Вопросы на собеседовании: Инженер-схемотехник

Закон Ома связывает напряжение, ток и сопротивление формулой V = I × R для омического элемента.

• Если к резистору 1 кОм приложить 5 В, ток составит 5 мА.
• Формулу можно преобразовать к видам I = V / R и R = V / I.
• Она применима, когда сопротивление остаётся примерно постоянным при рабочей температуре и напряжении.
• Диоды и лампы накаливания нелинейны, поэтому одно постоянное сопротивление не описывает всё их поведение.

Мощность в цепи постоянного тока равна произведению напряжения и тока, то есть P = V × I.

• Подстановка закона Ома даёт P = I²R, если известны ток и сопротивление.
• Эквивалентная форма P = V² / R удобна, если известны напряжение и сопротивление.
• Резистор 100 Ом при токе 0,1 А рассеивает 1 Вт.
• Номинальную мощность резистора я выберу выше расчётного рассеяния, чтобы оставить запас по нагреву.

Первый закон Кирхгофа утверждает, что алгебраическая сумма токов в узле равна нулю.

• Входящий в узел ток равен выходящему, поскольку в модели цепи с сосредоточенными параметрами заряд в узле не накапливается.
• Если в узел входит 5 мА, а одна ветвь забирает 2 мА, по остальным ветвям суммарно должно уйти 3 мА.
• Я задаю положительное направление для тока каждой ветви и последовательно соблюдаю знаки.
• Этот закон лежит в основе метода узловых потенциалов, где из неизвестных напряжений узлов составляют уравнения токов.

Второй закон Кирхгофа утверждает, что алгебраическая сумма подъёмов и падений напряжения в замкнутом контуре равна нулю.

• Он следует из закона сохранения энергии в цепи с сосредоточенными параметрами.
• Источник 12 В и падения 7 В и 5 В удовлетворяют закону, поскольку 12 - 7 - 5 = 0.
• Я выбираю направление обхода контура и последовательно задаю знак каждого подъёма и падения.
• Этот закон лежит в основе метода контурных токов и позволяет находить неизвестные токи или напряжения ветвей.

Через последовательные резисторы течёт одинаковый ток, а их сопротивления складываются.

• Эквивалентное сопротивление равно R_eq = R1 + R2 + сопротивления остальных последовательных резисторов.
• Резисторы 1 кОм и 2 кОм последовательно эквивалентны 3 кОм.
• Напряжение источника делится между резисторами пропорционально их сопротивлениям.
• Общая рассеиваемая мощность равна сумме мощностей каждого резистора.

На параллельных резисторах одинаковое напряжение, а их проводимости складываются.

• Эквивалентное сопротивление определяется как 1 / R_eq = 1 / R1 + 1 / R2 с добавлением обратных величин остальных сопротивлений.
• Для двух резисторов R_eq = R1R2 / (R1 + R2).
• Два резистора по 1 кОм параллельно дают 500 Ом.
• Эквивалентное сопротивление всегда меньше сопротивления самой низкоомной ветви.

Делитель напряжения использует два последовательных резистора, чтобы получить долю входного напряжения.

• Если R1 включён от Vin до выходного узла, а R2 от этого узла на землю, то Vout = Vin × R2 / (R1 + R2).
• При одинаковых сопротивлениях на выходе получается половина Vin.
• Без нагрузки через оба резистора течёт одинаковый ток Vin / (R1 + R2).
• Формула предполагает, что выход потребляет пренебрежимо малый ток по сравнению с током делителя.

Подключённая к делителю нагрузка обычно снижает выходное напряжение, поскольку оказывается параллельна нижнему резистору.

• Перед применением формулы делителя я заменяю нижний резистор параллельным соединением R2 и нагрузки.
• Нагрузка намного больше R2 создаёт малую ошибку, а сопоставимая с R2 приводит к заметному снижению.
• Увеличение тока делителя уменьшает ошибку нагрузки, но повышает потери мощности.
• Если нагрузка меняется или требует заметного тока, лучше поставить буфер.

Ток делится между параллельными резисторами обратно пропорционально их сопротивлениям.

• Для двух ветвей ток через R1 равен I_total × R2 / (R1 + R2).
• По низкоомной ветви течёт больший ток, поскольку напряжение на обеих ветвях одинаково.
• Два одинаковых резистора получают по половине общего тока.
• По первому закону Кирхгофа сумма токов ветвей должна равняться току источника.

Эквивалентная схема Тевенина заменяет любую линейную двухполюсную цепь одним источником напряжения с последовательным сопротивлением.

• Напряжение Тевенина равно напряжению холостого хода на двух выводах.
• Сопротивление Тевенина равно сопротивлению со стороны этих выводов после замены независимых источников напряжения коротким замыканием, а источников тока разрывом.
• Подключённая к эквиваленту нагрузка получает те же напряжение и ток, что и в исходной линейной цепи.
• Это упрощает повторные расчёты, когда цепь источника постоянна, а нагрузка меняется.

Конденсатор хранит энергию в электрическом поле и препятствует мгновенному изменению напряжения на себе.

• Его заряд равен Q = C × V, а ёмкость измеряется в фарадах.
• Ток равен i = C × dv/dt, поэтому более быстрое изменение напряжения создаёт больший ток.
• Запасённая энергия равна E = 1/2 × C × V².
• В установившемся режиме постоянного тока идеальный конденсатор после зарядки ведёт себя как разрыв цепи.

Напряжение конденсатора постепенно меняется от начального значения к приложенному постоянному напряжению.

• Изначально разряженный идеальный конденсатор в первый момент ведёт себя как короткое замыкание, поскольку его напряжение не может измениться скачком.
• Ток зарядки начинается со значения V / R, а затем уменьшается к нулю.
• Через длительное время конденсатор ведёт себя как разрыв цепи и достигает напряжения источника.
• Резистор ограничивает начальный ток и вместе с ёмкостью задаёт скорость зарядки.

Катушка хранит энергию в магнитном поле и препятствует мгновенному изменению тока через себя.

• Напряжение на ней равно v = L × di/dt, а индуктивность измеряется в генри.
• Запасённая энергия равна E = 1/2 × L × I².
• В установившемся режиме постоянного тока идеальная катушка ведёт себя как короткое замыкание.
• Индуктивное сопротивление катушки растёт с частотой по формуле X_L = 2πfL.

Катушка создаёт напряжение такой полярности, чтобы противодействовать быстрому изменению тока через себя.

• Согласно v = L × di/dt, быстрое принудительное снижение тока до нуля может создать большой выброс напряжения.
• При размыкании цепи запасённая в магнитном поле энергия должна куда-то перейти.
• Обратный диод параллельно катушке постоянного тока создаёт безопасный путь для продолжения тока.
• При нормальном включении диод закрыт обратным смещением, а после размыкания ключа начинает проводить.

Постоянная времени RC-цепи равна τ = R × C и задаёт скорость экспоненциального изменения напряжения.

• За одну постоянную времени напряжение заряжающегося конденсатора достигает примерно 63% конечного значения.
• При разрядке через одну постоянную времени остаётся около 37% начального напряжения.
• Примерно через пять постоянных времени зарядка или разрядка отличается от конечного значения менее чем на 1%.
• Для 10 кОм и 10 мкФ постоянная времени равна 0,1 с.

RC-фильтр нижних частот пропускает низкие частоты и ослабляет высокие, если выход снимается с конденсатора.

• Типовая схема состоит из последовательного резистора и конденсатора от выходного узла на землю.
• Частота среза равна f_c = 1 / (2πRC), а амплитуда на ней на 3 дБ ниже уровня полосы пропускания.
• Выше частоты среза идеальная характеристика первого порядка спадает примерно на 20 дБ за декаду.
• На низкой частоте импеданс конденсатора велик, а на высокой он отводит на землю большую часть сигнала.

RC-фильтр верхних частот блокирует постоянную составляющую и ослабляет низкие частоты, если выход снимается с резистора.

• Типовая схема состоит из последовательного конденсатора и резистора от выхода на землю.
• Частота среза равна f_c = 1 / (2πRC), а ослабление на ней составляет 3 дБ.
• Ниже частоты среза идеальная характеристика первого порядка спадает примерно на 20 дБ за декаду при снижении частоты.
• На высокой частоте импеданс конденсатора становится малым, поэтому большая часть входного сигнала достигает выходного резистора.

Диод с PN-переходом проводит в основном от анода к катоду при прямом смещении и блокирует ток при обратном смещении.

• Прямое смещение означает, что потенциал анода выше потенциала катода.
• На кремниевом диоде при умеренном токе часто падает около 0,6-0,7 В, но это приближение, а не фиксированный порог.
• Обратный ток обычно мал, пока напряжение не достигнет значения обратного пробоя.
• На корпусе многих диодов катод отмечен полосой, а на схеме ему соответствует черта символа.

Прямое напряжение диода зависит прежде всего от тока, температуры и типа прибора.

• Прямое напряжение логарифмически растёт с током, а не переключается на одном точном пороге.
• У кремниевого диода при постоянном токе прямое напряжение обычно снижается примерно на 2 мВ с ростом температуры на один градус Цельсия.
• У диодов Шоттки обычно ниже прямое падение, но выше обратный ток утечки, чем у кремниевых диодов с PN-переходом.
• Вместо допущения ровно 0,7 В я использую график из даташита для ожидаемых тока и температуры.

Сопротивление для светодиода я рассчитываю по оставшемуся после падения на светодиоде напряжению: R = (V_supply - V_F) / I_LED.

• При питании 5 В, прямом напряжении светодиода 2 В и целевом токе 10 мА расчёт даёт 300 Ом.
• Я выберу ближайший стандартный номинал 330 Ом, чтобы получить немного меньший ток.
• При выбранных 330 Ом ток составит около 9,1 мА, а резистор будет рассеивать около 27 мВт.
• Я проверяю даташит светодиода, поскольку прямое напряжение и допустимый ток зависят от цвета, модели и температуры.