Электроника 1: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (14) с полными решениями в конце.

Новые задачи Назад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Диоды и транзисторы

Диод (постоянное падение напряжения): V_D = 0,7 V when conducting
Активный режим: V_BE = 0,7 V, I_C = β·I_B, I_E = (β + 1)·I_B
Фиксированное смещение: I_B = (V_CC − 0,7)/R_B
Смещение делителем напряжения: I_B = (V_TH − 0,7)/(R_TH + (β + 1)R_E)
Эквивалент Тевенена для делителя: V_TH = V_CC·R₂/(R₁ + R₂), R_TH = R₁∥R₂
Контур коллектора: V_CE = V_CC − I_CR_C − I_ER_E
Насыщение: I_C(sat) = (V_CC − V_CE(sat))/R_C, I_B ≥ I_C(sat)/β

Схемы на операционных усилителях

Инвертирующий усилитель: V_out = −(R_f/R_in)·V_in
Неинвертирующий усилитель: V_out = (1 + R_f/R₁)·V_in
Суммирующий усилитель: V_out = −R_f(V₁/R₁ + V₂/R₂)
Идеальный ОУ: V₊ = V₋, I_in = 0

Переходные процессы RC и RL

Постоянная времени: τ = RC | τ = L/R
Отклик: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
Конденсатор на постоянном токе: разрыв; v_C не может измениться скачком
Катушка на постоянном токе: короткое замыкание; i_L не может измениться скачком
Установившийся режим: t ≈ 5τ

Метод

Найдите начальное значение сразу после коммутации: напряжение на конденсаторе и ток в катушке не могут изменяться скачком.
Найдите установившееся значение спустя долгое время после коммутации: конденсатор ведёт себя как разрыв, катушка — как короткое замыкание.
Найдите постоянную времени: τ = RC или τ = L/R, где берётся сопротивление со стороны конденсатора или катушки.
Используйте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ.

Последовательные и параллельные резисторы

Последовательное соединение резисторов: R_eq = R₁ + R₂ + …
Параллельное соединение резисторов: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Два параллельно: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
Закон Ома: V = I·R
Мощность: P = V·I = I²R = V²/R

Метод

Начните с конца цепи, наиболее удалённого от зажимов.
Последовательные резисторы складывайте, а параллельные объединяйте по формуле 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
После каждого шага перерисовывайте схему.
Повторяйте, пока между зажимами не останется один резистор.

Преобразователи постоянного напряжения

Понижающий: V_o = D·V_in
Повышающий: V_o = V_in/(1 − D)
Инвертирующий понижающе-повышающий: |V_o| = V_in·D/(1 − D)
Идеальный баланс мощности: V_inI_in = V_oI_o
Пульсации тока катушки: ΔI_L = V_L,on·D/(L·f); buck V_in − V_o, boost and buck-boost V_in
Средний ток катушки: понижающий I_o; повышающий и понижающе-повышающий I_o/(1 − D)
Пульсации выходного напряжения: понижающий ΔI_L/(8fC); повышающий и понижающе-повышающий I_o·D/(fC)
Граница режима непрерывного тока: понижающий (1 − D)R/(2f); повышающий D(1 − D)²R/(2f); понижающе-повышающий (1 − D)²R/(2f)

Метод

Определите преобразователь (понижающий, повышающий или понижающе-повышающий) и коэффициент заполнения D по отношению напряжений.
Используйте баланс вольт-секунд на катушке индуктивности: среднее напряжение на катушке за период равно нулю.
Найдите напряжение на катушке при включённом ключе, затем ΔI_L = V_L·D/(L·f).
Для пульсаций выхода найдите заряд, входящий в конденсатор и выходящий из него; для границы режима непрерывного тока приравняйте средний ток катушки к ΔI_L/2.

Мост Уитстона и тензорезисторы

Напряжения делителей: V_a = V_sR₂/(R₁ + R₂), V_b = V_sR₄/(R₃ + R₄)
Выделение: V_ab = V_a − V_b
Баланс: R₁/R₂ = R₃/R₄
Реохордный мост: R/R_x = l/(100 − l)
Сопротивление Тевенина: R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄
Коэффициент тензочувствительности: ΔR/R = GF·ε
Выход моста: четвертьмост V_s·GF·ε/4, полумост V_s·GF·ε/2, полный мост V_s·GF·ε
Малое изменение, одно плечо: V_ab ≈ V_s·ΔR/(4R)
Напряжение: σ = E·ε

Метод

Рассматривайте мост как два делителя напряжения от одного источника.
Для равновесия приравняйте R₁/R₂ = R₃/R₄ и найдите неизвестный резистор.
Для неуравновешенного моста найдите V_a и V_b по делителям и вычтите; используйте эквивалент Тевенина, когда прибор нагружает выход.
Для тензорезисторов переведите деформацию в ΔR/R = GF·ε и используйте V_s·GF·ε/4, /2 или ×1 для четвертьмоста, полумоста или полного моста.

Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Основные вентили: A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Правила булевой алгебры: X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
Законы де Моргана: (X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Порядок на карте Карно: 00, 01, 11, 10 (Gray code)
Группа из 2ᵏ клеток: теряет k переменных
Мультиплексор 4 в 1: F = A′B′I₀ + A′BI₁ + AB′I₂ + ABI₃
Триггеры: D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Счётчики: n-разрядный: 2ⁿ состояний; по модулю N: наименьшее n, при котором 2ⁿ ≥ N; f_out = f_clk/N
Асинхронный счётчик: f_max = 1/(n·t_pd)
Кольцевой счётчик и счётчик Джонсона: n и 2n состояний

Метод

Для схемы идите от входов к выходу вентиль за вентилем и записывайте значение на каждом проводе или запишите её выражение и заполните таблицу истинности.
Для упрощения поставьте единицы (и безразличные состояния как X) на карту Карно со строками и столбцами в коде Грея: 00, 01, 11, 10.
Покройте единицы как можно меньшим числом как можно больших групп по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, с переходом через края; каждая группа — один член-произведение из переменных, которые остаются постоянными. Для формы POS группируйте нули.
Для триггеров и счётчиков считывайте входы на каждом активном фронте тактового сигнала, записывайте состояние после каждого фронта и помните, что n-разрядный счётчик возвращается к началу после 2ⁿ состояний.

2Тренировочные задачи

1.Диоды и транзисторыСредняя

Стабилизатор на стабилитроне 5,1 V питается от 12 V через 270 Ω и питает нагрузку 1000 Ω. Найдите ток стабилитрона I_Z.

V_in = 12 VV_Z = 5,1 VR = 270 ΩR_L = 1000 Ω

I_Z = mA

2.Диоды и транзисторыСложная

Стабилизатор на стабилитроне 3,3 V имеет последовательный резистор 470 Ω. Входное напряжение может подниматься до 26 V, а нагрузка может быть отключена. Найдите наибольшую мощность P_Z,max, которую должен рассеивать стабилитрон.

V_in,max = 26 VV_Z = 3,3 VR = 470 Ω

P_Z,max = mW

3.Схемы на операционных усилителяхСредняя

Подберите резистор обратной связи R_f, чтобы этот неинвертирующий усилитель имел коэффициент усиления по напряжению 11.

R₁ = 10 kΩA_v = 11

R_f = kΩ

4.Схемы на операционных усилителяхСложная

ОУ идеальный и питается от ±15 V. Отношения резисторов не согласованы. Найдите выходное напряжение V_out.

V₁ = 0,9 VV₂ = 1,9 VR₁ = 2 kΩR₂ = 10 kΩR₃ = 22 kΩR₄ = 4,7 kΩ

V_out = V

5.Переходные процессы RC и RLСредняя

До замыкания ключа в момент t = 0 тока через катушку нет. Найдите напряжение v_L на катушке в момент t = 25 ms.

V_s = 10 VR = 10 ΩL = 100 mHt = 25 ms

v_L = V

6.Переходные процессы RC и RLСложная

Ключ был замкнут долгое время, поэтому цепь находится в установившемся режиме. При t = 0 ключ размыкается. Найдите напряжение на конденсаторе v_C в момент t = 60 ms.

V_s = 10 VR₁ = 6,8 kΩR₂ = 3,3 kΩC = 33 µFt = 60 ms

v_C = V

7.Последовательные и параллельные резисторыСредняя

Найдите ток I_R1, отдаваемый источником и текущий через R₁.

V₁ = 30 VR₁ = 12 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 4 ΩR₄ = 15 Ω

I_R1 = A

8.Последовательные и параллельные резисторыСложная

Найдите ток I_R1, отдаваемый источником и текущий через R₁.

V₁ = 24 VR₁ = 15 ΩR₂ = 12 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 10 ΩR₅ = 15 ΩR₆ = 6 Ω

I_R1 = A

9.Преобразователи постоянного напряженияСредняя

Понижающий преобразователь преобразует 24 V в 7,2 V при нагрузке 8 Ω. Он переключается с частотой 40 kHz при L = 150 µH. Найдите пиковый ток катушки I_max.

Vin = 24 VVo = 7,2 Vf = 40 kHzL = 150 µHR = 8 Ω

I_max = A

10.Преобразователи постоянного напряженияСложная

Понижающий преобразователь преобразует 24 V в 7,2 V при 20 kHz и L = 330 µH. Найдите выходную ёмкость C, при которой размах пульсаций выходного напряжения ограничен 20 mV.

Vin = 24 VVo = 7,2 Vf = 20 kHzL = 330 µHΔV_o = 20 mV

C = µF

11.Мост Уитстона и тензорезисторыСредняя

Мост имеет четыре плеча по 220 Ω и V_s = 6 V. Датчик R₂ увеличивается на ΔR = 33 Ω. Найдите точный выход V_ab в mV.

V_s = 6 VR = 220 ΩΔR = 33 Ω

V_ab = mV

12.Мост Уитстона и тензорезисторыСложная

Мост с плечами 1000 Ω питается напряжением 10 V; конфигурация: один активный тензорезистор (четвертьмост). Коэффициент тензочувствительности равен 2, деформация — 750 µε. Найдите выход моста V_o в mV.

V_s = 10 VGF = 2ε = 750 µε

V_o = mV

13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя

Упростите F = AB′C′ + ABC′ + A′B′C′ + BC′ до минимальной формы «сумма произведений». Сколько литералов, L, содержит упрощённое выражение?

F = AB′C′ + ABC′ + A′B′C′ + BC′

L =

14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная

Для F(A, B, C, D) = Σm(3, 6, 7, 9, 10, 11, 13, 15) + d(5, 8), где d обозначает безразличные состояния, найдите число N существенных простых импликант.

F(A, B, C, D) = Σm(3, 6, 7, 9, 10, 11, 13, 15) + d(5, 8)

N =

3Растворы

1.Диоды и транзисторы

Ответ: I_Z = 20,46 mA

Стабилизатор на стабилитроне: стабилитрон, включённый в обратном направлении, удерживает напряжение V_Z, пока его ток остаётся выше минимума I_Z,min. Последовательный резистор R берёт на себя разность между входным и выходным напряжением: I_R = (V_in − V_Z)/R. Этот ток делится между нагрузкой, I_L = V_Z/R_L, и стабилитроном: I_Z = I_R − I_L. Проектируйте для худших случаев: при наименьшем входном напряжении и наибольшей нагрузке должен оставаться ток I_Z,min, а при наибольшем входном напряжении без нагрузки получается наибольшая мощность стабилитрона P_Z = V_Z·I_Z.

Ток резистора

I_R = 6,9/270 = 25,56 mA

Ток нагрузки

I_L = 5,1/1000 = 5,1 mA

Ток стабилитрона

I_Z = 25,56 − 5,1 = 20,46 mA

Ответ

I_Z = 20,46 mA

2.Диоды и транзисторы

Ответ: P_Z,max = 159,4 mW

Ток стабилитрона в худшем случае

I_Z = 22,7/470 = 48,3 mA

Мощность стабилитрона

P_Z = 3,3·48,3 = 159,4 mW

Ответ

P_Z,max = 159,4 mW

3.Схемы на операционных усилителях

Ответ: R_f = 100 kΩ

Правила идеального ОУ: при отрицательной обратной связи усилитель устанавливает выход так, чтобы оба входа имели одинаковое напряжение (V₋ = V₊), и ни в один вход ток не течёт. ЗТК на инвертирующем входе с этими двумя фактами даёт выход.

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя

V₋ = V₊ = V_in, а ток через R₁ течёт и через R_f, поэтому V_out = V_in·(1 + R_f/R₁).

A_v = 1 + R_f/R₁

R_f = (11 − 1)·10 = 100 kΩ

Ответ

R_f = 100 kΩ

4.Схемы на операционных усилителях

Ответ: V_out = −2,493 V

Напряжение на входе +

V₊ = V₂·R₄/(R₃ + R₄) = 1,9·4,7/(22 + 4,7) = 0,3345 V

Наложение двух входов

При V₂ = 0 для V₁ схема — инвертирующий усилитель. При V₁ = 0 V₊ усиливается с коэффициентом неинвертирующего усилителя 1 + R₂/R₁.

V_out = −(10/2)·0,9 + (1 + 10/2)·0,3345 = −4,5 + 2,007 = −2,493 V

Ответ

V_out = −2,493 V

5.Переходные процессы RC и RL

Ответ: v_L = 0,8208 V

Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.

Постоянная времени и конечный ток

Спустя долгое время после замыкания катушка ведёт себя как короткое замыкание, поэтому конечный ток определяется только R.

τ = L/R = 100 mH / 10 Ω = 10 ms

i(∞) = V_s/R = 10/10 = 1 A

Напряжение на катушке

В момент t = 0 всё напряжение питания приложено к катушке; затем оно спадает до нуля.

v_L(t) = V_s·e^−t/τ = 10·e^−25/10 = 0,8208 V

Ответ

v_L = 0,8208 V

6.Переходные процессы RC и RL

Ответ: v_C = 1,883 V

Начальное напряжение конденсатора

В установившемся режиме конденсатор — разрыв, поэтому R₁ и R₂ образуют делитель напряжения. Напряжение конденсатора не может измениться скачком при размыкании ключа.

v_C(0) = 10·3,3/(6,8 + 3,3) = 3,267 V

Постоянная времени после размыкания ключа

τ = R₂·C = 3,3·33 = 108,9 ms

Разряд

v_C(t) = 3,267·e^−60/108,9 = 1,883 V

Ответ

v_C = 1,883 V

7.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: I_R1 = 2,056 A

Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.

Объединяйте резисторы с дальнего конца

Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.

R₃ + R₄ = 4 + 15 = 19 Ω

R₂ ∥ 19 = 3·19/(3+19) = 2,591 Ω

R_eq = R₁ + 2,591 = 12 + 2,591 = 14,59 Ω

Ток источника

Источник видит только R_eq, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 30/14,59 = 2,056 A

Ответ

I_R1 = 2,056 A

8.Последовательные и параллельные резисторы

Ответ: I_R1 = 1,146 A

Объединяйте резисторы с дальнего конца

R₅ + R₆ = 15 + 6 = 21 Ω

R₄ ∥ 21 = 6,774 Ω

R₃ + 6,774 = 11,77 Ω

R₂ ∥ 11,77 = 5,943 Ω

R_eq = R₁ + 5,943 = 15 + 5,943 = 20,94 Ω

Ток источника

Источник видит только R_eq, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 24/20,94 = 1,146 A

Ответ

I_R1 = 1,146 A

9.Преобразователи постоянного напряжения

Ответ: I_max = 1,32 A

Преобразователи постоянного напряжения: ключ S включается на долю D каждого периода T = 1/f. В установившемся режиме среднее напряжение на катушке индуктивности равно нулю (баланс вольт-секунд), откуда следуют идеальные коэффициенты преобразования в режиме непрерывного тока: понижающий V_o = D·V_in, повышающий V_o = V_in/(1 − D), инвертирующий понижающе-повышающий |V_o| = V_in·D/(1 − D). Идеальный преобразователь сохраняет мощность: V_in·I_in = V_o·I_o. Пока S включён, ток катушки нарастает на ΔI_L = V_L·D·T/L, где V_L = V_in − V_o для понижающего и V_in для повышающего и понижающе-повышающего. Пульсация выходного напряжения равна ΔV_o = ΔI_L/(8fC) для понижающего и I_o·D/(fC) для повышающего и понижающе-повышающего. Ток катушки лишь касается нуля (граница режима непрерывного тока), когда средний ток катушки равен ΔI_L/2.

Коэффициент заполнения

D = 7,2/24 = 0,3

Средний ток и пульсации тока

I_o = 7,2/8 = 0,9 A

ΔI_L = V_L·D/(L·f) = 16,8·0,3/(150·10⁻⁶·40·10³) = 0,84 A

Пиковый ток

I_max = 0,9 + 0,84/2 = 1,32 A

Ответ

I_max = 1,32 A

10.Преобразователи постоянного напряжения

Ответ: C = 238,6 µF

Коэффициент заполнения

D = 7,2/24 = 0,3

Пульсации тока катушки

ΔI_L = (24 − 7,2)·0,3/(330·10⁻⁶·20·10³) = 0,7636 A

Ёмкость

C = 0,7636/(8·20·10³·20·10⁻³) = 238,6 µF

Ответ

C = 238,6 µF

11.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: V_ab = 209,3 mV

Мост Уитстона: два делителя напряжения питаются от одного источника V_s. Левый делитель R₁–R₂ даёт V_a = V_s·R₂/(R₁ + R₂), а правый делитель R₃–R₄ даёт V_b = V_s·R₄/(R₃ + R₄); выход равен V_ab = V_a − V_b. Мост уравновешен (V_ab = 0, ток через прибор отсутствует), когда R₁/R₂ = R₃/R₄, то есть R₁·R₄ = R₂·R₃. Со стороны выхода мост — это источник Тевенина с R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄.

Напряжения узлов

V_a = 6·253/473 = 3,209 V

V_b = 3 V

Выделение

V_ab = 209,3 mV

Ответ

V_ab = 209,3 mV

Линейная оценка V_s·ΔR/(4R) = 225 mV завышена на 7,5 %: четвертьмост не совсем линеен.

12.Мост Уитстона и тензорезисторы

Ответ: V_o = 3,75 mV

Тензорезисторы: тензорезистор изменяет своё сопротивление при деформации: ΔR/R = GF·ε, где коэффициент тензочувствительности GF для металлической фольги около 2. В мосту, все плечи которого равны R, один активный тензорезистор (четвертьмост) даёт V_o ≈ V_s·GF·ε/4. Два активных тензорезистора с противоположными деформациями в соседних плечах (полумост) дают V_s·GF·ε/2, а четыре (полный мост) — V_s·GF·ε. Напряжение находится по закону Гука, σ = E·ε. Тензометрические датчики силы указывают чувствительность в mV/V: выход при полной нагрузке на каждый вольт питания.

Относительное изменение сопротивления

ΔR/R = 2·750·10⁻⁶ = 0,0015

Выход моста

V_o ≈ V_s·GF·ε/4 = 10·0,0015/4 = 3,75 mV

Ответ

V_o = 3,75 mV

13.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: L = 1

Булева алгебра: правила, упрощающие выражения: X + X′ = 1 и X·X′ = 0, X + X = X, поглощение X + X·Y = X, правило склеивания X·Y + X·Y′ = X, X + X′Y = X + Y и теорема о консенсусе XY + X′Z + YZ = XY + X′Z. Законы де Моргана превращают (X·Y)′ в X′ + Y′ и (X + Y)′ в X′·Y′. Карта Карно применяет эти правила графически: каждая группа из двух соседних клеток — это одно применение XY + XY′ = X.

Минтермы выражения

AB′C′ → m(4)

ABC′ → m(6)

A′B′C′ → m(0)

BC′ → m(2, 6)

Сгруппируйте и прочитайте

F = C′

Посчитайте литералы

L = 1

Ответ

L = 1

14.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: N = 3

Карты Карно: клетки упорядочены по коду Грея (00, 01, 11, 10), поэтому соседние клетки, включая те, что через края, отличаются ровно одной переменной. Группируйте единицы в прямоугольники по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, как можно большие и в как можно меньшем числе, пока не будет покрыта каждая единица. Каждая группа — один член-произведение: переменные, которые внутри неё остаются постоянными. Группа из 2ᵏ клеток теряет k переменных. Безразличные состояния (X) можно использовать, чтобы увеличить группы, но покрывать их не обязательно. Если группировать нули, получится минимальная форма POS.

Простые импликанты

Самые большие группы, которые можно образовать из единиц и X.

CD, BD, AD, AB′, A′BC

Существенные простые импликанты

CD, AB′, A′BC

N = 3

Ответ

N = 3

ExamProblems · examproblems.com/courses/electronics-1