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 5,6 V jest zasilany napięciem 9 V przez 470 Ω i zasila obciążenie 2200 Ω. Wyznacz prąd diody Zenera IZ.
Vin = 9 VVZ = 5,6 VR = 470 ΩRL = 2200 Ω
IZ = mA
2.Diody i tranzystoryTrudny
Dioda jest modelowana jako 0,6 V szeregowo z 20 Ω (przewodzi powyżej 0,6 V). Jest połączona szeregowo z rezystorem 1000 Ω i zasilana napięciem 3 V. Wyznacz prąd pracy ID w punkcie, w którym prosta diody przecina prostą obciążenia.
Vs = 3 VR = 1000 ΩV0 = 0,6 Vrd = 20 Ω
ID = mA
3.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymiŚredni
Wzmacniacz operacyjny jest idealny i zasilany napięciem ±15 V. Wyznacz napięcie wyjściowe Vout.
Wzmacniacz sumujący korzysta z idealnego wzmacniacza operacyjnego zasilanego napięciem ±15 V. Wyznacz prąd If płynący przez rezystor sprzężenia zwrotnego w stronę wyjścia.
V1 = −1 VV2 = −1,7 VR1 = 2 kΩR2 = 10 kΩRf = 10 kΩ
If = mA
5.Stany nieustalone RC i RLŚredni
Źródło Vₛ ładuje kondensator przez R₁, a R₂ jest połączony równolegle z C. Kondensator jest rozładowany, gdy łącznik zamyka się w t = 0. Wyznacz stałą czasową τ obwodu po zamknięciu łącznika.
Vs = 20 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩC = 47 µF
τ = ms
6.Stany nieustalone RC i RLTrudny
Tuż przed zamknięciem łącznika w t = 0 kondensator ma 3 V o zaznaczonej biegunowości. Wyznacz napięcie na kondensatorze vC w chwili t = 200 ms.
Vs = 15 VR = 1 kΩC = 68 µFvC(0) = 3 Vt = 200 ms
vC = V
7.Rezystory szeregowo i równolegleŚredni
Wyznacz rezystancję zastępczą Req widzianą przez źródło V1.
V1 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
8.Rezystory szeregowo i równolegleTrudny
Wyznacz prąd IR1 dostarczany przez źródło, płynący przez R1.
Przetwornica obniżająca zamienia 36 V na 27 V przy obciążeniu 20 Ω. Przełącza z częstotliwością 500 kHz i ma L = 33 µH. Wyznacz szczytowy prąd cewki Imax.
Vin = 36 VVo = 27 Vf = 500 kHzL = 33 µHR = 20 Ω
Imax = A
10.Przetwornice DC-DCTrudny
Idealna przetwornica obniżająca zamienia 24 V na 16,8 V przy obciążeniu 4 Ω i 40 kHz. Wyznacz najmniejszą indukcyjność Lcrit zapewniającą pracę z prądem ciągłym.
Vin = 24 VVo = 16,8 Vf = 40 kHzR = 4 Ω
Lcrit = µH
11.Mostek Wheatstone’a i tensometryŚredni
Mostek ma cztery ramiona 100 Ω i Vs = 12 V. Czujnik R₂ zwiększa się o ΔR = 0,4 Ω. Używając przybliżenia małych zmian, wyznacz napięcie wyjściowe Vab w mV.
Vs = 12 VR = 100 ΩΔR = 0,4 Ω
Vab = mV
12.Mostek Wheatstone’a i tensometryTrudny
Przetwornik tensometryczny (pełny mostek tensometrów) ma znamionowe napięcie wyjściowe 1,5 mV/V przy znamionowym obciążeniu 200 kg. Jest zasilany napięciem 5 V. Wyznacz jego napięcie wyjściowe Vo przy obciążeniu 160 kg.
1,5 mV/VFrated = 200 kgVs = 5 VF = 160 kg
Vo = mV
13.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutnikiŚredni
Użyj mapy Karnaugha, aby znaleźć minimalną postać sumy iloczynów (SOP) funkcji F(A, B, C) = Σm(0, 5, 6). Ile literałów L zawiera łącznie (zmienna z negacją liczy się jako jeden literał)?
F(A, B, C) = Σm(0, 5, 6)
L =
14.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutnikiTrudny
Dla F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 4, 6, 15) + d(13, 14), gdzie d oznacza stany nieokreślone, znajdź liczbę N istotnych implikantów prostych.
F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 4, 6, 15) + d(13, 14)
N =
3Roztwory
1.Diody i tranzystory
Odpowiedź: IZ = 4,689 mA
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 = 3,4/470 = 7,234 mA
Prąd obciążenia
IL = 5,6/2200 = 2,545 mA
Prąd diody Zenera
IZ = 7,234 − 2,545 = 4,689 mA
Odpowiedź
IZ = 4,689 mA
2.Diody i tranzystory
Odpowiedź: ID = 2,353 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 = 0,6 + I·(1000 + 20)
Prąd pracy
ID = 2,4/1020 = 2,353 mA
VD = 0,6 + 0,002353·20 = 0,6471 V
Odpowiedź
ID = 2,353 mA
3.Układy ze wzmacniaczami operacyjnymi
Odpowiedź: Vout = 11,72 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.
Napięcie na wejściu +
V₊ = Vin·Rb/(Ra + Rb) = 3·10/(47 + 10) = 0,5263 V
Wzmocnienie nieodwracające
V₋ = V₊, a prąd płynący przez R₁ płynie też przez Rf.
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 = −1/2 = −0,5 mA
I2 = V2/R2 = −1,7/10 = −0,17 mA
If = I1 + I2 = −0,67 mA
Odpowiedź
If = −0,67 mA
5.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: τ = 150,3 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.
Obwód zastępczy Thevenina widziany przez kondensator
Zewrzyj źródło, aby wyznaczyć Rth; rozewrzyj kondensator, aby wyznaczyć napięcie, do którego się naładuje.
Rth = R1 ∥ R2 = 10·4,7/(10 + 4,7) = 3,197 kΩ
vC(∞) = 20·4,7/(10 + 4,7) = 6,395 V
Stała czasowa
τ = Rth·C = 3,197·47 = 150,3 ms
Odpowiedź
τ = 150,3 ms
6.Stany nieustalone RC i RL
Odpowiedź: vC = 14,37 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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 1 kΩ · 68 µF = 68 ms
vC(t) = 15 + (3 − 15)·e−t/τ
Napięcie w danej chwili
vC(200) = 15 + (−12)·e−200/68 = 14,37 V
Odpowiedź
vC = 14,37 V
7.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: Req = 8,182 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 = 4 + 4 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 3·8/(3+8) = 2,182 Ω
Req = R1 + 2,182 = 6 + 2,182 = 8,182 Ω
Odpowiedź
Req = 8,182 Ω
8.Rezystory szeregowo i równolegle
Odpowiedź: IR1 = 1,039 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 = 4 + 30 = 34 Ω
R4 ∥ 34 = 8,87 Ω
R3 + 8,87 = 13,87 Ω
R2 ∥ 13,87 = 3,105 Ω
Req = R1 + 3,105 = 20 + 3,105 = 23,1 Ω
Prąd ze źródła
Źródło widzi tylko Req, więc prawo Ohma daje prąd, który dostarcza. Ten prąd płynie przez R₁.
IR1 = V1/Req = 24/23,1 = 1,039 A
Odpowiedź
IR1 = 1,039 A
9.Przetwornice DC-DC
Odpowiedź: Imax = 1,555 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 = 27/36 = 0,75
Średni prąd i tętnienia prądu
Io = 27/20 = 1,35 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 9·0,75/(33·10⁻⁶·500·10³) = 0,4091 A
Prąd szczytowy
Imax = 1,35 + 0,4091/2 = 1,555 A
Odpowiedź
Imax = 1,555 A
10.Przetwornice DC-DC
Odpowiedź: Lcrit = 15 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 = 16,8/24 = 0,7
Warunek graniczny
Przyrównaj średni prąd cewki do połowy tętnień prądu i rozwiąż względem L.
Lcrit = (1 − D)·R/(2f)
Indukcyjność krytyczna
Lcrit = (1 − 0,7)·4/(240·10³) = 15 µH
Odpowiedź
Lcrit = 15 µH
11.Mostek Wheatstone’a i tensometry
Odpowiedź: Vab = 12 mV
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.
Zmiana względna
ΔR/R = 0,4/100 = 0,004
Wyjście zlinearyzowane
Vab ≈ 12·0,004/4 = 12 mV
Odpowiedź
Vab = 12 mV
Dokładna wartość to 11,98 mV; przybliżenie jest dobre, dopóki ΔR/R jest małe.
12.Mostek Wheatstone’a i tensometry
Odpowiedź: Vo = 6 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
1,5·5 = 7,5 mV
Napięcie wyjściowe przy tym obciążeniu
Vo = 7,5·160/200 = 6 mV
Odpowiedź
Vo = 6 mV
13.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.
Zgrupuj jedynki
Każda grupa to prostokąt z 2ᵏ komórek; komórki na brzegu sąsiadują z komórkami na przeciwległym brzegu.
A′B′C′
AB′C
ABC′
Minimalna postać SOP
F = A′B′C′ + AB′C + ABC′
L = 9
Odpowiedź
L = 9
14.Logika cyfrowa: bramki, mapy Karnaugha i przerzutniki
Odpowiedź: N = 2
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.