phát từ trọng tâm σₐ = (Σ cực − Σ điểm không)/(n − m). Các nhánh rời hoặc nhập vào trục thực tại nơi dK/ds = 0. Điều kiện góc ∠G(s) = 180° quyết định hình dạng, và điều kiện biên độ K = 1/|G(s)| cho độ lợi tại bất kỳ điểm nào của quỹ đạo.

Điểm tách

dK/ds = 0 cho K = −(s + 5)(s + 13) cho 2s + 18 = 0.

sb = −9

Điều kiện biên độ

K = |−9 + 5|·|−9 + 13| = 4·4 = 16

Đáp số

K = 16

Với độ lợi này, vòng kín bị cản tới hạn (ζ = 1).

39.Sai số xác lập và điều khiển PID

Đáp số: K = 200

Sai số xác lập: trong một vòng phản hồi đơn vị với hàm truyền vòng hở G(s), sai số là E(s) = R(s)/(1 + G(s)), và theo định lý giá trị cuối ess = lims→0 s·E(s). Loại của hệ là số cực của G(s) tại s = 0. Các hằng số sai số là Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s) và Ka = lim s²·G(s), đều với s → 0. Một bước nhảy có độ lớn A cho ess = A/(1 + Kp), một tín hiệu dốc A·t cho A/Kv và một parabol A·t²/2 cho A/Ka. Một vòng loại 0 bám theo bước nhảy với sai số hữu hạn, một vòng loại 1 bám theo nó chính xác và bám theo tín hiệu dốc với sai số hữu hạn.

Hằng số sai số yêu cầu

1/(1 + Kp) = 0,2 → Kp = 4

Độ khuếch đại

K/50 = 4 → K = 200

Đáp số

K = 200

Cũng hãy kiểm tra sự ổn định của vòng kín: với vòng bậc hai này mọi K > 0 đều ổn định.

40.Sai số xác lập và điều khiển PID

Đáp số: tp = 0,4488 s

Điều khiển P, PI và PID: bộ điều khiển C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s tác động lên sai số. Một độ lợi tỉ lệ làm vòng nhanh hơn và giảm sai số của đối tượng loại 0, nhưng không bao giờ loại bỏ nó. Thành phần tích phân thêm một cực tại s = 0: loại của hệ tăng thêm một, và một bước nhảy được bám theo không có sai số. Thành phần vi phân thêm sự cản. Để chọn các độ lợi, viết đa thức đặc trưng vòng kín và so sánh nó với s² + 2ζωns + ωn². Khi đó %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd với ωd = ωn√(1 − ζ²), và ts ≈ 4/(ζωn).

Đa thức đặc trưng

s(s + 2) + 25·2 = s² + 2s + 50

ωₙ và ζ

ωₙ = √50 = 7,071 rad/s
ζ = 2/(2·7,071) = 0,1414

Thời gian đỉnh

ωd = 7,071·√(1 − 0,1414²) = 7 rad/s
tp = π/7 = 0,4488 s

Đáp số

tp = 0,4488 s

Đây là tài liệu luyện tập độc lập. ExamProblems không liên kết với hay được xác nhận bởi tổ chức tổ chức kỳ thi này, và tên kỳ thi chỉ được dùng để mô tả nội dung. Kỳ thi FE exam do NCEES tổ chức; tổ chức này không liên kết với ExamProblems và không bảo trợ nó.

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