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​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​8 ΩB

Tìm điện trở tương đương Req mà nguồn V1 nhìn thấy.

V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
2.Điện trở nối tiếp và song songKhó
R1​ = 25 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​4 ΩBR6​3 Ω

Tìm điện trở tương đương Req mà nguồn V1 nhìn thấy.

V1 = 15 VR1 = 25 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 4 ΩR5 = 15 ΩR6 = 3 Ω
Req = Ω
3.Phương pháp điện thế nútTrung bình
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​10 ΩBIs​4 A

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

V1 = 15 VIs = 4 AR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 12 ΩR4 = 10 Ω
IR1 = A
4.Phương pháp điện thế nútKhó
R1​ = 8 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAR4​10 ΩBIs​?

Nguồn dòng được điều chỉnh cho đến khi điện áp nút tại A là VA = 20 V. Dùng phương pháp điện thế nút để tìm dòng nguồn Is (chiều như hình).

V1 = 24 VR1 = 8 ΩR2 = 10 ΩR3 = 5 ΩR4 = 10 ΩVA = 20 V
Is = A
5.Phương pháp dòng điện mạch vòngTrung bình
R1​ = 12 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​12 VR3​4 ΩA+−V2​18 VI1​I2​

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

V1 = 12 VV2 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
I1 = A
6.Phương pháp dòng điện mạch vòngKhó
R1​ = 4 ΩIR1​R2​ = 25 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR4​8 ΩAR5​12 ΩB+−V2​9 VI1​I2​I3​

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

V1 = 12 VV2 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 25 ΩR3 = 5 ΩR4 = 8 ΩR5 = 12 Ω
IR1 = A
7.Nguyên lý xếp chồngTrung bình
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩIR2​AR4​20 ΩBIs​3 A

Dùng nguyên lý xếp chồng để tìm dòng điện IR2 chạy qua R2 theo chiều mũi tên.

V1 = 30 VIs = 3 AR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 6 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
8.Nguyên lý xếp chồngKhó
R1​ = 30 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​5 VR3​15 ΩIR3​AIs​2,5 AB−+V2​24 V

Dùng nguyên lý xếp chồng để tìm dòng điện IR3 chạy qua R3 theo chiều mũi tên.

V1 = 5 VIs = 2,5 AV2 = 24 VR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩR4 = 6 Ω
IR3 = A
9.Thévenin và NortonTrung bình
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​10 ΩAab

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

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
10.Thévenin và NortonKhó
R1​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAIs​4 ABRL​12 ΩIL​

Một tải RL = 12 Ω được nối giữa a–b. Dùng mạch tương đương Thévenin để tìm công suất PL tải nhận được.

V1 = 30 VIs = 4 AR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩR3 = 25 ΩRL = 12 Ω
PL = W
11.Quá độ RC và RLTrung bình
+−Vs​10 Vt = 0R = 15 ΩL33 mHi(t)

Cuộn cảm không có dòng điện trước khi khóa đóng tại t = 0. Tìm dòng điện i tại t = 5 ms.

Vs = 10 VR = 15 ΩL = 33 mHt = 5 ms
i = A
12.Quá độ RC và RLKhó
+−Vs​12 Vt = 0R = 4,7 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

Ngay trước khi khóa đóng tại t = 0, tụ điện giữ 2 V với cực tính như hình. Tìm điện áp tụ điện vC tại t = 80 ms.

Vs = 12 VR = 4,7 kΩC = 68 µFvC(0) = 2 Vt = 80 ms
vC = V
13.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
24 V200 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 10 µFI

Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 24 V (hiệu dụng), 200 Hz. Tìm dòng điện hiệu dụng I.

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 10 µF
I = A
14.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
VfR = 20 ΩL = 5 mHC = 0,47 µF

Một mạch RLC nối tiếp có R = 20 Ω, L = 5 mH và C = 0,47 µF. Tìm độ rộng băng thông B (độ rộng của dải giữa các tần số nửa công suất), theo Hz.

R = 20 ΩL = 5 mHC = 0,47 µF
B = Hz
15.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
240 VR + jXP = 3648 W19 A

Một tải cảm kháng lấy 19 A và 3648 W từ nguồn một pha 240 V (hiệu dụng). Mô hình hóa nó như một điện trở R nối tiếp với một điện kháng X. Tìm X.

V = 240 VI = 19 AP = 3648 W
X = Ω
16.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtKhó
400 V60 Hztải15 kW, 0,6C100 µFI

Một tải một pha lấy 15 kW với hệ số công suất 0,6 trễ pha từ nguồn 400 V, 60 Hz. Một tụ điện 100 µF được mắc song song với tải. Tìm hệ số công suất mới cos φ mà nguồn nhìn thấy.

P = 15 kWpf1 = 0,6V = 400 Vf = 60 HzC = 100 µF
cos φ =
17.Công suất ba phaTrung bình
ABCVL​ = 415 VIL​ = ?M22 kW, η = 92%cos φ = 0,88

Một động cơ cảm ứng ba pha cho công suất cơ đầu ra 22 kW khi đầy tải. Ở tải này hiệu suất của nó là 92% và hệ số công suất là 0,88 trễ. Nguồn có điện áp dây 415 V. Tìm dòng điện dây IL.

Pout = 22 kWη = 92%cos φ = 0,88VL = 415 V
IL = A
18.Công suất ba phaKhó
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Một tải ba pha cân bằng lấy 200 kW với hệ số công suất 0,65 trễ từ nguồn 400 V (điện áp dây), 60 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. Tìm tổng công suất phản kháng QC mà bộ tụ điện phải cung cấp, theo kvar.

P = 200 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.Máy biến ápTrung bình
RL​ = 60 Ω21480 VV2​I1​ = ?I2​

Một máy biến áp lý tưởng có tỉ số vòng dây N₁:N₂ = 2:1 được đặt 480 V vào cuộn sơ cấp. Một điện trở 60 Ω được nối qua cuộn thứ cấp. Tìm dòng điện sơ cấp I1.

N1:N2 = 2:1V1 = 480 VRL = 60 Ω
I1 = A
20.Máy biến ápKhó
pf 0,95150 kVA, η = 96%

Một máy biến áp một pha 150 kVA có tổn thất lõi 900 W. Ở tải định mức và hệ số công suất 0,95 trễ, hiệu suất của nó là 96%. Tìm tổn thất đồng ở đầy tải Pcu,fl theo watt.

S = 150 kVAPcore = 900 Wpf = 0,95η = 96%
Pcu,fl = W
21.Mạch khuếch đại thuật toánTrung bình
−+Vout​Rf​ = ?R1​ = 2 kΩVin​

Chọn điện trở hồi tiếp Rf để bộ khuếch đại không đảo này có độ lợi điện áp bằng 10.

R1 = 2 kΩAv = 10
Rf = kΩ
22.Mạch khuếch đại thuật toánKhó
Vin​V1​Vout​tầng 1: đảoR1​ = 10 kΩRf1​ = 22 kΩtầng 2: không đảoR2​ = 2 kΩRf2​ = 10 kΩ

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. Tìm độ khuếch đại điện áp tổng Av = Vout/Vin.

R1 = 10 kΩRf1 = 22 kΩR2 = 2 kΩRf2 = 10 kΩ
Av =
23.Diode và transistorTrung bình
RC​ = 2,2 kΩβ = 80RE​ = 1,5 kΩVCC​ = 20 VR1​ = 56 kΩR2​ = 22 kΩ

Một transistor NPN có β = 80 được phân cực bằng cầu chia áp từ VCC = 20 V: R₁ = 56 kΩ từ VCC đến cực nền và R₂ = 22 kΩ từ cực nền xuống đất. Điện trở cực thu là RC = 2,2 kΩ và điện trở cực phát là RE = 1,5 kΩ. Lấy VBE = 0,7 V và dùng mạch tương đương Thévenin của cầu chia áp (không bỏ qua dòng điện cực nền). Tìm điện áp cực thu–cực phát VCE.

VCC = 20 VR1 = 56 kΩR2 = 22 kΩRC = 2,2 kΩRE = 1,5 kΩβ = 80
VCE = V
24.Diode và transistorKhó
+−≤ 24 V270 Ω9,1 V

Một bộ ổn áp Zener 9,1 V có điện trở nối tiếp 270 Ω. Đầu vào có thể tăng đến 24 V, và tải có thể bị ngắt. Tìm công suất lớn nhất PZ,max mà Zener phải tiêu tán.

Vin,max = 24 VVZ = 9,1 VR = 270 Ω
PZ,max = mW
25.Hệ đếmTrung bình
giá trị vị trí trong số bù hai0−12806413201608040211

Dãy 8 bit 0010 0001 lưu một số nguyên có dấu dưới dạng số bù hai. Giá trị N của nó trong hệ thập phân là bao nhiêu?

0010 00018 bit
N =
26.Hệ đếmKhó
Bù hai 16 bit, N = ??dấu???????????????

Số nguyên âm nhất N có thể lưu trong số bù hai 16 bit là bao nhiêu?

16 bit
N =
27.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopTrung bình
ABCD00011110000111101111

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, 3, 14)
  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
CLKT123456

Một flip-flop T kích hoạt theo sườn lên bắt đầu với Q = 0 và nhận các đầu vào như hình. Hãy nhấp vào sườn xung nhịp đầu tiên mà Q chuyển từ 1 về lại 0.

Q₀ = 0T
  1. 1sườn xung nhịp 1
  2. 2sườn xung nhịp 2
  3. 3sườn xung nhịp 3
  4. 4sườn xung nhịp 4
  5. 5sườn xung nhịp 5
  6. 6sườn xung nhịp 6
29.Biến đổi LaplaceTrung bình
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−30,51

Tìm f(t) cho F(s) = 5/(s² + 6s + 10) bằng cách hoàn thành bình phương, và tính f(0,2).

F(s) = 5/(s² + 6s + 10)t = 0,2 s
f(0.2) =
30.Biến đổi LaplaceKhó
t (s)y(t)t = 0,2y(0,2) = ?

Giải y″ + 11y′ + 30y = 0 với y(0) = 6 và y′(0) = 15 bằng biến đổi Laplace, và tìm y(0,2).

y″ + 11y′ + 30y = 0y(0) = 6y′(0) = 15t = 0,2 s
y(0.2) =
31.Sơ đồ khốiTrung bình
R(s)+Ks(s + 2)G(s)C(s)−

Đối tượng G(s) = K/(s(s + 2)) nằm trong vòng hồi tiếp âm đơn vị. Tìm độ lợi K để vòng kín tắt dần tới hạn (hai cực thực bằng nhau).

G(s) = K/(s(s + 2))hồi tiếp âm đơn vị
K =
32.Sơ đồ khốiKhó
R(s)+8bộ điều khiển+D(s)+5s + 4đối tượngC(s)−

Một bộ điều khiển tỷ lệ K = 8 điều khiển đối tượng G(s) = 5/(s + 4) trong vòng hồi tiếp âm đơn vị. Một nhiễu D đi vào đầu vào của đối tượng (được cộng vào đầu ra bộ điều khiển). Với R = 0, một bậc thang nhiễu có độ lớn 0,5 được đặt vào. Tìm đầu ra xác lập css.

K = 8G(s) = 5/(s + 4)D = 0,5R = 0
css =
33.Đáp ứng bướcTrung bình
t (s)y(t)1

Một hệ có hàm truyền G(s) = 22/(s² + 5s + 22) và nhận tín hiệu vào là bước nhảy đơn vị. Tìm hệ số cản ζ.

G(s) = 22/(s² + 5s + 22)
ζ =
34.Đáp ứng bướcKhó
+−5 VR = 46 ΩL = 100 mHC = 47 µFvC​

Một mạch RLC nối tiếp với R = 46 Ω, L = 100 mH và C = 47 µF được nối với nguồn bước nhảy 5 V tại t = 0. Tụ điện chưa tích điện và không có dòng điện chạy trước bước nhảy. Tìm điện áp đỉnh của tụ điện vC,max.

R = 46 ΩL = 100 mHC = 47 µFV = 5 V
vC,max = V
35.Biểu đồ Bode và độ dự trữTrung bình
|H| (dB)11101010010010001000−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−135−90−450ω = 20

Tìm pha ∠G(jω) của G(s) = 31(s + 16)/(s(s + 13)) tại ω = 20 rad/s, theo độ.

G(s) = 31(s + 16)/(s(s + 13))ω = 20 rad/s
∠G(jω) = °
36.Biểu đồ Bode và độ dự trữKhó
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−200204060ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−270−180−900ω180​

Một vòng hồi tiếp đơn vị có hàm truyền vòng hở L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10)). Tìm độ khuếch đại K cho độ dự trữ biên 2 dB.

L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))GM = 2 dB
K =
37.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệmTrung bình
R(s)+Ks + 1(s − 1)(s + 5)C(s)−

Đối tượng G(s) = (s + 1)/((s − 1)(s + 5)) có một cực không ổn định tại s = 1. 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 + 1)/((s − 1)(s + 5))
Kmin =
38.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệmKhó
ReIm−0,5−1−1,5−2−2,5−3−3,5−4−4,5−50,5j0,5j1

Quỹ đạo nghiệm của L(s) = K/(s(s + 2)(s + 4)) rời trục thực giữa s = 0 và s = −2. Tìm điểm tách sb.

L(s) = K/(s(s + 2)(s + 4))
sb =
39.Sai số xác lập và điều khiển PIDTrung bình
r(t) = 2 + 5t+20s(s + 2)C(s)−

Đầu vào r(t) = 2 + 5t (một bước nhảy cộng một tín hiệu dốc) được đưa vào một vòng phản hồi đơn vị với G(s) = 20/(s(s + 2)). Tìm sai số xác lập ess.

G(s) = 20/(s(s + 2))r(t) = 2 + 5t
ess =
40.Sai số xác lập và điều khiển PIDKhó
R(s)+K = 105s(s + 4)C(s)−

Một bộ điều khiển tỉ lệ K = 10 điều khiển đối tượng G(s) = 5/(s(s + 4)) trong một vòng phản hồi đơn vị. Tìm thời gian xác lập 2 % ts của đáp ứng bước, dùng ts ≈ 4/(ζωₙ).

G(s) = 5/(s(s + 4))K = 10
ts = s

3Dung dịch

1.Điện trở nối tiếp và song song

Đáp số: Req = 5 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.

R1​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​8 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 = 4 + 8 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 4·12/(4+12) = 3 Ω
Req = R1 + 3 = 2 + 3 = 5 Ω

Đáp số

Req = 5 Ω
2.Điện trở nối tiếp và song song

Đáp số: Req = 26,77 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.

R1​ = 25 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​15 VR2​2 ΩAR4​4 ΩBR6​3 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 = 15 + 3 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 3,273 Ω
R3 + 3,273 = 15,27 Ω
R2 ∥ 15,27 = 1,768 Ω
Req = R1 + 1,768 = 25 + 1,768 = 26,77 Ω

Đáp số

Req = 26,77 Ω
3.Phương pháp điện thế nút

Đáp số: IR1 = 2,865 A

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

R1​ = 4 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​4 ΩAR4​10 ΩBIs​4 A

Thiết lập các nút

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

KCL tại nút A

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

VA/R2 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R3 = 0
VA/4 + (VA − 15)/4 + (VA − VB)/12 = 0
0,5833·VA − 0,08333·VB = 3,75

KCL tại nút B

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

VB/R4 + (VB − VA)/R3 = Is
VB/10 + (VB − VA)/12 = (−4)
−0,08333·VA + 0,1833·VB = −4

Giải

Δ = (0,5833)(0,1833) − (−0,08333)(−0,08333) = 0,1
VA = Δ1/Δ = 0,3542/0,1 = 3,542 V
VB = Δ2/Δ = −2,021/0,1 = −20,21 V

Đáp số

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (15 − 3,542)/4 = 2,865 A
4.Phương pháp điện thế nút

Đáp số: Is = 4,25 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
(20 − 24)/8 + 20/10 = (VB − 20)/5
1,5 = (VB − 20)/5 → VB = 27,5 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 = (27,5 − 20)/5 + 27,5/10 = 4,25 A

Đáp số

Is = 4,25 A
5.Phương pháp dòng điện mạch vòng

Đáp số: I1 = 0,587 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​ = 12 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​12 VR3​4 ΩA+−V2​18 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
12·I1 + 4(I1 − I2) = 12
16·I1 − 4·I2 = 12

KVL quanh mạch vòng 2

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

R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
20·I2 + 4(I2 − I1) = (−18)
−4·I1 + 24·I2 = −18

Giải

Δ = (16)(24) − (−4)(−4) = 368
I1 = Δ1/Δ = 216/368 = 0,587 A
I2 = Δ2/Δ = −240/368 = −0,6522 A

Đáp số

I1 = 0,587 A

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

6.Phương pháp dòng điện mạch vòng

Đáp số: IR1 = 1,035 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​ = 4 ΩR2​ = 25 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​12 VR4​8 ΩAR5​12 ΩB+−V2​9 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
4·I1 + 8(I1 − I2) = 12
12·I1 − 8·I2 = 12

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
25·I2 + 8(I2 − I1) + 12(I2 − I3) = 0
−8·I1 + 45·I2 − 12·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
5·I3 + 12(I3 − I2) = (−9)
−12·I2 + 17·I3 = −9

Giải

Δ = định thức của ma trận hệ số = 6364
I1 = Δ1/Δ = 6588/6364 = 1,035 A
I2 = Δ2/Δ = 336/6364 = 0,0528 A
I3 = Δ3/Δ = −3132/6364 = −0,4921 A

Đáp số

IR1 = I1 = 1,035 A

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

7.Nguyên lý xếp chồng

Đáp số: IR2 = 2,767 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​ = 6 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​20 ΩBHỞ MẠCH

Trường hợp 1 · chỉ V1 tác dụng

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

R3+R4 = 6+20 = 26 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 8·26/(8+26) = 6,118 Ω
VA = 30·6,118/(6+6,118) = 15,15 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 15,15·20/26 = 11,65 V
IR2′ = (VA − 0)/R2 = (15,15 − 0)/8 = 1,893 A
R1​ = 6 ΩR3​ = 6 ΩNGẮN MẠCHR2​8 ΩAR4​20 ΩBIs​3 A

Trường hợp 2 · chỉ Is tác dụng

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

R1 ∥ R2 = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 20 ∥ 9,429 = 6,408 Ω
VB = Is·Req = 3·6,408 = 19,22 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 19,22·3,429/9,429 = 6,99 V
IR2″ = (VA − 0)/R2 = (6,99 − 0)/8 = 0,8738 A

Cộng các thành phần

IR2 = IR2′ + IR2″
IR2 = 1,893 + 0,8738 = 2,767 A

Kết quả âm có nghĩa là thực tế dòng điện chạy ngược chiều mũi tên.

8.Nguyên lý xếp chồng

Đáp số: IR3 = −0,8571 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​ = 30 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 6 Ω+−V1​5 VR3​15 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) = 15 ∥ 18 = 8,182 Ω
VA = 5·8,182/(30+8,182) = 1,071 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 1,071·6/18 = 0,3571 V
IR3′ = (VA − 0)/R3 = (1,071 − 0)/15 = 0,07143 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 6 ΩNGẮN MẠCHR3​15 ΩAIs​2,5 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 = 10 Ω, nên nhánh bên trái là R2+10 = 22 Ω
Req = R4 ∥ 22 = 4,714 Ω
VB = Is·Req = (−2,5)·4,714 = −11,79 V
VA = VB·10/22 = −5,357 V
IR3″ = (VA − 0)/R3 = (−5,357 − 0)/15 = −0,3571 A
R1​ = 30 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 6 ΩNGẮN MẠCHR3​15 ΩAHỞ MẠCHB−+V2​24 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 = 30·15/(30+15) = 10 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−24)·22/28 = −18,86 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −18,86·10/22 = −8,571 V
IR3‴ = (VA − 0)/R3 = (−8,571 − 0)/15 = −0,5714 A

Cộng các thành phần

IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = 0,07143 + (−0,3571) + (−0,5714) = −0,8571 A

Kết quả âm có nghĩa là thực tế dòng điện chạy ngược chiều mũi tên.

9.Thévenin và Norton

Đáp số: IN = 0,96 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​ = 15 ΩR3​ = 4 ΩNGẮN MẠCHR2​10 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 = 15·10/(15+10) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 4 = 10 Ω
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​10 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) = 24·10/(15+10) = 9,6 V
IN​0,96 ARth​10 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 = 9,6/10 = 0,96 A
10.Thévenin và Norton

Đáp số: PL = 131,1 W

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​ = 5 ΩR3​ = 25 ΩNGẮN MẠCHR2​10 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 = 5·10/(5+10) = 3,333 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,333 + 25 = 28,33 Ω
R1​ = 5 ΩR3​ = 25 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAIs​4 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) = 20 + 4·3,333 = 33,33 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 33,33 + 4·25 = 133,3 V
Rth​ = 28,33 Ω+−Vth​133,3 VRL​12 ΩIL​

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) = 133,3/(28,33 + 12) = 3,306 A
PL = IL²·RL = 3,306²·12 = 131,1 W
11.Quá độ RC và RL

Đáp số: i = 0,598 A

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

Hằng số thời gian và dòng điện cuối

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

τ = L/R = 33 mH / 15 Ω = 2,2 ms
i(∞) = Vs/R = 10/15 = 0,6667 A

Dòng điện tại thời điểm đã cho

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,6667·(1 − e−5/2,2) = 0,598 A

Đáp số

i = 0,598 A
12.Quá độ RC và RL

Đáp số: vC = 4,214 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) = 2 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 68 µF = 319,6 ms
vC(t) = 12 + (2 − 12)·e−t/τ

Điện áp tại thời điểm đã cho

vC(80) = 12 + (−10)·e−80/319,6 = 4,214 V

Đáp số

vC = 4,214 V
13.Tổng trở xoay chiều và phasor

Đáp số: I = 0,09683 A

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

Điện kháng

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,25 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·10·10⁻⁶) = 79,58 Ω

Tổng trở

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (234,6)²) = 247,8 Ω

Dòng điện

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

I = V/|Z| = 24/247,8 = 0,09683 A

Đáp số

I = 0,09683 A
14.Tổng trở xoay chiều và phasor

Đáp số: B = 636,6 Hz

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·√(0,005·0,47·10⁻⁶)) = 3283 Hz

Hệ số phẩm chất

Q so sánh điện kháng tại cộng hưởng với điện trở: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/20)·√(0,005/(0,47·10⁻⁶)) = 5,157

Băng thông

B = f0/Q = 3283/5,157 = 636,6 Hz

Đáp số

B = 636,6 Hz
15.Công suất xoay chiều và hệ số công suất

Đáp số: X = 7,579 Ω

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.

Điện trở từ công suất thực

R = P/I² = 3648/19² = 10,11 Ω

Điện kháng từ trở kháng

|Z| = V/I = 240/19 = 12,63 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(12,63² − 10,11²) = 7,579 Ω

Đáp số

X = 7,579 Ω
16.Công suất xoay chiều và hệ số công suất

Đáp số: cos φ = 0,7318

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 = 15·tan(arccos 0,6) = 20 kvar
QC = V²·2πf·C = 400²·2π·60·100·10⁻⁶ = 6032 var = 6,032 kvar
Q2 = 20 − 6,032 = 13,97 kvar

Công suất biểu kiến mới

S2 = √(15² + 13,97²) = 20,5 kVA

Hệ số công suất mới

cos φ = P/S2 = 15/20,5 = 0,7318

Đáp số

cos φ = 0,7318
17.Công suất ba pha

Đáp số: IL = 37,8 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 = 22/0,92 = 23,91 kW

Dòng điện đường dây

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 23913/(√3·415·0,88) = 37,8 A

Đáp số

IL = 37,8 A
18.Công suất ba pha

Đáp số: QC = 193,2 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 = 200·tan(acos 0,65) = 200·1,169 = 233,8 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0,98) = 200·0,2031 = 40,61 kvar

Công suất phản kháng từ các tụ điện

QC = Q1 − Q2 = 193,2 kvar

Đáp số

QC = 193,2 kvar
19.Máy biến áp

Đáp số: I1 = 2 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 = 480/2 = 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 = I2/2 = 2 A

Đáp số

I1 = 2 A

Kiểm tra: tải nhìn từ sơ cấp là a²·RL = 240 Ω, và 480/240 cho cùng dòng điện.

20.Máy biến áp

Đáp số: Pcu,fl = 5038 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 = 150·0,95 = 142,5 kW
Pin = 142500/0,96 = 148438 W

Tổng tổn thất và tổn thất đồng

Ploss = 148438 − 142500 = 5938 W
Pcu,fl = 5938 − 900 = 5038 W

Đáp số

Pcu,fl = 5038 W
21.Mạch khuếch đại thuật toán

Đáp số: Rf = 18 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 = (10 − 1)·2 = 18 kΩ

Đáp số

Rf = 18 kΩ
22.Mạch khuếch đại thuật toán

Đáp số: Av = −13,2

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 = −22/10 = −2,2
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 10/2 = 6

Độ khuếch đại tổng

Av = A1·A2 = −2,2·6 = −13,2

Đáp số

Av = −13,2
23.Diode và transistor

Đáp số: VCE = 9,293 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 tương đương Thévenin của cầu chia áp

VTH = 20·22/(56 + 22) = 5,641 V
RTH = 56·22/(56 + 22) = 15,79 kΩ

Dòng điện cực nền

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

IB = (5,641 − 0,7)/(15,79 + 81·1,5) = 35,99 µA

Dòng điện cực thu

IC = 80·35,99 µA = 2,879 mA
IE = 81·35,99 µA = 2,915 mA

Điện áp cực thu–cực phát

VCE = 20 − 2,879·2,2 − 2,915·1,5 = 9,293 V

Đáp số

VCE = 9,293 V
24.Diode và transistor

Đáp số: PZ,max = 502,2 mW

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 Zener trường hợp xấu nhất

IZ = 14,9/270 = 55,19 mA

Công suất Zener

PZ = 9,1·55,19 = 502,2 mW

Đáp số

PZ,max = 502,2 mW
25.Hệ đếm

Đáp số: N = 33

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.

Cộng các giá trị vị trí

Các bit còn lại giữ giá trị dương thông thường.

32 + 1 = 33

Đáp số

N = 33
26.Hệ đếm

Đáp số: N = −32768

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

Giá trị âm nhất

−215 = −32768

Đáp số

N = −32768
27.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop

Đáp số: AB = 11, 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.

m14: m15, m12, m10, m6 → 0
ABCD00011110000111101111

Số 1 cô lập

m14 = ABCD′ → AB = 11, CD = 10

Đáp số

AB = 11, CD = 10
28.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop

Đáp số: sườn xung nhịp 5

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 T đảo ở mỗi sườn lên khi T = 1 và giữ nguyên khi T = 0.

1: T = 0 → Q = 0
2: T = 1 → Q = 1
3: T = 0 → Q = 1
4: T = 0 → Q = 1
5: T = 1 → Q = 0
6: T = 1 → Q = 1

Lần đầu tiên đổi từ 1 xuống 0

sườn xung nhịp 5

Đáp số

sườn xung nhịp 5
29.Biến đổi Laplace

Đáp số: f(0.2) = 0,5452

Biến đổi Laplace: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt biến đạo hàm thành phép nhân với s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Các cặp chuẩn: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), và phép dịch s → s + σ nhân hàm theo thời gian với e−σt. Để biến đổi ngược một F(s) hữu tỉ, hãy tách thành các phân thức riêng: thặng dư của cực đơn p là A = [(s − p)·F(s)] tại s = p. Định lý giá trị cuối: f(∞) = lims→0 s·F(s), chỉ đúng khi mọi cực của s·F(s) nằm trong nửa mặt phẳng trái. Định lý giá trị đầu: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).

Hoàn thành bình phương

s² + 6s + 10 = (s + 3)² + 1 = (s + 3)² + 1²

Ghép tử số

F(s) = (5/1)·1/((s + 3)² + 1²)

Biến đổi ngược

f(t) = e−3t·(5·sin 1t)
f(0,2) = e−3·0,2·(5·sin(1·0,2)) = 0,5452

Đáp số

f(0,2) = 0,5452
30.Biến đổi Laplace

Đáp số: y(0.2) = 5,208

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

s²Y − 6s − 15 + 11(sY − 6) + 30Y = 0
Y(s) = (6s + 81)/((s + 5)(s + 6))

Phân thức riêng

A = 51/1 = 51
B = 45/(−1) = −45

Kết quả

y(t) = 51·e−5t − 45·e−6t
y(0,2) = 5,208

Đáp số

y(0,2) = 5,208

Kiểm tra: y(0) = A + B = 6.

31.Sơ đồ khối

Đáp số: K = 1

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

Phương trình đặc trưng

1 + K/(s(s + 2)) = 0 → s² + 2s + K = 0

Nghiệm kép

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

2² = 4K → K = 4/4 = 1

Đáp số

K = 1
Khi đó cả hai cực vòng kín đều tại s = −1.
32.Sơ đồ khối

Đáp số: css = 0,05682

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

Hàm truyền

C/D = G/(1 + K·G) = 5/(s + 4 + 40)

Trạng thái ổn định

css = 0,5·5/44 = 0,05682

Đáp số

css = 0,05682

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

33.Đáp ứng bước

Đáp số: ζ = 0,533

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 = 22 → ωₙ = 4,69 rad/s
2ζωₙ = 5 → ζ = 5/(2·4,69) = 0,533

Kết quả

ζ = 0,533

Đáp số

ζ = 0,533
34.Đáp ứng bước

Đáp số: vC,max = 5,821 V

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/√(0,1·4,7 × 10⁻⁵) = 461,3 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (46/2)·√(4,7 × 10⁻⁵/0,1) = 0,4986

Kết quả

%OS = 16,41 %
vC,max = 5·(1 + 0,1641) = 5,821 V

Đáp số

vC,max = 5,821 V
35.Biểu đồ Bode và độ dự trữ

Đáp số: ∠G(jω) = −95,64 °

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(20/16) − 90° − atan(20/13) = 51,34° − 90° − 56,98°

Kết quả

∠G(j20) = −95,64°

Đáp số

∠G(jω) = −95,64°
36.Biểu đồ Bode và độ dự trữ

Đáp số: K = 595,7

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/5)·(ω/10) = 1 → ω180 = √(5·10) = 7,071 rad/s

Độ lớn tại tần số cắt pha

|L(jω180)| = K/(ω·√(ω² + 25)·√(ω² + 100)) = K/(5·10·(5 + 10)) = K/750

Độ khuếch đại yêu cầu

750/K = 102/20 = 1,259
K = 750/1,259 = 595,7

Đáp số

K = 595,7
37.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm

Đáp số: Kmin = 5

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 − 1)(s + 5) + K(s + 1) = s² + (4 + K)s + (1K − 5)

Các điều kiện

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

4 + K > 0 → K > −4
1K − 5 > 0 → K > 5
Kmin = 5

Đáp số

Kmin = 5
38.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm

Đáp số: sb = −0,8453

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) = −s(s + 2)(s + 4) = −(s³ + 6s² + 8s)

Các điểm dừng

dK/ds = −(3s² + 12s + 8) = 0
s = (−12 ± √(144 − 96))/6 = −0,8453, −3,155

Chọn điểm trên quỹ đạo

Quỹ đạo nằm trên trục thực giữa 0 và −2; nghiệm còn lại không thuộc quỹ đạo.

sb = −0,8453

Đáp số

sb = −0,8453
39.Sai số xác lập và điều khiển PID

Đáp số: ess = 0,5

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) = 10

Phần bước nhảy

Kp = ∞ → estep = 0

Sai số tín hiệu dốc

ess = 5/10 = 0,5

Đáp số

ess = 0,5
40.Sai số xác lập và điều khiển PID

Đáp số: ts = 2 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 + 4) + 10·5 = s² + 4s + 50

ωₙ và ζ

ωₙ = √50 = 7,071 rad/s
ζ = 4/(2·7,071) = 0,2828

Thời gian xác lập

ζωₙ = 4/2 = 2
ts ≈ 4/2 = 2 s

Đáp số

ts = 2 s

Thời gian xác lập ở đây không phụ thuộc vào K: tăng K chỉ làm đáp ứng dao động nhanh hơn.

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