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
Стабілізатор на стабілітроні 5,1 В живиться від 20 В через 220 Ом і живить навантаження 1000 Ом. Знайдіть струм стабілітрона IZ.
Vin = 20 VVZ = 5,1 VR = 220 ΩRL = 1000 Ω
IZ = mA
2.Діоди й транзисториСкладна
NPN-транзистор з β = 80 комутує резистор навантаження 100 Ω, увімкнений між VCC = 12 V і його колектором. Емітер заземлено. Базу керують від логічного виходу 3,3 V через базовий резистор RB. Візьміть VBE = 0,7 V і VCE(sat) = 0,2 V. Для надійного перемикання розрахуйте струм бази в 10 разів більшим за мінімально потрібний для насичення. Знайдіть RB у kΩ.
ОП ідеальний і живиться від ±15 V; його вихід насичується на рівні ±14 V. На неінвертувальний підсилювач подається синусоїдальний сигнал. Знайдіть найбільшу амплітуду вхідного сигналу Vin,max (пікове значення), за якої вихідний сигнал не обмежується.
R1 = 1 kΩRf = 10 kΩVsat = ±14 V
Vin,max = V
4.Схеми з операційними підсилювачамиСкладна
Два каскади на ідеальних ОП увімкнено послідовно: інвертувальний підсилювач (R1, Rf1), за ним неінвертувальний (R2 на землю, Rf2 у колі зворотного зв’язку). Обидва живляться від ±15 V. Вхідна напруга Vin = 0,3 V. Знайдіть вихідну напругу Vout.
До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 99% кінцевого значення? Знайдіть t.
Vs = 24 VR = 68 ΩL = 10 mH
t = ms
6.Перехідні процеси RC і RLСкладна
Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 24 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі vC у момент t = 200 ms.
Vs = 12 VR = 6,8 kΩC = 33 µFvC(0) = 24 Vt = 200 ms
vC = V
7.Послідовні й паралельні резисториСередня
Знайдіть струм IR1, який віддає джерело і який тече через R1.
Ідеальний підвищувальний перетворювач перетворює 48 V на 64 V для навантаження 25 Ω. Знайдіть середній струм котушки IL.
Vin = 48 VVo = 64 VR = 25 Ω
IL = A
10.DC-DC перетворювачіСкладна
Ідеальний інвертувальний знижувально-підвищувальний перетворювач перетворює 15 V на −5 V для навантаження 2 Ω на частоті 500 kHz. Знайдіть найменшу індуктивність Lcrit для режиму безперервних струмів.
Vin = 15 VVo = −5 Vf = 500 kHzR = 2 Ω
Lcrit = µH
11.Міст Вітстона й тензорезисториСередня
Тензорезистор 350 Ω — це одне плече (R₂) мосту з чотирма однаковими плечима по 350 Ω і живленням 6 V. Знайдіть потужність Pg, що розсіюється в тензорезисторі, у mW. Саморозігрів обмежує живлення.
Vs = 6 VR = 350 Ω
Pg = mW
12.Міст Вітстона й тензорезисториСкладна
Тензорезистор (GF = 2,12) на елементі з E = 210 GPa утворює чвертьміст із живленням 10 V. Вихід показує 2,65 mV. Знайдіть осьове напруження σ у MPa.
Vs = 10 VGF = 2,12Vo = 2,65 mVE = 210 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(0, 1, 3, 4, 5, 7, 11, 13, 15). Скільки доданків-сум (множників) N вона має?
F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 3, 4, 5, 7, 11, 13, 15)
N =
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригериСкладна
D-тригер, що спрацьовує за переднім фронтом, починає з Q = 0 і отримує показані входи. Клікніть перший фронт такту, на якому Q переходить з 1 назад у 0.
Q₀ = 0D
1фронт такту 1
2фронт такту 2
3фронт такту 3
4фронт такту 4
5фронт такту 5
6фронт такту 6
7фронт такту 7
8фронт такту 8
3Розчини
1.Діоди й транзистори
Відповідь: IZ = 62,63 mA
Стабілізатор на стабілітроні: стабілітрон, увімкнений у зворотному напрямку, тримає напругу VZ, поки його струм вищий за мінімальний IZ,min. Послідовний резистор R бере різницю між вхідною та вихідною напругою: IR = (Vin − VZ)/R. Цей струм ділиться між навантаженням, IL = VZ/RL, і стабілітроном: IZ = IR − IL. Проєктуйте за найгіршими випадками: найнижча вхідна напруга при найбільшому навантаженні має все ж лишати IZ,min, а найвища вхідна напруга без навантаження дає найбільшу потужність стабілітрона PZ = VZ·IZ.
Струм резистора
IR = 14,9/220 = 67,73 mA
Струм навантаження
IL = 5,1/1000 = 5,1 mA
Струм стабілітрона
IZ = 67,73 − 5,1 = 62,63 mA
Відповідь
IZ = 62,63 mA
2.Діоди й транзистори
Відповідь: RB = 0,1763 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) = (12 − 0,2)/100 = 118 mA
Мінімальний струм бази
IB(min) = IC(sat)/β = 118/80 = 1475 µA
Розрахунковий струм бази
IB = 10·1475 µA = 14750 µA
Базовий резистор
RB = (3,3 − 0,7)/IB = 2,6 V/14,75 mA = 0,1763 kΩ
Відповідь
RB = 0,1763 kΩ
3.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vin,max = 1,273 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 = 1 + Rf/R1 = 1 + 10/1 = 11
Найбільший вхідний сигнал без обмеження
Vin,max = Vsat/|Av| = 14/11 = 1,273 V
Відповідь
Vin,max = 1,273 V
4.Схеми з операційними підсилювачами
Відповідь: Vout = −9,383 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 кожного каскаду
A1 = −Rf1/R1 = −47/4,7 = −10
A2 = 1 + Rf2/R2 = 1 + 100/47 = 3,128
Каскад за каскадом
V1 = −10·0,3 = −3 V
Vout = 3,128·(−3) = −9,383 V
Відповідь
Vout = −9,383 V
5.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: t = 0,6772 ms
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 / 68 Ω = 0,1471 ms
i(∞) = Vs/R = 24/68 = 0,3529 A
Виразіть час
0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −0,1471·ln(0,01) = 0,6772 ms
Відповідь
t = 0,6772 ms
6.Перехідні процеси RC і RL
Відповідь: vC = 16,92 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) = 24 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 33 µF = 224,4 ms
vC(t) = 12 + (24 − 12)·e−t/τ
Напруга в заданий момент
vC(200) = 12 + (12)·e−200/224,4 = 16,92 V
Відповідь
vC = 16,92 V
7.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR1 = 1,085 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 = 6 + 6 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 5·12/(5+12) = 3,529 Ω
Req = R1 + 3,529 = 2 + 3,529 = 5,529 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 6/5,529 = 1,085 A
Відповідь
IR1 = 1,085 A
8.Послідовні й паралельні резистори
Відповідь: IR2 = 1,429 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 = 6 + 4 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 6 Ω
R3 + 6 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 5,455 Ω
Req = R1 + 5,455 = 6 + 5,455 = 11,45 Ω
Струм джерела
Джерело бачить лише Req, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.
IR1 = V1/Req = 36/11,45 = 3,143 A
Струм через R₂
Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 36 − 3,143·6 = 17,14 V
IR2 = VA/R2 = 17,14/12 = 1,429 A
Відповідь
IR2 = 1,429 A
9.DC-DC перетворювачі
Відповідь: IL = 3,413 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 − 48/64 = 0,25
Струм навантаження
Io = 64/25 = 2,56 A
Струм котушки
IL = Io/(1 − D) = 2,56/0,75 = 3,413 A
Відповідь
IL = 3,413 A
10.DC-DC перетворювачі
Відповідь: Lcrit = 1,125 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 = 5/(15 + 5) = 0,25
Умова на межі
Прирівняйте середній струм котушки до половини струму пульсацій і розв’яжіть відносно L.
Lcrit = (1 − D)²·R/(2f)
Критична індуктивність
Lcrit = (1 − 0,25)²·2/(2500·10³) = 1,125 µH
Відповідь
Lcrit = 1,125 µH
11.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: Pg = 25,71 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 = 6/2 = 3 V
Потужність
Pg = 3²/350 = 25,71 mW
Відповідь
Pg = 25,71 mW
12.Міст Вітстона й тензорезистори
Відповідь: σ = 105 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 = 4·0,00265/(10·2,12) = 0,0005
Напруження
σ = 210·10³ MPa·0,0005 = 105 MPa
Відповідь
σ = 105 MPa
13.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: N = 3
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.
(C′ + D)
(A′ + D)
(A′ + B + C)
Мінімальна форма POS
F = (C′ + D)(A′ + D)(A′ + B + C)
N = 3
Відповідь
N = 3
14.Цифрова логіка: вентилі, карти Карно та тригери
Відповідь: фронт такту 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 fclk/N. Лічильник Джонсона з n тригерів має 2n станів, кільцевий — n.
Q після кожного фронту
D-тригер копіює D за кожним переднім фронтом: Q⁺ = D.