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 12 V jest zasilany napięciem 15 V przez 100 Ω i zasila obciążenie 2200 Ω. Wyznacz prąd diody Zenera IZ.
Vin = 15 VVZ = 12 VR = 100 ΩRL = 2200 Ω
IZ = mA
2.Diody i tranzystoryTrudny
Dioda jest modelowana jako 0,7 V szeregowo z 10 Ω (przewodzi powyżej 0,7 V). Jest połączona szeregowo z rezystorem 330 Ω i zasilana napięciem 3 V. Wyznacz prąd pracy ID w punkcie, w którym prosta diody przecina prostą obciążenia.
Vs = 3 VR = 330 ΩV0 = 0,7 Vrd = 10 Ω
ID = mA
3.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiŚredni
Wzmacniacz operacyjny jest idealny i zasilany napięciem ±15 V. Wyznacz napięcie wyjściowe Vout.
Vin = 1,4 VR1 = 1 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
4.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiTrudny
Dwa stopnie z idealnymi wzmacniaczami operacyjnymi są połączone kaskadowo: wzmacniacz odwracający (R1, Rf1), a za nim wzmacniacz nieodwracający (R2 do masy, Rf2 w sprzężeniu zwrotnym). Oba są zasilane napięciem ±15 V. Napięcie wejściowe wynosi Vin = −0,15 V. Wyznacz napięcie wyjściowe Vout.
Źródło Vₛ ładuje kondensator przez R₁, a R₂ jest połączony równolegle z C. Kondensator jest rozładowany, gdy łącznik zamyka się w t = 0. Wyznacz napięcie na kondensatorze vC w chwili t = 20 ms.
Vs = 9 VR1 = 10 kΩR2 = 1 kΩC = 47 µFt = 20 ms
vC = V
6.Stany nieustalone RC i RLTrudny
Tuż przed zamknięciem łącznika w t = 0 kondensator ma 18 V o zaznaczonej biegunowości. Wyznacz napięcie na kondensatorze vC w chwili t = 500 ms.
Vs = 9 VR = 10 kΩC = 100 µFvC(0) = 18 Vt = 500 ms
vC = V
7.Rezystory szeregowo i równolegleŚredni
Wyznacz rezystancję zastępczą Req widzianą przez źródło V1.
V1 = 24 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 15 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
8.Rezystory szeregowo i równolegleTrudny
Wyznacz prąd IR1 dostarczany przez źródło, płynący przez R1.
Idealna przetwornica podwyższająca zamienia 36 V na 60 V przy 50 kHz i L = 100 µH. Wyznacz międzyszczytowe tętnienia prądu cewki ΔIL.
Vin = 36 VVo = 60 Vf = 50 kHzL = 100 µH
ΔIL = A
10.Przetwornice DC-DCTrudny
Idealna przetwornica podwyższająca zamienia 15 V na 60 V przy obciążeniu 25 Ω i 40 kHz. Wyznacz najmniejszą indukcyjność Lcrit zapewniającą pracę z prądem ciągłym.
Vin = 15 VVo = 60 Vf = 40 kHzR = 25 Ω
Lcrit = µH
11.Mostek Wheatstone’a i tensometryŚredni
Tensometr 500 Ω jest jednym ramieniem (R₂) mostka z czterema jednakowymi ramionami 500 Ω i zasilaniem 2 V. Wyznacz moc Pg wydzielaną w tensometrze, w mW. Samonagrzewanie ogranicza zasilanie.
Vs = 2 VR = 500 Ω
Pg = mW
12.Mostek Wheatstone’a i tensometryTrudny
Tensometr 350 Ω o współczynniku czułości 2,05 jest przyklejony do stalowego pręta. Pod obciążeniem jego rezystancja rośnie o 0,7175 Ω. Wyznacz odkształcenie ε w mikroodkształceniach (µε).
R = 350 ΩGF = 2,05ΔR = 0,7175 Ω
ε = µε
13.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutnikiŚredni
Użyj mapy Karnaugha, aby znaleźć minimalną postać sumy iloczynów (SOP) funkcji F(A, B, C, D) = Σm(4, 7, 8, 12, 14). Ile iloczynów N ona zawiera?
F(A, B, C, D) = Σm(4, 7, 8, 12, 14)
N =
14.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutnikiTrudny
Znajdź minimalną postać SOP funkcji F(A, B, C, D) = Σm(1, 4, 5, 8, 9, 10, 13) + d(6, 11), gdzie d oznacza stany nieokreślone. Ile iloczynów N ona zawiera?
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 = 3/100 = 30 mA
Prąd obciążenia
IL = 12/2200 = 5,455 mA
Prąd diody Zenera
IZ = 30 − 5,455 = 24,55 mA
Odpowiedź
IZ = 24,55 mA
2.Diody i tranzystory
Odpowiedź: ID = 6,765 mA
Obwody z diodą LED i diodami: spolaryzowana w kierunku przewodzenia dioda LED ma spadek napięcia w przybliżeniu równy jej napięciu przewodzenia VF (około 2 V dla czerwonej, 3 V dla niebieskiej lub białej), niezależnie od prądu. Rezystor szeregowy ustala prąd: R = (Vs − n·VF)/I dla n diod LED połączonych szeregowo. Dla dokładniejszego modelu diody V = V₀ + I·rd punkt pracy leży tam, gdzie prosta diody przecina prostą obciążenia I = (Vs − V)/R, więc I = (Vs − V₀)/(R + rd).
Połącz oba równania
3 = 0,7 + I·(330 + 10)
Prąd pracy
ID = 2,3/340 = 6,765 mA
VD = 0,7 + 0,006765·10 = 0,7676 V
Odpowiedź
ID = 6,765 mA
3.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Vout = 2,8 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.
Wejście odwracające podąża za wejściem
V₋ = V₊ = 1,4 V
I = V₋/R1 = 1,4/1 = 1,4 mA
Napięcie wyjściowe
Prąd przez R₁ płynie też przez Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = 1,4 + 1,4·1 = 2,8 V
Odpowiedź
Vout = 2,8 V
4.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Vout = 0,66 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.
Wzmocnienie każdego stopnia
A1 = −Rf1/R1 = −22/10 = −2,2
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 2/2 = 2
Stopień po stopniu
V1 = −2,2·(−0,15) = 0,33 V
Vout = 2·0,33 = 0,66 V
Odpowiedź
Vout = 0,66 V
5.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: vC = 0,3058 V
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.
Obwód zastępczy Thevenina widziany przez kondensator
Zewrzyj źródło, aby wyznaczyć Rth; rozewrzyj kondensator, aby wyznaczyć napięcie, do którego się naładuje.
Rth = R1 ∥ R2 = 10·1/(10 + 1) = 0,9091 kΩ
vC(∞) = 9·1/(10 + 1) = 0,8182 V
Stała czasowa
τ = Rth·C = 0,9091·47 = 42,73 ms
Krzywa ładowania
vC(t) = 0,8182·(1 − e−20/42,73) = 0,3058 V
Odpowiedź
vC = 0,3058 V
6.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: vC = 14,46 V
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.
vC(0) = 18 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 10 kΩ · 100 µF = 1000 ms
vC(t) = 9 + (18 − 9)·e−t/τ
Napięcie w danej chwili
vC(500) = 9 + (9)·e−500/1000 = 14,46 V
Odpowiedź
vC = 14,46 V
7.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: Req = 5,654 Ω
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 = 15 + 8 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 3·23/(3+23) = 2,654 Ω
Req = R1 + 2,654 = 3 + 2,654 = 5,654 Ω
Odpowiedź
Req = 5,654 Ω
8.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: IR1 = 0,6267 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 = 8 + 30 = 38 Ω
R4 ∥ 38 = 7,917 Ω
R3 + 7,917 = 22,92 Ω
R2 ∥ 22,92 = 11,96 Ω
Req = R1 + 11,96 = 4 + 11,96 = 15,96 Ω
Prąd ze źródła
Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.
IR1 = V1/Req = 10/15,96 = 0,6267 A
Odpowiedź
IR1 = 0,6267 A
9.Przetwornice DC-DC
Odpowiedź: ΔIL = 2,88 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 = 1 − 36/60 = 0,4
Napięcie na cewce w czasie załączenia
Gdy klucz S jest załączony, cewka leży bezpośrednio na napięciu Vin.
VL = 36 V
Tętnienia prądu
ΔIL = VL·D/(L·f) = 36·0,4/(100·10⁻⁶·50·10³) = 2,88 A
Odpowiedź
ΔIL = 2,88 A
10.Przetwornice DC-DC
Odpowiedź: Lcrit = 14,65 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 − 15/60 = 0,75
Warunek graniczny
Przyrównaj średni prąd cewki do połowy tętnień prądu i rozwiąż względem L.
Lcrit = D(1 − D)²·R/(2f)
Indukcyjność krytyczna
Lcrit = 0,75(1 − 0,75)²·25/(240·10³) = 14,65 µH
Odpowiedź
Lcrit = 14,65 µH
11.Mostek Wheatstone’a i tensometry
Odpowiedź: Pg = 2 mW
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 na tensometrze
V = 2/2 = 1 V
Moc
Pg = 1²/500 = 2 mW
Odpowiedź
Pg = 2 mW
12.Mostek Wheatstone’a i tensometry
Odpowiedź: ε = 1000 µε
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 = 0,7175/350 = 0,00205
Odkształcenie
ε = 0,00205/2,05 = 0,001 = 1000 µε
Odpowiedź
ε = 1000 µε
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 jedynki
Każda grupa to prostokąt z 2ᵏ komórek; komórki na brzegu sąsiadują z komórkami na przeciwległym brzegu.
BC′D′
AC′D′
ABD′
A′BCD
Minimalna postać SOP
F = BC′D′ + AC′D′ + ABD′ + A′BCD
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.
C′D, AB′, A′BD′, A′BC′
Minimalne pokrycie
F = C′D + AB′ + A′BD′
N = 3
Odpowiedź
N = 3
Istnieje inne grupowanie tego samego rozmiaru; ma tę samą liczbę składników i literałów.