Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.
1Công thức và phương pháp
Điện trở nối tiếp và song song
Điện trở nối tiếp
Req = R1 + R2 + …
Điện trở song song
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Hai điện trở song song
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Định luật Ohm
V = I·R
Công suất
P = V·I = I²R = V²/R
Phương pháp
Bắt đầu từ đầu của mạng xa các cực nhất.
Gộp các điện trở nối tiếp bằng cách cộng chúng, và các điện trở song song bằng 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Vẽ lại mạch sau mỗi bước.
Lặp lại cho đến khi chỉ còn một điện trở giữa hai cực.
Phương pháp điện thế nút
Định luật Kirchhoff về dòng điện
ΣIin = ΣIout
Dòng điện nhánh
I = (Va − Vb)/R
Nút tham chiếu
Vground = 0
Phương pháp
Chọn một nút tham chiếu (đất) và đặt tên cho các điện thế nút còn lại.
Viết định luật Kirchhoff về dòng tại mỗi nút chưa biết: dòng đi ra qua mỗi nhánh bằng dòng đi vào.
Biểu diễn mọi dòng nhánh dưới dạng (Va − Vb)/R.
Giải hệ phương trình, rồi tìm bất kỳ dòng điện nào bạn cần.
Phương pháp dòng điện mạch vòng
Định luật Kirchhoff về điện áp
ΣV = 0 quanh mỗi vòng
Điện trở chung
dòng điện = I1 − I2
Nguồn dòng trong mạch vòng
xác định dòng điện của mạch vòng đó
Phương pháp
Vẽ một dòng điện theo chiều kim đồng hồ trong mỗi mạch vòng (ô) của mạch.
Áp dụng định luật Kirchhoff về điện áp quanh mỗi mạch vòng: tổng các sụt áp bằng không.
Trong điện trở chung của hai mạch vòng, dòng điện là hiệu của hai dòng mạch vòng.
Giải các phương trình; kết quả âm nghĩa là dòng điện chạy ngược lại.
Nguyên lý xếp chồng
Nguyên lý xếp chồng
x = x1 + x2 + … (one source at a time)
Nguồn điện áp đã tắt
ngắn mạch (0 V)
Nguồn dòng đã tắt
hở mạch (0 A)
Cầu chia áp
V2 = V·R2/(R1 + R2)
Cầu chia dòng
I1 = I·R2/(R1 + R2)
Phương pháp
Đếm các nguồn độc lập. Bạn sẽ giải một mạch đơn giản hơn cho mỗi nguồn.
Giữ một nguồn và tắt các nguồn còn lại: nguồn điện áp trở thành ngắn mạch (một sợi dây), nguồn dòng trở thành hở mạch (một khoảng hở).
Giải mạch đơn giản hơn để tìm điện áp hoặc dòng điện bạn cần, theo dõi chiều của nó.
Lặp lại cho mọi nguồn, rồi cộng các thành phần với dấu của chúng.
Thévenin và Norton
Điện áp Thévenin
Vth = Vopen circuit
Điện trở Thévenin
Rth: tắt mọi nguồn, nhìn từ a–b
Dòng Norton
IN = Vth/Rth
Dòng điện qua tải
IL = Vth/(Rth + RL)
Truyền công suất cực đại
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)
Phương pháp
Bỏ tải ra và đánh dấu hai cực a và b.
Tìm điện áp hở mạch giữa a và b: đây là Vth.
Tắt mọi nguồn độc lập và tìm điện trở nhìn từ a–b: đây là Rth.
Đặt lại tải vào mạch tương đương: Vth nối tiếp với Rth.
Với mạch tương đương Norton, hãy chuyển đổi: IN = Vth/Rth, với RN = Rth mắc song song.
Quá độ RC và RL
Hằng số thời gian
τ = RC | τ = L/R
Đáp ứng
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Tụ điện ở chế độ một chiều
hở mạch; vC không thể nhảy vọt
Cuộn cảm ở chế độ một chiều
ngắn mạch; iL không thể nhảy vọt
Đã ổn định
t ≈ 5τ
Phương pháp
Tìm giá trị ban đầu ngay sau khi đóng cắt: điện áp tụ điện và dòng điện cuộn cảm không thể nhảy vọt.
Tìm giá trị cuối rất lâu sau khi đóng cắt: tụ điện hoạt động như hở mạch, cuộn cảm như ngắn mạch.
Tìm hằng số thời gian: τ = RC hoặc τ = L/R, dùng điện trở mà tụ điện hoặc cuộn cảm nhìn thấy.
Dùng x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.
Tổng trở xoay chiều và phasor
Tổng trở
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Tần số góc
ω = 2πf
Độ lớn và góc
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Định luật Ohm dạng phasor
V = I·Z
Phương pháp
Đổi tần số: ω = 2πf.
Tìm từng điện kháng: XL = ωL và XC = 1/(ωC).
Cộng các tổng trở như điện trở, với Z = R + jX.
Tìm độ lớn |Z| = √(R² + X²) và góc φ = atan(X/R), rồi dùng định luật Ohm với phasor.
Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Công suất tác dụng
P = V·I·cos φ
Công suất phản kháng
Q = V·I·sin φ
Công suất biểu kiến
S = V·I = √(P² + Q²)
Hệ số công suất
pf = cos φ = P/S
Tụ điện bù
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)
Công suất ba pha
Nối sao (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Nối tam giác (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Tổng công suất tác dụng
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Công suất biểu kiến và phản kháng
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Tụ điện bù
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Điện áp trên mỗi tụ điện
Δ: VL Y: VL/√3
Công suất vào của động cơ
Pin = Pout/η
Máy biến áp
Tỉ số vòng dây
a = N1/N2 = V1/V2
Tỉ số dòng điện
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Dòng điện định mức
I = S/V
Tổng trở quy đổi
Z1′ = a²·ZL
Tổn hao đồng khi non tải
Pcu = x²·Pcu,fl
Hiệu suất
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Hiệu suất cực đại
x = √(Pcore/Pcu,fl)
Mạch khuếch đại thuật toán
Bộ khuếch đại đảo
Vout = −(Rf/Rin)·Vin
Bộ khuếch đại không đảo
Vout = (1 + Rf/R1)·Vin
Bộ khuếch đại cộng
Vout = −Rf(V1/R1 + V2/R2)
Op-amp lý tưởng
V+ = V−, Iin = 0
Diode và transistor
Diode (sụt áp không đổi)
VD = 0,7 V when conducting
Vùng tích cực
VBE = 0,7 V, IC = β·IB, IE = (β + 1)·IB
Phân cực cố định
IB = (VCC − 0,7)/RB
Phân cực bằng cầu chia áp
IB = (VTH − 0,7)/(RTH + (β + 1)RE)
Thévenin của cầu chia áp
VTH = VCC·R2/(R1 + R2), RTH = R1∥R2
Vòng cực thu
VCE = VCC − ICRC − IERE
Bão hòa
IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC, IB ≥ IC(sat)/β
Hệ đếm
Giá trị vị trí
nhị phân 2k, bát phân 8k, thập lục phân 16k
Sang thập phân
Σ dk·bk
Từ thập phân
chia cho cơ số, đọc các số dư từ dưới lên
Thập lục phân ↔ nhị phân
một chữ số thập lục phân = 4 bit
Số bù hai
đảo các bit và cộng 1
Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Các cổng cơ bản
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Các quy tắc Boole
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgan
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Thứ tự của bìa Karnaugh
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Nhóm 2ᵏ ô
mất k biến
Bộ ghép kênh 4-sang-1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Flip-flop
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Bộ đếm
n bit: 2ⁿ trạng thái; mod-N: n nhỏ nhất thỏa 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Bộ đếm gợn sóng
fmax = 1/(n·tpd)
Bộ đếm vòng và Johnson
n và 2n trạng thái
Phương pháp
Với một mạch, hãy làm từ các đầu vào đến đầu ra từng cổng một và ghi giá trị trên mọi dây, hoặc viết biểu thức của nó rồi điền bảng chân trị.
Để rút gọn, hãy đặt các số 1 (và các điều kiện tùy định là X) vào một bìa Karnaugh với hàng và cột theo mã Gray: 00, 01, 11, 10.
Hãy phủ các số 1 bằng càng ít nhóm và càng lớn càng tốt gồm 1, 2, 4, 8 hoặc 16 ô, cuộn qua mép; mỗi nhóm là một số hạng tích gồm các biến không đổi. Hãy nhóm các số 0 cho dạng POS.
Với flip-flop và bộ đếm, hãy đọc các đầu vào tại mỗi sườn xung nhịp tích cực, ghi trạng thái sau mỗi sườn, và nhớ rằng bộ đếm n bit quay vòng sau 2ⁿ trạng thái.
Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm
Ổn định
mọi nghiệm của đa thức đặc trưng ở nửa mặt phẳng trái
bảng Routh, phần tử s¹ của đa thức bậc ba
b1 = (a2a1 − a3a0)/a2
Nghiệm ở nửa mặt phẳng phải
số lần đổi dấu trong cột đầu tiên
Đa thức bậc ba s³ + a₂s² + a₁s + a₀
ổn định khi mọi a > 0 và a₂·a₁ > a₀
K/(s(s + a)(s + b))
Kmax = ab(a + b), ω = √(ab)
Phương trình đặc trưng
1 + K·G(s) = 0
Đường tiệm cận
σa = (Σp − Σz)/(n − m), θ = (2q + 1)·180°/(n − m)
Điểm tách và điểm nhập
dK/ds = 0
Điều kiện biên độ
K = 1/|G(s)|
Góc xuất phát
θd = 180° − Σ∠(from other poles) + Σ∠(from zeros)
Phương pháp
Viết đa thức đặc trưng vòng kín: mẫu số của 1 + K·G(s) = 0, sau khi nhân ra.
Đặt các hệ số xen kẽ vào hai hàng đầu tiên của bảng Routh và lập các hàng còn lại.
Đếm số lần đổi dấu trong cột đầu tiên: mỗi lần là một cực ở nửa mặt phẳng phải. Khi K có trong bảng, hãy yêu cầu mọi phần tử của cột đầu tiên giữ dương.
Với quỹ đạo nghiệm, đánh dấu các cực và điểm không, các đoạn trên trục thực, các đường tiệm cận từ trọng tâm và các điểm tách/nhập nơi dK/ds = 0. Dùng K = 1/|G(s)| cho độ lợi tại một điểm.
Sai số xác lập và điều khiển PID
Loại của hệ
số cực của G(s) tại s = 0
Hằng số sai số
Kp = lim G(s), Kv = lim s·G(s), Ka = lim s²·G(s) (s → 0)
Bước nhảy A
ess = A/(1 + Kp)
Tín hiệu dốc A·t
ess = A/Kv
Parabol A·t²/2
ess = A/Ka
Bộ điều khiển PID
C(s) = Kp + Ki/s + Kd·s
Mục tiêu bậc hai
s² + 2ζωns + ωn²
Độ vượt quá và thời gian
%OS = 100·e−ζπ/√(1−ζ²), tp = π/ωd, ts ≈ 4/(ζωn)
Phương pháp
Đếm các cực của vòng hở C(s)·G(s) tại s = 0: đó là loại của hệ.
Tính hằng số sai số khớp với đầu vào: Kp cho bước nhảy, Kv cho tín hiệu dốc, Ka cho parabol.
Áp dụng ess = A/(1 + Kp), A/Kv hay A/Ka, hoặc giải nó theo độ lợi bạn cần.
Với yêu cầu về độ cản hoặc tốc độ, viết đa thức đặc trưng vòng kín và so sánh nó với s² + 2ζω_n·s + ω_n².
2Bài tập
1.Điện trở nối tiếp và song songTrung bình
Tìm dòng điện IR2 qua R2.
V1 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
2.Điện trở nối tiếp và song songKhó
Tìm điện trở tương đương Req mà nguồn V1 nhìn thấy.
Một tải RL = 4 Ω được nối giữa a–b. Thay phần mạch còn lại bằng mạch tương đương Thévenin và tìm dòng qua tải IL.
V1 = 9 VIs = 6 AR1 = 3 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩRL = 4 Ω
IL = A
11.Quá độ RC và RLTrung bình
Cuộn cảm không có dòng điện trước khi khóa đóng tại t = 0. Tìm điện áp vL trên cuộn cảm tại t = 10 ms.
Vs = 10 VR = 10 ΩL = 100 mHt = 10 ms
vL = V
12.Quá độ RC và RLKhó
Ngay trước khi khóa đóng tại t = 0, tụ điện giữ 12 V với cực tính như hình. Tìm điện áp tụ điện vC tại t = 300 ms.
Vs = 5 VR = 6,8 kΩC = 33 µFvC(0) = 12 Vt = 300 ms
vC = V
13.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
Một điện trở và một tụ điện được mắc song song qua nguồn 50 V (hiệu dụng), 500 Hz. Tìm dòng điện hiệu dụng I.
V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 25 ΩC = 47 µF
I = A
14.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 50 V (hiệu dụng), 500 Hz. Tìm điện áp hiệu dụng VC trên tụ điện.
V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 100 µF
VC = V
15.Công suất xoay chiều và hệ số công suấtTrung bình
Hai tải được mắc song song vào nguồn một pha 230 V: một tải 8 kW có hệ số công suất 0,85 trễ pha và một tải 27 kW có hệ số công suất 0,7 sớm pha. Tìm hệ số công suất tổng cos φ mà nguồn nhìn thấy.
Một máy biến áp một pha 200 kVA cấp cho một tải 40 kW với hệ số công suất 0,6 trễ pha. Có thể thêm bao nhiêu công suất thực ΔP dưới dạng tải điện trở (hệ số công suất bằng 1) trước khi máy biến áp đạt định mức kVA?
Smax = 200 kVAP1 = 40 kWpf1 = 0,6
ΔP = kW
17.Công suất ba phaTrung bình
Một tải ba pha cân bằng lấy dòng điện dây 40 A từ nguồn có điện áp dây 415 V. Hệ số công suất là 0,88 trễ. Tìm tổng công suất tác dụng P mà tải tiêu thụ, theo kW.
VL = 415 VIL = 40 Acos φ = 0,88
P = kW
18.Công suất ba phaKhó
Một tải ba pha cân bằng lấy 250 kW với hệ số công suất 0,78 trễ từ nguồn 415 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. Tìm tổng công suất phản kháng QC mà bộ tụ điện phải cung cấp, theo kvar.
P = 250 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 60 Hz
QC = kvar
19.Máy biến ápTrung bình
Một điện trở 8 Ω được nối qua cuộn thứ cấp của một máy biến áp lý tưởng có tỉ số vòng dây N₁:N₂ = 8:1. Tìm điện trở R1′ nhìn vào cuộn sơ cấp.
N1:N2 = 8:1RL = 8 Ω
R1′ = Ω
20.Máy biến ápKhó
Một máy biến áp một pha 500 kVA có tổn thất lõi 4000 W và tổn thất đồng 12000 W ở tải định mức. Nó cấp 25% kVA định mức với hệ số công suất 0,95 trễ. Tìm tổng tổn thất Ploss theo watt ở tải này.
Op-amp là lý tưởng và chạy với nguồn cấp ±15 V. Tìm điện áp ngõ ra Vout.
Vin = −1,9 VR1 = 100 kΩRf = 100 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 = −1 VV2 = −1,1 VR1 = 47 kΩR2 = 2 kΩRf = 2 kΩ
Vout = V
23.Diode và transistorTrung bình
Một transistor NPN có β = 200 được phân cực bằng cầu chia áp từ VCC = 20 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 = 4,7 kΩ và điện trở cực phát là RE = 680 Ω. Lấy VBE = 0,7 V và dùng mạch tương đương Thévenin của cầu chia áp (không bỏ qua dòng điện cực nền). Tìm điện áp cực thu–cực phát VCE.
Một transistor NPN có β = 150 đóng cắt một điện trở tải 680 Ω nối giữa VCC = 9 V và cực thu của nó. Cực phát được nối đất. Cực nền được điều khiển từ ngõ ra logic 5 V qua điện trở nền RB. Lấy VBE = 0,7 V và VCE(sat) = 0,2 V. Để đóng cắt tin cậy, hãy thiết kế dòng điện cực nền gấp 4 lần mức tối thiểu cần cho bão hòa. Tìm RB theo kΩ.
Đặt các bit để lưu −107 theo bù hai 8 bit. Đọc như một số không dấu, giá trị U của mẫu là bao nhiêu?
N = −1078 bit
U =
26.Hệ đếmKhó
Đặt các bit thành kết quả 8 bit của 1010 1001 << 2. Giá trị R của kết quả theo hệ thập phân là bao nhiêu?
1010 1001<< 2
R =
27.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopTrung bình
Hãy dùng bìa Karnaugh để tìm dạng tổng các tích (SOP) tối thiểu của F(A, B, C, D) = Σm(5, 6, 11, 12, 15). Tổng cộng nó chứa bao nhiêu literal L (một biến có dấu phẩy được tính là một literal)?
F(A, B, C, D) = Σm(5, 6, 11, 12, 15)
L =
28.Logic số: cổng, bìa K và flip-flopKhó
Một flip-flop JK kích hoạt theo sườn lên bắt đầu với Q = 0 và nhận các đầu vào như hình tại 8 sườn lên của xung nhịp. Q đổi trạng thái bao nhiêu lần N?
Q₀ = 0JK
N =
29.Biến đổi LaplaceTrung bình
F(s) = (6s + 6)/(s² + 9s + 20). Biến đổi ngược của nó có dạng f(t) = A·e−4t + B·e−5t. Tìm hệ số A bằng phân thức riêng.
F(s) = (6s + 6)/(s² + 9s + 20)
A =
30.Biến đổi LaplaceKhó
Giải y″ + 4y′ + 3y = 0 với y(0) = −3 và y′(0) = −3 bằng biến đổi Laplace, và tìm y(0,4).
y″ + 4y′ + 3y = 0y(0) = −3y′(0) = −3t = 0,4 s
y(0.4) =
31.Sơ đồ khốiTrung bình
Đối tượng G(s) = 8/(s + 3) có một vòng hồi tiếp âm trong (phụ) với độ lợi H₁ = 2. Độ lợi bộ điều khiển K = 13 và một vòng hồi tiếp âm đơn vị ngoài khép kín hệ thống. Tìm độ lợi một chiều (DC) vòng kín T(0).
G(s) = 8/(s + 3)H₁ = 2K = 13
T(0) =
32.Sơ đồ khốiKhó
Một bộ điều khiển tỷ lệ K điều khiển đối tượng G(s) = 5/(s + 6) trong vòng hồi tiếp âm đơn vị. Một bậc thang nhiễu có độ lớn 1 đi vào đầu vào của đối tượng khi R = 0. Tìm độ lợi nhỏ nhất K để đầu ra xác lập không vượt quá 0,1667.
G(s) = 5/(s + 6)D = 1css ≤ 0,1667
K =
33.Đáp ứng bướcTrung bình
Một hệ có hàm truyền G(s) = 12/(s² + 4s + 24) và nhận tín hiệu vào là bước nhảy đơn vị. Tìm thời gian đỉnh tp của đáp ứng bước.
G(s) = 12/(s² + 4s + 24)
tp = s
34.Đáp ứng bướcKhó
Một mạch RLC nối tiếp với R = 19 Ω, L = 10 mH và C = 10 µF được nối với nguồn bước nhảy 12 V tại t = 0. Tụ điện chưa tích điện và không có dòng điện chạy trước bước nhảy. Tìm tần số riêng không tắt dần ωn theo rad/s.
R = 19 ΩL = 10 mHC = 10 µFV = 12 V
ωn = rad/s
35.Biểu đồ Bode và độ dự trữTrung bình
bộ lọc thông thấp RL trong hình có R = 220 Ω, L = 47 mH. Một tín hiệu vào hình sin 3 kHz được đặt vào. Tìm độ lệch pha φ của vout so với vin, theo độ.
R = 220 ΩL = 47 mHf = 3 kHz
φ = °
36.Biểu đồ Bode và độ dự trữKhó
Một vòng hồi tiếp đơn vị có hàm truyền vòng hở L(s) = 200/(s(s + 20)). Tìm độ dự trữ pha PM theo độ.
L(s) = 200/(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 + 1)(s + 6)). Tìm độ lợi lớn nhất Kmax mà vòng kín còn ổn định.
L(s) = K/(s(s + 1)(s + 6))
Kmax =
38.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệmKhó
Một vòng phản hồi đơn vị có L(s) = K(s + 2)/(s(s + 5)(s + 8)(s + 1)). Tìm điểm σa nơi các đường tiệm cận của quỹ đạo nghiệm cắt trục thực.
L(s) = K(s + 2)/(s(s + 5)(s + 8)(s + 1))
σa =
39.Sai số xác lập và điều khiển PIDTrung bình
Một quá trình G(s) = 4/(2s + 1) được điều khiển bởi độ lợi tỉ lệ K = 2 trong một vòng phản hồi đơn vị. Tìm sai số xác lập ess cho một bước nhảy, theo phần trăm độ lớn bước nhảy.
G(s) = 4/(2s + 1)K = 2
ess = %
40.Sai số xác lập và điều khiển PIDKhó
Một bộ điều khiển tỉ lệ K = 20 điều khiển đối tượng G(s) = 5/(s(s + 5)) trong một vòng phản hồi đơn vị. Tìm thời gian xác lập 2 % ts của đáp ứng bước, dùng ts ≈ 4/(ζωₙ).
G(s) = 5/(s(s + 5))K = 20
ts = s
3Dung dịch
1.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR2 = 0,7609 A
Điện trở nối tiếp và song song: khi nối tiếp, cùng một dòng điện chạy qua mỗi điện trở và R = R₁ + R₂ + …. Khi song song, mỗi điện trở có cùng điện áp và 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Mạch hình thang được rút gọn từng cặp một cho đến khi còn một điện trở tương đương duy nhất.
Gộp các điện trở từ đầu xa
Bắt đầu từ đầu xa nguồn nhất và làm ngược về phía nguồn. Các điện trở có cùng dòng điện thì mắc nối tiếp; các điện trở nối giữa cùng hai nút thì mắc song song.
R3 + R4 = 12 + 2 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 5·14/(5+14) = 3,684 Ω
Req = R1 + 3,684 = 6 + 3,684 = 9,684 Ω
Dòng điện từ nguồn
Nguồn chỉ thấy Req, nên định luật Ohm cho ra dòng điện nó cung cấp. Dòng điện đó chạy qua R₁.
IR1 = V1/Req = 10/9,684 = 1,033 A
Dòng điện qua R₂
Trừ độ sụt áp trên R₁ để có điện áp tại nút A, cũng là điện áp trên R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 10 − 1,033·6 = 3,804 V
IR2 = VA/R2 = 3,804/5 = 0,7609 A
Đáp số
IR2 = 0,7609 A
2.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 33,22 Ω
Điện trở nối tiếp và song song: khi nối tiếp, cùng một dòng điện chạy qua mỗi điện trở và R = R₁ + R₂ + …. Khi song song, mỗi điện trở có cùng điện áp và 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Mạch hình thang được rút gọn từng cặp một cho đến khi còn một điện trở tương đương duy nhất.
Gộp các điện trở từ đầu xa
Bắt đầu từ đầu xa nguồn nhất và làm ngược về phía nguồn. Các điện trở có cùng dòng điện thì mắc nối tiếp; các điện trở nối giữa cùng hai nút thì mắc song song.
R5 + R6 = 8 + 4 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 8,571 Ω
R3 + 8,571 = 16,57 Ω
R2 ∥ 16,57 = 3,222 Ω
Req = R1 + 3,222 = 30 + 3,222 = 33,22 Ω
Đáp số
Req = 33,22 Ω
3.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: I3 = −5,593 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 − 15)/5 + (VA − 10)/15 + (VA − (−24))/3 = 0
Giải tìm VA
VA = (15/5 + 10/15 + (−24)/3) / (1/5 + 1/15 + 1/3) = −4,333/0,6 = −7,222 V
Kết quả âm nghĩa là dòng điện thực chảy ngược chiều mũi tên.
4.Phương pháp điện thế nút
Đáp số: VB = 11 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.
Thiết lập các nút
Đất là dây dưới cùng. Các điện thế nút đã biết lấy thẳng từ các nguồn (V1 = 36 V, V2 = −10 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/8 + (VA − 36)/3 + (VA − VB)/8 = 0
0,5833·VA − 0,125·VB = 12
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 − (−10))/8 = 1,5
−0,125·VA + 0,2833·VB = 0,25
Giải
Δ = (0,5833)(0,2833) − (−0,125)(−0,125) = 0,1497
VA = Δ1/Δ = 3,431/0,1497 = 22,93 V
VB = Δ2/Δ = 1,646/0,1497 = 11 V
Đáp số
VB = 11 V
5.Phương pháp dòng điện mạch vòng
Đáp số: VR3 = 14,75 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.
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
8·I1 + 20(I1 − I2) = 12
28·I1 − 20·I2 = 12
KVL quanh mạch vòng 2
Đi theo chiều kim đồng hồ, tổng sụt áp trên các điện trở bằng tổng điện áp nguồn tăng (từ − sang + theo chiều đi).
R2·I2 + R3(I2 − I1) = −V2
3·I2 + 20(I2 − I1) = (−18)
−20·I1 + 23·I2 = −18
Giải
Δ = (28)(23) − (−20)(−20) = 244
I1 = Δ1/Δ = −84/244 = −0,3443 A
I2 = Δ2/Δ = −264/244 = −1,082 A
Đáp số
IR3 = I1 − I2 = 0,7377 A
VR3 = IR3·R3 = 0,7377·20 = 14,75 V
Dòng điện mạch vòng âm chạy ngược chiều kim đồng hồ.
6.Phương pháp dòng điện mạch vòng
Đáp số: VR3 = −2,727 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.
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
5·I1 + 5(I1 − I2) = 18
10·I1 − 5·I2 = 18
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
8·I2 + 5(I2 − I1) + 3(I2 − I3) = 0
−5·I1 + 16·I2 − 3·I3 = 0
KVL quanh mạch vòng 3
Đi theo chiều kim đồng hồ, tổng sụt áp trên các điện trở bằng tổng điện áp nguồn tăng (từ − sang + theo chiều đi).
R3·I3 + R5(I3 − I2) = −V2
5·I3 + 3(I3 − I2) = (−6)
−3·I2 + 8·I3 = −6
Giải
Δ = định thức của ma trận hệ số = 990
I1 = Δ1/Δ = 2052/990 = 2,073 A
I2 = Δ2/Δ = 540/990 = 0,5455 A
I3 = Δ3/Δ = −540/990 = −0,5455 A
Đáp số
IR3 = I3 = −0,5455 A
VR3 = IR3·R3 = −0,5455·5 = −2,727 V
Dòng điện mạch vòng âm chạy ngược chiều kim đồng hồ.
7.Nguyên lý xếp chồng
Đáp số: IR1 = −0,07752 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
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 = 3+5 = 8 Ω
R2 ∥ (R3+R4) = 6·8/(6+8) = 3,429 Ω
VA = 10·3,429/(15+3,429) = 1,86 V
VB = VA·R4/(R3+R4) = 1,86·5/8 = 1,163 V
IR1′ = (VA − V1)/R1 = (1,86 − 10)/15 = −0,5426 A
Trường hợp 2 · chỉ Is tác dụng
V₁ trở thành ngắn mạch, nên R₁ song song với R₂. Iₛ chia tại B giữa R₄ và đường đi qua R₃.
R1 ∥ R2 = 15·6/(15+6) = 4,286 Ω
Req = R4 ∥ (R3+R1∥R2) = 5 ∥ 7,286 = 2,965 Ω
VB = Is·Req = 4·2,965 = 11,86 V
VA = VB·(R1∥R2)/(R3+R1∥R2) = 11,86·4,286/7,286 = 6,977 V
IR1″ = (VA − V1)/R1 = (6,977 − 0)/15 = 0,4651 A
Cộng các thành phần
IR1 = IR1′ + IR1″
IR1 = (−0,5426) + 0,4651 = −0,07752 A
Kết quả âm có nghĩa là thực tế dòng điện chạy ngược chiều mũi tên.
8.Nguyên lý xếp chồng
Đáp số: IR4 = 3,189 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) = 25 ∥ 14 = 8,974 Ω
VA = 15·8,974/(10+8,974) = 7,095 V
VB = VA·R4/(R2+R4) = 7,095·8/14 = 4,054 V
IR4′ = (VB − V2)/R4 = (4,054 − 0)/8 = 0,5068 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 = 7,143 Ω, nên nhánh bên trái là R2+7,143 = 13,14 Ω
Req = R4 ∥ 13,14 = 4,973 Ω
VB = Is·Req = 5·4,973 = 24,86 V
VA = VB·7,143/13,14 = 13,51 V
IR4″ = (VB − V2)/R4 = (24,86 − 0)/8 = 3,108 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 = 10·25/(10+25) = 7,143 Ω
VB = V2·(R2+R1∥R3)/(R4+R2+R1∥R3) = 9·13,14/21,14 = 5,595 V
VA = VB·(R1∥R3)/(R2+R1∥R3) = 5,595·7,143/13,14 = 3,041 V
IR4‴ = (VB − V2)/R4 = (5,595 − 9)/8 = −0,4257 A
Cộng các thành phần
IR4 = IR4′ + IR4″ + IR4‴
IR4 = 0,5068 + 3,108 + (−0,4257) = 3,189 A
Kết quả âm có nghĩa là thực tế dòng điện chạy ngược chiều mũi tên.
9.Thévenin và Norton
Đáp số: Rth = 22 Ω
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 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 2 + 20 = 22 Ω
10.Thévenin và Norton
Đáp số: IL = 5,09 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 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,714 + 15 = 16,71 Ω
Tìm Vth, điện áp hở mạch
Khi a–b hở, đường duy nhất cho Iₛ là qua R₃ vào nút A. Tìm V_A bằng xếp chồng V₁ và Iₛ, rồi cộng thêm độ sụt áp trên R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 5,143 + 6·1,714 = 15,43 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 15,43 + 6·15 = 105,4 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) = 105,4/(16,71 + 4) = 5,09 A
11.Quá độ RC và RL
Đáp số: vL = 3,679 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 = 100 mH / 10 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 10/10 = 1 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 = 10·e−10/10 = 3,679 V
Đáp số
vL = 3,679 V
12.Quá độ RC và RL
Đáp số: vC = 6,839 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) = 12 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 33 µF = 224,4 ms
vC(t) = 5 + (12 − 5)·e−t/τ
Điện áp tại thời điểm đã cho
vC(300) = 5 + (7)·e−300/224,4 = 6,839 V
Đáp số
vC = 6,839 V
13.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: I = 7,649 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
XC = 1/(ωC) = 1/(2π·500·47·10⁻⁶) = 6,773 Ω
Các dòng điện nhánh
Cả hai nhánh được nối thẳng qua nguồn, nên mỗi nhánh chịu toàn bộ điện áp V.
IR = V/R = 50/25 = 2 A
IX = V/XC = 50/6,773 = 7,383 A
Tổng dòng điện
Dòng điện qua điện trở cùng pha với V và dòng điện kháng lệch pha 90°, nên chúng cộng lại như các cạnh của một tam giác vuông.
I = √(IR² + IX²) = √(2² + 7,383²) = 7,649 A
Đáp số
I = 7,649 A
14.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: VC = 0,5107 V
Mạch xoay chiều với phasor: điện trở, cuộn cảm và tụ điện có tổng trở lần lượt là R, jωL và 1/(jωC), với ω = 2πf. Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như điện trở, nhưng là số phức. Dòng điện và điện áp hiệu dụng tuân theo định luật Ohm với |Z|.
Điện kháng
ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,1 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·100·10⁻⁶) = 3,183 Ω
Tổng trở
Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như số phức: Z = R + j(XL − XC).
Cùng một dòng điện chạy qua mọi phần tử của mạch nối tiếp.
I = V/|Z| = 50/311,6 = 0,1605 A
Điện áp trên tụ điện
VC = I·XC = 0,1605·3,183 = 0,5107 V
Đáp số
VC = 0,5107 V
15.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: cos φ = 0,8402
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 của mỗi tải
Tải trễ pha lấy công suất phản kháng (Q > 0); tải sớm pha cung cấp nó (Q < 0).
Q1 = 8·tan(arccos 0,85) = 4,958 kvar
Q2 = −27·tan(arccos 0,7) = −27,55 kvar
Các tổng
P = 8 + 27 = 35 kW
Q = 4,958 + (−27,55) = −22,59 kvar
S = √(35² + (−22,59)²) = 41,66 kVA
Hệ số công suất tổng
cos φ = P/S = 35/41,66 = 0,8402 sớm pha
Đáp số
cos φ = 0,8402
16.Công suất xoay chiều và hệ số công suất
Đáp số: ΔP = 152,8 kW
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 của tải hiện có
Q1 = 40·tan(arccos 0,6) = 53,33 kvar
Tổng công suất thực lớn nhất
Ở định mức đầy đủ S = Smax, và Q không đổi do tải điện trở.
P = √(Smax² − Q1²) = √(200² − 53,33²) = 192,8 kW
Công suất thực thêm vào
ΔP = 192,8 − 40 = 152,8 kW
Đáp số
ΔP = 152,8 kW
17.Công suất ba pha
Đáp số: P = 25,3 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 = √3·415·40 = 28,75 kVA
Công suất tác dụng
P = S·cos φ = 28,75·0,88 = 25,3 kW
Đáp số
P = 25,3 kW
18.Công suất ba pha
Đáp số: QC = 94,07 kvar
Hệ ba pha cân bằng: trong nối sao (Y), điện áp dây bằng √3 lần điện áp pha, VL = √3·Vph, và dòng điện dây bằng dòng điện pha. Trong nối tam giác (Δ), điện áp dây bằng điện áp pha và dòng điện dây bằng √3 lần dòng điện pha, IL = √3·Iph. Tổng công suất bằng ba lần công suất của một pha: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Bù hệ số công suất: tụ điện cung cấp công suất phản kháng tại chỗ, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Mỗi tụ trong ba tụ cung cấp QC/3 = V²·ω·C, trong đó V là điện áp trên tụ đó: VL trong bộ nối tam giác (Δ), VL/√3 trong bộ nối sao (Y).
Công suất phản kháng trước và sau
Công suất tác dụng không đổi, nên mỗi hệ số công suất xác định công suất phản kháng: Q = P·tan φ.
Q1 = 250·tan(acos 0,78) = 250·0,8023 = 200,6 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,92) = 250·0,426 = 106,5 kvar
Công suất phản kháng từ các tụ điện
QC = Q1 − Q2 = 94,07 kvar
Đáp số
QC = 94,07 kvar
19.Máy biến áp
Đáp số: R1′ = 512 Ω
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 trở quy đổi
Điện áp tăng a lần và dòng điện giảm a lần, nên tỉ số V/I tăng a² lần.
R1′ = a²·RL = 8²·8 = 512 Ω
Đáp số
R1′ = 512 Ω
20.Máy biến áp
Đáp số: Ploss = 4750 W
Tổn thất của máy biến áp: tổn thất lõi (từ trễ và dòng điện xoáy) phụ thuộc vào điện áp và như nhau ở mọi tải. Tổn thất đồng ở các cuộn dây tỉ lệ với bình phương dòng điện, nên ở một phần x của tải định mức nó là x²·Pcu,fl. Hiệu suất η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), với Pout = x·S·pf. Hiệu suất cao nhất ở tải mà tổn thất đồng bằng tổn thất lõi.
Tổn thất đồng ở tải này
Pcu = x²·Pcu,fl = 0,0625·12000 = 750 W
Tổng tổn thất
Tổn thất lõi như nhau ở mọi tải.
Ploss = 4000 + 750 = 4750 W
Đáp số
Ploss = 4750 W
Hiệu suất ở tải này là η = 96,15%.
21.Mạch khuếch đại thuật toán
Đáp số: Vout = −3,8 V
Quy tắc của op-amp lý tưởng: với hồi tiếp âm, op-amp điều khiển ngõ ra sao cho hai ngõ vào ở cùng điện áp (V₋ = V₊), và không có dòng điện chạy vào cả hai ngõ vào. Viết KCL tại ngõ vào đảo với hai sự kiện này sẽ cho ra ngõ ra.
Ngõ vào đảo bám theo ngõ vào
V₋ = V₊ = −1,9 V
I = V₋/R1 = −1,9/100 = −0,019 mA
Điện áp ngõ ra
Dòng điện qua R₁ cũng chạy qua Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −1,9 + (−0,019)·100 = −3,8 V
Đáp số
Vout = −3,8 V
22.Mạch khuếch đại thuật toán
Đáp số: Vout = 1,143 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 = −1/47 = −0,02128 mA
I2 = V2/R2 = −1,1/2 = −0,55 mA
If = I1 + I2 = −0,5713 mA
Điện áp ngõ ra
Vout = −Rf·If = −2·(−0,5713) = 1,143 V
Đáp số
Vout = 1,143 V
23.Diode và transistor
Đáp số: VCE = 8,945 V
Điểm phân cực của BJT: trong vùng tích cực VBE = 0,7 V, IC = β·IB và IE = (β + 1)·IB. Tìm IB từ vòng cực nền bằng KVL, rồi IC, rồi VCE từ vòng cực thu–cực phát. Cầu chia áp ở cực nền được thay bằng mạch tương đương Thévenin VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; điện trở cực phát xuất hiện lớn gấp (β + 1) lần trong vòng cực nền.
Mạch tương đương Thévenin của cầu chia áp
VTH = 20·6,8/(56 + 6,8) = 2,166 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 = (2,166 − 0,7)/(6,064 + 201·0,68) = 10,27 µA
Dòng điện cực thu
IC = 200·10,27 µA = 2,053 mA
IE = 201·10,27 µA = 2,064 mA
Điện áp cực thu–cực phát
VCE = 20 − 2,053·4,7 − 2,064·0,68 = 8,945 V
Đáp số
VCE = 8,945 V
24.Diode và transistor
Đáp số: RB = 12,46 kΩ
BJT làm khóa: để bật hoàn toàn một tải, transistor được đưa vào bão hòa, nơi VCE = VCE(sat) và dòng điện cực thu do tải quyết định: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. Bão hòa cần dòng cực nền ít nhất IB = IC(sat)/β. Nếu dòng điện cực nền nhỏ hơn, transistor ở lại vùng tích cực và IC = β·IB.
Dòng điện cực thu khi bão hòa
IC(sat) = (9 − 0,2)/680 = 12,94 mA
Dòng điện cực nền tối thiểu
IB(min) = IC(sat)/β = 12,94/150 = 86,27 µA
Dòng điện cực nền thiết kế
IB = 4·86,27 µA = 345,1 µA
Điện trở nền
RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/0,3451 mA = 12,46 kΩ
Đáp số
RB = 12,46 kΩ
25.Hệ đếm
Đáp số: U = 149
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
107 = 0110 1011
đã đảo: 1001 0100
+1 → 1001 0101
Đọc như số không dấu
1001 0101₂ = 256 − 107 = 149
Đáp số
U = 149
26.Hệ đếm
Đáp số: R = 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.
Từng bit một
Dịch trái 2 vị trí di chuyển mọi bit 2 vị trí sang trái; các bit rơi ra khỏi đầu bên trái bị mất và các số không đi vào ở bên phải.
1010 1001 << 2
= 1010 0100
Giá trị của kết quả
1010 0100₂ = 164
Đáp số
R = 164
27.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: L = 15
Bìa Karnaugh: các ô được sắp xếp theo mã Gray (00, 01, 11, 10), nên các ô kề nhau, kể cả những ô qua mép, khác nhau đúng một biến. Hãy nhóm các số 1 thành hình chữ nhật gồm 1, 2, 4, 8 hoặc 16 ô, lớn nhất có thể và ít nhóm nhất có thể, cho đến khi mọi số 1 đều được phủ. Mỗi nhóm là một số hạng tích: các biến không đổi bên trong nó. Một nhóm 2ᵏ ô mất k biến. Các điều kiện tùy định (X) có thể dùng để làm nhóm lớn hơn nhưng không bắt buộc phải được phủ. Nhóm các số 0 thay vào đó sẽ cho dạng POS tối thiểu.
Nhóm các số 1
Mỗi nhóm là một hình chữ nhật gồm 2ᵏ ô; các ô ở mép kề với các ô ở mép đối diện.
ACD
A′BC′D
A′BCD′
ABC′D′
Dạng SOP tối thiểu
F = ACD + A′BC′D + A′BCD′ + ABC′D′
L = 15
Đáp số
L = 15
28.Logic số: cổng, bìa K và flip-flop
Đáp số: N = 7
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 = 1, K = 1 → Q = 0
3: J = 1, K = 1 → Q = 1
4: J = 1, K = 1 → Q = 0
5: J = 1, K = 1 → Q = 1
6: J = 0, K = 1 → Q = 0
7: J = 0, K = 0 → Q = 0
8: J = 1, K = 0 → Q = 1
Đếm các lần thay đổi
0 → 1 → 0 → 1 → 0 → 1 → 0 → 0 → 1
N = 7
Đáp số
N = 7
29.Biến đổi Laplace
Đáp số: A = −18
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 + 9s + 20 = (s + 4)(s + 5)
F(s) = A/(s + 4) + B/(s + 5)
Quy tắc che
Nhân với (s + 4) và đặt s = −4: số hạng B biến mất.
A = (6s + 6)/(s + 5) |s = −4 = −18/1 = −18
Đáp số
A = −18
(B = 24, nên f(t) = −18·e−4t + 24·e−5t)
30.Biến đổi Laplace
Đáp số: y(0.4) = −3,118
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 − (−3)s − (−3) + 4(sY − (−3)) + 3Y = 0
Y(s) = (−3s − 15)/((s + 1)(s + 3))
Phân thức riêng
A = −12/2 = −6
B = −6/(−2) = 3
Kết quả
y(t) = −6·e−t + 3·e−3t
y(0,4) = −3,118
Đáp số
y(0,4) = −3,118
Kiểm tra: y(0) = A + B = −3.
31.Sơ đồ khối
Đáp số: T(0) = 0,8455
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).
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)) = 1·5/(6 + 5K)
Giải tìm K
6 + 5K = 1·5/0,1667 = 30
K = (30 − 6)/5 = 4,8
Đáp số
K = 4,8
33.Đáp ứng bước
Đáp số: tp = 0,7025 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).
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 = R/L = 220/0,047 = 4681 rad/s
fc = 745 Hz → f/fc = 3000/745 = 4,027
Pha
φ = − atan(4,027) = −76,05°
Đáp số
φ = −76,05°
36.Biểu đồ Bode và độ dự trữ
Đáp số: PM = 65,53 °
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 − 40000 = 0
ω² = (−400 + √(160000 + 4·40000))/2 = 82,84
ωc = 9,102 rad/s
Độ dự trữ pha
∠L(jωc) = −90° − atan(9,102/20) = −114,5°
PM = 180° + ∠L = 65,53°
Đáp số
PM = 65,53°
37.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm
Đáp số: Kmax = 42
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.
Phương trình đặc trưng
s³ + 7s² + 6s + K = 0
Bảng Routh
s³: 1, 6
s²: 7, K
s¹: (7·6 − K)/7
s⁰: K
Các điều kiện
Mọi phần tử của cột đầu tiên phải dương.
K > 0
7·6 − K > 0 → K < 42
Đáp số
Kmax = 42
Tại K = 42 vòng kín dao động ở ω = √6 = 2,449 rad/s.
38.Ổn định: Routh–Hurwitz và quỹ đạo nghiệm
Đáp số: σa = −4
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.
Cực và điểm không
cực: 0, −5, −8, −1
bit không: −2
n − m = 4 − 1 = 3
Trọng tâm
σa = (−14 − (−2))/3 = −4
Đáp số
σa = −4
3 đường tiệm cận rời trọng tâm ở các góc 60°, 180°, 300°.
39.Sai số xác lập và điều khiển PID
Đáp số: ess = 11,11 %
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 vị trí
Kp = 2·4 = 8
Sai số bước nhảy
ess = 100/(1 + 8) = 11,11 %
Đáp số
ess = 11,11 %
40.Sai số xác lập và điều khiển PID
Đáp số: ts = 1,6 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 + 5) + 20·5 = s² + 5s + 100
ωₙ và ζ
ωₙ = √100 = 10 rad/s
ζ = 5/(2·10) = 0,25
Thời gian xác lập
ζωₙ = 5/2 = 2,5
ts ≈ 4/2,5 = 1,6 s
Đáp số
ts = 1,6 s
Thời gian xác lập ở đây không phụ thuộc vào K: tăng K chỉ làm đáp ứng dao động nhanh hơn.