Електроніка 1: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 14 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачі Назад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Діоди й транзистори

Діод (постійний спад): V_D = 0,7 V when conducting
Активний режим: V_BE = 0,7 V, I_C = β·I_B, I_E = (β + 1)·I_B
Фіксоване зміщення: I_B = (V_CC − 0,7)/R_B
Зміщення дільником: I_B = (V_TH − 0,7)/(R_TH + (β + 1)R_E)
Еквівалент Тевенена дільника: V_TH = V_CC·R₂/(R₁ + R₂), R_TH = R₁∥R₂
Колекторний контур: V_CE = V_CC − I_CR_C − I_ER_E
Насичення: I_C(sat) = (V_CC − V_CE(sat))/R_C, I_B ≥ I_C(sat)/β

Схеми з операційними підсилювачами

Інвертувальний підсилювач: V_out = −(R_f/R_in)·V_in
Неінвертувальний підсилювач: V_out = (1 + R_f/R₁)·V_in
Сумувальний підсилювач: V_out = −R_f(V₁/R₁ + V₂/R₂)
Ідеальний ОП: V₊ = V₋, I_in = 0

Перехідні процеси RC і RL

Стала часу: τ = RC | τ = L/R
Відгук: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
Конденсатор на постійному струмі: розрив; v_C не може змінитися стрибком
Котушка на постійному струмі: коротке замикання; i_L не може змінитися стрибком
Усталений режим: t ≈ 5τ

Метод

Знайдіть початкове значення одразу після комутації: напруга на конденсаторі й струм через котушку не можуть змінитися стрибком.
Знайдіть кінцеве значення через довгий час після комутації: конденсатор поводиться як розрив, котушка — як коротке замикання.
Знайдіть сталу часу: τ = RC або τ = L/R, використовуючи опір з боку конденсатора чи котушки.
Використайте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ.

Послідовні й паралельні резистори

Послідовне з’єднання резисторів: R_eq = R₁ + R₂ + …
Паралельне з’єднання резисторів: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Два паралельно: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
Закон Ома: V = I·R
Потужність: P = V·I = I²R = V²/R

Метод

Почніть з кінця мережі, найдальшого від затискачів.
Послідовні резистори об’єднуйте додаванням, паралельні — за 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Перемальовуйте коло після кожного кроку.
Повторюйте, доки між затискачами не залишиться один резистор.

DC-DC перетворювачі

Знижувальний: V_o = D·V_in
Підвищувальний: V_o = V_in/(1 − D)
Інвертувальний знижувально-підвищувальний: |V_o| = V_in·D/(1 − D)
Ідеальний баланс потужностей: V_inI_in = V_oI_o
Пульсації струму котушки: ΔI_L = V_L,on·D/(L·f); buck V_in − V_o, boost and buck-boost V_in
Середній струм котушки: знижувальний I_o; підвищувальний і знижувально-підвищувальний I_o/(1 − D)
Пульсації виходу: знижувальний ΔI_L/(8fC); підвищувальний і знижувально-підвищувальний I_o·D/(fC)
Межа режиму безперервних струмів: знижувальний (1 − D)R/(2f); підвищувальний D(1 − D)²R/(2f); знижувально-підвищувальний (1 − D)²R/(2f)

Метод

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 ΔI_L = V_L·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 ΔI_L/2.

Міст Вітстона й тензорезистори

Напруги дільників: V_a = V_sR₂/(R₁ + R₂), V_b = V_sR₄/(R₃ + R₄)
Виведення: V_ab = V_a − V_b
Баланс: R₁/R₂ = R₃/R₄
Реохордний міст: R/R_x = l/(100 − l)
Опір Тевенена: R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄
Коефіцієнт тензочутливості: ΔR/R = GF·ε
Вихід мосту: чвертьміст V_s·GF·ε/4, напівміст V_s·GF·ε/2, повний міст V_s·GF·ε
Мала зміна, одне плече: V_ab ≈ V_s·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 V_a і V_b з дільників і відніміть; коли вимірювач навантажує вихід, скористайтеся еквівалентом Тевенена.
Для тензорезисторів переведіть деформацію в ΔR/R = GF·ε і користуйтеся V_s·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; f_out = f_clk/N
Послідовний лічильник: f_max = 1/(n·t_pd)
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

Стабілізатор на стабілітроні 5,1 В живиться від 12 В через 330 Ом і живить навантаження 1000 Ом. Знайдіть струм стабілітрона I_Z.

V_in = 12 VV_Z = 5,1 VR = 330 ΩR_L = 1000 Ω

I_Z = mA

2.Діоди й транзисториСкладна

NPN-транзистор з β = 50 комутує резистор навантаження 680 Ω, увімкнений між V_CC = 5 V і його колектором. Емітер заземлено. Базу керують від логічного виходу 5 V через базовий резистор R_B. Візьміть V_BE = 0,7 V і V_CE(sat) = 0,2 V. Знайдіть найбільший базовий резистор R_B, у kΩ, за якого транзистор ще входить у насичення.

V_CC = 5 VR_C = 680 Ωβ = 50V_in = 5 VV_BE = 0,7 VV_CE(sat) = 0,2 V

R_B = kΩ

3.Схеми з операційними підсилювачамиСередня

Підберіть резистор зворотного зв’язку R_f, щоб цей неінвертувальний підсилювач мав коефіцієнт підсилення за напругою 5.

R₁ = 10 kΩA_v = 5

R_f = kΩ

4.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна

Сумувальний підсилювач використовує ідеальний ОП, що живиться від ±15 V. Знайдіть струм I_f через резистор зворотного зв’язку, що тече до виходу.

V₁ = −0,9 VV₂ = 1,2 VR₁ = 100 kΩR₂ = 22 kΩR_f = 47 kΩ

I_f = mA

5.Перехідні процеси RC і RLСередня

Через котушку тече сталий струм 1 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Знайдіть струм i у момент t = 1 ms.

i(0) = 1 AR = 50 ΩL = 10 mHt = 1 ms

i = A

6.Перехідні процеси RC і RLСкладна

Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть струм i₂ через R₂ при t = 400 ms.

V_s = 12 VR₁ = 1 kΩR₂ = 6,8 kΩC = 100 µFt = 400 ms

i₂ = mA

7.Послідовні й паралельні резисториСередня

Знайдіть струм I_R2 через R₂.

V₁ = 30 VR₁ = 15 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 12 ΩR₄ = 6 Ω

I_R2 = A

8.Послідовні й паралельні резисториСкладна

Знайдіть струм I_R1, який віддає джерело і який тече через R₁.

V₁ = 15 VR₁ = 30 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 25 ΩR₄ = 3 ΩR₅ = 6 ΩR₆ = 4 Ω

I_R1 = A

9.DC-DC перетворювачіСередня

Знижувальний перетворювач перетворює 9 V на 3,6 V для навантаження 4 Ω. Він комутується на частоті 20 kHz при L = 330 µH. Знайдіть піковий струм котушки I_max.

Vin = 9 VVo = 3,6 Vf = 20 kHzL = 330 µHR = 4 Ω

I_max = A

10.DC-DC перетворювачіСкладна

Знижувальний перетворювач перетворює 9 V на 3,6 V на частоті 20 kHz при L = 150 µH. Знайдіть вихідну ємність C, за якої розмах пульсацій вихідної напруги обмежується 100 mV.

Vin = 9 VVo = 3,6 Vf = 20 kHzL = 150 µHΔV_o = 100 mV

C = µF

11.Міст Вітстона й тензорезисториСередня

Гальванометр з опором 20 Ω увімкнено між a і b показаного моста (V_s = 10 V). Знайдіть струм гальванометра I_g від a до b у µA.

V_s = 10 VR₁ = 150 ΩR₂ = 100 ΩR₃ = 150 ΩR₄ = 800 ΩR_g = 20 Ω

I_g = µA

12.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна

Тензорезистор (GF = 2,05) на елементі з E = 200 GPa утворює чвертьміст із живленням 2,5 V. Вихід показує 0,769 mV. Знайдіть осьове напруження σ у MPa.

V_s = 2,5 VGF = 2,05V_o = 0,769 mVE = 200 GPa

σ = MPa

13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСередня

Спростіть F = A′B′C + A′BC + ABC′ + AB′ до мінімальної форми суми добутків. Скільки літералів L містить спрощений вираз?

F = A′B′C + A′BC + ABC′ + AB′

L =

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: I_Z = 15,81 mA

Стабілізатор на стабілітроні: стабілітрон, увімкнений у зворотному напрямку, тримає напругу V_Z, поки його струм вищий за мінімальний I_Z,min. Послідовний резистор R бере різницю між вхідною та вихідною напругою: I_R = (V_in − V_Z)/R. Цей струм ділиться між навантаженням, I_L = V_Z/R_L, і стабілітроном: I_Z = I_R − I_L. Проєктуйте за найгіршими випадками: найнижча вхідна напруга при найбільшому навантаженні має все ж лишати I_Z,min, а найвища вхідна напруга без навантаження дає найбільшу потужність стабілітрона P_Z = V_Z·I_Z.

Струм резистора

I_R = 6,9/330 = 20,91 mA

Струм навантаження

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

Струм стабілітрона

I_Z = 20,91 − 5,1 = 15,81 mA

Відповідь

I_Z = 15,81 mA

2.Діоди й транзистори

Відповідь: R_B = 30,46 kΩ

БТ як ключ: щоб повністю ввімкнути навантаження, транзистор переводять у насичення, де V_CE = V_CE(sat), а струм колектора визначається навантаженням: I_C(sat) = (V_CC − V_CE(sat))/R_C. Для насичення потрібен струм бази щонайменше I_B = I_C(sat)/β. Якщо струм бази менший, транзистор залишається в активному режимі й I_C = β·I_B.

Струм колектора в насиченні

I_C(sat) = (5 − 0,2)/680 = 7,059 mA

Мінімальний струм бази

I_B(min) = I_C(sat)/β = 7,059/50 = 141,2 µA

Базовий резистор

R_B = (5 − 0,7)/I_B = 4,3 V/0,1412 mA = 30,46 kΩ

Відповідь

R_B = 30,46 kΩ

Будь-який менший базовий резистор також насичує транзистор; на практиці беруть у кілька разів менший.

3.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: R_f = 40 kΩ

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 неінвертувального підсилювача

V₋ = V₊ = V_in, а струм через R₁ тече й через R_f, тож V_out = V_in·(1 + R_f/R₁).

A_v = 1 + R_f/R₁

R_f = (5 − 1)·10 = 40 kΩ

Відповідь

R_f = 40 kΩ

4.Схеми з операційними підсилювачами

Відповідь: I_f = 0,04555 mA

Вхідні струми

V₋ = 0, тож на кожному вхідному резисторі вся його вхідна напруга.

I₁ = V₁/R₁ = −0,9/100 = −0,009 mA

I₂ = V₂/R₂ = 1,2/22 = 0,05455 mA

I_f = I₁ + I₂ = 0,04555 mA

Відповідь

I_f = 0,04555 mA

5.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 0,006738 A

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

τ = L/R = 10 mH / 50 Ω = 0,2 ms

Спадання струму

i(t) = 1·e^−1/0,2 = 0,006738 A

Відповідь

i = 0,006738 A

6.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i₂ = 0,8543 mA

Початкова напруга на конденсаторі

В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.

v_C(0) = 12·6,8/(1 + 6,8) = 10,46 V

Стала часу після розмикання ключа

τ = R₂·C = 6,8·100 = 680 ms

Розряджання

v_C(t) = 10,46·e^−400/680 = 5,809 V

i₂ = v_C/R₂ = 5,809/6,8 = 0,8543 mA

Відповідь

i₂ = 0,8543 mA

7.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: I_R2 = 0,9 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 + 6 = 18 Ω

R₂ ∥ 18 = 10·18/(10+18) = 6,429 Ω

R_eq = R₁ + 6,429 = 15 + 6,429 = 21,43 Ω

Струм джерела

Джерело бачить лише R_eq, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 30/21,43 = 1,4 A

Струм через R₂

Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 30 − 1,4·15 = 9 V

I_R2 = V_A/R₂ = 9/10 = 0,9 A

Відповідь

I_R2 = 0,9 A

8.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: I_R1 = 0,378 A

Об’єднуйте резистори з дальнього кінця

R₅ + R₆ = 6 + 4 = 10 Ω

R₄ ∥ 10 = 2,308 Ω

R₃ + 2,308 = 27,31 Ω

R₂ ∥ 27,31 = 9,682 Ω

R_eq = R₁ + 9,682 = 30 + 9,682 = 39,68 Ω

Струм джерела

Джерело бачить лише R_eq, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 15/39,68 = 0,378 A

Відповідь

I_R1 = 0,378 A

9.DC-DC перетворювачі

Відповідь: I_max = 1,064 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 V_o = D·V_in, підвищувальний V_o = V_in/(1 − D), інвертувальний знижувально-підвищувальний |V_o| = V_in·D/(1 − D). Ідеальний перетворювач зберігає потужність: V_in·I_in = V_o·I_o. Поки ключ S увімкнений, струм котушки зростає на ΔI_L = V_L·D·T/L, де V_L = V_in − V_o для знижувального й V_in для підвищувального та знижувально-підвищувального. Пульсації виходу дорівнюють ΔV_o = ΔI_L/(8fC) для знижувального й I_o·D/(fC) для підвищувального та знижувально-підвищувального. Струм котушки лише торкається нуля (межа режиму безперервних струмів), коли середній струм котушки дорівнює ΔI_L/2.

Коефіцієнт заповнення

D = 3,6/9 = 0,4

Середній струм і пульсації струму

I_o = 3,6/4 = 0,9 A

ΔI_L = V_L·D/(L·f) = 5,4·0,4/(330·10⁻⁶·20·10³) = 0,3273 A

Піковий струм

I_max = 0,9 + 0,3273/2 = 1,064 A

Відповідь

I_max = 1,064 A

10.DC-DC перетворювачі

Відповідь: C = 45 µF

Коефіцієнт заповнення

D = 3,6/9 = 0,4

Струм пульсацій котушки

ΔI_L = (9 − 3,6)·0,4/(150·10⁻⁶·20·10³) = 0,72 A

Ємність

C = 0,72/(8·20·10³·100·10⁻³) = 45 µF

Відповідь

C = 45 µF

11.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: I_g = −21429 µA

Міст Вітстона: два дільники напруги живляться від одного джерела V_s. Лівий дільник R₁–R₂ дає V_a = V_s·R₂/(R₁ + R₂), а правий дільник R₃–R₄ дає V_b = V_s·R₄/(R₃ + R₄); вихід — V_ab = V_a − V_b. Міст збалансований (V_ab = 0, у вимірювачі немає струму), коли R₁/R₂ = R₃/R₄, тобто R₁·R₄ = R₂·R₃. З боку виходу міст — це джерело Тевенена з R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄.

Напруга Тевенена

V_th = 10·(100/250 − 800/950) = −4,421 V

Опір Тевенена

R_th = R₁∥R₂ + R₃∥R₄ = 186,3 Ω

Струм гальванометра

I_g = −4,421/(186,3 + 20) = −21429 µA

Відповідь

I_g = −21429 µA

12.Міст Вітстона й тензорезистори

Відповідь: σ = 120 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 V_o ≈ V_s·GF·ε/4. Два активні тензорезистори з протилежними деформаціями в сусідніх плечах (напівміст) дають V_s·GF·ε/2, а чотири (повний міст) — V_s·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 = 4·0,000769/(2,5·2,05) = 0,0006002

Напруження

σ = 200·10³ MPa·0,0006002 = 120 MPa

Відповідь

σ = 120 MPa

13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери

Відповідь: L = 6

Булева алгебра: правила, що спрощують вирази, — це X + X′ = 1 і X·X′ = 0, X + X = X, поглинання X + X·Y = X, правило склеювання X·Y + X·Y′ = X, X + X′Y = X + Y і теорема про консенсус XY + X′Z + YZ = XY + X′Z. Закони де Моргана перетворюють (X·Y)′ на X′ + Y′, а (X + Y)′ на X′·Y′. Карта Карно застосовує ці правила графічно: кожна група з двох сусідніх клітинок — це одне застосування XY + XY′ = X.

Мінтерми виразу

A′B′C → m(1)

A′BC → m(3)

ABC′ → m(6)

AB′ → m(4, 5)

Згрупуйте й зчитайте

F = B′C + A′C + AC′

Порахуйте літерали

L = 6

Відповідь

L = 6

Існує інше групування того самого розміру; воно має таку саму кількість літералів.

14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери

Відповідь: N = 3

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 f_clk/N. Лічильник Джонсона з n тригерів має 2n станів, кільцевий — n.

Q після кожного фронту

JK-тригер: 00 зберігає, 01 скидає (Q = 0), 10 встановлює (Q = 1), 11 перемикає.

1: J = 0, K = 1 → Q = 0

2: J = 0, K = 0 → Q = 0

3: J = 0, K = 0 → Q = 0

4: J = 1, K = 1 → Q = 1

5: J = 0, K = 1 → Q = 0

6: J = 0, K = 0 → Q = 0

7: J = 0, K = 0 → Q = 0

8: J = 1, K = 0 → Q = 1

Порахуйте зміни

0 → 0 → 0 → 0 → 1 → 0 → 0 → 0 → 1

N = 3

Відповідь

N = 3

ExamProblems · examproblems.com/courses/electronics-1