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 220 Ω i zasila obciążenie 1500 Ω. Wyznacz prąd diody Zenera IZ.
Vin = 12 VVZ = 3,3 VR = 220 ΩRL = 1500 Ω
IZ = mA
2.Diody i tranzystoryTrudny
Stabilizator z diodą Zenera 3,3 V ma dostarczać do obciążenia do 10 mA. Napięcie wejściowe może spaść do 24 V, a dioda Zenera potrzebuje co najmniej 1 mA, aby stabilizować. Wyznacz największą rezystancję szeregową Rmax, przy której stabilizacja jest zachowana.
Przed zamknięciem łącznika w t = 0 przez cewkę nie płynie prąd. Po jakim czasie od zamknięcia łącznika prąd osiągnie 75% wartości końcowej? Wyznacz t.
Vs = 10 VR = 33 ΩL = 33 mH
t = ms
6.Stany nieustalone RC i RLTrudny
W t = 0 układ czasowy zaczyna ładować nienaładowany kondensator przez rezystor ze źródła 12 V. Ma zadziałać, gdy napięcie kondensatora osiągnie 9 V, dokładnie 250 ms po starcie. Przy R = 22 kΩ wyznacz potrzebną pojemność C.
Vs = 12 VVth = 9 VT = 250 msR = 22 kΩ
C = µF
7.Rezystory szeregowo i równolegleŚredni
Wyznacz rezystancję zastępczą Req widzianą przez źródło V1.
V1 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 20 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
8.Rezystory szeregowo i równolegleTrudny
Wyznacz prąd IR1 dostarczany przez źródło, płynący przez R1.
Przetwornica obniżająca zamienia 15 V na 7,5 V przy obciążeniu 4 Ω. Przełącza z częstotliwością 100 kHz i ma L = 47 µH. Wyznacz szczytowy prąd cewki Imax.
Vin = 15 VVo = 7,5 Vf = 100 kHzL = 47 µHR = 4 Ω
Imax = A
10.Przetwornice DC-DCTrudny
Idealna przetwornica podwyższająca zamienia 12 V na 24 V przy obciążeniu 10 Ω i 40 kHz. Kondensator wyjściowy ma 470 µF. Wyznacz międzyszczytowe tętnienia napięcia wyjściowego ΔVo w mV.
Vin = 12 VVo = 24 Vf = 40 kHzC = 470 µFR = 10 Ω
ΔVo = mV
11.Mostek Wheatstone’a i tensometryŚredni
Mostek z czterema ramionami 200 Ω jest zasilany napięciem 6 V. Gdy czujnik R₂ się zmienia, wyjście wskazuje Vab = 29,7 mV. Wyznacz dokładną zmianę ΔR rezystancji R₂.
Vs = 6 VR = 200 ΩVab = 29,7 mV
ΔR = Ω
12.Mostek Wheatstone’a i tensometryTrudny
Przetwornik tensometryczny (pełny mostek tensometrów) ma znamionowe napięcie wyjściowe 1 mV/V przy znamionowym obciążeniu 1000 kg. Jest zasilany napięciem 10 V. Wyznacz jego napięcie wyjściowe Vo przy obciążeniu 200 kg.
1 mV/VFrated = 1000 kgVs = 10 VF = 200 kg
Vo = mV
13.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutnikiŚredni
Uprość F = A′B + BC′ + ABC do minimalnej postaci sumy iloczynów. Ile literałów L zawiera uproszczone wyrażenie?
F = A′B + BC′ + ABC
L =
14.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutnikiTrudny
Znajdź minimalną postać SOP funkcji F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 4, 7, 12, 14) + d(6, 11, 15), gdzie d oznacza stany nieokreślone. Ile literałów L 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 = 8,7/220 = 39,55 mA
Prąd obciążenia
IL = 3,3/1500 = 2,2 mA
Prąd diody Zenera
IZ = 39,55 − 2,2 = 37,35 mA
Odpowiedź
IZ = 37,35 mA
2.Diody i tranzystory
Odpowiedź: Rmax = 1882 Ω
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 w najgorszym przypadku
IR = 10 + 1 = 11 mA
Największa rezystancja
Rmax = 20,7/0,011 = 1882 Ω
Odpowiedź
Rmax = 1882 Ω
3.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Vout = −7,35 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₊ = −0,3 V
I = V₋/R1 = −0,3/2 = −0,15 mA
Napięcie wyjściowe
Prąd przez R₁ płynie też przez Rf.
Vout = V₋ + I·Rf = −0,3 + (−0,15)·47 = −7,35 V
Odpowiedź
Vout = −7,35 V
4.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Vout = 1,217 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 = −0,3/4,7 = −0,06383 mA
I2 = V2/R2 = 0,4/47 = 0,008511 mA
If = I1 + I2 = −0,05532 mA
Napięcie wyjściowe
Vout = −Rf·If = −22·(−0,05532) = 1,217 V
Odpowiedź
Vout = 1,217 V
5.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: t = 1,386 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.
Stała czasowa i prąd końcowy
Długo po zamknięciu łącznika cewka zachowuje się jak zwarcie, więc prąd końcowy zależy tylko od R.
τ = L/R = 33 mH / 33 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 10/33 = 0,303 A
Wyznacz czas
0,75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,75)
t = −1·ln(0,25) = 1,386 ms
Odpowiedź
t = 1,386 ms
6.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: C = 8,197 µF
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.
Wymagana stała czasowa
9 = 12·(1 − e−250/τ) → τ = 250/ln(12/(12 − 9))
τ = 250/1,386 = 180,3 ms
Pojemność
kΩ razy µF daje milisekundy.
C = τ/R = 180,3/22 = 8,197 µF
Odpowiedź
C = 8,197 µF
7.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: Req = 6,242 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 = 20 + 8 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 5·28/(5+28) = 4,242 Ω
Req = R1 + 4,242 = 2 + 4,242 = 6,242 Ω
Odpowiedź
Req = 6,242 Ω
8.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: IR1 = 0,2626 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 = 30 + 5 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 12,73 Ω
R3 + 12,73 = 24,73 Ω
R2 ∥ 24,73 = 8,079 Ω
Req = R1 + 8,079 = 30 + 8,079 = 38,08 Ω
Prąd ze źródła
Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.
IR1 = V1/Req = 10/38,08 = 0,2626 A
Odpowiedź
IR1 = 0,2626 A
9.Przetwornice DC-DC
Odpowiedź: Imax = 2,274 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 = 7,5/15 = 0,5
Średni prąd i tętnienia prądu
Io = 7,5/4 = 1,875 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 7,5·0,5/(47·10⁻⁶·100·10³) = 0,7979 A
Prąd szczytowy
Imax = 1,875 + 0,7979/2 = 2,274 A
Odpowiedź
Imax = 2,274 A
10.Przetwornice DC-DC
Odpowiedź: ΔVo = 63,83 mV
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 − 12/24 = 0,5
Prąd obciążenia
Io = 24/10 = 2,4 A
Tętnienia wyjścia
ΔVo = 2,4·0,5/(40·10³·470·10⁻⁶) = 63,83 mV
Odpowiedź
ΔVo = 63,83 mV
11.Mostek Wheatstone’a i tensometry
Odpowiedź: ΔR = 4 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 = 3 + 0,0297 = 3,03 V
Rozwiąż dzielnik
R₂ = 200·3,03/(6 − 3,03) = 204 Ω
ΔR = 204 − 200 = 4 Ω
Odpowiedź
ΔR = 4 Ω
12.Mostek Wheatstone’a i tensometry
Odpowiedź: Vo = 2 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.
Napięcie wyjściowe przy pełnym zakresie
1·10 = 10 mV
Napięcie wyjściowe przy tym obciążeniu
Vo = 10·200/1000 = 2 mV
Odpowiedź
Vo = 2 mV
13.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutniki
Odpowiedź: L = 1
Algebra Boole’a: reguły upraszczające wyrażenia to X + X′ = 1 i X·X′ = 0, X + X = X, absorpcja X + X·Y = X, reguła sklejania X·Y + X·Y′ = X, X + X′Y = X + Y oraz twierdzenie o konsensusie XY + X′Z + YZ = XY + X′Z. Prawa de Morgana zamieniają (X·Y)′ na X′ + Y′ oraz (X + Y)′ na X′·Y′. Mapa Karnaugha stosuje te reguły graficznie: każda grupa dwóch sąsiednich komórek to jedno użycie XY + XY′ = X.
Mintermy wyrażenia
A′B → m(2, 3)
BC′ → m(2, 6)
ABC → m(7)
Pogrupuj i odczytaj
F = B
Policz literały
L = 1
Odpowiedź
L = 1
14.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutniki
Odpowiedź: L = 9
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.