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 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 = 20 V và Is = 1 mA, I = 7,9 mA; với Vs = 15 V và Is = 4 mA, I = 5,6 mA. Tìm dòng tải I khi Vs = 2 V và Is = 2 mA.
20 V, 1 mA → 7,9 mA15 V, 4 mA → 5,6 mAVs = 2 V, Is = 2 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 dòng điện i tại t = 1 ms.
Vs = 12 VR = 47 ΩL = 68 mHt = 1 ms
i = A
12.Quá độ RC và RLKhó
Ngay trước khi khóa đóng tại t = 0, tụ điện giữ 30 V với cực tính như hình. Mất bao lâu để vC đạt 24,6 V? Tìm t.
Vs = 12 VR = 2,2 kΩC = 22 µFvC(0) = 30 V
t = ms
13.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 10 V (hiệu dụng), 100 Hz. Tìm góc pha φ của tổng trở, theo độ (dương khi dòng điện trễ pha so với điện áp).
V = 10 V (rms)f = 100 HzR = 80 ΩL = 250 mHC = 47 µF
φ = °
14.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
Một mạch RLC nối tiếp được kích bởi nguồn 5 V (hiệu dụng) có tần số đặt bằng tần số cộng hưởng của mạch. Tìm điện áp hiệu dụng VL trên cuộn cảm.
V = 5 V (rms)R = 10 ΩL = 50 mHC = 0,22 µF
VL = V
15.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
Một tải cảm kháng lấy 11,5 A và 828 W từ nguồn một pha 120 V (hiệu dụng). Mô hình hóa nó như một điện trở R nối tiếp với một điện kháng X. Tìm X.
V = 120 VI = 11,5 AP = 828 W
X = Ω
16.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtKhó
Một nguồn 10 V (hiệu dụng), 60 Hz có trở kháng trong Zs = 2 + j3 Ω. Trở kháng tải ZL có thể được chọn tự do. Tải cho công suất cực đại được tạo từ một điện trở nối tiếp với một tụ điện. Tìm điện dung C.
Vs = 10 V (rms)f = 60 HzZs = 2 + j3 Ω
C = µF
17.Công suất ba phaTrung bình
Một động cơ cảm ứng ba pha cho công suất cơ đầu ra 15 kW khi đầy tải. Ở tải này hiệu suất của nó là 92% và hệ số công suất là 0,9 trễ. Nguồn có điện áp dây 480 V. Tìm dòng điện dây IL.
Pout = 15 kWη = 92%cos φ = 0,9VL = 480 V
IL = A
18.Công suất ba phaKhó
Một tải ba pha cân bằng lấy 300 kW với hệ số công suất 0,72 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 0,92 trễ. Công suất tác dụng giữ nguyên. Các tụ điện được nối tam giác (Δ). Tìm điện dung Cph của mỗi tụ theo µF.
P = 300 kWpf1 = 0,72pf2 = 0,92VL = 400 Vf = 60 Hz
Cph = µF
19.Máy biến ápTrung bình
Một máy biến áp lý tưởng có tỉ số vòng dây N₁:N₂ = 2:1 được đặt 460 V vào cuộn sơ cấp. Một điện trở 20 Ω được nối qua cuộn thứ cấp. Tìm dòng điện sơ cấp I1.
N1:N2 = 2:1V1 = 460 VRL = 20 Ω
I1 = A
20.Máy biến ápKhó
Một máy biến áp một pha 500 kVA có tổn thất lõi 4000 W. Ở tải định mức và hệ số công suất 0,8 trễ, hiệu suất của nó là 96,5%. Tìm tổn thất đồng ở đầy tải Pcu,fl theo watt.
S = 500 kVAPcore = 4000 Wpf = 0,8η = 96,5%
Pcu,fl = W
21.Mạch khuếch đại thuật toánTrung bình
Op-amp là lý tưởng và chạy với nguồn cấp ±15 V. Tìm điện áp ngõ ra Vout.
Vin = 1,7 VR1 = 2 kΩRf = 10 kΩ
Vout = V
22.Mạch khuếch đại thuật toánKhó
Bộ khuếch đại cộng dùng op-amp lý tưởng với nguồn cấp ±15 V. Tìm điện áp ngõ ra Vout.
V1 = −0,5 VV2 = 1 VR1 = 10 kΩR2 = 2 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
23.Diode và transistorTrung bình
Một transistor NPN có β = 80 được phân cực bằng điện trở nền RB = 390 kΩ từ nguồn VCC = 15 V. Điện trở cực thu là RC = 3,3 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 = 15 VRB = 390 kΩRC = 3,3 kΩβ = 80VBE = 0,7 V
VCE = V
24.Diode và transistorKhó
Một bộ ổn áp Zener 5,6 V có điện trở nối tiếp 470 Ω. Đầu vào có thể tăng đến 26 V, và tải có thể bị ngắt. Tìm công suất lớn nhất PZ,max mà Zener phải tiêu tán.
Vin,max = 26 VVZ = 5,6 VR = 470 Ω
PZ,max = mW
25.Hệ đếmTrung bình
Đặt các bit để lưu −92 theo bù hai 8 bit. Đọc như một số không dấu, giá trị U của mẫu là bao nhiêu?
N = −928 bit
U =
26.Hệ đếmKhó
Một hệ thống phải gán cho mỗi một trong 401 mục một mã nhị phân riêng có cùng độ dài. Số bit nhỏ nhất b cần thiết là bao nhiêu?
401
b = bit
27.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopTrung bình
Một bộ ghép kênh 4-sang-1 có các đầu vào chọn S₁ = A và S₀ = B, và các đầu vào dữ liệu nối với I₀ = 1, I₁ = 1, I₂ = C′, I₃ = 1. Với bao nhiêu trong 8 tổ hợp của A, B và C thì đầu ra F = 1? Hãy tìm N.
I₀ = 1I₁ = 1I₂ = C′I₃ = 1
N =
28.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopKhó
Một bộ đếm gợn sóng (không đồng bộ) 4 bit được xây dựng từ các flip-flop có độ trễ lan truyền 15 ns mỗi cái. Mọi đầu ra phải ổn định trước sườn xung nhịp tiếp theo. Hãy tìm tần số xung nhịp tối đa fmax.
n = 4tpd = 15 ns
fmax = MHz
29.Biến đổi LaplaceTrung bình
F(s) = (4s + 40)/(s² + 8s + 15). Biến đổi ngược của nó có dạng f(t) = A·e−3t + B·e−5t. Tìm hệ số A bằng phân thức riêng.
F(s) = (4s + 40)/(s² + 8s + 15)
A =
30.Biến đổi LaplaceKhó
Một hệ thống tuân theo y″ + 5y′ + 6y = 24·u(t), với y(0) = 3 và y′(0) = 0. Tại t = 0 một đầu vào bước u(t) = 5 được đặt vào. Dùng biến đổi Laplace để tìm y(0,6).
Đối tượng G(s) = K/(s(s + 6)) 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 + 6))hồi tiếp âm đơn vị
K =
32.Sơ đồ khốiKhó
Đối tượng G(s) = K/((s + 4)(s + 5)(s + 8)) nằm trong vòng hồi tiếp âm đơn vị. Dùng tiêu chuẩn Routh–Hurwitz để tìm độ lợi lớn nhất Kmax mà vòng kín còn ổn định.
G(s) = K/((s + 4)(s + 5)(s + 8))hồi tiếp âm đơn vị
Kmax =
33.Đáp ứng bướcTrung bình
Một hệ có hàm truyền G(s) = 234/(s² + 10s + 78) và nhận tín hiệu vào là bước nhảy đơn vị. Tìm thời gian đỉnh tp của đáp ứng bước.
G(s) = 234/(s² + 10s + 78)
tp = s
34.Đáp ứng bướcKhó
Một vòng hồi tiếp âm đơn vị có G(s) = 270/(s(s + 8)). Tìm thời gian xác lập 2 % ts của đáp ứng bước vòng kín, dùng ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 270/(s(s + 8))
ts = s
35.Biểu đồ Bode và độ dự trữTrung bình
bộ lọc thông thấp RC trong hình có R = 4,7 kΩ, C = 10 nF. Một tín hiệu vào hình sin 14 kHz được đặt vào. Tìm độ lệch pha φ của vout so với vin, theo độ.
R = 4,7 kΩC = 10 nFf = 14 kHz
φ = °
36.Biểu đồ Bode và độ dự trữKhó
Một vòng hồi tiếp đơn vị có hàm truyền vòng hở L(s) = 560/(s(s + 20)). Tìm độ dự trữ pha PM theo độ.
L(s) = 560/(s(s + 20))
PM = °
37.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệmTrung bình
Vòng trong sơ đồ có hàm truyền vòng hở L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8)). Độ lợi được tăng cho đến khi vòng kín ở bờ vực ổn định. Tìm tần số ω của dao động duy trì.
L(s) = K/(s(s + 3)(s + 8))
ω = rad/s
38.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệmKhó
Với vòng L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10)), tìm độ lợi K đặt một cực vòng kín tại s = −1.
L(s) = K/(s(s + 5)(s + 10))s = −1
K =
39.Sai số xác lập và điều khiển PIDTrung bình
Một tín hiệu dốc r(t) = 2t được đưa vào một vòng phản hồi đơn vị với G(s) = 5(s + 2)/(s(s + 5)(s + 10)). Tìm sai số xác lập ess.
G(s) = 5(s + 2)/(s(s + 5)(s + 10))r(t) = 2t
ess =
40.Sai số xác lập và điều khiển PIDKhó
Một bộ điều khiển PI C(s) = Kp + Ki/s điều khiển đối tượng G(s) = 4/(s + 4) trong một vòng phản hồi đơn vị. Vòng kín phải có ωₙ = 4 rad/s và ζ = 0,7. Tìm độ lợi tích phân Ki.
G(s) = 4/(s + 4)ωₙ = 4 rad/sζ = 0,7
Ki =
3Dung dịch
1.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 8,435 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.
R3 + R4 = 2 + 15 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 6·17/(6+17) = 4,435 Ω
Req = R1 + 4,435 = 4 + 4,435 = 8,435 Ω
Đáp số
Req = 8,435 Ω
2.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR2 = 0,9112 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.
R5 + R6 = 15 + 8 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 2,654 Ω
R3 + 2,654 = 27,65 Ω
R2 ∥ 27,65 = 7,344 Ω
Req = R1 + 7,344 = 12 + 7,344 = 19,34 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 = 24/19,34 = 1,241 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 − 1,241·12 = 9,112 V
IR2 = VA/R2 = 9,112/10 = 0,9112 A
Đáp số
IR2 = 0,9112 A
3.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: IR1 = 0,2069 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.
Thiết lập các nút
Đất là dây dưới cùng. Các điện thế nút đã biết lấy thẳng từ các nguồn (V1 = 6 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/3 + (VA − 6)/5 + (VA − VB)/3 = 0
0,8667·VA − 0,3333·VB = 1,2
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/6 + (VB − VA)/3 = 3
−0,3333·VA + 0,5·VB = 3
Giải
Δ = (0,8667)(0,5) − (−0,3333)(−0,3333) = 0,3222
VA = Δ1/Δ = 1,6/0,3222 = 4,966 V
VB = Δ2/Δ = 3/0,3222 = 9,31 V
Đáp số
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (6 − 4,966)/5 = 0,2069 A
4.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: Is = 2,163 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
(6,5 − 6)/3 + 6,5/15 = (VB − 6,5)/10
0,6 = (VB − 6,5)/10 → VB = 12,5 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 = (12,5 − 6,5)/10 + 12,5/8 = 2,163 A
Đáp số
Is = 2,163 A
5.Phương pháp dòng điện mạch vòng
Đáp số: IR2 = −3,45 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
12·I1 + 2(I1 − I2) = 30
14·I1 − 2·I2 = 30
KVL quanh mạch vòng 2
Đi theo chiều kim đồng hồ, tổng sụt áp trên các điện trở bằng tổng điện áp nguồn tăng (từ − sang + theo chiều đi).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
4·I2 + 2(I2 − I1) = (−24)
−2·I1 + 6·I2 = −24
Giải
Δ = (14)(6) − (−2)(−2) = 80
I1 = Δ1/Δ = 132/80 = 1,65 A
I2 = Δ2/Δ = −276/80 = −3,45 A
Đáp số
IR2 = I2 = −3,45 A
Dòng điện mạch vòng âm chạy ngược chiều kim đồng hồ.
6.Phương pháp dòng điện mạch vòng
Đáp số: IR4 = 0,6083 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
8·I1 + 5(I1 − I2) = 9
13·I1 − 5·I2 = 9
KVL quanh mạch vòng 2
Đi theo chiều kim đồng hồ, tổng sụt áp trên các điện trở bằng tổng điện áp nguồn tăng (từ − sang + theo chiều đi).
R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
5·I2 + 5(I2 − I1) + 2(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 12·I2 − 2·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
15·I3 + 2(I3 − I2) = (−18)
−2·I2 + 17·I3 = −18
Giải
Δ = định thức của ma trận hệ số = 2175
I1 = Δ1/Δ = 1620/2175 = 0,7448 A
I2 = Δ2/Δ = 297/2175 = 0,1366 A
I3 = Δ3/Δ = −2268/2175 = −1,043 A
Đáp số
IR4 = I1 − I2 = 0,6083 A
Dòng điện mạch vòng âm chạy ngược chiều kim đồng hồ.
7.Nguyên lý xếp chồng
Đáp số: I = 0,6 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
20·k₁ + 1·k₂ = 7,9
15·k₁ + 4·k₂ = 5,6
Giải tìm các hằng số
Δ = (20)(4) − (1)(15) = 65
k₁ = Δ1/Δ = 26/65 = 0,4
k₂ = Δ2/Δ = −6,5/65 = −0,1
k₁ = 0,4 mA/V, k₂ = −0,1
Dự đoán dòng điện mới
I = 0,4·2 + (−0,1)·2 = 0,6 mA
Đáp số
I = 0,6 mA
8.Nguyên lý xếp chồng
Đáp số: IR3 = −2,465 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) = 6 ∥ 40 = 5,217 Ω
VA = 24·5,217/(6+5,217) = 11,16 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 11,16·20/40 = 5,581 V
IR3′ = (0 − VA)/R3 = (0 − 11,16)/6 = −1,86 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 Ω, nên nhánh bên trái là R2+3 = 23 Ω
Req = R4 ∥ 23 = 10,7 Ω
VB = Is·Req = 2·10,7 = 21,4 V
VA = VB·3/23 = 2,791 V
IR3″ = (0 − VA)/R3 = (0 − 2,791)/6 = −0,4651 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 = 6·6/(6+6) = 3 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 12·23/43 = 6,419 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 6,419·3/23 = 0,8372 V
IR3‴ = (0 − VA)/R3 = (0 − 0,8372)/6 = −0,1395 A
Cộng các thành phần
IR3 = IR3′ + IR3″ + IR3‴
IR3 = (−1,86) + (−0,4651) + (−0,1395) = −2,465 A
Kết quả âm có nghĩa là thực tế dòng điện chạy ngược chiều mũi tên.
9.Thévenin và Norton
Đáp số: IN = 0,4 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 = 6·3/(6+3) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 3 = 5 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) = 6·3/(6+3) = 2 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 = 2/5 = 0,4 A
10.Thévenin và Norton
Đáp số: PL = 66,69 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.
Tìm Rth khi tắt mọi nguồn
Thay nguồn điện áp bằng ngắn mạch và nguồn dòng bằng hở mạch, rồi nhìn vào mạch từ a–b.
R1 ∥ R2 = 12·12/(12+12) = 6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 6 + 12 = 18 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) = 12 + 4·6 = 36 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 36 + 4·12 = 84 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) = 84/(18 + 5) = 3,652 A
PL = IL²·RL = 3,652²·5 = 66,69 W
11.Quá độ RC và RL
Đáp số: i = 0,1274 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.
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.
t = τ·ln((30 − 12)/(24,6 − 12)) = 48,4·ln(1,429) = 17,26 ms
Đáp số
t = 17,26 ms
13.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: φ = 57,01 °
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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,25 = 157,1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·47·10⁻⁶) = 33,86 Ω
Tổng trở
Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như số phức: Z = R + j(XL − XC).
Mạch xoay chiều với phasor: điện trở, cuộn cảm và tụ điện có tổng trở lần lượt là R, jωL và 1/(jωC), với ω = 2πf. Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như điện trở, nhưng là số phức. Dòng điện và điện áp hiệu dụng tuân theo định luật Ohm với |Z|.
Cộng hưởng
Tại cộng hưởng các điện kháng triệt tiêu, nên trở kháng chỉ là R.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·0,22·10⁻⁶) = 9535 rad/s
I = V/R = 5/10 = 0,5 A
Điện áp trên cuộn cảm
XL = ω₀L = 9535·0,05 = 476,7 Ω
VL = I·XL = 0,5·476,7 = 238,4 V
Đáp số
VL = 238,4 V
Đây là Q = 47,67 lần điện áp nguồn.
15.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: X = 8,348 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 = 828/11,5² = 6,261 Ω
Điện kháng từ trở kháng
|Z| = V/I = 120/11,5 = 10,43 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(10,43² − 6,261²) = 8,348 Ω
Đáp số
X = 8,348 Ω
16.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: C = 884,2 µF
Công suất xoay chiều: công suất biểu kiến S = V·I (VA) tách thành công suất tác dụng P = S·cos φ (W), thực hiện công có ích, và công suất phản kháng Q = S·sin φ (var), dao động qua lại giữa nguồn và tải. Hệ số công suất là cos φ. Một tụ điện mắc song song cung cấp công suất phản kháng tại chỗ, nên dòng điện trên đường dây giảm với cùng công suất tác dụng.
Phối hợp liên hợp
Điện kháng của tải triệt tiêu điện kháng của nguồn, và điện trở tải bằng điện trở nguồn.
ZL = Zs* = 2 − j3 Ω
Điện dung
XC = 3 Ω → C = 1/(2π·60·3) = 884,2 µF
Đáp số
C = 884,2 µF
17.Công suất ba pha
Đáp số: IL = 21,79 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 = 15/0,92 = 16,3 kW
Dòng điện đường dây
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 16304/(√3·480·0,9) = 21,79 A
Đáp số
IL = 21,79 A
18.Công suất ba pha
Đáp số: Cph = 891,7 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 = 300·tan(acos 0,72) = 300·0,9639 = 289,2 kvar
Q2 = 300·tan(acos 0,92) = 300·0,426 = 127,8 kvar
Công suất phản kháng từ các tụ điện
QC = Q1 − Q2 = 161,4 kvar
Điện dung mỗi pha
Trong bộ nối tam giác (Δ), mỗi tụ được nối giữa hai dây pha.
V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 53785/(377·400²) = 891,7 µF
Đáp số
Cph = 891,7 µF
19.Máy biến áp
Đáp số: I1 = 5,75 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 = 460/2 = 230 V
I2 = 230/20 = 11,5 A
Dòng điện sơ cấp
Máy biến áp lý tưởng không có tổn thất: V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/2 = 5,75 A
Đáp số
I1 = 5,75 A
Kiểm tra: tải nhìn từ sơ cấp là a²·RL = 80 Ω, và 460/80 cho cùng dòng điện.
20.Máy biến áp
Đáp số: Pcu,fl = 10508 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 = 500·0,8 = 400 kW
Pin = 400000/0,965 = 414508 W
Tổng tổn thất và tổn thất đồng
Ploss = 414508 − 400000 = 14508 W
Pcu,fl = 14508 − 4000 = 10508 W
Đáp số
Pcu,fl = 10508 W
21.Mạch khuếch đại thuật toán
Đáp số: Vout = 10,2 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.
Ngõ vào đảo bám theo ngõ vào
V₋ = V₊ = 1,7 V
I = V₋/R1 = 1,7/2 = 0,85 mA
Điện áp ngõ ra
Dòng điện qua R₁ cũng chạy qua Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 1,7 + 0,85·10 = 10,2 V
Đáp số
Vout = 10,2 V
22.Mạch khuếch đại thuật toán
Đáp số: Vout = −0,45 V
Quy tắc của op-amp lý tưởng: với hồi tiếp âm, op-amp điều khiển ngõ ra sao cho hai ngõ vào ở cùng điện áp (V₋ = V₊), và không có dòng điện chạy vào cả hai ngõ vào. Viết KCL tại ngõ vào đảo với hai sự kiện này sẽ cho ra ngõ ra.
Dòng điện ngõ vào
V₋ = 0, nên mỗi điện trở ngõ vào chịu toàn bộ điện áp ngõ vào của nó.
I1 = V1/R1 = −0,5/10 = −0,05 mA
I2 = V2/R2 = 1/2 = 0,5 mA
If = I1 + I2 = 0,45 mA
Điện áp ngõ ra
Vout = −Rf·If = −1·0,45 = −0,45 V
Đáp số
Vout = −0,45 V
23.Diode và transistor
Đáp số: VCE = 5,32 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.
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 = 20,4/470 = 43,4 mA
Công suất Zener
PZ = 5,6·43,4 = 243,1 mW
Đáp số
PZ,max = 243,1 mW
25.Hệ đếm
Đáp số: U = 164
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
92 = 0101 1100
đã đảo: 1010 0011
+1 → 1010 0100
Đọc như số không dấu
1010 0100₂ = 256 − 92 = 164
Đáp số
U = 164
26.Hệ đếm
Đáp số: b = 9 bit
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.
Lũy thừa của hai
28 = 256 < 401
29 = 512 ≥ 401
Đáp số
b = 9
27.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: N = 7
Bộ ghép kênh: một bộ ghép kênh 2ⁿ-sang-1 chuyển một trong các đầu vào dữ liệu của nó ra đầu ra; các đường chọn, đọc như một số nhị phân, quyết định đầu vào nào. Với MUX 4-sang-1 có các đường chọn S₁S₀ = AB, F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃. Nối các đầu vào dữ liệu với 0, 1, C hoặc C′ làm MUX tạo ra bất kỳ hàm nào của A, B và C, đó là cách phổ biến để xây dựng logic bằng một chip.
Biểu thức đầu ra
F = A′B′ + A′B + AB′C′ + AB
Các hàng có F = 1
ABC = 000, 001, 010, 011, 100, 110, 111
N = 7
Đáp số
N = 7
28.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: fmax = 16,67 MHz
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.
Thời gian ổn định trong trường hợp xấu nhất
T = 4·15 ns = 60 ns
Tần số tối đa
fmax = 1/60 ns = 16,67 MHz
Đáp số
fmax = 16,67 MHz
29.Biến đổi Laplace
Đáp số: A = 14
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 + 8s + 15 = (s + 3)(s + 5)
F(s) = A/(s + 3) + B/(s + 5)
Quy tắc che
Nhân với (s + 3) và đặt s = −3: số hạng B biến mất.
A = (4s + 40)/(s + 5) |s = −3 = 28/2 = 14
Đáp số
A = 14
(B = −10, nên f(t) = 14·e−3t − 10·e−5t)
30.Biến đổi Laplace
Đáp số: y(0.6) = 10,26
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) = 3s + 15 + 120/s
Y(s) = (3s² + 15s + 120)/(s(s + 2)(s + 3))
Phân thức riêng
A = 120/(2·3) = 20
B = 102/((−2)·1) = −51
C = 102/((−3)·(−1)) = 34
Kết quả
y(t) = 20 − 51·e−2t + 34·e−3t
y(0,6) = 10,26
Đáp số
y(0,6) = 10,26
Kiểm tra: y(0) = A + B + C = 3.
31.Sơ đồ khối
Đáp số: K = 9
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 + 6)) = 0 → s² + 6s + K = 0
Nghiệm kép
Tam thức s² + βs + γ có nghiệm kép khi β² = 4γ.
6² = 4K → K = 36/4 = 9
Đáp số
K = 9
Khi đó cả hai cực vòng kín đều tại s = −3.
32.Sơ đồ khối
Đáp số: Kmax = 1404
Đại số sơ đồ khối: các khối nối tiếp thì nhân (G₁·G₂), các khối song song thì cộng (G₁ + G₂), và một vòng có đường thuận G và đường hồi tiếp H rút gọn thành T = G/(1 + G·H) với hồi tiếp âm và G/(1 − G·H) với hồi tiếp dương. Rút gọn các vòng bên trong trước, rồi làm dần ra ngoài. Các cực vòng kín là nghiệm của phương trình đặc trưng 1 + G(s)H(s) = 0. Với vòng ổn định, đầu vào bậc thang có độ lớn A cho đầu ra xác lập A·T(0); với hồi tiếp đơn vị, sai số xác lập đối với bậc thang là A/(1 + Kp) với Kp = G(0).
Phương trình đặc trưng
s³ + 17s² + 92s + 160 + K = 0
Bảng Routh
s³ | 1 92
s² | 17 160 + K
s¹ | (17·92 − 160 − K)/17
s⁰ | 160 + K
Giới hạn ổn định
Mọi phần tử của cột đầu tiên phải dương.
Kmax = 17·92 − 160 = 1404
Đáp số
Kmax = 1404
33.Đáp ứng bước
Đáp số: tp = 0,4315 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).
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 = −76,4 °
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/(4700·1 × 10⁻⁸) = 21277 rad/s
fc = 3386 Hz → f/fc = 14000/3386 = 4,134
Pha
φ = − atan(4,134) = −76,4°
Đáp số
φ = −76,4°
36.Biểu đồ Bode và độ dự trữ
Đáp số: PM = 45,19 °
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 − 313600 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·313600))/2 = 394,6
ωc = 19,87 rad/s
Độ dự trữ pha
∠L(jωc) = −90° − atan(19,87/20) = −134,8°
PM = 180° + ∠L = 45,19°
Đáp số
PM = 45,19°
37.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm
Đáp số: ω = 4,899 rad/s
Tiêu chuẩn Routh–Hurwitz: một hệ tuyến tính ổn định khi mọi nghiệm của đa thức đặc trưng của nó nằm ở nửa trái của mặt phẳng s. Viết các hệ số xen kẽ vào hai hàng đầu tiên của bảng Routh. Mỗi phần tử của một hàng mới đến từ hai hàng phía trên nó; với đa thức bậc ba a₃s³ + a₂s² + a₁s + a₀ phần tử s¹ là b₁ = (a₂·a₁ − a₃·a₀)/a₂. Số lần đổi dấu trong cột đầu tiên bằng số nghiệm ở nửa mặt phẳng phải. Với độ lợi K trong các hệ số, mọi phần tử của cột đầu phải dương: độ lợi làm phần tử s¹ bằng không là giới hạn ổn định, và hàng s² khi đó cho tần số của dao động duy trì.
Bảng Routh
s³ + 11s² + 24s + K = 0
s³: 1, 24
s²: 11, K
s¹: (11·24 − K)/11
s⁰: K
Độ lợi tới hạn
K = 11·24 = 264
Phương trình phụ
Tại độ lợi tới hạn hàng s¹ bằng không; hàng s² cho các cực trên trục ảo.
11s² + 264 = 0 → s = ±j√24
ω = 4,899 rad/s
Đáp số
ω = 4,899 rad/s
38.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm
Đáp số: K = 36
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 + 5|·|s + 10|
Tính tại điểm đó
K = 1·4·9 = 36
Đáp số
K = 36
Kiểm tra: s(s + 5)(s + 10) + K bằng không tại s = −1.
39.Sai số xác lập và điều khiển PID
Đáp số: ess = 10
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) = 0,2
Sai số tín hiệu dốc
ess = 2/0,2 = 10
Đáp số
ess = 10
40.Sai số xác lập và điều khiển PID
Đáp số: Ki = 4
Điều khiển P, PI và PID: bộ điều khiển C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s tác động lên sai số. Một độ lợi tỉ lệ làm vòng nhanh hơn và giảm sai số của đối tượng loại 0, nhưng không bao giờ loại bỏ nó. Thành phần tích phân thêm một cực tại s = 0: loại của hệ tăng thêm một, và một bước nhảy được bám theo không có sai số. Thành phần vi phân thêm sự cản. Để chọn các độ lợi, viết đa thức đặc trưng vòng kín và so sánh nó với s² + 2ζωns + ωn². Khi đó %OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd với ωd = ωn√(1 − ζ²), và ts ≈ 4/(ζωn).
Đa thức đặc trưng
1 + C(s)G(s) = 0, nhân với s(s + 4).
s² + (4 + 4Kp)s + 4Ki
Đa thức mục tiêu
s² + 2·0,7·4s + 4² = s² + 5,6s + 16
Cân bằng các hệ số
4Ki = 16 → Ki = 4
Đáp số
Ki = 4
Thành phần tích phân làm vòng thành loại 1, nên một bước nhảy được bám theo mà không có sai số xác lập.