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 = 150 зміщено базовим резистором RB = 820 kΩ від джерела живлення VCC = 15 V. Колекторний резистор RC = 2,7 kΩ, емітер заземлено. Візьміть VBE = 0,7 V і вважайте, що транзистор в активному режимі. Знайдіть струм колектора IC у mA.
NPN-транзистор з β = 200 комутує резистор навантаження 680 Ω, увімкнений між VCC = 24 V і його колектором. Емітер заземлено. Базу керують від логічного виходу 5 V через базовий резистор RB. Візьміть VBE = 0,7 V і VCE(sat) = 0,2 V. Для надійного перемикання розрахуйте струм бази в 2 разів більшим за мінімально потрібний для насичення. Знайдіть RB у kΩ.
ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±12 V. На інвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.
R1 = 1 kΩRf = 2 kΩVsat = ±12 V
Vin,max = V
4.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Інтегратор використовує ідеальний ОП із живленням ±15 V; його вихід насичується на рівні ±14 V. Конденсатор розряджений, коли при t = 0 подається стала вхідна напруга Vin = 1,6 V. Через який час після t = 0 вихід досягне насичення? Знайдіть t.
Vin = 1,6 VR = 47 kΩC = 0,22 µFVsat = ±14 V
t = ms
5.Перехідні процеси RC і RLСередня
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W, накопичену в котушці при t = 1 ms, у mJ.
Vs = 6 VR = 10 ΩL = 10 mHt = 1 ms
W = mJ
6.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 12 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 80 ms.
Vs = 20 VR = 6,8 kΩC = 33 µFvC(0) = 12 Vt = 80 ms
vC = V
7.Послідовні й паралельні резисториСередня
Знайдіть струм IR2 через R2.
V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 3 Ω
IR2 = A
8.Послідовні й паралельні резисториСкладна
Знайдіть еквівалентний опір Req, який бачить джерело V1.
Знижувальний перетворювач перетворює 36 V на 14,4 V для навантаження 20 Ω. Він комутується на частоті 40 kHz при L = 330 µH. Знайдіть піковий струм котушки Imax.
Ідеальний знижувальний перетворювач перетворює 12 V на 9 V для навантаження 8 Ω на частоті 40 kHz. Знайдіть найменшу індуктивність Lcrit для режиму безперервних струмів.
Vin = 12 VVo = 9 Vf = 40 kHzR = 8 Ω
Lcrit = µH
11.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
Гальванометр з опором 20 Ω увімкнено між a і b показаного моста (Vs = 15 V). Знайдіть струм гальванометра Ig від a до b у µA.
Чвертьміст (один активний тензорезистор, GF = 2,05) живиться від 10 V. Найбільшу вимірювану деформацію 250 µε треба перетворити на 10 V на вході аналого-цифрового перетворювача. Знайдіть коефіцієнт підсилення підсилювача G.
Vs = 10 VGF = 2,05εmax = 250 µεVFS = 10 V
G =
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(1, 2, 4, 6, 7, 8, 9, 12, 15). Скільки доданків-сум (множників) N вона має?
F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 4, 6, 7, 8, 9, 12, 15)
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 8 передніх фронтах такту. Скільки разів N змінюється стан Q?
Q₀ = 0JK
N =
3Розчини
1.Діоди й транзистори
Відповідь: IC = 2,616 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.
Перевірка: VCE = 7,937 V значно більше за 0,2 V, тож транзистор справді в активному режимі.
2.Діоди й транзистори
Відповідь: RB = 12,29 kΩ
БТ як ключ: щоб повністю ввімкнути навантаження, транзистор переводять у насичення, де VCE = VCE(sat), а струм колектора визначається навантаженням: IC(sat) = (VCC − VCE(sat))/RC. Для насичення потрібен струм бази щонайменше IB = IC(sat)/β. Якщо струм бази менший, транзистор залишається в активному режимі й IC = β·IB.
Струм колектора в насиченні
IC(sat) = (24 − 0,2)/680 = 35 mA
Мінімальний струм бази
IB(min) = IC(sat)/β = 35/200 = 175 µA
Розрахунковий струм бази
IB = 2·175 µA = 350 µA
Базовий резистор
RB = (5 − 0,7)/IB = 4,3 V/0,35 mA = 12,29 kΩ
Відповідь
RB = 12,29 kΩ
3.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 6 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.
Коефіцієнт підсилення
|Av| = Rf/R1 = 2/1 = 2
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 12/2 = 6 V
Відповідь
Vin,max = 6 V
4.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: t = 90,47 ms
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.
Вхідний струм і швидкість наростання
kΩ помножити на µF дає мілісекунди.
RC = 47 kΩ · 0,22 µF = 10,34 ms
швидкість наростання = −Vin/(RC) = −1,6/10,34 = −0,1547 V/ms
Час до насичення
|Vin|·t/(RC) = Vsat → t = Vsat·RC/|Vin| = 14·10,34/1,6 = 90,47 ms
Відповідь
t = 90,47 ms
5.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: W = 0,7192 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 = 10 mH / 10 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 6/10 = 0,6 A
Струм у заданий момент
i(t) = 0,6·(1 − e−1/1) = 0,3793 A
Накопичена енергія
W = ½·L·i² = ½·10·0,3793² = 0,7192 mJ
Відповідь
W = 0,7192 mJ
6.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 14,4 V
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.
Початкове значення, кінцеве значення, стала часу
Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.
vC(0) = 12 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 33 µF = 224,4 ms
vC(t) = 20 + (12 − 20)·e−t/τ
Напруга в заданий момент
vC(80) = 20 + (−8)·e−80/224,4 = 14,4 V
Відповідь
vC = 14,4 V
7.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 1,31 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 = 8 + 3 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 8·11/(8+11) = 4,632 Ω
Req = R1 + 4,632 = 2 + 4,632 = 6,632 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 15/6,632 = 2,262 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 2,262·2 = 10,48 V
IR2 = VA/R2 = 10,48/8 = 1,31 A
Відповідь
IR2 = 1,31 A
8.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: Req = 34,43 Ω
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 = 4 + 10 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 1,75 Ω
R3 + 1,75 = 13,75 Ω
R2 ∥ 13,75 = 9,429 Ω
Req = R1 + 9,429 = 25 + 9,429 = 34,43 Ω
Відповідь
Req = 34,43 Ω
9.DC-DC перетворювачі
Відповідь: Imax = 1,047 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 = 14,4/36 = 0,4
Середній струм і пульсації струму
Io = 14,4/20 = 0,72 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 21,6·0,4/(330·10⁻⁶·40·10³) = 0,6545 A
Піковий струм
Imax = 0,72 + 0,6545/2 = 1,047 A
Відповідь
Imax = 1,047 A
10.DC-DC перетворювачі
Відповідь: Lcrit = 25 µH
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 = 9/12 = 0,75
Умова на межі
Прирівняйте середній струм котушки до половини струму пульсацій і розв’яжіть відносно L.
Lcrit = (1 − D)·R/(2f)
Критична індуктивність
Lcrit = (1 − 0,75)·8/(240·10³) = 25 µH
Відповідь
Lcrit = 25 µH
11.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: Ig = 95806 µA
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 Тевенена
Vth = 15·(500/520 − 100/500) = 11,42 V
Опір Тевенена
Rth = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 99,23 Ω
Струм гальванометра
Ig = 11,42/(99,23 + 20) = 95806 µA
Відповідь
Ig = 95806 µA
12.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: G = 7805
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.
Вихід мосту на повній шкалі
Vo = 1,281 mV
Коефіцієнт підсилення
G = 10/0,001281 = 7805
Відповідь
G = 7805
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: N = 4
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′ + D′)
(B′ + C + D′)
(A′ + C′ + D)
(A + B + C + D)
Мінімальна форма POS
F = (B + C′ + D′)(B′ + C + D′)(A′ + C′ + D)(A + B + C + D)
N = 4
Відповідь
N = 4
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: N = 4
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.