Giáo trình Kỹ thuật xung: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Phần 1 của giáo trình Kỹ thuật xung cung cấp cho học viên những nội dung về: định nghĩa xung điện; các dạng xung cơ bản; mô tả các xung đơn giản bằng tổ hợp các xung cơ bản; đáp ứng xung của các mạch RC – RL – RLC;... Mời các bạn cùng tham khảo!

BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH NGUYỄN THẾ VĨNH GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT XUNG D NG CHO TR NH Đ ĐẠI HỌC QUẢNG NINH – 2020 LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật xung kiến thức sở ngành Điện – Điện tử nhằm cung cấp kiến thức liên quan đến phƣơng pháp để tạo tín hiệu xung biến đổi dạng tín hiệu xung Quyển sách mong muốn giúp cho sinh viên, học viên học Điện tử có kiến thức tín hiệu xung hiểu đƣợc nguyên lý mạch tạo xung, biến đổi dạng xung với nhiều linh kiện khác Qua kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm cho sinh viên chuyên ngành Điện tử, tác giả thấy lĩnh vực chuyên mơn nắm vững lý thuyết chƣa đủ mà phải đạt đƣợc kỹ tính tốn, thực hành, vận dụng, hầu hết chƣơng sách có ví dụ tập ứng với phần Từ kiến thức này, bạn đọc tự thiết kế mạch tạo xung với thông số yêu cầu cho mạch ứng dụng cụ thể Hy vọng sách cung cấp cho bạn đọc, sinh viên ngành điện, kỹ sƣ điện, cán kỹ thuật, thông tin cần thiết, giúp bạn đạt đƣợc hiệu cao học tập nghiên cứu Mặc dù có cố gắng nhƣng nguồn thơng tin thời gian hạn chế, cịn có vấn đề bạn đọc quan tâm chƣa đƣợc đề cập tới chƣa đầy đủ, mong bạn đọc thông cảm Tác giả chân thành cám ơn ý kiến đóng góp cho sách hồn thiện lần tái sau Mọi ý kiến góp ý xin liên hệ theo địa chỉ: TS Nguyễn Thế Vĩnh, Bộ môn Kỹ thuật điện – Điện tử, Khoa Điện, trƣờng Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, xã Yên Thọ, Thị xã Đông Triều, Tỉnh Quảng Ninh Địa email: vinhnt.edu@qui.edu.vn Xin trân trọng cảm ơn Nhà xuất Giáo dục tạo điều kiện giúp đỡ để sách hoàn thành sớm đến tay bạn đọc Chƣơng CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Một số định nghĩa xung điện 1.1.1 Xung điện Xung điện tín hiệu đƣợc tạo nên thay đổi mức điện dòng điện khoảng thời gian nhỏ Từ mức thấp sang mức cao ngƣợc lại [1-5] Khi có dãy xung tác dụng lên mạch điện ta phân biệt hai trƣờng hợp: - Nếu khoảng thời gian xung đủ lớn so với thời gian độ mạch tác dụng dãy xung đƣợc nghiên cứu nhƣ tác dụng xung đơn - Nếu khoảng thời gian xung không đủ lớn so với thời gian độ mạch tác dụng dãy xung đƣợc nghiên cứu nhƣ tác dụng tín hiệu có dạng phức tạp 1.1.2 Các thông số xung điện Mỗi xung điện có số thơng số đặc trƣng cho nhƣ: hình dạng, biên độ, độ rộng xung, độ rộng sƣờn, độ sụt đỉnh… a Hình dạng Hình dạng xung quy luật biến đổi giá trị điện dòng điện theo thời gian Vài dạng xung thƣờng gặp nhƣ: xung hình nấc, xung hình chữ nhật, hình tam giác (răng cƣa), hàm mũ… (Hình 1-1) Xung hình nấc Xung vng Xung tam giác Hình 1-1 Các dạng xung Xung cưa b Biên độ xung Biên độ xung giá trị cực đại xung c Độ rộng xung tx Là khoảng thời gian tồn xung d Độ rộng sƣờn xung Ngƣời ta phân biệt hai loại độ rộng sƣờn xung: Độ rộng sƣờn xung trƣớc Tm1: gọi thời gian tăng, khoảng thời gian xung tăng giá trị từ đến giá trị cực đại Độ rộng sƣờn xung sau Tm2: gọi thời gian giảm, khoảng thời gian xung giảm giá trị từ trị cực đại e Độ dốc sƣờn xung Đôi thay cho thông số độ rộng sƣờn, ngƣời ta thƣờng dùng thông số độ dốc sƣờn xung để diễn tả độ dốc tăng giảm xung Ứng với độ rộng sƣờn xung trƣớc độ rộng sƣờn xung sau, ta có độ dốc sƣờn trƣớc độ dốc sƣờn sau đƣợc định nghĩa nhƣ sau: Sm1  UM Tm1 (1.1) Sm  UM U tm (1.2) f Độ sụt đỉnh Là độ giảm biên độ xung so với giá trị cực đại Ta thƣờng quan tâm đến độ sụt đỉnh tƣơng đối, đƣợc định nghĩa nhƣ sau: U  U (1.3) UM Các đại lƣợng định nghĩa đƣợc biểu diễn hình 1-2 u UM U Tm1 Tm2 TX Hình 1-2 Các đại lượng đặc trưng xung Trên thực tế xung lý tƣởng đƣợc thể nhƣ hình 1-3 Thơng thƣờng ngƣời ta khó xác định đƣợc điểm bắt đầu điểm kết thúc sƣờn xung Vì ngƣời ta quy ƣớc: Độ rộng xung đƣợc tính khoảng thời gian xung có giá trị lớn  U M Độ rộng sƣờn xung đƣợc tính khoảng thời gian xung tăng từ  U M đến (1   ).U M khoảng thời gian xung giảm từ (1   ).U M đến  U M Trong  đƣợc chọn tuỳ ý, thơng thƣờng ngƣời ta chọn:   0.01 hay   0.05 Hoặc   0.1 u UM (1 – β)UM βUM tm1 tm2 t UNGƯỢC tm1 tm1 tx tm1 Hình 1-3 Dạng xung thực tế 1.1.3 Các thơng số dãy xung Thông thƣờng xung xuất dƣới dạng dãy xung có tính tuần hồn Dãy xung đƣợc đặc trƣng thông số sau: tm1 a Chu kỳ xung Là khoảng thời gian hai lần liên tiếp xung lập lại nhƣ cũ b Tần số xung Là số xung tuần hoàn xuất giây: fx  TX (1.4) c Độ rỗng Qx: Đƣợc định nghĩa tỉ số chu kỳ TX độ rộng xung tX QX  TX tX (1.5) d Hệ số đầy xung Đƣợc định nghĩa nghịch đảo độ rỗng QX  Qx  tX TX (1.6) Từ công thức (1.4) (1.6) suy ra: fx  T  X (1.7) Qt X X 1.2 Các dạng xung 1.2.1 Xung đột biến Xung đột biến đƣợc gọi xung hàm nấc (step function) Có thể phân loại định nghĩa xung nhƣ sau: a Xung hàm nấc đơn vị (unit step funtion) Xung hàm nấc đơn vị xuất thời điểm t=0 nhƣ hình 1-4 u t Hình 1-4 Xung hàm nấc đơn vị Ta ký hiệu U0(t) để biểu diễn loại hàm đặc biệt 0 : t  t0 U (t )   1: t  t0 (1.8) b Xung hàm nấc đơn vị có thời gian trễ Xung hàm nấc đơn vị xuất thời điểm t = t0 nhƣ hình 1-5 u t0 t Hình 1-5 0 : t  t0 U (t  t0 )   1: t  t0 (1.9) c Xung hàm nấc có biên độ E Xung hàm nấc có biên độ E xuất thời điểm t0 nhƣ hình 1-6 u E t0 t Hình 1-6 U (t )  E.U (t  t0 ) (1.10) 1.2.2 Xung dốc tuyến tính Xung hàm dốc (ramp function) mơ tả hình 1-7 có dạng nửa đƣờng thẳng đƣợc định nghĩa nhƣ sau: u arctg K t Hình 1-7 Xung hàm dốc U (t )  K t.U (t ) (1.11) Trong K độ dốc, đƣợc tính bằng: K  tg (1.12) u arctg K t0 t Hình 1-8 Xung hàm dốc tổng quát  0 : t  t o U (t )  K (t  t0 ).U (t  t0 )    k (t  t0 ) : t  t0 (1.13) 1.2.3 Xung có dạng hàm mũ tăng Tuỳ theo thời điểm xuất xung, ta có hai loại sau đây: U E t Hình 1-9 Dạng xung hàm mũ tăng U (t )  E.(1  e t ).U (t ) (1.14) Trong đó: e  2.71828 số Neper  số thực dƣơng t   : U  E Khi t = 0: U  ; Khi  có giá trị lớn hàm tiến nhanh đến E U E t0 t Hình 1-10 Dạng xung hàm mũ tăng với thời gian dịch chuyển t=t0  u (t )  E  e   t t0  .u (t ) (1.15) 1.2.4 Xung hàm mũ giảm Tƣơng tự nhƣ xung hàm mũ tăng, ta có hai loại sau: U E t Hình 1-11 Dạng xung hàm mũ giảm U (t )  E.(1  e t ).U (t ) Khi: (1.16) t  0 : U       t  0 : U   E t   : U    số thực dƣơng Khi  lớn hàm suy giảm nhanh u E t0 t Hình 1-12 Dạng xung hàm mũ giảm với thời gian dịch chuyển t=t0 U (t )  E.e (t t0 ) U (t  t0 ) (1.17) Lƣu ý: Các hàm mũ tăng hàm mũ giảm có biên độ âm để khơng nhầm lẫn với trƣờng hợp có biên độ dƣơng Khi:   : U t   E t  t0 : U t0  t  t0 0 u t -E Hình 1-13 Dạng xung hàm mũ tăng theo biên độ âm Hình 1-13 biểu diễn dạng hàm mũ tăng với biên độ âm U (t )   E.(1  et ).U (t ) (1.18) u t -E Hình 1-14 Dạng xung hàm mũ giảm theo biên độ âm Hình 1-14 dạng hàm mũ giảm với biên độ âm U (t )   E.et U (t ) (1.19) 1.3 Mô tả xung đơn giản tổ hợp xung Theo nguyên lý chồng chất, đáp ứng mạch có nhiều tín hiệu kích thích đồng thời tổng hợp đáp ứng tín hiệu riêng lẻ sinh Một tín hiệu xung có dạng đơn giản nhƣ hình chữ nhật, hình thang, hình cƣa,… đƣợc phân tích thành tổng hữu hạn xung Khi tín hiệu xung tác dụng vào mạch điện ta xem nhƣ mạch điện chịu kích thích đồng thời xung hợp thành Nếu biết đƣợc đáp ứng mạch loại xung bản, ta nhanh chóng tìm đƣợc đáp ứng mạch loại xung đơn giản khác Vì việc phân tích xung thành tổ hợp xung hữu ích Sau ví dụ: Ví dụ 1.1: Xung hình chữ nhật u E t1 t2 t t1 t2 t u E -E Hình 1-15 Xung chữ nhật Hƣớng dẫn giải: a Giải thích hoạt động mạch: + Lúc t < 0: Khóa K1 khóa K2 hở Mạch hở nên mạch khơng có dịng điện Tụ C chƣa đƣợc nạp điện trƣớc Vậy ta có: u = u1 = u2 = (VD2.3.1) + Tại t = 0+ : Khóa K1 vừa đƣợc đóng (Hình 2-50) Điểm M đƣợc nối với nguồn Vì hiệu đầu tụ thay đổi đột ngột nên điểm N P đƣợc xem nhƣ bị nối tắt, u1 có giá trị u đƣợc cho mạch phân áp R 1, R2 u(0+) = E u1(0+) = u2(0+) = (VD2.3.2) R2 E R1  R2 (VD2.3.3) K1 i21 R1 C E u1 K2 u u2 R2 Hình 2-50 Dịng điện mạch lúc cực đại tụ C bắt đầu nạp điện in(0+) = E R1  R2 (VD2.3.4) + Khi < t < t0 : Đóng khóa K1, khóa K2 hở (hình 2-50) Tụ nạp điện qua điện trở R1 R2 Hiệu đầu tụ tăng theo hàm mũ Dòng điện nạp cho tụ giảm dần u không đổi u1 tăng dần theo hàm mũ u2 giảm dần theo hàm mũ + Tại t = t 0 : Vì t0 đủ lớn nên tụ nạp đầy, dịng điện mạch khơng cịn Ta có: u1 (t 0 )  uC (t 0 )  u(t 0 )  E (VD2.3.5) u (t 0 )  (VD2.3.6) 71 Ghi chú: Nếu t0 khơng đủ lớn tụ nạp chƣa đầy Giữa đầu tụ có hiệu U0 u1 u2 có giá trị định u (t 0 )  E uC (t 0 )  U (VD2.3.7) (VD2.3.8) u1 (t 0 )  u (t 0 )  uC (t 0 ) (VD2.3.9) u1 (t 0 )  u (t 0 )  U (VD2.3.10) + Tại t = t 0 : Vừa đóng khóa K2, khóa K1 đóng (hình 2-51) Điểm M đƣợc nối với nguồn nên u E Điểm N đƣợc nối với mass nên u1 Do hiệu đầu tụ thay đổi đột ngột nên u2 giảm đến -E (VD2.3.11) u (t 0 )  E u1 (t 0 )  (VD2.3.12) u (t 0 )   E (VD2.3.13) uC (t 0 )  E (VD2.3.14) + Khi t0 < t < t1: Cả khóa đƣợc đóng (hình 2-51) K1 M R1 N i + C E u1 u K2 ip P u2 R2 Hình 2-51 u E, u1 Tụ C phóng điện qua điện trở R2 với dịng điện phóng iP giảm dần theo hàm mũ làm uC giảm dần u2 bớt âm dần + Tại t = t1 : u1 - Nếu đến thời điểm tụ C chƣa phóng hết điện, đầu tụ C cịn hiệu U1 u2 cịn âm có giá trị -U1 (VD2.3.15) uC (t1 )  U u (t1 )  U1 (VD2.3.16) - Nếu đến thời điểm tụ C phóng hết điện : uC (t1 )  u (t1 )  (VD2.3.17) + Tại t = t1 : Vừa mở khóa K2, khóa K1 đóng Mạch có dạng nhƣ hình 248 72 Tụ C bắt đầu nạp điện trở lại qua điện trở R1 R2 nối tiếp, với hiệu ban đầu đầu tụ uC(t1-) đƣợc cho (VD2.3.15) (VD2.3.17) Dòng điện nạp cho tụ thời điểm có giá trị với giá trị dòng điện thời điểm t' , với 0 t1 : Khóa K1 đóng, khóa K2 hở (hình 2-50) Tụ C tiếp tục nạp điện qua điện trở R1 R2 tụ nạp đầy giống nhƣ giai đoạn < t < t0 Mạch đạt đến trạng thái ổn định : u1 = uC = u = E (VD2.3.23) u2 = (VD2.3.24) Từ suy luận ta suy dạng tín hiệu nhƣ hình 2-52.a,b,c: u E R2 E R1 +R2 u u1 u2 t0 t1 t -E Hình 2-52a Trường hợp t0 tụ nạp đầy t1 tụ phóng hết điện 73 u E u R2 E R1 +R2 u1 U0 u2 t0 t1 t -U0 Hình 2-52b Trường hợp t0 tụ chưa nạp đầy t1 tụ phóng hết điện u u E u1 R2 E R1 +R2 U1 u2 t' t0 t1 t U1 -E Hình 2-52c Trường hợp t0 tụ nạp đầy t1 tụ chưa phóng hết điện b Viết biểu thức tín hiệu: + Lúc t< 0: Khóa K1 khóa K2 hở Mạch hở nên mạch khơng có dịng điện Tụ C chƣa đƣợc nạp điện trƣớc Vậy ta có: u1= u2 =0 (VD2.3.25) + Khi 0  , tụ C nạp điện đầy, mạch đạy đến trạng thái ổn định, từ hệ thức (VD2.3.26), (VD2.3.27), (VD2.3.33), (VD2.3.31) ta suy ra: u( t 0 ) = uC( t 0 ) =u1 ( t 0 ) = E (VD2.3.37) u2( t 0 ) = (VD2.3.39) Nếu t 0 không lớn so với  , tụ C chƣa đƣợc nạp điện trƣớc, từ hệ thức (3.105), (3.106), (3.112), (3.110 ) ta có: u( t 0 ) =E (VD2.3.39)  t uC( t 0 ) = U0 = E(1- e  )  u2( t 0 )= R1 Ee R1  R2 (VD2.3.40) t  (VD2.3.41) 75 u1( t 0 ) = u2( t 0 ) + U0 (VD2.3.42) + Khi t0  ’, tụ C phóng hết điện (xem hình 2-50a hình 2-50b), từ hệ thức (VD2.3.43), (VD2.3.44), (VD2.3.48), (VD2.3.49), (VD2.3.50), (VD2.3.51), ta suy ra: (VD2.3.60) u(t1 )  E u1 (t1 )  (VD2.3.61) u (t1 )  (VD2.3.62) u C (t1 )  (VD2.3.63) Nếu t1 – t0 không đủ lớn so với  , tụ C chƣa phóng hết điện (xem hình 250a) từ hệ thức (VD2.3.43), (VD2.3.44), (VD2.3.48), (VD2.3.49, ta suy ra: (VD2.3.64) u(t1 )  E u1 (t1 )  (VD2.3.65)  u (t )  Ee t1 t0 ' uC (t1 )   Ee (VD2.3.65) t1 t0 ' (VD2.3.67) + Khi t > t1 : Mở khóa K2, K1 đƣợc đóng (hình 2-48) Tụ C nạp điện trở lại qua điện trở R1, R2 mắc nối tiếp Trƣờng hợp tụ C phóng điện xong: Tụ C nạp điện trở lại từ đầu giống nhƣ khoảng thời gian 0