Визначте перетворювач (знижувальний, підвищувальний чи знижувально-підвищувальний) і коефіцієнт заповнення D за відношенням напруг.
Скористайтеся балансом вольт-секунд на котушці: середня напруга на котушці за період дорівнює нулю.
Знайдіть напругу на котушці, поки ключ увімкнений, а потім ΔIL = VL·D/(L·f).
Для пульсацій виходу знайдіть заряд, що входить у конденсатор і виходить із нього; для межі режиму безперервних струмів прирівняйте середній струм котушки до ΔIL/2.
Міст Вітстона й тензорезистори
Напруги дільників
Va = VsR2/(R1 + R2), Vb = VsR4/(R3 + R4)
Виведення
Vab = Va − Vb
Баланс
R1/R2 = R3/R4
Реохордний міст
R/Rx = l/(100 − l)
Опір Тевенена
Rth = R1∥R2 + R3∥R4
Коефіцієнт тензочутливості
ΔR/R = GF·ε
Вихід мосту
чвертьміст Vs·GF·ε/4, напівміст Vs·GF·ε/2, повний міст Vs·GF·ε
Мала зміна, одне плече
Vab ≈ Vs·ΔR/(4R)
Напруження
σ = E·ε
Метод
Розглядайте міст як два дільники напруги на одному джерелі живлення.
Для рівноваги покладіть R₁/R₂ = R₃/R₄ і розв’яжіть відносно невідомого резистора.
Для незбалансованого мосту знайдіть Va і Vb з дільників і відніміть; коли вимірювач навантажує вихід, скористайтеся еквівалентом Тевенена.
Для тензорезисторів переведіть деформацію в ΔR/R = GF·ε і користуйтеся Vs·GF·ε/4, /2 або ×1 для чвертьмосту, напівмосту чи повного мосту.
Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Базові вентилі
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Правила булевої алгебри
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
Закони де Моргана
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Порядок на карті Карно
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Група з 2ᵏ клітинок
втрачає k змінних
Мультиплексор 4-до-1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Тригери
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Лічильники
n-розрядний: 2ⁿ станів; за модулем N: найменше n з 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Послідовний лічильник
fmax = 1/(n·tpd)
Кільцевий лічильник і лічильник Джонсона
n і 2n станів
Метод
Для схеми рухайтеся від входів до виходу вентиль за вентилем і записуйте значення на кожному дроті, або запишіть її вираз і заповніть таблицю істинності.
Для спрощення занесіть одиниці (а байдужі стани як X) на карту Карно з рядками й стовпцями в коді Грея: 00, 01, 11, 10.
Покрийте одиниці якомога меншою кількістю якомога більших груп по 1, 2, 4, 8 або 16 клітинок, з переходом через краї; кожна група — це один добуток зі змінних, що лишаються сталими. Для форми POS групуйте нулі.
Для тригерів і лічильників читайте входи на кожному активному фронті такту, записуйте стан після кожного фронту й пам’ятайте, що n-розрядний лічильник переходить через максимум після 2ⁿ станів.
2Задачі для практики
1.Діоди й транзисториСередня
NPN-транзистор з β = 80 має зміщення дільником напруги від VCC = 18 V: R₁ = 39 kΩ від VCC до бази й R₂ = 15 kΩ від бази до землі. Колекторний резистор RC = 1 kΩ, емітерний резистор RE = 1,2 kΩ. Візьміть VBE = 0,7 V і використайте еквівалент Тевенена дільника (не нехтуйте струмом бази). Знайдіть струм колектора IC у mA.
Діод змодельовано як 0,65 В послідовно з 50 Ом (він проводить вище 0,65 В). Він увімкнений послідовно з резистором 470 Ом до джерела 3 В. Знайдіть робочий струм ID у точці, де лінія діода перетинає лінію навантаження.
Vs = 3 VR = 470 ΩV0 = 0,65 Vrd = 50 Ω
ID = mA
3.Схеми з операційними підсилювачамиСередня
Диференціальний підсилювач використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V, R3 = R1 і R4 = R2. Знайдіть вихідну напругу Vout.
V1 = 2,1 VV2 = 2,2 VR1 = R3 = 1 kΩR2 = R4 = 22 kΩ
Vout = V
4.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
V1 = 2 VV2 = −1 VR1 = 4,7 kΩR2 = 47 kΩRf = 1 kΩ
Vout = V
5.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W(∞), накопичену в котушці після встановлення режиму, у mJ.
Vs = 10 VR = 5 ΩL = 22 mH
W(∞) = mJ
6.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Таймер при t = 0 починає заряджати незаряджений конденсатор через резистор від джерела 15 V. Він має спрацювати, коли напруга на конденсаторі досягне 9 V, рівно через 20 ms після старту. При R = 47 kΩ знайдіть потрібну ємність C.
Vs = 15 VVth = 9 VT = 20 msR = 47 kΩ
C = µF
7.Послідовні й паралельні резисториСередня
Знайдіть струм IR1, який віддає джерело і який тече через R1.
Ідеальний підвищувальний перетворювач перетворює 36 V на 60 V на частоті 200 kHz при L = 100 µH. Знайдіть розмах струму пульсацій котушки ΔIL.
Vin = 36 VVo = 60 Vf = 200 kHzL = 100 µH
ΔIL = A
10.DC-DC перетворювачіСкладна
Знижувальний перетворювач перетворює 15 V на 7,5 V на частоті 500 kHz при L = 68 µH. Знайдіть найменший струм навантаження Io,min, за якого він залишається в режимі безперервних струмів.
Vin = 15 VVo = 7,5 Vf = 500 kHzL = 68 µH
Io,min = A
11.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
Тензорезистор 500 Ω — це одне плече (R₂) мосту з чотирма однаковими плечима по 500 Ω і живленням 2 V. Знайдіть потужність Pg, що розсіюється в тензорезисторі, у mW. Саморозігрів обмежує живлення.
Vs = 2 VR = 500 Ω
Pg = mW
12.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
Тензорезистор (GF = 2,12) на елементі з E = 70 GPa утворює чвертьміст із живленням 5 V. Вихід показує 2,12 mV. Знайдіть осьове напруження σ у MPa.
Vs = 5 VGF = 2,12Vo = 2,12 mVE = 70 GPa
σ = MPa
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСередня
Скористайтеся картою Карно, щоб знайти мінімальну форму добутку сум (POS) для F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 4, 10, 13, 14). Скільки доданків-сум (множників) N вона має?
F(A, B, C, D) = Σm(2, 3, 4, 10, 13, 14)
N =
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСкладна
JK-тригер, що спрацьовує за переднім фронтом, починає з Q = 0 і отримує показані входи на 6 передніх фронтах такту. Скільки разів N змінюється стан Q?
Q₀ = 0JK
N =
3Розчини
1.Діоди й транзистори
Відповідь: IC = 3,184 mA
Робоча точка БТ: в активному режимі VBE = 0,7 V, IC = β·IB і IE = (β + 1)·IB. Знайдіть IB з базового контуру за ЗНК, потім IC, потім VCE з контуру колектор–емітер. Дільник напруги в колі бази замінюють його еквівалентом Тевенена VTH = VCC·R₂/(R₁ + R₂), RTH = R₁∥R₂; емітерний резистор у базовому контурі виглядає в (β + 1) разів більшим.
Еквівалент Тевенена дільника
VTH = 18·15/(39 + 15) = 5 V
RTH = 39·15/(39 + 15) = 10,83 kΩ
Струм бази
ЗНК для базового контуру; струм емітера дорівнює (β + 1)·IB.
IB = (5 − 0,7)/(10,83 + 81·1,2) = 39,8 µA
Струм колектора
IC = 80·39,8 µA = 3,184 mA
IE = 81·39,8 µA = 3,224 mA
Відповідь
IC = 3,184 mA
2.Діоди й транзистори
Відповідь: ID = 4,519 mA
Кола зі світлодіодами та діодами: світлодіод, увімкнений у прямому напрямку, має падіння напруги приблизно VF (близько 2 В для червоного, 3 В для синього чи білого) незалежно від струму. Послідовний резистор задає струм: R = (Vs − n·VF)/I для n світлодіодів послідовно. За точнішою моделлю діода V = V₀ + I·rd робоча точка лежить там, де пряма діода перетинає лінію навантаження I = (Vs − V)/R, тож I = (Vs − V₀)/(R + rd).
Об’єднайте два рівняння
3 = 0,65 + I·(470 + 50)
Робочий струм
ID = 2,35/520 = 4,519 mA
VD = 0,65 + 0,004519·50 = 0,876 V
Відповідь
ID = 4,519 mA
3.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = 2,2 V
Правила ідеального ОП: з від’ємним зворотним зв’язком підсилювач встановлює вихід так, щоб обидва входи мали однакову напругу (V₋ = V₊), і в жоден вхід струм не тече. ЗСК на інвертувальному вході з цими двома фактами дає вихід.
Напруга на входах
Через R₃ і R₄ тече однаковий струм, тож вони утворюють подільник напруги; зворотний зв’язок забезпечує V₋ = V₊.
Правила ідеального ОП: з від’ємним зворотним зв’язком підсилювач встановлює вихід так, щоб обидва входи мали однакову напругу (V₋ = V₊), і в жоден вхід струм не тече. ЗСК на інвертувальному вході з цими двома фактами дає вихід.
Вхідні струми
V₋ = 0, тож на кожному вхідному резисторі вся його вхідна напруга.
I1 = V1/R1 = 2/4,7 = 0,4255 mA
I2 = V2/R2 = −1/47 = −0,02128 mA
If = I1 + I2 = 0,4043 mA
Вихідна напруга
Vout = −Rf·If = −1·0,4043 = −0,4043 V
Відповідь
Vout = −0,4043 V
5.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: W(∞) = 44 mJ
Перехідні процеси першого порядку: у колі з одним конденсатором або однією котушкою кожна напруга й кожен струм експоненційно змінюються від початкового до кінцевого значення: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, де τ = RC або τ = L/R. Приблизно через 5τ коло виходить на усталений режим.
Стала часу і кінцевий струм
Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.
τ = L/R = 22 mH / 5 Ω = 4,4 ms
i(∞) = Vs/R = 10/5 = 2 A
Накопичена енергія
W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·22·2² = 44 mJ
Відповідь
W(∞) = 44 mJ
6.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: C = 0,4644 µF
Перехідні процеси першого порядку: у колі з одним конденсатором або однією котушкою кожна напруга й кожен струм експоненційно змінюються від початкового до кінцевого значення: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, де τ = RC або τ = L/R. Приблизно через 5τ коло виходить на усталений режим.
Потрібна стала часу
9 = 15·(1 − e−20/τ) → τ = 20/ln(15/(15 − 9))
τ = 20/0,9163 = 21,83 ms
Ємність
kΩ помножити на µF дає мілісекунди.
C = τ/R = 21,83/47 = 0,4644 µF
Відповідь
C = 0,4644 µF
7.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 1,174 A
Послідовне й паралельне з’єднання: послідовно через кожен резистор тече той самий струм і R = R₁ + R₂ + …. Паралельно на кожному резисторі та сама напруга і 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Драбинчасту мережу спрощують по одній парі, доки не залишиться один еквівалентний опір.
Об’єднуйте резистори з дальнього кінця
Почніть із кінця, найдальшого від джерела, і рухайтеся до нього. Резистори з однаковим струмом з’єднані послідовно; резистори між тими самими двома вузлами — паралельно.
R3 + R4 = 12 + 12 = 24 Ω
R2 ∥ 24 = 3·24/(3+24) = 2,667 Ω
Req = R1 + 2,667 = 5 + 2,667 = 7,667 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 9/7,667 = 1,174 A
Відповідь
IR1 = 1,174 A
8.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 0,6254 A
Послідовне й паралельне з’єднання: послідовно через кожен резистор тече той самий струм і R = R₁ + R₂ + …. Паралельно на кожному резисторі та сама напруга і 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Драбинчасту мережу спрощують по одній парі, доки не залишиться один еквівалентний опір.
Об’єднуйте резистори з дальнього кінця
Почніть із кінця, найдальшого від джерела, і рухайтеся до нього. Резистори з однаковим струмом з’єднані послідовно; резистори між тими самими двома вузлами — паралельно.
R5 + R6 = 5 + 4 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 4,737 Ω
R3 + 4,737 = 16,74 Ω
R2 ∥ 16,74 = 3,228 Ω
Req = R1 + 3,228 = 20 + 3,228 = 23,23 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 18/23,23 = 0,7749 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 18 − 0,7749·20 = 2,502 V
IR2 = VA/R2 = 2,502/4 = 0,6254 A
Відповідь
IR2 = 0,6254 A
9.DC-DC перетворювачі
Відповідь: ΔIL = 0,72 A
DC-DC перетворювачі: ключ S вмикається на частку D кожного періоду T = 1/f. В усталеному режимі середня напруга на котушці дорівнює нулю (баланс вольт-секунд), що дає ідеальні коефіцієнти перетворення в режимі безперервних струмів: знижувальний Vo = D·Vin, підвищувальний Vo = Vin/(1 − D), інвертувальний знижувально-підвищувальний |Vo| = Vin·D/(1 − D). Ідеальний перетворювач зберігає потужність: Vin·Iin = Vo·Io. Поки ключ S увімкнений, струм котушки зростає на ΔIL = VL·D·T/L, де VL = Vin − Vo для знижувального й Vin для підвищувального та знижувально-підвищувального. Пульсації виходу дорівнюють ΔVo = ΔIL/(8fC) для знижувального й Io·D/(fC) для підвищувального та знижувально-підвищувального. Струм котушки лише торкається нуля (межа режиму безперервних струмів), коли середній струм котушки дорівнює ΔIL/2.
Коефіцієнт заповнення
D = 1 − 36/60 = 0,4
Напруга на котушці під час увімкненого стану
Поки S увімкнений, котушка підключена безпосередньо до Vin.
VL = 36 V
Струм пульсацій
ΔIL = VL·D/(L·f) = 36·0,4/(100·10⁻⁶·200·10³) = 0,72 A
Відповідь
ΔIL = 0,72 A
10.DC-DC перетворювачі
Відповідь: Io,min = 0,05515 A
DC-DC перетворювачі: ключ S вмикається на частку D кожного періоду T = 1/f. В усталеному режимі середня напруга на котушці дорівнює нулю (баланс вольт-секунд), що дає ідеальні коефіцієнти перетворення в режимі безперервних струмів: знижувальний Vo = D·Vin, підвищувальний Vo = Vin/(1 − D), інвертувальний знижувально-підвищувальний |Vo| = Vin·D/(1 − D). Ідеальний перетворювач зберігає потужність: Vin·Iin = Vo·Io. Поки ключ S увімкнений, струм котушки зростає на ΔIL = VL·D·T/L, де VL = Vin − Vo для знижувального й Vin для підвищувального та знижувально-підвищувального. Пульсації виходу дорівнюють ΔVo = ΔIL/(8fC) для знижувального й Io·D/(fC) для підвищувального та знижувально-підвищувального. Струм котушки лише торкається нуля (межа режиму безперервних струмів), коли середній струм котушки дорівнює ΔIL/2.
Коефіцієнт заповнення
D = 7,5/15 = 0,5
Струм пульсацій
ΔIL = 7,5·0,5/(68·10⁻⁶·500·10³) = 0,1103 A
Струм навантаження на межі
Io,min = ΔIL/2 = 0,05515 A
Відповідь
Io,min = 0,05515 A
Нижче від цього струму перетворювач переходить у режим перервних струмів, і Vo піднімається вище за D·Vin.
11.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: Pg = 2 mW
Міст Вітстона: два дільники напруги живляться від одного джерела Vs. Лівий дільник R1–R2 дає Va = Vs·R2/(R1 + R2), а правий дільник R3–R4 дає Vb = Vs·R4/(R3 + R4); вихід — Vab = Va − Vb. Міст збалансований (Vab = 0, у вимірювачі немає струму), коли R1/R2 = R3/R4, тобто R1·R4 = R2·R3. З боку виходу міст — це джерело Тевенена з Rth = R1∥R2 + R3∥R4.
Напруга на тензорезисторі
V = 2/2 = 1 V
Потужність
Pg = 1²/500 = 2 mW
Відповідь
Pg = 2 mW
12.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: σ = 56 MPa
Тензорезистори: тензорезистор змінює опір під дією деформації: ΔR/R = GF·ε, де коефіцієнт тензочутливості GF для металевої фольги близько 2. У мосту, всі плечі якого дорівнюють R, один активний тензорезистор (чвертьміст) дає Vo ≈ Vs·GF·ε/4. Два активні тензорезистори з протилежними деформаціями в сусідніх плечах (напівміст) дають Vs·GF·ε/2, а чотири (повний міст) — Vs·GF·ε. Напруження випливає із закону Гука, σ = E·ε. Тензометричні датчики сили вказують чутливість у mV/V: вихід при повному навантаженні на один вольт живлення.
Деформація
ε = 4·0,00212/(5·2,12) = 0,0008
Напруження
σ = 70·10³ MPa·0,0008 = 56 MPa
Відповідь
σ = 56 MPa
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: N = 5
Карти Карно: клітинки впорядковано за кодом Грея (00, 01, 11, 10), тож сусідні клітинки, зокрема через краї, відрізняються рівно однією змінною. Групуйте одиниці в прямокутники по 1, 2, 4, 8 або 16 клітинок, якомога більші й у якомога меншій кількості, доки кожну 1 не буде покрито. Кожна група — це один добуток: змінні, що лишаються сталими всередині неї. Група з 2ᵏ клітинок втрачає k змінних. Байдужі стани (X) можна використовувати, щоб групи були більшими, але їх не обов’язково покривати. Групування нулів замість одиниць дає мінімальну форму POS.
Згрупуйте нулі
Кожна група — це прямокутник із 2ᵏ клітинок; крайні клітинки є сусідами клітинок на протилежному краї.
(B + C)
(A + C + D′)
(A′ + C + D)
(A′ + C′ + D′)
(A + B′ + C′)
Мінімальна форма POS
F = (B + C)(A + C + D′)(A′ + C + D)(A′ + C′ + D′)(A + B′ + C′)
N = 5
Відповідь
N = 5
Існує інше групування того самого розміру; воно має таку саму кількість доданків і літералів.
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: N = 2
Тригери та лічильники: тригер змінюється лише за активним фронтом такту. D копіює свій вхід (Q⁺ = D); T перемикається, коли T = 1; JK зберігає стан за 00, скидає за 01, встановлює за 10 і перемикає за 11. n-розрядний двійковий лічильник має 2ⁿ станів і рахує за модулем 2ⁿ; лічильник за модулем N рахує 0, 1, …, N − 1 і повертається до 0, і йому потрібне найменше n, для якого 2ⁿ ≥ N тригерів. Кожен ступінь послідовного лічильника ділить частоту навпіл, тож останній вихід лічильника за модулем N має частоту fclk/N. Лічильник Джонсона з n тригерів має 2n станів, кільцевий — n.