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
Bắt đầu từ đầu của mạng xa các cực nhất.
Gộp các điện trở nối tiếp bằng cách cộng chúng, và các điện trở song song bằng 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Vẽ lại mạch sau mỗi bước.
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
Chọn một nút tham chiếu (đất) và đặt tên cho các điện thế nút còn lại.
Viết định luật Kirchhoff về dòng tại mỗi nút chưa biết: dòng đi ra qua mỗi nhánh bằng dòng đi vào.
Biểu diễn mọi dòng nhánh dưới dạng (Va − Vb)/R.
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
Vẽ một dòng điện theo chiều kim đồng hồ trong mỗi mạch vòng (ô) của mạch.
Áp dụng định luật Kirchhoff về điện áp quanh mỗi mạch vòng: tổng các sụt áp bằng không.
Trong điện trở chung của hai mạch vòng, dòng điện là hiệu của hai dòng mạch vòng.
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
Đếm các nguồn độc lập. Bạn sẽ giải một mạch đơn giản hơn cho mỗi nguồn.
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).
Giải mạch đơn giản hơn để tìm điện áp hoặc dòng điện bạn cần, theo dõi chiều của nó.
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
Bỏ tải ra và đánh dấu hai cực a và b.
Tìm điện áp hở mạch giữa a và b: đây là Vth.
Tắt mọi nguồn độc lập và tìm điện trở nhìn từ a–b: đây là Rth.
Đặt lại tải vào mạch tương đương: Vth nối tiếp với Rth.
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
Tìm giá trị ban đầu ngay sau khi đóng cắt: điện áp tụ điện và dòng điện cuộn cảm không thể nhảy vọt.
Tìm giá trị cuối rất lâu sau khi đóng cắt: tụ điện hoạt động như hở mạch, cuộn cảm như ngắn mạch.
Tìm hằng số thời gian: τ = RC hoặc τ = L/R, dùng điện trở mà tụ điện hoặc cuộn cảm nhìn thấy.
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
Đổi tần số: ω = 2πf.
Tìm từng điện kháng: XL = ωL và XC = 1/(ωC).
Cộng các tổng trở như điện trở, với Z = R + jX.
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
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.
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.
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.
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
Viết đa thức đặc trưng vòng kín: mẫu số của 1 + K·G(s) = 0, sau khi nhân ra.
Đặt các hệ số xen kẽ vào hai hàng đầu tiên của bảng Routh và lập các hàng còn lại.
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.
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
Đếm các cực của vòng hở C(s)·G(s) tại s = 0: đó là loại của hệ.
Tính hằng số sai số khớp với đầu vào: Kp cho bước nhảy, Kv cho tín hiệu dốc, Ka cho parabol.
Áp dụng ess = A/(1 + Kp), A/Kv hay A/Ka, hoặc giải nó theo độ lợi bạn cần.
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
Tìm dòng điện IR2 qua R2.
V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
2.Điện trở nối tiếp và song songKhó
Tìm điện trở tương đương Req mà nguồn V1 nhìn thấy.
Một mạch điện trở tuyến tính có một nguồn áp Vs và một nguồn dòng Is. Dòng điện I qua điện trở tải được đo hai lần: với Vs = 2 V và Is = 5 mA, I = 1,75 mA; với Vs = 12 V và Is = 5 mA, I = 16,75 mA. Tìm dòng tải I khi Vs = 2 V và Is = 4 mA.
2 V, 5 mA → 1,75 mA12 V, 5 mA → 16,75 mAVs = 2 V, Is = 4 mA
I = mA
8.Nguyên lý xếp chồngKhó
Dùng nguyên lý xếp chồng để tìm dòng điện IR3 chạy qua R3 theo chiều mũi tên.
Cuộn cảm không có dòng điện trước khi khóa đóng tại t = 0. Tìm năng lượng W(∞) tích trữ trong cuộn cảm khi mạch đã ổn định, theo mJ.
Vs = 6 VR = 50 ΩL = 68 mH
W(∞) = mJ
12.Quá độ RC và RLKhó
Một mạch định thời bắt đầu nạp một tụ điện chưa tích điện qua một điện trở từ nguồn 9 V tại t = 0. Nó phải kích hoạt khi điện áp tụ điện đạt 6,75 V, đúng 25 ms sau khi bắt đầu. Với C = 47 µF, tìm điện trở R cần thiết.
Vs = 9 VVth = 6,75 VT = 25 msC = 47 µF
R = kΩ
13.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
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 = 60 ΩL = 150 mHC = 1 µF
I = A
14.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
Một mạch RLC nối tiếp có R = 15 Ω, L = 2 mH và C = 0,022 µF. Tìm hệ số phẩm chất Q của nó tại cộng hưởng.
R = 15 ΩL = 2 mHC = 0,022 µF
Q =
15.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
Một động cơ một pha tiêu thụ 12 kW với hệ số công suất 0,65 trễ từ nguồn 240 V. Tìm công suất phản kháng Q mà nó tiêu thụ.
P = 12 kWpf = 0,65V = 240 V
Q = kvar
16.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtKhó
Một tải một pha tiêu thụ 30 kW với hệ số công suất 0,8 trễ từ nguồn 400 V, 50 Hz. Một tụ điện mắc song song nâng hệ số công suất lên 0,95. Tìm dòng điện đường dây mới Inew.
P = 30 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95V = 400 Vf = 50 Hz
Inew = A
17.Công suất ba phaTrung bình
Một tải nối sao (Y) cân bằng có tổng trở 8 + j6 Ω mỗi pha được nối với nguồn ba pha cân bằng có điện áp dây 415 V. Tìm tổng công suất tác dụng P mà tải hấp thụ, theo kW.
VL = 415 VZ = 8 + j6 Ω mỗi pha
P = kW
18.Công suất ba phaKhó
Một tải ba pha cân bằng lấy 80 kW với hệ số công suất 0,72 trễ từ nguồn 690 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 0,98 trễ. Công suất tác dụng giữ nguyên. Các tụ điện được nối sao (Y). Tìm điện dung Cph của mỗi tụ theo µF.
P = 80 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,98VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.Máy biến ápTrung bình
Một máy biến áp lý tưởng có tỉ số vòng dây N₁:N₂ = 5:1 được đặt 1200 V vào cuộn sơ cấp. Một điện trở 60 Ω được nối qua cuộn thứ cấp. Tìm dòng điện sơ cấp I1.
N1:N2 = 5:1V1 = 1200 VRL = 60 Ω
I1 = A
20.Máy biến ápKhó
Một máy biến áp một pha 200 kVA có tổn thất lõi 1200 W. Ở tải định mức và hệ số công suất 0,8 trễ, hiệu suất của nó là 97%. Tìm tổn thất đồng ở đầy tải Pcu,fl theo watt.
S = 200 kVAPcore = 1200 Wpf = 0,8η = 97%
Pcu,fl = W
21.Mạch khuếch đại thuật toánTrung bình
Chọn điện trở hồi tiếp Rf để bộ khuếch đại không đảo này có độ lợi điện áp bằng 5.
R1 = 2 kΩAv = 5
Rf = kΩ
22.Mạch khuếch đại thuật toánKhó
Hai tầng op-amp lý tưởng được mắc nối tiếp: một mạch khuếch đại đảo (R1, Rf1) theo sau là một mạch khuếch đại không đảo (R2 nối đất, Rf2 trong hồi tiếp). Cả hai chạy từ nguồn ±15 V. Đầu vào là Vin = 0,95 V. Tìm điện áp đầu ra Vout.
Một transistor NPN có β = 50 được phân cực bằng điện trở nền RB = 680 kΩ từ nguồn VCC = 12 V. Điện trở cực thu là RC = 4,7 kΩ và cực phát được nối đất. Lấy VBE = 0,7 V và giả sử transistor ở vùng tích cực. Tìm điện áp cực thu–cực phát VCE.
VCC = 12 VRB = 680 kΩRC = 4,7 kΩβ = 50VBE = 0,7 V
VCE = V
24.Diode và transistorKhó
Một diode được mô hình hóa bằng 0,65 V nối tiếp với 5 Ω (nó dẫn khi trên 0,65 V). Nó mắc nối tiếp với một điện trở 470 Ω qua nguồn 9 V. Tìm dòng điện làm việc ID tại nơi đường diode gặp đường tải.
Vs = 9 VR = 470 ΩV0 = 0,65 Vrd = 5 Ω
ID = mA
25.Hệ đếmTrung bình
Đặt các bit để lưu −119 theo bù hai 8 bit. Đọc như một số không dấu, giá trị U của mẫu là bao nhiêu?
N = −1198 bit
U =
26.Hệ đếmKhó
Một ảnh không nén có kích thước 640 × 480 điểm ảnh với 24 bit mỗi điểm ảnh. Nó chiếm bao nhiêu bộ nhớ M, tính theo KiB (1 KiB = 1024 byte)?
640 × 480 px24 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
27.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopTrung bình
Hãy dùng bìa Karnaugh để tìm dạng tổng các tích (SOP) tối thiểu của F(A, B, C) = Σm(2, 4, 7). Nó có bao nhiêu số hạng tích N?
F(A, B, C) = Σm(2, 4, 7)
N =
28.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopKhó
Một bộ đếm mod-10 được xây dựng từ số flip-flop tối thiểu. Có bao nhiêu trạng thái U trong các trạng thái có thể có không bao giờ được dùng?
N = 10
U =
29.Biến đổi LaplaceTrung bình
Tìm f(t) cho F(s) = (4s + 29)/(s² + 2s + 1) và tính f(0,8).
F(s) = (4s + 29)/(s² + 2s + 1)t = 0,8 s
f(0.8) =
30.Biến đổi LaplaceKhó
Một hệ thống tuân theo y″ + 5y′ + 6y = 12·u(t), với y(0) = 5 và y′(0) = 0. Tại t = 0 một đầu vào bước u(t) = 1 được đặt vào. Dùng biến đổi Laplace để tìm y(0,25).
Một vòng hồi tiếp âm đơn vị có G(s) = 11(s + 6)/((s + 2)(s + 9)). Một bậc thang có độ lớn 2 được đặt vào tín hiệu chuẩn. Tìm sai số xác lập ess.
G(s) = 11(s + 6)/((s + 2)(s + 9))R = 2
ess =
32.Sơ đồ khốiKhó
Đối tượng G(s) = 34/(s(s + 6)) nằm trong vòng hồi tiếp âm với độ lợi cảm biến H = 2. Các cực vòng kín là số phức. Tìm phần thực σ của chúng.
G(s) = 34/(s(s + 6))H = 2
σ =
33.Đáp ứng bướcTrung bình
Một hệ có hàm truyền G(s) = 36/(s² + 4s + 36) và nhận tín hiệu vào là bước nhảy đơn vị. Tìm tần số riêng ωn theo rad/s.
G(s) = 36/(s² + 4s + 36)
ωn = rad/s
34.Đáp ứng bướcKhó
Một vòng hồi tiếp âm đơn vị có G(s) = 60/(s(s + 6)). Tìm thời gian xác lập 2 % ts của đáp ứng bước vòng kín, dùng ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 60/(s(s + 6))
ts = s
35.Biểu đồ Bode và độ dự trữTrung bình
bộ lọc thông thấp RC trong hình có R = 3,3 kΩ, C = 47 nF. Một tín hiệu vào hình sin 2,1 kHz được đặt vào. Tìm độ lệch pha φ của vout so với vin, theo độ.
R = 3,3 kΩC = 47 nFf = 2,1 kHz
φ = °
36.Biểu đồ Bode và độ dự trữKhó
Một vòng hồi tiếp đơn vị có hàm truyền vòng hở L(s) = 1440/(s(s + 20)). Tìm độ dự trữ pha PM theo độ.
L(s) = 1440/(s(s + 20))
PM = °
37.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệmTrung bình
Một vòng phản hồi đơn vị có L(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 6)), với K > 0. Tìm độ lợi lớn nhất Kmax mà vòng kín còn ổn định.
L(s) = K/((s + 2)(s + 4)(s + 6))
Kmax =
38.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệmKhó
Với vòng L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10)), tìm độ lợi K đặt một cực vòng kín tại s = −2,5.
L(s) = K/(s(s + 3)(s + 10))s = −2,5
K =
39.Sai số xác lập và điều khiển PIDTrung bình
Một vòng phản hồi đơn vị có G(s) = K/((s + 5)(s + 10)). Tìm độ lợi K cho sai số xác lập 5 % với đầu vào bước nhảy.
G(s) = K/((s + 5)(s + 10))ess = 5 %
K =
40.Sai số xác lập và điều khiển PIDKhó
Một bộ điều khiển PD C(s) = 8 + Kd·s điều khiển đối tượng G(s) = 10/(s(s + 3)) trong một vòng phản hồi đơn vị. Tìm độ lợi vi phân Kd cho vòng kín có tỷ số cản ζ = 0,9.
G(s) = 10/(s(s + 3))Kp = 8ζ = 0,9
Kd = s
3Dung dịch
1.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR2 = 0,9722 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.
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 = 4 + 12 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 15·16/(15+16) = 7,742 Ω
Req = R1 + 7,742 = 5 + 7,742 = 12,74 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 = 24/12,74 = 1,884 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 = 24 − 1,884·5 = 14,58 V
IR2 = VA/R2 = 14,58/15 = 0,9722 A
Đáp số
IR2 = 0,9722 A
2.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 13,13 Ω
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.
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 = 12 + 4 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 6,154 Ω
R3 + 6,154 = 31,15 Ω
R2 ∥ 31,15 = 10,13 Ω
Req = R1 + 10,13 = 3 + 10,13 = 13,13 Ω
Đáp số
Req = 13,13 Ω
3.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: VB = 4,688 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.
Lập siêu nút
Nguồn áp giữa A và B mang một dòng điện chưa biết, nên không thể viết KCL riêng tại A hoặc B. Hãy bao A, B và nguồn thành một siêu nút: dòng điện đi vào nó bằng dòng điện đi ra.
VB = VA + Vs = VA + 5
VA/R1 + VB/R2 = Is
Giải
VA/5 + (VA + 5)/3 = 1,5
VA = (1,5 − 5/3)/(1/5 + 1/3) = −0,3125 V
VB = −0,3125 + 5 = 4,688 V
Đáp số
VB = 4,688 V
4.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: Is = 3,89 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
VA đã biết, nên phương trình này cho VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(29,5 − 36)/25 + 29,5/30 = (VB − 29,5)/3
0,7233 = (VB − 29,5)/3 → VB = 31,67 V
KCL tại nút B
Các dòng điện rời khỏi B qua các điện trở bằng dòng điện do các nguồn đẩy vào B.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (31,67 − 29,5)/3 + 31,67/10 = 3,89 A
Đáp số
Is = 3,89 A
5.Phương pháp dòng điện mạch vòng
Đáp số: I1 = 1,548 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.
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
3·I1 + 5(I1 − I2) = 24
8·I1 − 5·I2 = 24
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
2·I2 + 5(I2 − I1) = (−24)
−5·I1 + 7·I2 = −24
Giải
Δ = (8)(7) − (−5)(−5) = 31
I1 = Δ1/Δ = 48/31 = 1,548 A
I2 = Δ2/Δ = −72/31 = −2,323 A
Đáp số
I1 = 1,548 A
Dòng điện mạch vòng âm chạy ngược chiều kim đồng hồ.
6.Phương pháp dòng điện mạch vòng
Đáp số: I3 = −1,405 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.
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
10·I1 + 2(I1 − I2) = 5
12·I1 − 2·I2 = 5
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
2·I2 + 2(I2 − I1) + 10(I2 − I3) = 0
−2·I1 + 14·I2 − 10·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
4·I3 + 10(I3 − I2) = (−10)
−10·I2 + 14·I3 = −10
Giải
Δ = định thức của ma trận hệ số = 1096
I1 = Δ1/Δ = 280/1096 = 0,2555 A
I2 = Δ2/Δ = −1060/1096 = −0,9672 A
I3 = Δ3/Δ = −1540/1096 = −1,405 A
Đáp số
I3 = −1,405 A
Dòng điện mạch vòng âm chạy ngược chiều kim đồng hồ.
7.Nguyên lý xếp chồng
Đáp số: I = 2 mA
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.
Viết đáp ứng dưới dạng tổng các phần đóng góp
Mỗi phần đóng góp tỉ lệ với nguồn của nó, với một hằng số chỉ phụ thuộc vào các điện trở.
I = k₁·Vs + k₂·Is
2·k₁ + 5·k₂ = 1,75
12·k₁ + 5·k₂ = 16,75
Giải tìm các hằng số
Δ = (2)(5) − (5)(12) = −50
k₁ = Δ1/Δ = −75/−50 = 1,5
k₂ = Δ2/Δ = 12,5/−50 = −0,25
k₁ = 1,5 mA/V, k₂ = −0,25
Dự đoán dòng điện mới
I = 1,5·2 + (−0,25)·4 = 2 mA
Đáp số
I = 2 mA
8.Nguyên lý xếp chồng
Đáp số: IR3 = 0,2872 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.
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 ∥ 15 = 5,217 Ω
VA = 9·5,217/(5+5,217) = 4,596 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 4,596·3/15 = 0,9191 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (4,596 − 0)/8 = 0,5745 A
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 = 3,077 Ω, nên nhánh bên trái là R2+3,077 = 15,08 Ω
Req = R4 ∥ 15,08 = 2,502 Ω
VB = Is·Req = 0,5·2,502 = 1,251 V
VA = VB·3,077/15,08 = 0,2553 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (0,2553 − 0)/8 = 0,03191 A
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 = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−15)·15,08/18,08 = −12,51 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −12,51·3,077/15,08 = −2,553 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−2,553 − 0)/8 = −0,3191 A
Cộng các thành phần
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,5745 + 0,03191 + (−0,3191) = 0,2872 A
Kết quả âm có nghĩa là thực tế dòng điện chạy ngược chiều mũi tên.
9.Thévenin và Norton
Đáp số: IN = 0,144 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.
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 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,158 + 10 = 13,16 Ω
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) = 9·4/(15+4) = 1,895 V
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 = 1,895/13,16 = 0,144 A
10.Thévenin và Norton
Đáp số: IL = 2,271 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.
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 = 10·3/(10+3) = 2,308 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,308 + 5 = 7,308 Ω
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) = 5,538 + 4·2,308 = 14,77 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 14,77 + 4·5 = 34,77 V
Nối tải vào mạch tương đương Thévenin
Nguồn Thévenin nối tiếp với R_th hoạt động giống hệt mạch gốc tại a–b, nên tải thấy một mạch vòng nối tiếp đơn giản.
IL = Vth/(Rth + RL) = 34,77/(7,308 + 8) = 2,271 A
11.Quá độ RC và RL
Đáp số: W(∞) = 0,4896 mJ
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 = 68 mH / 50 Ω = 1,36 ms
i(∞) = Vs/R = 6/50 = 0,12 A
Năng lượng tích trữ
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·68·0,12² = 0,4896 mJ
Đáp số
W(∞) = 0,4896 mJ
12.Quá độ RC và RL
Đáp số: R = 0,3837 kΩ
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 cần thiết
6,75 = 9·(1 − e−25/τ) → τ = 25/ln(9/(9 − 6,75))
τ = 25/1,386 = 18,03 ms
Điện trở
kΩ nhân µF cho ra mili giây.
R = τ/C = 18,03/47 = 0,3837 kΩ
Đáp số
R = 0,3837 kΩ
13.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: I = 0,06087 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 = 3142·0,15 = 471,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·1·10⁻⁶) = 318,3 Ω
Tổng trở
Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như số phức: Z = R + j(XL − XC).
Cùng một dòng điện chạy qua mọi phần tử của mạch nối tiếp.
I = V/|Z| = 10/164,3 = 0,06087 A
Đáp số
I = 0,06087 A
14.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: Q = 20,1
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|.
Tần số cộng hưởng
f0 = 1/(2π·√(0,002·0,022·10⁻⁶)) = 23994 Hz
Hệ số phẩm chất
Q so sánh điện kháng tại cộng hưởng với điện trở: Q = ω₀L/R.
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(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169
Công suất phản kháng
Q = P·tan φ = 12·1,169 = 14,03 kvar
Đáp số
Q = 14,03 kvar
16.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: Inew = 78,95 A
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 = 30·tan(36,87°) = 22,5 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 30·tan(18,19°) = 9,861 kvar
QC = Q1 − Q2 = 12,64 kvar
Dòng điện đường dây mới
Inew = P/(V·cos φ2) = 30000/(400·0,95) = 78,95 A
Đáp số
Inew = 78,95 A
17.Công suất ba pha
Đáp số: P = 13,78 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.
Điện áp pha
Vph = 415/√3 = 239,6 V
Dòng điện pha
|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 239,6/10 = 23,96 A
Tổng công suất tác dụng
Chỉ phần điện trở của mỗi tổng trở hấp thụ công suất tác dụng.
P = 3·Iph²·R = 3·23,96²·8 = 13,78 kW
Đáp số
P = 13,78 kW
Kiểm tra: cos φ = R/|Z| = 0,8, và √3·VL·IL·cos φ cho cùng công suất.
18.Công suất ba pha
Đáp số: Cph = 406,9 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 = 80·tan(acos 0,72) = 80·0,9639 = 77,11 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,98) = 80·0,2031 = 16,24 kvar
Công suất phản kháng từ các tụ điện
QC = Q1 − Q2 = 60,86 kvar
Điện dung mỗi pha
Trong bộ nối sao (Y), mỗi tụ được nối giữa một dây pha và điểm sao.
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 = 1200/5 = 240 V
I2 = 240/60 = 4 A
Dòng điện sơ cấp
Máy biến áp lý tưởng không có tổn thất: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/5 = 0,8 A
Đáp số
I1 = 0,8 A
Kiểm tra: tải nhìn từ sơ cấp là a²·RL = 1500 Ω, và 1200/1500 cho cùng dòng điện.
20.Máy biến áp
Đáp số: Pcu,fl = 3748 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.
Công suất ra và công suất vào
Pout = 200·0,8 = 160 kW
Pin = 160000/0,97 = 164948 W
Tổng tổn thất và tổn thất đồng
Ploss = 164948 − 160000 = 4948 W
Pcu,fl = 4948 − 1200 = 3748 W
Đáp số
Pcu,fl = 3748 W
21.Mạch khuếch đại thuật toán
Đáp số: Rf = 8 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 = (5 − 1)·2 = 8 kΩ
Đáp số
Rf = 8 kΩ
22.Mạch khuếch đại thuật toán
Đáp số: Vout = −3,8 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 của mỗi tầng
A1 = −Rf1/R1 = −2/1 = −2
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 100/100 = 2
Từng tầng một
V1 = −2·0,95 = −1,9 V
Vout = 2·(−1,9) = −3,8 V
Đáp số
Vout = −3,8 V
23.Diode và transistor
Đáp số: VCE = 8,095 V
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 LED và diode: một LED phân cực thuận sụt xấp xỉ điện áp thuận VF của nó (khoảng 2 V với đỏ, 3 V với xanh dương hoặc trắng), bất kể dòng điện. Một điện trở nối tiếp đặt dòng điện: R = (Vs − n·VF)/I cho n LED nối tiếp. Với mô hình diode chính xác hơn V = V₀ + I·rd, điểm làm việc là nơi đường diode gặp đường tải I = (Vs − V)/R, nên I = (Vs − V₀)/(R + rd).
Kết hợp hai phương trình
9 = 0,65 + I·(470 + 5)
Dòng điện làm việc
ID = 8,35/475 = 17,58 mA
VD = 0,65 + 0,01758·5 = 0,7379 V
Đáp số
ID = 17,58 mA
25.Hệ đếm
Đáp số: U = 137
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
119 = 0111 0111
đã đảo: 1000 1000
+1 → 1000 1001
Đọc như số không dấu
1000 1001₂ = 256 − 119 = 137
Đáp số
U = 137
26.Hệ đếm
Đáp số: M = 900 KiB
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.
Bit và byte
640·480·24 = 7372800 bit = 921600 B
Đổi sang KiB
921600/1024 = 900 KiB
Đáp số
M = 900 KiB
27.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: N = 3
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.
Nhóm các số 1
Mỗi nhóm là một hình chữ nhật gồm 2ᵏ ô; các ô ở mép kề với các ô ở mép đối diện.
A′BC′
AB′C′
ABC
Dạng SOP tối thiểu
F = A′BC′ + AB′C′ + ABC
N = 3
Đáp số
N = 3
28.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: U = 6
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.
Số flip-flop
2ⁿ ≥ 10 → n = 4 (2⁴ = 16)
Các trạng thái không dùng
U = 16 − 10 = 6
Đáp số
U = 6
29.Biến đổi Laplace
Đáp số: f(0.8) = 10,78
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 + 2s + 1 = (s + 1)²
Phân thức riêng
4s + 29 = 4(s + 1) + 25
F(s) = 4/(s + 1) + 25/(s + 1)²
Biến đổi ngược
f(t) = 4·e−t + 25·t·e−t
f(0,8) = (4 + 25·0,8)·e−0,8 = 10,78
Đáp số
f(0,8) = 10,78
30.Biến đổi Laplace
Đáp số: y(0.25) = 4,625
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 + 5s + 6)·Y(s) = 5s + 25 + 12/s
Y(s) = (5s² + 25s + 12)/(s(s + 2)(s + 3))
Phân thức riêng
A = 12/(2·3) = 2
B = −18/((−2)·1) = 9
C = −18/((−3)·(−1)) = −6
Kết quả
y(t) = 2 + 9·e−2t − 6·e−3t
y(0,25) = 4,625
Đáp số
y(0,25) = 4,625
Kiểm tra: y(0) = A + B + C = 5.
31.Sơ đồ khối
Đáp số: ess = 0,4286
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).
Hằng số sai số vị trí
Kₚ = G(0) = 11·6/(2·9) = 3,667
Sai số xác lập
ess = A/(1 + Kₚ) = 2/(1 + 3,667) = 0,4286
Đáp số
ess = 0,4286
32.Sơ đồ khối
Đáp số: σ = −3
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
s(s + 6) + 34·2 = 0 → s² + 6s + 68 = 0
Các nghiệm
s = −3 ± j·√(68 − 9) = −3 ± j7,681
σ = −3
Đáp số
σ = −3
33.Đáp ứng bước
Đáp số: ωn = 6 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).
So sánh với dạng chuẩn
Mẫu số phải khớp với s² + 2ζωₙs + ωₙ².
ωₙ² = 36 → ωₙ = 6 rad/s
2ζωₙ = 4 → ζ = 4/(2·6) = 0,3333
Kết quả
ωₙ = 6 rad/s
Đáp số
ωn = 6 rad/s
34.Đáp ứng bước
Đáp số: ts = 1,333 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).
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: φ = −63,96 °
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 góc
ωc = 1/(RC) = 1/(3300·4,7 × 10⁻⁸) = 6447 rad/s
fc = 1026 Hz → f/fc = 2100/1026 = 2,046
Pha
φ = − atan(2,046) = −63,96°
Đáp số
φ = −63,96°
36.Biểu đồ Bode và độ dự trữ
Đáp số: PM = 29,46 °
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 biên
ω⁴ + 400ω² − 2,074 × 10⁶ = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·2,074 × 10⁶))/2 = 1254
ωc = 35,41 rad/s
Độ dự trữ pha
∠L(jωc) = −90° − atan(35,41/20) = −150,5°
PM = 180° + ∠L = 29,46°
Đáp số
PM = 29,46°
37.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm
Đáp số: Kmax = 480
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
s³ + 12s² + 44s + 48 + K = 0
Bảng Routh
s³: 1, 44
s²: 12, 48 + K
s¹: (12·44 − 48 − K)/12
s⁰: 48 + K
Điều kiện
Phần tử s¹ phải giữ dương.
K < 12·44 − 48 = 480
Đáp số
Kmax = 480
Tại giới hạn vòng dao động ở ω = √44 = 6,633 rad/s.
38.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm
Đáp số: K = 9,375
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.
Điều kiện biên độ
K = |s|·|s + 3|·|s + 10|
Tính tại điểm đó
K = 2,5·0,5·7,5 = 9,375
Đáp số
K = 9,375
Kiểm tra: s(s + 3)(s + 10) + K bằng không tại s = −2,5.
39.Sai số xác lập và điều khiển PID
Đáp số: K = 950
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) = 0,05 → Kp = 19
Độ khuếch đại
K/50 = 19 → K = 950
Đáp số
K = 950
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: Kd = 1,31 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 + 3) + 10(8 + Kds) = s² + (3 + 10Kd)s + 80
Tần số riêng
ωₙ = √80 = 8,944 rad/s
Độ lợi vi phân
3 + 10Kd = 2·0,9·8,944 = 16,1
Kd = 1,31 s
Đáp số
Kd = 1,31 s
Thành phần vi phân thêm sự cản mà không làm đổi ωₙ.
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.