Rozpoznaj przetwornicę (obniżającą, podwyższającą lub odwracającą) i wyznacz współczynnik wypełnienia D z przekładni napięciowej.
Użyj bilansu woltosekundowego na cewce: średnie napięcie na cewce w ciągu okresu jest równe zero.
Wyznacz napięcie na cewce przy załączonym kluczu, a potem ΔIL = VL·D/(L·f).
Dla tętnień wyjścia wyznacz ładunek wpływający do kondensatora i z niego wypływający; dla granicy pracy z prądem ciągłym przyrównaj średni prąd cewki do ΔIL/2.
Potraktuj mostek jako dwa dzielniki napięcia na tym samym zasilaniu.
Dla równowagi przyjmij R₁/R₂ = R₃/R₄ i wyznacz nieznany rezystor.
Dla mostka niezrównoważonego wyznacz Va i Vb z dzielników i odejmij je; użyj układu zastępczego Thévenina, gdy miernik obciąża wyjście.
Dla tensometrów zamień odkształcenie na ΔR/R = GF·ε i użyj Vs·GF·ε/4, /2 lub ×1 odpowiednio dla ćwierćmostka, półmostka i mostka pełnego.
Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutniki
Podstawowe bramki
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Reguły algebry Boole’a
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
Prawa de Morgana
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Kolejność na mapie Karnaugha
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Grupa 2ᵏ komórek
traci k zmiennych
Multiplekser 4-do-1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Przerzutniki
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Liczniki
n-bitowy: 2ⁿ stanów; mod-N: najmniejsze n z 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Licznik asynchroniczny (ripple)
fmax = 1/(n·tpd)
Liczniki pierścieniowy i Johnsona
n i 2n stanów
Metoda
Dla układu przechodź od wejść do wyjścia bramka po bramce i zapisuj wartość na każdym przewodzie albo zapisz jego wyrażenie i wypełnij tablicę prawdy.
Przy upraszczaniu wpisz jedynki (a stany nieokreślone jako X) na mapę Karnaugha z wierszami i kolumnami w kodzie Graya: 00, 01, 11, 10.
Pokryj jedynki jak najmniejszą liczbą jak największych grup po 1, 2, 4, 8 lub 16 komórek, zawijając przez brzegi; każda grupa to jeden iloczyn ze zmiennych, które pozostają stałe. Dla postaci POS grupuj zera.
Przy przerzutnikach i licznikach odczytuj wejścia przy każdym aktywnym zboczu zegara, zapisuj stan po każdym zboczu i pamiętaj, że n-bitowy licznik zawija się po 2ⁿ stanach.
2Zadania do ćwiczenia
1.Diody i tranzystoryŚredni
Stabilizator z diodą Zenera 3,3 V jest zasilany napięciem 12 V przez 680 Ω i zasila obciążenie 2200 Ω. Wyznacz prąd diody Zenera IZ.
Vin = 12 VVZ = 3,3 VR = 680 ΩRL = 2200 Ω
IZ = mA
2.Diody i tranzystoryTrudny
Tranzystor NPN o β = 100 przełącza rezystor obciążenia 1 kΩ włączony między VCC = 5 V a jego kolektor. Emiter jest uziemiony. Baza jest sterowana z wyjścia logicznego 5 V przez rezystor bazowy RB = 47 kΩ. Przyjmij VBE = 0,7 V i VCE(sat) = 0,2 V. Wyznacz prąd kolektora IC w mA, gdy na wejściu jest stan wysoki. Najpierw ustal, czy tranzystor jest nasycony.
Idealna przetwornica obniżająca zamienia 48 V na 33,6 V przy 50 kHz i L = 68 µH. Wyznacz międzyszczytowe tętnienia prądu cewki ΔIL.
Vin = 48 VVo = 33,6 Vf = 50 kHzL = 68 µH
ΔIL = A
10.Przetwornice DC-DCTrudny
Idealna przetwornica podwyższająca zamienia 12 V na 20 V przy obciążeniu 4 Ω i 25 kHz. Wyznacz najmniejszą indukcyjność Lcrit zapewniającą pracę z prądem ciągłym.
Vin = 12 VVo = 20 Vf = 25 kHzR = 4 Ω
Lcrit = µH
11.Mostek Wheatstone’a i tensometryŚredni
Mostek z czterema ramionami 330 Ω jest zasilany napięciem 5 V. Gdy czujnik R₂ się zmienia, wyjście wskazuje Vab = 49,02 mV. Wyznacz dokładną zmianę ΔR rezystancji R₂.
Vs = 5 VR = 330 ΩVab = 49,02 mV
ΔR = Ω
12.Mostek Wheatstone’a i tensometryTrudny
Mostek z ramionami 120 Ω jest zasilany napięciem 3 V i ma cztery czynne tensometry, dwa rozciągane i dwa ściskane (mostek pełny). Współczynnik czułości wynosi 2,12, a odkształcenie 600 µε. Wyznacz napięcie wyjściowe mostka Vo w mV.
Vs = 3 VGF = 2,12ε = 600 µε
Vo = mV
13.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutnikiŚredni
Użyj mapy Karnaugha, aby znaleźć minimalną postać iloczynu sum (POS) funkcji F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 3, 4, 5, 6, 9, 10, 13, 15). Ile sum (czynników) N ona ma?
14.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutnikiTrudny
Dla F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 4, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13) + d(5, 15), gdzie d oznacza stany nieokreślone, znajdź liczbę N istotnych implikantów prostych.
Stabilizator Zenera: spolaryzowana zaporowo dioda Zenera utrzymuje napięcie VZ, dopóki jej prąd pozostaje powyżej minimum IZ,min. Rezystor szeregowy R przejmuje różnicę między napięciem wejściowym a wyjściowym: IR = (Vin − VZ)/R. Ten prąd dzieli się między obciążenie, IL = VZ/RL, i diodę Zenera: IZ = IR − IL. Projektuj dla najgorszych przypadków: najniższe napięcie wejściowe przy największym obciążeniu musi nadal zostawić IZ,min, a najwyższe napięcie wejściowe bez obciążenia daje największą moc diody Zenera PZ = VZ·IZ.
Prąd rezystora
IR = 8,7/680 = 12,79 mA
Prąd obciążenia
IL = 3,3/2200 = 1,5 mA
Prąd diody Zenera
IZ = 12,79 − 1,5 = 11,29 mA
Odpowiedź
IZ = 11,29 mA
2.Diody i tranzystory
Odpowiedź: IC = 4,8 mA
Tranzystor bipolarny jako klucz: aby całkowicie włączyć obciążenie, tranzystor wprowadza się w nasycenie, gdzie VCE = VCE(sat), a prąd kolektora wyznacza obciążenie: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. Nasycenie wymaga co najmniej IB = IC(sat)/β. Jeśli prąd bazy jest mniejszy, tranzystor pozostaje w obszarze aktywnym i IC = β·IB.
Prąd bazy
IB = (5 − 0,7)/47 kΩ = 91,49 µA
Nasycenie czy obszar aktywny?
β·IB jest większe od IC(sat), więc tranzystor się nasyca.
β·IB = 9,149 mA
IC(sat) = (5 − 0,2)/1000 = 4,8 mA
Prąd kolektora
IC = IC(sat) = 4,8 mA
Odpowiedź
IC = 4,8 mA
Tranzystor jest nasycony.
3.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Rf = 500 kΩ
Zasady idealnego wzmacniacza operacyjnego: przy ujemnym sprzężeniu zwrotnym wzmacniacz ustawia wyjście tak, aby oba wejścia miały to samo napięcie (V₋ = V₊), a do żadnego wejścia nie płynie prąd. PPK na wejściu odwracającym z tymi dwoma faktami daje wyjście.
Wzmocnienie wzmacniacza nieodwracającego
V₋ = V₊ = Vin, a prąd przez R₁ płynie też przez Rf, więc Vout = Vin·(1 + Rf/R₁).
Av = 1 + Rf/R1
Rf = (6 − 1)·100 = 500 kΩ
Odpowiedź
Rf = 500 kΩ
4.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Vout = −10,6 V
Zasady idealnego wzmacniacza operacyjnego: przy ujemnym sprzężeniu zwrotnym wzmacniacz ustawia wyjście tak, aby oba wejścia miały to samo napięcie (V₋ = V₊), a do żadnego wejścia nie płynie prąd. PPK na wejściu odwracającym z tymi dwoma faktami daje wyjście.
Prądy wejściowe
V₋ = 0, więc na każdym rezystorze wejściowym jest całe jego napięcie wejściowe.
I1 = V1/R1 = 1,4/1 = 1,4 mA
I2 = V2/R2 = −1,6/4,7 = −0,3404 mA
If = I1 + I2 = 1,06 mA
Napięcie wyjściowe
Vout = −Rf·If = −10·1,06 = −10,6 V
Odpowiedź
Vout = −10,6 V
5.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: W = 21,51 mJ
Stany nieustalone pierwszego rzędu: w obwodzie z jednym kondensatorem lub jedną cewką każde napięcie i każdy prąd zmienia się wykładniczo od wartości początkowej do końcowej: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, gdzie τ = RC lub τ = L/R. Po około 5τ obwód jest w stanie ustalonym.
Stała czasowa i prąd końcowy
Długo po zamknięciu łącznika cewka zachowuje się jak zwarcie, więc prąd końcowy zależy tylko od R.
τ = L/R = 47 mH / 5 Ω = 9,4 ms
i(∞) = Vs/R = 6/5 = 1,2 A
Prąd w danej chwili
i(t) = 1,2·(1 − e−15/9,4) = 0,9567 A
Zgromadzona energia
W = ½·L·i² = ½·47·0,9567² = 21,51 mJ
Odpowiedź
W = 21,51 mJ
6.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: t = 186,7 ms
Stany nieustalone pierwszego rzędu: w obwodzie z jednym kondensatorem lub jedną cewką każde napięcie i każdy prąd zmienia się wykładniczo od wartości początkowej do końcowej: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, gdzie τ = RC lub τ = L/R. Po około 5τ obwód jest w stanie ustalonym.
Wartość początkowa, wartość końcowa, stała czasowa
Napięcie na kondensatorze nie może zmienić się skokowo, więc zaczyna od zgromadzonej wartości i dąży do napięcia źródła.
t = τ·ln((24 − 20)/(21,2 − 20)) = 155,1·ln(3,333) = 186,7 ms
Odpowiedź
t = 186,7 ms
7.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: IR1 = 0,8077 A
Połączenia szeregowe i równoległe: szeregowo przez każdy rezystor płynie ten sam prąd i R = R₁ + R₂ + …. Równolegle każdy rezystor ma to samo napięcie i 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Sieć drabinkową upraszcza się parami, aż zostanie jedna rezystancja zastępcza.
Łącz rezystory od najdalszego końca
Zacznij od końca najdalszego od źródła i idź w jego stronę. Rezystory z tym samym prądem są połączone szeregowo; rezystory między tymi samymi dwoma węzłami są połączone równolegle.
R3 + R4 = 12 + 12 = 24 Ω
R2 ∥ 24 = 4·24/(4+24) = 3,429 Ω
Req = R1 + 3,429 = 4 + 3,429 = 7,429 Ω
Prąd ze źródła
Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.
IR1 = V1/Req = 6/7,429 = 0,8077 A
Odpowiedź
IR1 = 0,8077 A
8.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: IR1 = 0,4797 A
Połączenia szeregowe i równoległe: szeregowo przez każdy rezystor płynie ten sam prąd i R = R₁ + R₂ + …. Równolegle każdy rezystor ma to samo napięcie i 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Sieć drabinkową upraszcza się parami, aż zostanie jedna rezystancja zastępcza.
Łącz rezystory od najdalszego końca
Zacznij od końca najdalszego od źródła i idź w jego stronę. Rezystory z tym samym prądem są połączone szeregowo; rezystory między tymi samymi dwoma węzłami są połączone równolegle.
R5 + R6 = 25 + 30 = 55 Ω
R4 ∥ 55 = 11,79 Ω
R3 + 11,79 = 16,79 Ω
R2 ∥ 16,79 = 6,267 Ω
Req = R1 + 6,267 = 25 + 6,267 = 31,27 Ω
Prąd ze źródła
Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.
IR1 = V1/Req = 15/31,27 = 0,4797 A
Odpowiedź
IR1 = 0,4797 A
9.Przetwornice DC-DC
Odpowiedź: ΔIL = 2,965 A
Przetwornice DC-DC: klucz S jest załączony przez ułamek D każdego okresu T = 1/f. W stanie ustalonym średnie napięcie na cewce jest równe zero (bilans woltosekundowy), co daje idealne przekładnie napięciowe przy prądzie ciągłym: przetwornica obniżająca Vo = D·Vin, podwyższająca Vo = Vin/(1 − D), odwracająca |Vo| = Vin·D/(1 − D). Idealna przetwornica zachowuje moc: Vin·Iin = Vo·Io. Gdy klucz S jest załączony, prąd cewki rośnie o ΔIL = VL·D·T/L, gdzie VL = Vin − Vo w przetwornicy obniżającej oraz Vin w podwyższającej i odwracającej. Tętnienia napięcia wyjściowego wynoszą ΔVo = ΔIL/(8fC) w przetwornicy obniżającej oraz Io·D/(fC) w podwyższającej i odwracającej. Prąd cewki tylko dotyka zera (granica pracy z prądem ciągłym), gdy średni prąd cewki jest równy ΔIL/2.
Współczynnik wypełnienia
D = 33,6/48 = 0,7
Napięcie na cewce w czasie załączenia
Gdy klucz S jest załączony, cewka leży między Vin a Vo.
VL = 48 − 33,6 = 14,4 V
Tętnienia prądu
ΔIL = VL·D/(L·f) = 14,4·0,7/(68·10⁻⁶·50·10³) = 2,965 A
Odpowiedź
ΔIL = 2,965 A
10.Przetwornice DC-DC
Odpowiedź: Lcrit = 11,52 µH
Przetwornice DC-DC: klucz S jest załączony przez ułamek D każdego okresu T = 1/f. W stanie ustalonym średnie napięcie na cewce jest równe zero (bilans woltosekundowy), co daje idealne przekładnie napięciowe przy prądzie ciągłym: przetwornica obniżająca Vo = D·Vin, podwyższająca Vo = Vin/(1 − D), odwracająca |Vo| = Vin·D/(1 − D). Idealna przetwornica zachowuje moc: Vin·Iin = Vo·Io. Gdy klucz S jest załączony, prąd cewki rośnie o ΔIL = VL·D·T/L, gdzie VL = Vin − Vo w przetwornicy obniżającej oraz Vin w podwyższającej i odwracającej. Tętnienia napięcia wyjściowego wynoszą ΔVo = ΔIL/(8fC) w przetwornicy obniżającej oraz Io·D/(fC) w podwyższającej i odwracającej. Prąd cewki tylko dotyka zera (granica pracy z prądem ciągłym), gdy średni prąd cewki jest równy ΔIL/2.
Współczynnik wypełnienia
D = 1 − 12/20 = 0,4
Warunek graniczny
Przyrównaj średni prąd cewki do połowy tętnień prądu i rozwiąż względem L.
Lcrit = D(1 − D)²·R/(2f)
Indukcyjność krytyczna
Lcrit = 0,4(1 − 0,4)²·4/(225·10³) = 11,52 µH
Odpowiedź
Lcrit = 11,52 µH
11.Mostek Wheatstone’a i tensometry
Odpowiedź: ΔR = 13,2 Ω
Mostek Wheatstone’a: dwa dzielniki napięcia mają wspólne zasilanie Vs. Lewy dzielnik R1–R2 daje Va = Vs·R2/(R1 + R2), a prawy dzielnik R3–R4 daje Vb = Vs·R4/(R3 + R4); wyjściem jest Vab = Va − Vb. Mostek jest zrównoważony (Vab = 0, brak prądu w mierniku), gdy R1/R2 = R3/R4, czyli R1·R4 = R2·R3. Widziany od strony wyjścia mostek jest źródłem Thévenina o Rth = R1∥R2 + R3∥R4.
Napięcie węzła
Va = 2,5 + 0,04902 = 2,549 V
Rozwiąż dzielnik
R₂ = 330·2,549/(5 − 2,549) = 343,2 Ω
ΔR = 343,2 − 330 = 13,2 Ω
Odpowiedź
ΔR = 13,2 Ω
12.Mostek Wheatstone’a i tensometry
Odpowiedź: Vo = 3,816 mV
Tensometry: tensometr zmienia rezystancję pod wpływem odkształcenia: ΔR/R = GF·ε, gdzie współczynnik czułości GF wynosi około 2 dla tensometrów foliowych metalowych. W mostku, w którym wszystkie ramiona mają rezystancję R, jeden czynny tensometr (ćwierćmostek) daje Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Dwa czynne tensometry o przeciwnych odkształceniach w sąsiednich ramionach (półmostek) dają Vs·GF·ε/2, a cztery (mostek pełny) dają Vs·GF·ε. Naprężenie wynika z prawa Hooke’a, σ = E·ε. Przetworniki tensometryczne podają czułość w mV/V: napięcie wyjściowe przy pełnym obciążeniu na każdy wolt zasilania.
Względna zmiana rezystancji
ΔR/R = 2,12·600·10⁻⁶ = 0,001272
Napięcie wyjściowe mostka
Vo = Vs·GF·ε = 3·0,001272 = 3,816 mV
Odpowiedź
Vo = 3,816 mV
13.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutniki
Odpowiedź: N = 4
Mapy Karnaugha: komórki są ułożone w kodzie Graya (00, 01, 11, 10), więc sąsiednie komórki, także te przez brzegi, różnią się dokładnie jedną zmienną. Grupuj jedynki w prostokąty po 1, 2, 4, 8 lub 16 komórek, jak największe i jak najmniej, aż każda jedynka będzie pokryta. Każda grupa to jeden iloczyn: zmienne, które wewnątrz niej pozostają stałe. Grupa 2ᵏ komórek traci k zmiennych. Stany nieokreślone (X) można wykorzystać, by powiększyć grupy, ale nigdy nie trzeba ich pokrywać. Grupowanie zer daje minimalną postać POS.
Zgrupuj zera
Każda grupa to prostokąt z 2ᵏ komórek; komórki na brzegu sąsiadują z komórkami na przeciwległym brzegu.
(B + C + D)
(A′ + B′ + D)
(A + B′ + C′ + D′)
(A′ + B + C′ + D′)
Minimalna postać POS
F = (B + C + D)(A′ + B′ + D)(A + B′ + C′ + D′)(A′ + B + C′ + D′)
N = 4
Odpowiedź
N = 4
14.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutniki
Odpowiedź: N = 3
Mapy Karnaugha: komórki są ułożone w kodzie Graya (00, 01, 11, 10), więc sąsiednie komórki, także te przez brzegi, różnią się dokładnie jedną zmienną. Grupuj jedynki w prostokąty po 1, 2, 4, 8 lub 16 komórek, jak największe i jak najmniej, aż każda jedynka będzie pokryta. Każda grupa to jeden iloczyn: zmienne, które wewnątrz niej pozostają stałe. Grupa 2ᵏ komórek traci k zmiennych. Stany nieokreślone (X) można wykorzystać, by powiększyć grupy, ale nigdy nie trzeba ich pokrywać. Grupowanie zer daje minimalną postać POS.
Implikanty proste
Największe grupy, jakie można utworzyć z jedynek i X.