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​ = 10 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​6 ΩB

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

V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
2.Điện trở nối tiếp và song songKhó
R1​ = 25 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩIR2​AR4​20 ΩBR6​6 Ω

Tìm dòng điện IR2 qua R2.

V1 = 10 VR1 = 25 ΩR2 = 20 ΩR3 = 5 ΩR4 = 20 ΩR5 = 8 ΩR6 = 6 Ω
IR2 = A
3.Phương pháp điện thế nútTrung bình
R1​3 Ω+−V1​30 VR2​4 Ω+−V2​24 VR3​6 Ω+−V3​10 VI3​A

Ba nhánh được nối giữa nút A và đất, như hình. Dùng phương pháp điện thế nút để tìm dòng điện I3 trong nhánh 3, chảy lên vào nút A theo chiều mũi tên.

V1 = 30 VR1 = 3 ΩV2 = 24 VR2 = 4 ΩV3 = 10 VR3 = 6 Ω
I3 = A
4.Phương pháp điện thế nútKhó
R1​ = 12 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​2 ΩB0,2·VA​

Hình thoi là nguồn dòng điều khiển bằng điện áp, đẩy dòng điện 0,2·VA (tính bằng A, với VA tính bằng V) lên vào nút B. Dùng phương pháp điện thế nút để tìm điện thế nút VA (đo so với đất).

V1 = 6 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩR4 = 2 Ωg = 0,2 A/V
VA = V
5.Phương pháp dòng điện mạch vòngTrung bình
R1​ = 20 ΩIR1​R2​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​6 ΩA+−V2​12 VI1​I2​

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

V1 = 9 VV2 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 6 Ω
IR1 = A
6.Phương pháp dòng điện mạch vòngKhó
R1​ = 3 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR4​20 ΩIR4​AR5​4 ΩB+−V2​10 VI1​I2​I3​

Dùng phương pháp dòng điện mạch vòng để tìm dòng điện IR4 chạy qua R4 theo chiều mũi tên.

V1 = 10 VV2 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 ΩR4 = 20 ΩR5 = 4 Ω
IR4 = A
7.Nguyên lý xếp chồngTrung bình
R1​ = 8 ΩR3​ = 6 ΩIR3​+−V1​6 VR2​12 ΩAR4​12 ΩBIs​?

Tìm giá trị của nguồn dòng Is (chiều như hình) để dòng điện IR3 qua R3 bằng không.

V1 = 6 VR1 = 8 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩR4 = 12 Ω
Is = A
8.Nguyên lý xếp chồngKhó
R1​ = 30 ΩIR1​R2​ = 8 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​36 VR3​8 ΩAIs​6 AB+−V2​36 V

Dùng nguyên lý chồng chất để tìm công suất PR1 tiêu thụ bởi R1.

V1 = 36 VIs = 6 AV2 = 36 VR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 Ω
PR1 = W
9.Thévenin và NortonTrung bình
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAab

Tìm điện áp Thévenin Vth nhìn từ cặp cực a–b.

V1 = 9 VR1 = 20 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 Ω
Vth = V
10.Thévenin và NortonKhó
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​30 ΩAIs​0,5 ABab

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

V1 = 12 VIs = 0,5 AR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 2 Ω
IN = A
11.Quá độ RC và RLTrung bình
+−Vs​20 Vt = 0R1​ = 3,3 kΩR2​ = 10 kΩC68 µF+−vC​

Nguồn Vₛ nạp tụ điện qua R₁, và R₂ được mắc song song với C. Tụ điện chưa tích điện khi khóa đóng tại t = 0. Tìm hằng số thời gian τ của mạch sau khi công tắc đóng.

Vs = 20 VR1 = 3,3 kΩR2 = 10 kΩC = 68 µF
τ = ms
12.Quá độ RC và RLKhó
+−Vs​5 Vt = 0R = 3,3 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Ngay trước khi khóa đóng tại t = 0, tụ điện giữ 3 V với cực tính như hình. Tìm điện áp tụ điện vC tại t = 150 ms.

Vs = 5 VR = 3,3 kΩC = 22 µFvC(0) = 3 Vt = 150 ms
vC = V
13.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
24 V60 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF

Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 24 V (hiệu dụng), 60 Hz. Tìm góc pha φ của tổng trở, theo độ (dương khi dòng điện trễ pha so với điện áp).

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 2,2 µF
φ = °
14.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
10 V500 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 10 V (hiệu dụng), 500 Hz. Tìm dòng điện hiệu dụng I.

V = 10 V (rms)f = 500 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 100 µF
I = A
15.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
P = 12 kWQ = ?Sφ

Một động cơ một pha tiêu thụ 12 kW với hệ số công suất 0,8 trễ từ nguồn 230 V. Tìm công suất phản kháng Q mà nó tiêu thụ.

P = 12 kWpf = 0,8V = 230 V
Q = kvar
16.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtKhó
P = 5 kWQ1​S1​φ1​QC​

Một tải một pha tiêu thụ 5 kW với hệ số công suất 0,6 trễ từ nguồn 240 V, 60 Hz. Một tụ điện mắc song song nâng hệ số công suất lên 0,92. Tìm điện dung C cần thiết.

P = 5 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,92V = 240 Vf = 60 Hz
C = µF
17.Công suất ba phaTrung bình
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M45 kW, η = 93%cos φ = 0,9

Một động cơ cảm ứng ba pha cho công suất cơ đầu ra 45 kW khi đầy tải. Ở tải này hiệu suất của nó là 93% và hệ số công suất là 0,9 trễ. Nguồn có điện áp dây 400 V. Tìm dòng điện dây IL.

Pout = 45 kWη = 93%cos φ = 0,9VL = 400 V
IL = A
18.Công suất ba phaKhó
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Một tải ba pha cân bằng lấy 75 kW với hệ số công suất 0,7 trễ từ nguồn 400 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. Tìm tổng công suất phản kháng QC mà bộ tụ điện phải cung cấp, theo kvar.

P = 75 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,92VL = 400 Vf = 50 Hz
QC = kvar
19.Máy biến ápTrung bình
RL​ = 60 Ω2014600 VV2​I1​ = ?I2​

Một máy biến áp lý tưởng có tỉ số vòng dây N₁:N₂ = 20:1 được đặt 4600 V vào cuộn sơ cấp. Một điện trở 60 Ω được nối qua cuộn thứ cấp. Tìm dòng điện sơ cấp I1.

N1:N2 = 20:1V1 = 4600 VRL = 60 Ω
I1 = A
20.Máy biến ápKhó
pf 0,8100 kVA, 25% tải

Một máy biến áp một pha 100 kVA có tổn thất lõi 400 W và tổn thất đồng 1000 W ở tải định mức. Nó cấp 25% kVA định mức với hệ số công suất 0,8 trễ. Tìm tổng tổn thất Ploss theo watt ở tải này.

S = 100 kVAPcore = 400 WPcu,fl = 1000 Wx = 0,25pf = 0,8
Ploss = W
21.Mạch khuếch đại thuật toánTrung bình
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 22 kΩVin​

Chọn điện trở hồi tiếp Rf để bộ khuếch đại không đảo này có độ lợi điện áp bằng 3.

R1 = 22 kΩAv = 3
Rf = kΩ
22.Mạch khuếch đại thuật toánKhó
−+Vout​Rf​ = 1 kΩV1​ = 0,7 VR1​ = 2 kΩV2​ = −1,1 VR2​ = 1 kΩ

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

V1 = 0,7 VV2 = −1,1 VR1 = 2 kΩR2 = 1 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
23.Diode và transistorTrung bình
RC​ = 1,5 kΩβ = 150IC​ = ?RE​ = 680 ΩVCC​ = 15 VR1​ = 82 kΩR2​ = 12 kΩ

Một transistor NPN có β = 150 được phân cực bằng cầu chia áp từ VCC = 15 V: R₁ = 82 kΩ từ VCC đến cực nền và R₂ = 12 kΩ từ cực nền xuống đất. Điện trở cực thu là RC = 1,5 kΩ và điện trở cực phát là RE = 680 Ω. 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 = 15 VR1 = 82 kΩR2 = 12 kΩRC = 1,5 kΩRE = 680 Ωβ = 150
IC = mA
24.Diode và transistorKhó
+−≥ 18 VR = ?3,3 V≤ 50 mA

Một bộ ổn áp Zener 3,3 V phải cấp tới 50 mA cho tải. Đầu vào có thể giảm xuống 18 V, và Zener cần ít nhất 1 mA để ổn áp. Tìm điện trở nối tiếp lớn nhất Rmax để nó còn ổn áp.

Vin,min = 18 VVZ = 3,3 VIL,max = 50 mAIZ,min = 1 mA
Rmax = Ω
25.Hệ đếmTrung bình
Số bù hai 8 bit?−128?64?32?16?8?4?2?1

Viết −22 dưới dạng dãy số bù hai 8 bit. Đọc dãy đó như một số nhị phân không dấu: giá trị U của nó trong hệ thập phân là bao nhiêu?

N = −228 bit
U =
26.Hệ đếmKhó
nhấp vào các bit để đặt chúng012806403201608040201

Đặt các bit thành kết quả 8 bit của 1010 1111 << 3. Giá trị R của kết quả theo hệ thập phân là bao nhiêu?

1010 1111<< 3
R =
27.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopTrung bình
ABCD00011110000111101111111

Trong bìa Karnaugh này, đúng một số 1 không có số 1 kề, nên nó vẫn là một nhóm một ô (một minterm đầy đủ bốn literal) trong dạng SOP tối thiểu. Các ô kề qua mép bìa cũng được tính. Hãy nhấp vào ô đó.

F = Σm(0, 1, 5, 6, 8, 11, 15)
  1. 1AB = 00, CD = 00
  2. 2AB = 00, CD = 01
  3. 3AB = 00, CD = 11
  4. 4AB = 00, CD = 10
  5. 5AB = 01, CD = 00
  6. 6AB = 01, CD = 01
  7. 7AB = 01, CD = 11
  8. 8AB = 01, CD = 10
  9. 9AB = 11, CD = 00
  10. 10AB = 11, CD = 01
  11. 11AB = 11, CD = 11
  12. 12AB = 11, CD = 10
  13. 13AB = 10, CD = 00
  14. 14AB = 10, CD = 01
  15. 15AB = 10, CD = 11
  16. 16AB = 10, CD = 10
28.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopKhó
CLKD12345678

Một flip-flop D kích hoạt theo sườn lên bắt đầu với Q = 0 và nhận các đầu vào như hình tại 8 sườn lên của xung nhịp. Q đổi trạng thái bao nhiêu lần N?

Q₀ = 0D
N =
29.Biến đổi LaplaceTrung bình
ReIm−1−2−3−4−5−6−7−81

F(s) = 19/(s² + 12s + 35). Biến đổi ngược của nó có dạng f(t) = A·e−5t + B·e−7t. Tìm hệ số A bằng phân thức riêng.

F(s) = 19/(s² + 12s + 35)
A =
30.Biến đổi LaplaceKhó
t (s)y(t)t = 0,3y(0,3) = ?

Một hệ thống tuân theo y″ + 6y′ + 5y = 5·u(t). Nó bắt đầu từ trạng thái nghỉ (y(0) = 0, y′(0) = 0) và đầu vào là một bước u(t) = 1 với t ≥ 0. Dùng biến đổi Laplace để tìm đầu ra y(0,3).

y″ + 6y′ + 5y = 5·u(t)u(t) = 1y(0) = 0, y′(0) = 0t = 0,3 s
y(0.3) =
31.Sơ đồ khốiTrung bình
R(s)+K(s + 4)(s + 9)G(s)C(s)−

Đối tượng G(s) = K/((s + 4)(s + 9)) 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 + 4)(s + 9))hồi tiếp âm đơn vị
K =
32.Sơ đồ khốiKhó
R(s)+K(s + 2)(s + 5)(s + 6)G(s)C(s)−

Đối tượng G(s) = K/((s + 2)(s + 5)(s + 6)) nằm trong vòng hồi tiếp âm đơn vị. Tại độ lợi ổn định lớn nhất, vòng dao động. Tìm tần số dao động ω theo rad/s.

G(s) = K/((s + 2)(s + 5)(s + 6))hồi tiếp âm đơn vị
ω = rad/s
33.Đáp ứng bướcTrung bình
t (s)y(t)3

Một hệ có hàm truyền G(s) = 237/(s² + 10s + 79) và nhận tín hiệu vào là bước nhảy đơn vị. Tìm hệ số cản ζ.

G(s) = 237/(s² + 10s + 79)
ζ =
34.Đáp ứng bướcKhó
+−12 VR = 19 ΩL = 100 mHC = 100 µFvC​

Một mạch RLC nối tiếp với R = 19 Ω, L = 100 mH và C = 100 µF được nối với nguồn bước nhảy 12 V tại t = 0. Tụ điện chưa tích điện và không có dòng điện chạy trước bước nhảy. Tìm tần số riêng không tắt dần ωn theo rad/s.

R = 19 ΩL = 100 mHC = 100 µFV = 12 V
ωn = rad/s
35.Biểu đồ Bode và độ dự trữTrung bình
|H| (dB)0,10,1111010100100−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−90−450ω = 8

Tìm pha ∠G(jω) của G(s) = 22(s + 8)/(s(s + 10)) tại ω = 8 rad/s, theo độ.

G(s) = 22(s + 8)/(s(s + 10))ω = 8 rad/s
∠G(jω) = °
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) = 406/(s(s + 6)(s + 9)). Tìm độ dự trữ biên GM theo dB.

L(s) = 406/(s(s + 6)(s + 9))
GM = dB
37.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệmTrung bình
R(s)+Ks + 8(s − 4)(s + 2)C(s)−

Đối tượng G(s) = (s + 8)/((s − 4)(s + 2)) có một cực không ổn định tại s = 4. Một độ lợi tỉ lệ K đóng vòng phản hồi đơn vị quanh nó. Tìm độ lợi nhỏ nhất Kmin làm vòng kín ổn định.

G(s) = (s + 8)/((s − 4)(s + 2))
Kmin =
38.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệmKhó
ReIm−2−4−6−8−10−12−14−16j2j4

Quỹ đạo nghiệm của L(s) = K(s + 13)/(s(s + 8)) rời trục thực giữa s = 0 và s = −8, uốn vòng và nhập lại trục thực ở bên trái điểm không. Tìm điểm tách sb.

L(s) = K(s + 13)/(s(s + 8))
sb =
39.Sai số xác lập và điều khiển PIDTrung bình
r(t) = 1 + 2t+10s(s + 10)C(s)−

Đầu vào r(t) = 1 + 2t (một bước nhảy cộng một tín hiệu dốc) được đưa vào một vòng phản hồi đơn vị với G(s) = 10/(s(s + 10)). Tìm sai số xác lập ess.

G(s) = 10/(s(s + 10))r(t) = 1 + 2t
ess =
40.Sai số xác lập và điều khiển PIDKhó
R(s)+Kp​ + Ki​/s5s + 4C(s)−

Một bộ điều khiển PI C(s) = Kp + Ki/s điều khiển đối tượng G(s) = 5/(s + 4) trong một vòng phản hồi đơn vị. Vòng kín phải có ωₙ = 6 rad/s và ζ = 0,7. Tìm độ lợi tích phân Ki.

G(s) = 5/(s + 4)ωₙ = 6 rad/sζ = 0,7
Ki =

3Dung dịch

1.Điện trở nối tiếp và song song

Đáp số: IR1 = 1,054 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​ = 10 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​6 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 = 3 + 6 = 9 Ω
R2 ∥ 9 = 8·9/(8+9) = 4,235 Ω
Req = R1 + 4,235 = 10 + 4,235 = 14,24 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 = 15/14,24 = 1,054 A

Đáp số

IR1 = 1,054 A
2.Điện trở nối tiếp và song song

Đáp số: IR2 = 0,1208 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​ = 25 ΩR3​ = 5 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​20 ΩAR4​20 ΩBR6​6 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 = 8 + 6 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 8,235 Ω
R3 + 8,235 = 13,24 Ω
R2 ∥ 13,24 = 7,965 Ω
Req = R1 + 7,965 = 25 + 7,965 = 32,96 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 = 10/32,96 = 0,3034 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 = 10 − 0,3034·25 = 2,416 V
IR2 = VA/R2 = 2,416/20 = 0,1208 A

Đáp số

IR2 = 0,1208 A
3.Phương pháp điện thế nút

Đáp số: I3 = −2,259 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.

KCL tại nút A

Lấy dây phía dưới làm đất. Mỗi nhánh mang dòng (VA − Vk)/Rk ra khỏi A, trong đó Vk là điện áp của nguồn trong nhánh (bằng không với điện trở thuần). Tổng các dòng điện rời khỏi A bằng không.

(VA − 30)/3 + (VA − 24)/4 + (VA − 10)/6 = 0

Giải tìm VA

VA = (30/3 + 24/4 + 10/6) / (1/3 + 1/4 + 1/6) = 17,67/0,75 = 23,56 V

Dòng điện nhánh

Mũi tên hướng lên qua nhánh, vào nút A.

I3 = (10 − VA)/R3 = (10 − 23,56)/6 = −2,259 A

Đáp số

I3 = −2,259 A

Kết quả âm nghĩa là dòng điện thực chảy ngược chiều mũi tên.

4.Phương pháp điện thế nút

Đáp số: VA = 1,351 V

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

Các dòng điện rời khỏi A qua các điện trở bằng dòng điện do các nguồn đẩy vào A.

(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
0,5833·VA − 0,3333·VB = 0,5

KCL tại nút B

Nguồn phụ thuộc đẩy g·VA vào nút B. Hãy coi nó như nguồn độc lập, rồi chuyển số hạng VA sang vế trái.

(VB − VA)/R3 + VB/R4 = 0,2·VA
−0,5333·VA + 0,8333·VB = 0

Giải

Δ = (0,5833)(0,8333) − (−0,3333)(−0,5333) = 0,3083
VA = Δ1/Δ = 0,4167/0,3083 = 1,351 V
VB = Δ2/Δ = 0,2667/0,3083 = 0,8649 V

Đáp số

VA = 1,351 V
5.Phương pháp dòng điện mạch vòng

Đáp số: IR1 = 0,1304 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​ = 20 ΩR2​ = 6 Ω+−V1​9 VR3​6 ΩA+−V2​12 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
20·I1 + 6(I1 − I2) = 9
26·I1 − 6·I2 = 9

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
6·I2 + 6(I2 − I1) = (−12)
−6·I1 + 12·I2 = −12

Giải

Δ = (26)(12) − (−6)(−6) = 276
I1 = Δ1/Δ = 36/276 = 0,1304 A
I2 = Δ2/Δ = −258/276 = −0,9348 A

Đáp số

IR1 = I1 = 0,1304 A

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

6.Phương pháp dòng điện mạch vòng

Đáp số: IR4 = 0,3543 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​ = 3 ΩR2​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR4​20 ΩAR5​4 ΩB+−V2​10 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
3·I1 + 20(I1 − I2) = 10
23·I1 − 20·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 + 20(I2 − I1) + 4(I2 − I3) = 0
−20·I1 + 28·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
10·I3 + 4(I3 − I2) = (−10)
−4·I2 + 14·I3 = −10

Giải

Δ = định thức của ma trận hệ số = 3048
I1 = Δ1/Δ = 2960/3048 = 0,9711 A
I2 = Δ2/Δ = 1880/3048 = 0,6168 A
I3 = Δ3/Δ = −1640/3048 = −0,5381 A

Đáp số

IR4 = I1 − I2 = 0,3543 A

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

7.Nguyên lý xếp chồng

Đáp số: Is = 0,3 A

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 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAR4​12 ΩBHỞ MẠCH

Trường hợp 1 · V1 tác dụng riêng

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+12 = 18 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 12·18/(12+18) = 7,2 Ω
VA = 6·7,2/(8+7,2) = 2,842 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 2,842·12/18 = 1,895 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (2,842 − 1,895)/6 = 0,1579 A

Trường hợp 2 · Is tác dụng riêng

V₁ trở thành ngắn mạch, nên R₁ ∥ R₂ nối từ A xuống đất. Iₛ chia tại B giữa R₄ và nhánh R₃ + R₁∥R₂; phần qua R₃ chảy từ B đến A, ngược chiều mũi tên.

R1 ∥ R2 = 4,8 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·12/22,8 = −0,5263·Is

Cho tổng bằng không

IR3′ + IR3″ = 0,1579 − 0,5263·Is = 0
Is = 0,1579/0,5263 = 0,3 A

Đáp số

Is = 0,3 A
8.Nguyên lý xếp chồng

Đáp số: PR1 = 2,349 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​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​36 VR3​8 ΩAHỞ MẠCHBNGẮN MẠCH

Trường hợp 1 · chỉ V1 tác dụng

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) = 8 ∥ 14 = 5,091 Ω
VA = 36·5,091/(30+5,091) = 5,223 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 5,223·6/14 = 2,238 V
IR1′ = (V1 − VA)/R1 = (36 − 5,223)/30 = 1,026 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 ΩNGẮN MẠCHR3​8 ΩAIs​6 ABNGẮN MẠCH

Trường hợp 2 · chỉ Is tác dụng

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.

R1 ∥ R3 = 6,316 Ω, nên nhánh bên trái là R2+6,316 = 14,32 Ω
Req = R4 ∥ 14,32 = 4,228 Ω
VB = Is·Req = 6·4,228 = 25,37 V
VA = VB·6,316/14,32 = 11,19 V
IR1″ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 11,19)/30 = −0,3731 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 6 ΩNGẮN MẠCHR3​8 ΩAHỞ MẠCHB+−V2​36 V

Trường hợp 3 · chỉ V2 tác dụng

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

R1 ∥ R3 = 30·8/(30+8) = 6,316 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 36·14,32/20,32 = 25,37 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 25,37·6,316/14,32 = 11,19 V
IR1‴ = (V1 − VA)/R1 = (0 − 11,19)/30 = −0,3731 A

Cộng các phần đóng góp của dòng điện

IR1 = IR1′ + IR1″ + IR1‴ = 1,026 + (−0,3731) + (−0,3731) = 0,2798 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.

PR1 = IR1²·R1 = 0,2798²·30 = 2,349 W

Đáp số

PR1 = 2,349 W

Cộng công suất của các trường hợp riêng lẻ sẽ cho 39,92 W, là sai.

9.Thévenin và Norton

Đáp số: Vth = 2,571 V

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​ = 20 ΩR3​ = 8 ΩNGẮN MẠCHR2​8 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 = 20·8/(20+8) = 5,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 5,714 + 8 = 13,71 Ω
R1​ = 20 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAab+−Vth​

Tìm Vth, điện áp hở mạch

Khi a–b hở, không có dòng điện qua R₃, nên không có sụt áp trên nó và V_b = V_A. R₁ và R₂ tạo thành một cầu chia áp.

Vth = V1·R2/(R1+R2) = 9·8/(20+8) = 2,571 V
10.Thévenin và Norton

Đáp số: IN = 1,639 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​ = 8 ΩR3​ = 2 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 = 8·30/(8+30) = 6,316 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6,316 + 2 = 8,316 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​30 ΩAIs​0,5 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) = 9,474 + 0,5·6,316 = 12,63 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 12,63 + 0,5·2 = 13,63 V
IN​1,639 ARth​8,316 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 = 13,63/8,316 = 1,639 A
11.Quá độ RC và RL

Đáp số: τ = 168,7 ms

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.

Mạch tương đương Thévenin nhìn từ tụ điện

Ngắn mạch nguồn để tìm Rth; hở mạch tụ điện để tìm điện áp mà nó sẽ ổn định ở đó.

Rth = R1 ∥ R2 = 3,3·10/(3,3 + 10) = 2,481 kΩ
vC(∞) = 20·10/(3,3 + 10) = 15,04 V

Hằng số thời gian

τ = Rth·C = 2,481·68 = 168,7 ms

Đáp số

τ = 168,7 ms
12.Quá độ RC và RL

Đáp số: vC = 4,747 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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 22 µF = 72,6 ms
vC(t) = 5 + (3 − 5)·e−t/τ

Điện áp tại thời điểm đã cho

vC(150) = 5 + (−2)·e−150/72,6 = 4,747 V

Đáp số

vC = 4,747 V
13.Tổng trở xoay chiều và phasor

Đáp số: φ = −84,94 °

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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,2 = 75,4 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·2,2·10⁻⁶) = 1206 Ω

Tổng trở

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (−1130)²) = 1135 Ω

Góc pha

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−1130/100) = −84,94°

Đáp số

φ = −84,94°
14.Tổng trở xoay chiều và phasor

Đáp số: I = 0,1626 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,02 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·100·10⁻⁶) = 3,183 Ω

Tổng trở

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (59,65)²) = 61,51 Ω

Dòng điện

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

I = V/|Z| = 10/61,51 = 0,1626 A

Đáp số

I = 0,1626 A
15.Công suất xoay chiều và hệ số công suất

Đáp số: Q = 9 kvar

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.

Góc

φ = arccos(0,8) = 36,87°, tan φ = 0,75

Công suất phản kháng

Q = P·tan φ = 12·0,75 = 9 kvar

Đáp số

Q = 9 kvar
16.Công suất xoay chiều và hệ số công suất

Đáp số: C = 208,9 µF

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.

Công suất phản kháng trước và sau

Công suất tác dụng P không đổi; chỉ công suất phản kháng lấy từ nguồn thay đổi.

Q1 = P·tan φ1 = 5·tan(53,13°) = 6,667 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 5·tan(23,07°) = 2,13 kvar
QC = Q1 − Q2 = 4,537 kvar

Điện dung

Một tụ điện mắc qua nguồn cung cấp Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 4537/(2π·60·240²) = 208,9 µF

Đáp số

C = 208,9 µF
17.Công suất ba pha

Đáp số: IL = 77,6 A

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 điện đầu vào

Pin = Pout/η = 45/0,93 = 48,39 kW

Dòng điện đường dây

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 48387/(√3·400·0,9) = 77,6 A

Đáp số

IL = 77,6 A
18.Công suất ba pha

Đáp số: QC = 44,57 kvar

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 = 75·tan(acos 0,7) = 75·1,02 = 76,52 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,92) = 75·0,426 = 31,95 kvar

Công suất phản kháng từ các tụ điện

QC = Q1 − Q2 = 44,57 kvar

Đáp số

QC = 44,57 kvar
19.Máy biến áp

Đáp số: I1 = 0,1917 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 = 4600/20 = 230 V
I2 = 230/60 = 3,833 A

Dòng điện sơ cấp

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

I1 = I2/20 = 0,1917 A

Đáp số

I1 = 0,1917 A

Kiểm tra: tải nhìn từ sơ cấp là a²·RL = 24000 Ω, và 4600/24000 cho cùng dòng điện.

20.Máy biến áp

Đáp số: Ploss = 462,5 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 = 0,0625·1000 = 62,5 W

Tổng tổn thất

Tổn thất lõi như nhau ở mọi tải.

Ploss = 400 + 62,5 = 462,5 W

Đáp số

Ploss = 462,5 W

Hiệu suất ở tải này là η = 97,74%.

21.Mạch khuếch đại thuật toán

Đáp số: Rf = 44 kΩ

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 lợi của bộ khuếch đại không đảo

V₋ = V₊ = Vin, và dòng điện qua R₁ cũng chạy qua Rf, nên Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).

Av = 1 + Rf/R1
Rf = (3 − 1)·22 = 44 kΩ

Đáp số

Rf = 44 kΩ
22.Mạch khuếch đại thuật toán

Đáp số: Vout = 0,75 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 = 0,7/2 = 0,35 mA
I2 = V2/R2 = −1,1/1 = −1,1 mA
If = I1 + I2 = −0,75 mA

Điện áp ngõ ra

Vout = −Rf·If = −1·(−0,75) = 0,75 V

Đáp số

Vout = 0,75 V
23.Diode và transistor

Đáp số: IC = 1,611 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 = 15·12/(82 + 12) = 1,915 V
RTH = 82·12/(82 + 12) = 10,47 kΩ

Dòng điện cực nền

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

IB = (1,915 − 0,7)/(10,47 + 151·0,68) = 10,74 µA

Dòng điện cực thu

IC = 150·10,74 µA = 1,611 mA
IE = 151·10,74 µA = 1,621 mA

Đáp số

IC = 1,611 mA
24.Diode và transistor

Đáp số: Rmax = 288,2 Ω

Bộ ổn áp Zener: một diode Zener phân cực ngược giữ điện áp VZ của nó trong khi dòng điện còn trên mức tối thiểu IZ,min. Điện trở nối tiếp R nhận phần chênh lệch giữa đầu vào và đầu ra: IR = (Vin − VZ)/R. Dòng điện đó chia giữa tải, IL = VZ/RL, và Zener: IZ = IR − IL. Thiết kế cho các trường hợp xấu nhất: đầu vào thấp nhất với tải lớn nhất vẫn phải còn lại IZ,min, và đầu vào cao nhất khi không tải cho công suất Zener lớn nhất PZ = VZ·IZ.

Dòng điện trường hợp xấu nhất

IR = 50 + 1 = 51 mA

Điện trở lớn nhất

Rmax = 14,7/0,051 = 288,2 Ω

Đáp số

Rmax = 288,2 Ω
25.Hệ đếm

Đáp số: U = 234

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.

Đảo bit và cộng một

22 = 0001 0110
đã đảo: 1110 1001
+1 → 1110 1010

Đọc như số không dấu

1110 1010₂ = 256 − 22 = 234

Đáp số

U = 234
26.Hệ đếm

Đáp số: R = 120

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.

Từng bit một

Dịch trái 3 vị trí di chuyển mọi bit 3 vị trí sang trái; các bit rơi ra khỏi đầu bên trái bị mất và các số không đi vào ở bên phải.

1010 1111 << 3
= 0111 1000

Giá trị của kết quả

0111 1000₂ = 120

Đáp số

R = 120
27.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop

Đáp số: AB = 01, CD = 10

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.

Các ô kề của mỗi số 1

Một số 1 có số 1 kề có thể thuộc một nhóm hai ô hoặc lớn hơn.

m6: m7, m4, m2, m14 → 0
ABCD00011110000111101111111

Số 1 cô lập

m6 = A′BCD′ → AB = 01, CD = 10

Đáp số

AB = 01, CD = 10
28.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop

Đáp số: N = 3

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.

Q sau mỗi sườn

Một flip-flop D sao chép D ở mỗi sườn lên: Q⁺ = D.

1: D = 0 → Q = 0
2: D = 1 → Q = 1
3: D = 1 → Q = 1
4: D = 1 → Q = 1
5: D = 0 → Q = 0
6: D = 0 → Q = 0
7: D = 1 → Q = 1
8: D = 1 → Q = 1

Đếm các lần thay đổi

0 → 0 → 1 → 1 → 1 → 0 → 0 → 1 → 1
N = 3

Đáp số

N = 3
29.Biến đổi Laplace

Đáp số: A = 9,5

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).

Phân tích mẫu số thành nhân tử

s² + 12s + 35 = (s + 5)(s + 7)
F(s) = A/(s + 5) + B/(s + 7)

Quy tắc che

Nhân với (s + 5) và đặt s = −5: số hạng B biến mất.

A = 19/(s + 7) |s = −5 = 19/2 = 9,5

Đáp số

A = 9,5
(B = −9,5, nên f(t) = 9,5·e−5t − 9,5·e−7t)
30.Biến đổi Laplace

Đáp số: y(0.3) = 0,1298

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

Y(s) = 5/(s(s + 1)(s + 5))

Phân thức riêng

A = 5/(1·5) = 1
B = 5/((−1)·4) = −1,25
C = 5/((−5)·(−4)) = 0,25

Lượng ra

y(t) = 1 − 1,25·e−t + 0,25·e−5t
y(0,3) = 0,1298

Đáp số

y(0,3) = 0,1298
31.Sơ đồ khối

Đáp số: K = 6,25

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 + 4)(s + 9)) = 0 → s² + 13s + 36 + K = 0

Nghiệm kép

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

13² = 4(36 + K) → K = 169/4 − 36 = 6,25

Đáp số

K = 6,25
Khi đó cả hai cực vòng kín đều tại s = −6,5.
32.Sơ đồ khối

Đáp số: ω = 7,211 rad/s

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

s³ + 13s² + 52s + 60 + K = 0

Bảng Routh

s³ | 1 52
s² | 13 60 + K
s¹ | (13·52 − 60 − K)/13
s⁰ | 60 + K

Giới hạn ổn định

Mọi phần tử của cột đầu tiên phải dương.

Kmax = 13·52 − 60 = 616

Tần số dao động

13·(jω)² + 60 + 616 = 0 → ω² = 676/13 = 52
ω = 7,211 rad/s

Đáp số

ω = 7,211 rad/s
33.Đáp ứng bước

Đáp số: ζ = 0,5625

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 = 79 → ωₙ = 8,888 rad/s
2ζωₙ = 10 → ζ = 10/(2·8,888) = 0,5625

Kết quả

ζ = 0,5625

Đáp số

ζ = 0,5625
34.Đáp ứng bước

Đáp số: ωn = 316,2 rad/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).

Tần số riêng và hệ số tắt dần

ωₙ = 1/√(LC) = 1/√(0,1·1 × 10⁻⁴) = 316,2 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (19/2)·√(1 × 10⁻⁴/0,1) = 0,3004

Kết quả

ωₙ = 316,2 rad/s

Đáp số

ωn = 316,2 rad/s
35.Biểu đồ Bode và độ dự trữ

Đáp số: ∠G(jω) = −83,66 °

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.

Cộng các góc

∠G = atan(8/8) − 90° − atan(8/10) = 45° − 90° − 38,66°

Kết quả

∠G(j8) = −83,66°

Đáp số

∠G(jω) = −83,66°
36.Biểu đồ Bode và độ dự trữ

Đáp số: GM = 5,999 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/6)·(ω/9) = 1 → ω180 = √(6·9) = 7,348 rad/s

Độ lớn tại tần số cắt pha

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 36)·√(ω² + 81)) = K/(6·9·(6 + 9)) = K/810

Độ dự trữ biên

GM = 20·log₁₀(810/406) = 5,999 dB

Đáp số

GM = 5,999 dB
37.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm

Đáp số: Kmin = 2

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.

Đa thức đặc trưng

(s − 4)(s + 2) + K(s + 8) = s² + (-2 + K)s + (8K − 8)

Các điều kiện

Với s² + c₁s + c₀ mọi nghiệm nằm ở nửa mặt phẳng trái khi và chỉ khi c₁ > 0 và c₀ > 0.

-2 + K > 0 → K > 2
8K − 8 > 0 → K > 1
Kmin = 2

Đáp số

Kmin = 2
38.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm

Đáp số: sb = −4,938

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.

Độ lợi dọc theo trục thực

K(s) = −(s² + 8s)/(s + 13)

Các điểm dừng

Lấy đạo hàm bằng quy tắc thương và đặt tử số bằng không.

(2s + 8)(s + 13) − (s² + 8s) = s² + 26s + 104 = 0
s = −13 ± √65 = −4,938, −21,06

Điểm tách

sb = −4,938

Đáp số

sb = −4,938

Giữa hai điểm tách/nhập, quỹ đạo là một đường tròn tâm tại điểm không, với bán kính √65 = 8,062.

39.Sai số xác lập và điều khiển PID

Đáp số: ess = 2

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 vận tốc

Kv = lim s·G(s) = 1

Phần bước nhảy

Kp = ∞ → estep = 0

Sai số tín hiệu dốc

ess = 2/1 = 2

Đáp số

ess = 2
40.Sai số xác lập và điều khiển PID

Đáp số: Ki = 7,2

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

1 + C(s)G(s) = 0, nhân với s(s + 4).

s² + (4 + 5Kp)s + 5Ki

Đa thức mục tiêu

s² + 2·0,7·6s + 6² = s² + 8,4s + 36

Cân bằng các hệ số

5Ki = 36 → Ki = 7,2

Đáp số

Ki = 7,2

Thành phần tích phân làm vòng thành loại 1, nên một bước nhảy được bám theo mà không có sai số xác lập.

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