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​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩIR2​AR4​15 ΩB

Tìm dòng điện IR2 qua R2.

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 15 Ω
IR2 = A
2.Điện trở nối tiếp và song songKhó
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​30 ΩAR4​8 ΩBR6​20 Ω

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

V1 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 ΩR5 = 10 ΩR6 = 20 Ω
Req = Ω
3.Phương pháp điện thế nútTrung bình
R1​3 Ω+−V1​18 VR2​15 Ω+−V2​15 VI2​R3​5 ΩA

Ba nhánh được nối giữa nút A và đất, như hình. Dùng phương pháp điện thế nút để tìm dòng điện I2 trong nhánh 2, chảy lên vào nút A theo chiều mũi tên.

V1 = 18 VR1 = 3 ΩV2 = 15 VR2 = 15 ΩR3 = 5 Ω
I2 = A
4.Phương pháp điện thế nútKhó
R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​6 VR3​10 ΩAR5​30 ΩBIs​0,5 A+−V2​30 V

Dùng phương pháp điện thế nút để tìm điện thế nút VB (đo so với đất).

V1 = 6 VIs = 0,5 AV2 = 30 VR1 = 30 ΩR2 = 8 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 ΩR5 = 30 Ω
VB = V
5.Phương pháp dòng điện mạch vòngTrung bình
R1​ = 15 ΩR2​ = 20 Ω+−VR2​+−V1​9 VR3​4 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

Dùng phương pháp dòng điện mạch vòng để tìm điện áp VR2 trên R2 với cực tính như hình.

V1 = 9 VV2 = 30 VR1 = 15 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 Ω
VR2 = V
6.Phương pháp dòng điện mạch vòngKhó
R1​ = 8 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR4​6 ΩAR5​15 ΩB+−V2​36 VI1​I2​I3​

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

V1 = 10 VV2 = 36 VR1 = 8 ΩR2 = 15 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 ΩR5 = 15 Ω
I1 = A
7.Nguyên lý xếp chồngTrung bình
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 ΩIR3​+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​5 ΩBIs​?

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

V1 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 Ω
Is = A
8.Nguyên lý xếp chồngKhó
R1​ = 6 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 12 ΩIR4​+−V1​9 VR3​4 ΩAIs​0,5 AB−+V2​6 V

Dùng nguyên lý chồng chất để tìm công suất PR4 tiêu thụ bởi R4.

V1 = 9 VIs = 0,5 AV2 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 12 Ω
PR4 = W
9.Thévenin và NortonTrung bình
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAab

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

V1 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 Ω
IN = A
10.Thévenin và NortonKhó
R1​ = 25 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​30 ΩAIs​4 ABab

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

V1 = 24 VIs = 4 AR1 = 25 ΩR2 = 30 ΩR3 = 5 Ω
Vth = V
11.Quá độ RC và RLTrung bình
+−Vs​20 Vt = 0R = 68 ΩL22 mHi(t)

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

Vs = 20 VR = 68 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vL = V
12.Quá độ RC và RLKhó
+−Vs​12 Vt = 0R = 4,7 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 6 V

Ngay trước khi khóa đóng tại t = 0, tụ điện giữ 6 V với cực tính như hình. Tìm điện áp tụ điện vC tại t = 25 ms.

Vs = 12 VR = 4,7 kΩC = 10 µFvC(0) = 6 Vt = 25 ms
vC = V
13.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
Vf0​ = 60 HzRL = 200 mHC = ?

Một mạch RLC nối tiếp với L = 200 mH phải cộng hưởng ở 60 Hz. Tìm điện dung C cần thiết.

f0 = 60 HzL = 200 mH
C = µF
14.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
50 V60 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 22 µFI

Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 50 V (hiệu dụng), 60 Hz. Tìm dòng điện hiệu dụng I.

V = 50 V (rms)f = 60 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 22 µF
I = A
15.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
P = 12 kWQ = ?Sφ

Một động cơ một pha tiêu thụ 12 kW với hệ số công suất 0,9 trễ từ nguồn 240 V. Tìm công suất phản kháng Q mà nó tiêu thụ.

P = 12 kWpf = 0,9V = 240 V
Q = kvar
16.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtKhó
P = 45 kWQ1​S1​φ1​QC​

Một tải một pha tiêu thụ 45 kW với hệ số công suất 0,6 trễ từ nguồn 240 V, 50 Hz. Một tụ điện mắc song song nâng hệ số công suất lên 0,9. Tìm dòng điện đường dây mới Inew.

P = 45 kWpf1 = 0,6pf2 = 0,9V = 240 Vf = 50 Hz
Inew = A
17.Công suất ba phaTrung bình
ABCVL​ = 690 VIL​ = 40 Acos φ = 0,82trễ pha

Một tải ba pha cân bằng lấy dòng điện dây 40 A từ nguồn có điện áp dây 690 V. Hệ số công suất là 0,82 trễ. Tìm tổng công suất tác dụng P mà tải tiêu thụ, theo kW.

VL = 690 VIL = 40 Acos φ = 0,82
P = kW
18.Công suất ba phaKhó
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​

Một tải ba pha cân bằng lấy 120 kW với hệ số công suất 0,78 trễ từ nguồn 690 V (điện áp dây), 50 Hz. Một bộ tụ điện ba pha mắc song song với tải phải nâng hệ số công suất tổng lên 0,92 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 = 120 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,92VL = 690 Vf = 50 Hz
Cph = µF
19.Máy biến ápTrung bình
2 ΩN1​N2​128 Ω

Một bộ khuếch đại có điện trở ra 128 Ω điều khiển một loa 2 Ω qua một máy biến áp lý tưởng. Để truyền công suất cực đại, loa phải trông như 128 Ω từ bộ khuếch đại. Tìm tỉ số vòng dây a = N₁/N₂.

Rs = 128 ΩRL = 2 Ω
a =
20.Máy biến ápKhó
pf 0,9550 kVA, η = 98,2%

Một máy biến áp một pha 50 kVA có tổn thất lõi 250 W. Ở tải định mức và hệ số công suất 0,95 trễ, hiệu suất của nó là 98,2%. Tìm tổn thất đồng ở đầy tải Pcu,fl theo watt.

S = 50 kVAPcore = 250 Wpf = 0,95η = 98,2%
Pcu,fl = W
21.Mạch khuếch đại thuật toánTrung bình
−+Vout​Rf​ = 22 kΩVin​R1​ = 2 kΩ

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

R1 = 2 kΩRf = 22 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
22.Mạch khuếch đại thuật toánKhó
−+Vout​Rf​ = 22 kΩV1​ = −0,6 VR1​ = 22 kΩV2​ = 1,3 VR2​ = 4,7 kΩ

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

V1 = −0,6 VV2 = 1,3 VR1 = 22 kΩR2 = 4,7 kΩRf = 22 kΩ
Vout = V
23.Diode và transistorTrung bình
RC​ = 5,6 kΩβ = 100IC​ = ?RE​ = 470 ΩVCC​ = 18 VR1​ = 56 kΩR2​ = 6,8 kΩ

Một transistor NPN có β = 100 được phân cực bằng cầu chia áp từ VCC = 18 V: R₁ = 56 kΩ từ VCC đến cực nền và R₂ = 6,8 kΩ từ cực nền xuống đất. Điện trở cực thu là RC = 5,6 kΩ và điện trở cực phát là RE = 470 Ω. Lấy VBE = 0,7 V và dùng mạch tương đương Thévenin của cầu chia áp (không bỏ qua dòng điện cực nền). Tìm dòng điện cực thu IC theo mA.

VCC = 18 VR1 = 56 kΩR2 = 6,8 kΩRC = 5,6 kΩRE = 470 Ωβ = 100
IC = mA
24.Diode và transistorKhó
V (V)I (mA)0,65550Q = ?

Một diode được mô hình hóa bằng 0,65 V nối tiếp với 50 Ω (nó dẫn khi trên 0,65 V). Nó mắc nối tiếp với một điện trở 100 Ω qua nguồn 5 V. Tìm dòng điện làm việc ID tại nơi đường diode gặp đường tải.

Vs = 5 VR = 100 ΩV0 = 0,65 Vrd = 50 Ω
ID = mA
25.Hệ đếmTrung bình
Số bù hai 8 bit?−128?64?32?16?8?4?2?1

Viết −112 dưới dạng dãy số bù hai 8 bit. Đọc dãy đó như một số nhị phân không dấu: giá trị U của nó trong hệ thập phân là bao nhiêu?

N = −1128 bit
U =
26.Hệ đếmKhó
nhấp vào các bit để đặt chúng012806403201608040201

Đặt các bit thành kết quả 8 bit của 1111 0011 << 3. Giá trị R của kết quả theo hệ thập phân là bao nhiêu?

1111 0011<< 3
R =
27.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopTrung bình
ABCD000111100001111011111

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(7, 10, 11, 12, 13)
  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
CLKJK12345678

Một flip-flop JK 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 = 0JK
  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
  7. 7sườn xung nhịp 7
  8. 8sườn xung nhịp 8
29.Biến đổi LaplaceTrung bình
t (s)f(t)t = 0,4f(0,4) = ?

Tìm f(t) cho F(s) = 25/(s(s + 2)(s + 6)) bằng phân thức riêng, và tính f(0,4).

F(s) = 25/(s(s + 2)(s + 6))t = 0,4 s
f(0.4) =
30.Biến đổi LaplaceKhó
t (s)y(t)t = 0,25y(0,25) = ?

Giải y″ + 7y′ + 12y = 0 với y(0) = 1 và y′(0) = 10 bằng biến đổi Laplace, và tìm y(0,25).

y″ + 7y′ + 12y = 0y(0) = 1y′(0) = 10t = 0,25 s
y(0.25) =
31.Sơ đồ khốiTrung bình
R(s)+42s(s + 2)G(s)C(s)−

Một vòng hồi tiếp âm đơn vị có G(s) = 42/(s(s + 2)). Tín hiệu chuẩn là hàm dốc r(t) = 1·t. Tìm sai số xác lập ess.

G(s) = 42/(s(s + 2))r(t) = 1·t
ess =
32.Sơ đồ khốiKhó
R(s)+Kbộ điều khiển+D(s)+10s + 8đối tượngC(s)−

Một bộ điều khiển tỷ lệ K điều khiển đối tượng G(s) = 10/(s + 8) trong vòng hồi tiếp âm đơn vị. Một bậc thang nhiễu có độ lớn 0,5 đi vào đầu vào của đối tượng khi R = 0. Tìm độ lợi nhỏ nhất K để đầu ra xác lập không vượt quá 0,00625.

G(s) = 10/(s + 8)D = 0,5css ≤ 0,00625
K =
33.Đáp ứng bướcTrung bình
t (s)y(t)2

Một hệ có hàm truyền G(s) = 110/(s² + 2s + 55) và nhận tín hiệu vào là bước nhảy đơn vị. Các cực là s = σ ± jωd. Tìm phần thực σ.

G(s) = 110/(s² + 2s + 55)
σ =
34.Đáp ứng bướcKhó
+−10 VR = 54 ΩL = 20 mHC = 10 µFvC​

Một mạch RLC nối tiếp với R = 54 Ω, L = 20 mH và C = 10 µF được nối với nguồn bước nhảy 10 V tại t = 0. Tụ điện chưa tích điện và không có dòng điện chạy trước bước nhảy. Tìm độ vọt lố phần trăm %OS của điện áp tụ điện.

R = 54 ΩL = 20 mHC = 10 µFV = 10 V
%OS = %
35.Biểu đồ Bode và độ dự trữTrung bình
vin​R = 1 kΩC = 100 nFvout​

bộ lọc thông thấp RC trong hình có R = 1 kΩ, C = 100 nF. Một tín hiệu vào hình sin 4,8 kHz được đặt vào. Tìm độ khuếch đại |H| = |vout/vin| theo dB.

R = 1 kΩC = 100 nFf = 4,8 kHz
|H| = dB
36.Biểu đồ Bode và độ dự trữKhó
|H| (dB)0,10,1111010100100−60−40−2002040ω (rad/s)φ (°)ω (rad/s)−180−135−90−450ωc​

Một vòng hồi tiếp đơn vị có hàm truyền vòng hở L(s) = 19/(s(s + 2)). Tìm độ dự trữ pha PM theo độ.

L(s) = 19/(s(s + 2))
PM = °
37.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệmTrung bình
R(s)+K = 2881s(s + 8)(s + 10)C(s)−

Vòng trong sơ đồ chạy với K = 288 và L(s) = K/(s(s + 8)(s + 10)). Có thể tăng độ lợi lên bao nhiêu lần m trước khi vòng kín mất ổn định?

L(s) = K/(s(s + 8)(s + 10))K = 288
m =
38.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệmKhó
ReImζ = 0,6−2−4−6j2

Quỹ đạo nghiệm của L(s) = K/(s(s + 5)) được cho. Tìm độ lợi K để các cực vòng kín có tỷ số cản ζ = 0,6.

L(s) = K/(s(s + 5))ζ = 0,6
K =
39.Sai số xác lập và điều khiển PIDTrung bình
r(t) = 1t+Ks(s + 2)C(s)−

Một vòng phản hồi đơn vị với G(s) = K/(s(s + 2)) phải bám theo tín hiệu dốc r(t) = 1t với sai số xác lập 0,02. Tìm độ lợi K.

G(s) = K/(s(s + 2))r(t) = 1tess = 0,02
K =
40.Sai số xác lập và điều khiển PIDKhó
R(s)+25 + Kd​s1s(s + 4)C(s)−

Một bộ điều khiển PD C(s) = 25 + Kd·s điều khiển đối tượng G(s) = 1/(s(s + 4)) trong một vòng phản hồi đơn vị. Tìm độ lợi vi phân Kd cho vòng kín có tỷ số cản ζ = 0,707.

G(s) = 1/(s(s + 4))Kp = 25ζ = 0,707
Kd = s

3Dung dịch

1.Điện trở nối tiếp và song song

Đáp số: IR2 = 1,382 A

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

R1​ = 6 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​6 ΩAR4​15 ΩB

Gộp các điện trở từ đầu xa

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

R3 + R4 = 20 + 15 = 35 Ω
R2 ∥ 35 = 6·35/(6+35) = 5,122 Ω
Req = R1 + 5,122 = 6 + 5,122 = 11,12 Ω

Dòng điện từ nguồn

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

IR1 = V1/Req = 18/11,12 = 1,618 A

Dòng điện qua R₂

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

VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 1,618·6 = 8,289 V
IR2 = VA/R2 = 8,289/6 = 1,382 A

Đáp số

IR2 = 1,382 A
2.Điện trở nối tiếp và song song

Đáp số: Req = 18,57 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​ = 8 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​30 ΩAR4​8 ΩBR6​20 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 = 10 + 20 = 30 Ω
R4 ∥ 30 = 6,316 Ω
R3 + 6,316 = 16,32 Ω
R2 ∥ 16,32 = 10,57 Ω
Req = R1 + 10,57 = 8 + 10,57 = 18,57 Ω

Đáp số

Req = 18,57 Ω
3.Phương pháp điện thế nút

Đáp số: I2 = 0,2222 A

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

KCL tại nút A

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

(VA − 18)/3 + (VA − 15)/15 + VA/5 = 0

Giải tìm VA

VA = (18/3 + 15/15 + 0/5) / (1/3 + 1/15 + 1/5) = 7/0,6 = 11,67 V

Dòng điện nhánh

Mũi tên hướng lên qua nhánh, vào nút A.

I2 = (15 − VA)/R2 = (15 − 11,67)/15 = 0,2222 A

Đáp số

I2 = 0,2222 A

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

4.Phương pháp điện thế nút

Đáp số: VB = 24,58 V

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

R1​ = 30 ΩR2​ = 8 ΩR4​ = 3 Ω+−V1​6 VR3​10 ΩAR5​30 ΩBIs​0,5 A+−V2​30 V

Thiết lập các nút

Đất là dây dưới cùng. Các điện thế nút đã biết lấy thẳng từ các nguồn (V1 = 6 V, V2 = 30 V). Ẩn số: VA, VB.

KCL tại nút A

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

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/10 + (VA − 6)/30 + (VA − VB)/8 = 0
0,2583·VA − 0,125·VB = 0,2

KCL tại nút B

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

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/30 + (VB − VA)/8 + (VB − 30)/3 = 0,5
−0,125·VA + 0,4917·VB = 10,5

Giải

Δ = (0,2583)(0,4917) − (−0,125)(−0,125) = 0,1114
VA = Δ1/Δ = 1,411/0,1114 = 12,67 V
VB = Δ2/Δ = 2,737/0,1114 = 24,58 V

Đáp số

VB = 24,58 V
5.Phương pháp dòng điện mạch vòng

Đáp số: VR2 = −24,27 V

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

R1​ = 15 ΩR2​ = 20 Ω+−V1​9 VR3​4 ΩA+−V2​30 VI1​I2​

Gán các dòng điện mạch vòng

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

KVL quanh mạch vòng 1

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

R1·I1 + R3(I1 − I2) = V1
15·I1 + 4(I1 − I2) = 9
19·I1 − 4·I2 = 9

KVL quanh mạch vòng 2

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

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

Giải

Δ = (19)(24) − (−4)(−4) = 440
I1 = Δ1/Δ = 96/440 = 0,2182 A
I2 = Δ2/Δ = −534/440 = −1,214 A

Đáp số

IR2 = I2 = −1,214 A
VR2 = IR2·R2 = −1,214·20 = −24,27 V

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

6.Phương pháp dòng điện mạch vòng

Đáp số: I1 = 0,31 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​ = 8 ΩR2​ = 15 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR4​6 ΩAR5​15 ΩB+−V2​36 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
8·I1 + 6(I1 − I2) = 10
14·I1 − 6·I2 = 10

KVL quanh mạch vòng 2

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

R2·I2 + R4(I2 − I1) + R5(I2 − I3) = 0
15·I2 + 6(I2 − I1) + 15(I2 − I3) = 0
−6·I1 + 36·I2 − 15·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
6·I3 + 15(I3 − I2) = (−36)
−15·I2 + 21·I3 = −36

Giải

Δ = định thức của ma trận hệ số = 6678
I1 = Δ1/Δ = 2070/6678 = 0,31 A
I2 = Δ2/Δ = −6300/6678 = −0,9434 A
I3 = Δ3/Δ = −15948/6678 = −2,388 A

Đáp số

I1 = 0,31 A

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

7.Nguyên lý xếp chồng

Đáp số: Is = 2,16 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​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​5 ΩBHỞ MẠCH

Trường hợp 1 · V1 tác dụng riêng

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

R3+R4 = 8+5 = 13 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 15·13/(15+13) = 6,964 Ω
VA = 18·6,964/(10+6,964) = 7,389 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 7,389·5/13 = 2,842 V
IR3′ = (VA − VB)/R3 = (7,389 − 2,842)/8 = 0,5684 A

Trường hợp 2 · Is tác dụng riêng

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

R1 ∥ R2 = 6 Ω
IR3″ = −Is·R4/(R4 + R3 + R1∥R2) = −Is·5/19 = −0,2632·Is

Cho tổng bằng không

IR3′ + IR3″ = 0,5684 − 0,2632·Is = 0
Is = 0,5684/0,2632 = 2,16 A

Đáp số

Is = 2,16 A
8.Nguyên lý xếp chồng

Đáp số: PR4 = 4,86 W

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

R1​ = 6 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 12 Ω+−V1​9 VR3​4 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) = 4 ∥ 24 = 3,429 Ω
VA = 9·3,429/(6+3,429) = 3,273 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 3,273·12/24 = 1,636 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (1,636 − 0)/12 = 0,1364 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 12 ΩNGẮN MẠCHR3​4 ΩAIs​0,5 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 = 2,4 Ω, nên nhánh bên trái là R2+2,4 = 14,4 Ω
Req = R4 ∥ 14,4 = 6,545 Ω
VB = Is·Req = 0,5·6,545 = 3,273 V
VA = VB·2,4/14,4 = 0,5455 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (3,273 − 0)/12 = 0,2727 A
R1​ = 6 ΩR2​ = 12 ΩR4​ = 12 ΩNGẮN MẠCHR3​4 ΩAHỞ MẠCHB−+V2​6 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 = 6·4/(6+4) = 2,4 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = (−6)·14,4/26,4 = −3,273 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = −3,273·2,4/14,4 = −0,5455 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (−3,273 − −6)/12 = 0,2273 A

Cộng các phần đóng góp của dòng điện

IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴ = 0,1364 + 0,2727 + 0,2273 = 0,6364 A

Công suất trên điện trở

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

PR4 = IR4²·R4 = 0,6364²·12 = 4,86 W

Đáp số

PR4 = 4,86 W

Cộng công suất của các trường hợp riêng lẻ sẽ cho 1,736 W, là sai.

9.Thévenin và Norton

Đáp số: IN = 0,4018 A

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

R1​ = 8 ΩR3​ = 8 ΩNGẮN MẠCHR2​3 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 = 8·3/(8+3) = 2,182 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2,182 + 8 = 10,18 Ω
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​15 VR2​3 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) = 15·3/(8+3) = 4,091 V
IN​0,4018 ARth​10,18 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 = 4,091/10,18 = 0,4018 A
10.Thévenin và Norton

Đáp số: Vth = 87,64 V

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

R1​ = 25 ΩR3​ = 5 ΩNGẮN MẠCHR2​30 ΩAHỞ MẠCHBabRth​

Tìm Rth khi tắt mọi nguồn

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

R1 ∥ R2 = 25·30/(25+30) = 13,64 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 13,64 + 5 = 18,64 Ω
R1​ = 25 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​24 VR2​30 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) = 13,09 + 4·13,64 = 67,64 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 67,64 + 4·5 = 87,64 V
11.Quá độ RC và RL

Đáp số: vL = 0,9092 V

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

Hằng số thời gian và dòng điện cuối

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

τ = L/R = 22 mH / 68 Ω = 0,3235 ms
i(∞) = Vs/R = 20/68 = 0,2941 A

Điện áp cuộn cảm

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

vL(t) = Vs·e−t/τ = 20·e−1/0,3235 = 0,9092 V

Đáp số

vL = 0,9092 V
12.Quá độ RC và RL

Đáp số: vC = 8,475 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) = 6 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 10 µF = 47 ms
vC(t) = 12 + (6 − 12)·e−t/τ

Điện áp tại thời điểm đã cho

vC(25) = 12 + (−6)·e−25/47 = 8,475 V

Đáp số

vC = 8,475 V
13.Tổng trở xoay chiều và phasor

Đáp số: C = 35,18 µF

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|.

Điều kiện cộng hưởng

Tại cộng hưởng, cảm kháng và dung kháng triệt tiêu nhau: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·60 = 377 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(377²·0,2) = 35,18 µF

Đáp số

C = 35,18 µF
14.Tổng trở xoay chiều và phasor

Đáp số: I = 0,6155 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,15 = 56,55 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·22·10⁻⁶) = 120,6 Ω

Tổng trở

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (−64,02)²) = 81,23 Ω

Dòng điện

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

I = V/|Z| = 50/81,23 = 0,6155 A

Đáp số

I = 0,6155 A
15.Công suất xoay chiều và hệ số công suất

Đáp số: Q = 5,812 kvar

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

Góc

φ = arccos(0,9) = 25,84°, tan φ = 0,4843

Công suất phản kháng

Q = P·tan φ = 12·0,4843 = 5,812 kvar

Đáp số

Q = 5,812 kvar
16.Công suất xoay chiều và hệ số công suất

Đáp số: Inew = 208,3 A

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

Công suất phản kháng trước và sau

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

Q1 = P·tan φ1 = 45·tan(53,13°) = 60 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(25,84°) = 21,79 kvar
QC = Q1 − Q2 = 38,21 kvar

Dòng điện đường dây mới

Inew = P/(V·cos φ2) = 45000/(240·0,9) = 208,3 A

Đáp số

Inew = 208,3 A
17.Công suất ba pha

Đáp số: P = 39,2 kW

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

Công suất biểu kiến

S = √3·VL·IL = √3·690·40 = 47,8 kVA

Công suất tác dụng

P = S·cos φ = 47,8·0,82 = 39,2 kW

Đáp số

P = 39,2 kW
18.Công suất ba pha

Đáp số: Cph = 100,6 µF

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

Công suất phản kháng trước và sau

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

Q1 = 120·tan(acos 0,78) = 120·0,8023 = 96,27 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,92) = 120·0,426 = 51,12 kvar

Công suất phản kháng từ các tụ điện

QC = Q1 − Q2 = 45,15 kvar

Điện dung mỗi pha

Trong bộ nối tam giác (Δ), mỗi tụ được nối giữa hai dây pha.

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 15051/(314,2·690²) = 100,6 µF

Đáp số

Cph = 100,6 µF
19.Máy biến áp

Đáp số: a = 8

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.

Khớp tải quy đổi

a²·2 = 128
a = √(128/2) = √64 = 8

Đáp số

a = 8
20.Máy biến áp

Đáp số: Pcu,fl = 620,7 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 = 50·0,95 = 47,5 kW
Pin = 47500/0,982 = 48371 W

Tổng tổn thất và tổn thất đồng

Ploss = 48371 − 47500 = 870,7 W
Pcu,fl = 870,7 − 250 = 620,7 W

Đáp số

Pcu,fl = 620,7 W
21.Mạch khuếch đại thuật toán

Đáp số: Vin,max = 1,091 V

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

Độ khuếch đại

|Av| = Rf/R1 = 22/2 = 11

Đầu vào lớn nhất trước khi bị cắt

Vin,max = Vsat/|Av| = 12/11 = 1,091 V

Đáp số

Vin,max = 1,091 V
22.Mạch khuếch đại thuật toán

Đáp số: Vout = −5,485 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 = −0,6/22 = −0,02727 mA
I2 = V2/R2 = 1,3/4,7 = 0,2766 mA
If = I1 + I2 = 0,2493 mA

Điện áp ngõ ra

Vout = −Rf·If = −22·0,2493 = −5,485 V

Đáp số

Vout = −5,485 V
23.Diode và transistor

Đáp số: IC = 2,333 mA

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

Mạch tương đương Thévenin của cầu chia áp

VTH = 18·6,8/(56 + 6,8) = 1,949 V
RTH = 56·6,8/(56 + 6,8) = 6,064 kΩ

Dòng điện cực nền

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

IB = (1,949 − 0,7)/(6,064 + 101·0,47) = 23,33 µA

Dòng điện cực thu

IC = 100·23,33 µA = 2,333 mA
IE = 101·23,33 µA = 2,357 mA

Đáp số

IC = 2,333 mA
24.Diode và transistor

Đáp số: ID = 29 mA

Mạch LED và diode: một LED phân cực thuận sụt xấp xỉ điện áp thuận VF của nó (khoảng 2 V với đỏ, 3 V với xanh dương hoặc trắng), bất kể dòng điện. Một điện trở nối tiếp đặt dòng điện: R = (Vs − n·VF)/I cho n LED nối tiếp. Với mô hình diode chính xác hơn V = V₀ + I·rd, điểm làm việc là nơi đường diode gặp đường tải I = (Vs − V)/R, nên I = (Vs − V₀)/(R + rd).

Kết hợp hai phương trình

5 = 0,65 + I·(100 + 50)

Dòng điện làm việc

ID = 4,35/150 = 29 mA
VD = 0,65 + 0,029·50 = 2,1 V

Đáp số

ID = 29 mA
25.Hệ đếm

Đáp số: U = 144

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

Đảo bit và cộng một

112 = 0111 0000
đã đảo: 1000 1111
+1 → 1001 0000

Đọc như số không dấu

1001 0000₂ = 256 − 112 = 144

Đáp số

U = 144
26.Hệ đếm

Đáp số: R = 152

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

Từng bit một

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

1111 0011 << 3
= 1001 1000

Giá trị của kết quả

1001 1000₂ = 152

Đáp số

R = 152
27.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop

Đáp số: AB = 01, CD = 11

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.

m7: m6, m5, m3, m15 → 0
ABCD000111100001111011111

Số 1 cô lập

m7 = A′BCD → AB = 01, CD = 11

Đáp số

AB = 01, CD = 11
28.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop

Đáp số: sườn xung nhịp 3

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

Q sau mỗi sườn

Một flip-flop JK: 00 giữ nguyên, 01 đặt về 0 (Q = 0), 10 đặt lên 1 (Q = 1), 11 đảo.

1: J = 1, K = 0 → Q = 1
2: J = 0, K = 0 → Q = 1
3: J = 1, K = 1 → Q = 0
4: J = 1, K = 1 → Q = 1
5: J = 0, K = 0 → Q = 1
6: J = 0, K = 1 → Q = 0
7: J = 0, K = 1 → Q = 0
8: J = 1, K = 1 → Q = 1

Lần đầu tiên đổi từ 1 xuống 0

sườn xung nhịp 3

Đáp số

sườn xung nhịp 3
29.Biến đổi Laplace

Đáp số: f(0.4) = 0,7737

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 thức riêng

F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 6)
A = 25/(2·6) = 2,083
B = 25/((−2)·4) = −3,125
C = 25/((−6)·(−4)) = 1,042

Biến đổi ngược

f(t) = 2,083 − 3,125·e−2t + 1,042·e−6t

Tính giá trị

f(0,4) = 2,083 − 3,125·e−2·0,4 + 1,042·e−6·0,4 = 0,7737

Đáp số

f(0,4) = 0,7737
30.Biến đổi Laplace

Đáp số: y(0.25) = 1,831

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 − 1s − 10 + 7(sY − 1) + 12Y = 0
Y(s) = (s + 17)/((s + 3)(s + 4))

Phân thức riêng

A = 14/1 = 14
B = 13/(−1) = −13

Kết quả

y(t) = 14·e−3t − 13·e−4t
y(0,25) = 1,831

Đáp số

y(0,25) = 1,831

Kiểm tra: y(0) = A + B = 1.

31.Sơ đồ khối

Đáp số: ess = 0,04762

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

Hằng số sai số vận tốc

Kᵥ = lims→0 s·G(s) = 42/2 = 21

Sai số xác lập

ess = A/Kᵥ = 1/21 = 0,04762

Đáp số

ess = 0,04762
32.Sơ đồ khối

Đáp số: K = 79,2

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).

Đáp ứng nhiễu

css = D·G(0)/(1 + K·G(0)) = 0,5·10/(8 + 10K)

Giải tìm K

8 + 10K = 0,5·10/0,00625 = 800
K = (800 − 8)/10 = 79,2

Đáp số

K = 79,2
33.Đáp ứng bước

Đáp số: σ = −1

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 = 55 → ωₙ = 7,416 rad/s
2ζωₙ = 2 → ζ = 2/(2·7,416) = 0,1348

Kết quả

σ = −ζωₙ = −2/2 = −1

Đáp số

σ = −1
34.Đáp ứng bước

Đáp số: %OS = 9,262 %

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/√(0,02·1 × 10⁻⁵) = 2236 rad/s
ζ = (R/2)·√(C/L) = (54/2)·√(1 × 10⁻⁵/0,02) = 0,6037

Kết quả

%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²) = 9,262 %

Đáp số

%OS = 9,262 %
35.Biểu đồ Bode và độ dự trữ

Đáp số: |H| = −10,04 dB

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

Tần số góc

ωc = 1/(RC) = 1/(1000·1 × 10⁻⁷) = 10000 rad/s
fc = 1592 Hz → f/fc = 4800/1592 = 3,016

Độ khuếch đại

|H| = 1/√(1 + 3,016²) = 0,3147
20·log₁₀(0,3147) = −10,04 dB

Đáp số

|H| = −10,04 dB
36.Biểu đồ Bode và độ dự trữ

Đáp số: PM = 25,81 °

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 + 4ω² − 361 = 0
ω² = (−4 + √(16 + 4·361))/2 = 17,1
ωc = 4,136 rad/s

Độ dự trữ pha

∠L(jωc) = −90° − atan(4,136/2) = −154,2°
PM = 180° + ∠L = 25,81°

Đáp số

PM = 25,81°
37.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm

Đáp số: m = 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.

Bảng Routh

s³ + 18s² + 80s + K = 0
s³: 1, 80
s²: 18, K
s¹: (18·80 − K)/18
s⁰: K

Độ lợi ổn định lớn nhất

Kmax = 18·80 = 1440

Hệ số

m = 1440/288 = 5

Đáp số

m = 5

Hệ số này là biên độ lợi dưới dạng tỷ số: 13,98 dB.

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

Đáp số: K = 17,36

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.

So sánh với dạng chuẩn

s² + 5s + K = s² + 2ζωₙs + ωₙ²
2·0,6·ωₙ = 5 → ωₙ = 4,167 rad/s

Độ khuếch đại

K = ωₙ² = 4,167² = 17,36

Đáp số

K = 17,36

Các cực vòng kín nằm ở nơi đường ζ cắt nhánh thẳng đứng tại s = −2,5.

39.Sai số xác lập và điều khiển PID

Đáp số: K = 100

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 yêu cầu

Kv = A/ess = 1/0,02 = 50

Độ khuếch đại

K = 2·Kv = 100

Đáp số

K = 100

Một độ lợi lớn làm vòng này cản rất yếu: ζ = 0,1. Mâu thuẫn đó là lý do dùng các bộ bù.

40.Sai số xác lập và điều khiển PID

Đáp số: Kd = 3,07 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) + 1(25 + Kds) = s² + (4 + 1Kd)s + 25

Tần số riêng

ωₙ = √25 = 5 rad/s

Độ lợi vi phân

4 + 1Kd = 2·0,707·5 = 7,07
Kd = 3,07 s

Đáp số

Kd = 3,07 s

Thành phần vi phân thêm sự cản mà không làm đổi ωₙ.

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

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