Chương 1 khái niệm cơ bản môn mạch điện

Môn Mạch điện Trường Đại học Công nghiệp TP HCM Lý thuyết mạch điện và lý thuyết điện từ là hai lý thuyết cơ bản mà tất cả các nhánh của kỹ thuật điện được xây dựng. Nhiều ngành kỹ thuật điện, chẳng hạn như năng lượng, máy điện, điều khiển, điện tử, thông tin liên lạc và thiết bị đo đạc, đều dựa trên lý thuyết mạch điện. Do đó, khóa học lý thuyết mạch điện cơ bản là khóa học quan trọng nhất đối với sinh viên kỹ thuật điện và luôn là điểm khởi đầu tuyệt vời cho sinh viên mới bắt đầu học kỹ thuật điện.Trong kỹ thuật điện, chúng ta thường quan tâm đến việc giao tiếp hoặc truyền năng lượng từ điểm này sang điểm khác. Để làm được điều này cần có sự liên kết của các thiết bị điện. Kết nối như vậy được gọi là một mạch điện và mỗi thành phần của mạch được gọi là một phần tử. Mạch điện: Một mạch điện chỉ đơn giản là một kết nối của các phần tử Phần tử mạch điện: Có hai loại phần tử được tìm thấy trong các mạch điện: phần tử thụ động và phần tử tích cực (Phần tử tích cực có khả năng tạo ra năng lượng trong khi phần tử thụ động thì không) Ví dụ phần tử tích cực: máy phát, Pin, và bộ khuyếch đại Ví dụ phần tử thụ động: Điện trở, tụ điện, cuộn cảm đèn, động cơ

Trang 1

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

Môn: Mạch điện

Giảng viên: Nguyen NgocThiem

Email: ngocthiem1602@gmail.com

Email: nguyenngocthiem@iuh.edu.vn

Khoa: Công nghệ điện

Tài liệu tham khảo:

✓ Mạch điện, Châu Minh Thuyên Đại học Công Nghiệp TP.HCM

Lớp DHDI15_HL: https://zalo.me/g/wnxsfd620 Lớp DHDI15_HL4: https://zalo.me/g/qqqtyz240

Trang 2

Chapter 1: Khái niện cơ bản

1.5 Điện trở mắc nối tiếp và công thức chia áp

1.6 Điện trở mắc song song và công thức chia dòng

1.7 Chuyển đổi sao – tam giác

1.8 Chuyển đổi nguồn

Trang 3

1.1 Giới thiệu và ứng dụng

Lý thuyết mạch điện và lý thuyết điện từ là hai lý thuyết cơ bản mà tất cả các

nhánh của kỹ thuật điện được xây dựng Nhiều ngành kỹ thuật điện, chẳng hạn

như năng lượng, máy điện, điều khiển, điện tử, thông tin liên lạc và thiết bị đo đạc, đều dựa trên lý thuyết mạch điện Do đó, khóa học lý thuyết mạch điện cơ bản là khóa học quan trọng nhất đối với sinh viên kỹ thuật điện và luôn là điểm khởi đầu tuyệt vời cho sinh viên mới bắt đầu học kỹ thuật điện.Trong kỹ thuật điện, chúng

ta thường quan tâm đến việc giao tiếp hoặc truyền năng lượng từ điểm này sang điểm khác Để làm được điều này cần có sự liên kết của các thiết bị điện Kết nối như vậy được gọi là một mạch điện và mỗi thành phần của mạch được gọi là một phần tử.

Trang 4

1.2 Mạch điện và phần tử mạch điện

Mạch điện: Một mạch điện chỉ đơn giản là một kết nối của các phần tử

Phần tử mạch điện: Có hai loại phần tử được tìm thấy trong các

mạch điện: phần tử thụ động và phần tử tích cực (Phần tử tích cực có khả năng tạo ra năng lượng trong khi phần tử thụ động thì không)

Ví dụ phần tử tích cực: máy phát, Pin, và bộ khuyếch đại

Ví dụ phần tử thụ động: Điện trở, tụ điện, cuộn cảm

đèn, động cơ

Trang 5

Transistor, Mosfet, Triac, SCR

Ví dụ:

Cuộn cảm Tụ

Trang 6

a Phần tử mạch điện

Khi một dây dẫn được kết nối với nguồn, các điện tích buộc phải di

chuyển Chuyển động này của điện tích tạo ra dòng điện Dòng điện:

được quy ước là chiều chuyển động của các điện tích dương

Cường độ dòng điện (dòng điện): là lượng điện tích thay đổi theo thời gian,

đơn vị đo của dòng điện là ampere (A),

✓ Về mặt toán học, mối quan hệ giữa dòng điện i, điện tích q và thời gian t là::

Trang 8

a Phần tử mạch điện

• Trong quá trình tính toán chúng ta chọn chiều dòng điện theo một chiều quy ước (trên mạch điện chưa vẽ chiều của dòng điện), nếu

✓ i > 0 dòng điện thực tế cùng chiều với chiều quy ước

✓ i < 0 dòng điện thực tế ngược với chiều quy ước

Chọn chiều qua điện trở 8Ω là 𝑖8Ω từ A đến B (cũng có thể chọn chiều ngược lại)

Figure 1.3: Problem defintion

Trang 9

• 𝑣𝑎(𝜑𝑎): điện thế tuyệt đối tại a

• 𝑣𝑏(𝜑𝑏) điện thế tuyệt đối tại at b

Figure 1.4

Trang 10

b Hiệu điện thế

Example 1.2: Một nguồn cấp cho dòng điện 2A chạy qua một bóng

đèn trong thời gian 10s Nếu 2,3 kJ tỏa ra dưới dạng năng lượng

ánh sáng và nhiệt, hãy tính hiệu điện thế trên bóng đèn

Answer: 115 V

Practice problem 1.2: Để di chuyển điện tích q từ điểm a đến

điểm b cần −30 J Tìm điện áp rơi vab nếu (a) 𝑞 = 2𝐶, (b) 𝑞 =

− 6𝐶 Answer: (a)−15 V, (b) 5 V.

Trang 11

c Công suất và năng lượng

Mặc dù dòng điện và điện áp là hai biến số cơ bản trong mạch điện, nhưng bản thân chúng không đủ Đối với các mục đích thực tế, chúng ta cần biết một thiết bị điện có thể xử lý bao nhiêu năng lượng Qua kinh nghiệm, tất

cả chúng ta đều biết rằng bóng đèn 100 watt cho nhiều ánh sáng hơn bóng đèn 60 watt Chúng ta cũng biết rằng khi chúng ta thanh toán hóa đơn cho các công ty điện lực, chúng ta đang trả tiền cho năng lượng điện tiêu thụ trong một khoảng thời gian nhất định Do đó, tính toán công suất và năng lượng rất quan trọng trong phân tích mạch

Trang 12

Công suất là đại lượng đo bởi tỷ số tiêu hao hoặc hấp thụ năng lượng với thời gian, được đo bằng watt (W)

Trang 13

𝑝 = 𝑑𝑤

𝑑𝑡 = 𝑑𝑤

𝑑𝑞 𝑑𝑞

𝑑𝑡 = 𝑣 𝑖 = 𝑢 𝑖 ( 1.2c)Công suất p trong phương trình (1.2c) là đại lượng biến thiên theo thời gian

và được gọi là công suất tức thời Do đó, năng lượng được hấp thụ hoặc

cung cấp bởi một phần tử là tích của điện áp trên phần tử và dòng điện qua

nó Nếu công suất có dấu +, công suất đang được cung cấp hoặc hấp thụ bởi

phần tử Mặt khác, nếu công suất có dấu −, thì công suất được cung cấp bởi phần tử Nhưng làm thế nào để chúng ta biết khi công suất có dấu dương hay âm? Do đó, chiều dòng điện và cực tính của điện áp đóng vai trò chính trong việc xác định dấu của công suất

Trang 14

➢Cực tính của điện áp và hướng dòng điện như trong hình 1.5(a) thì công suất có dấu dương (p > 0): công suất được phần tử hấp thụ (tiêu thụ)

➢Cực tính điện áp và hướng dòng điện như trong

hình 1.5(b) thì công suất là âm (p < 0): công suất

được cung cấp (phát) bởi phần tử

Figure 1.5

Trang 15

Trên thực tế, định luật bảo toàn năng lượng phải được tuân theo trong bất

kỳ mạch điện nào Vì lý do này, tổng đại số của công suất trong một mạch, tại bất kỳ thời điểm nào, phải bằng không:

Trang 16

Example 1.3: Compute the power absorbed or supplied by each

component of the circuit in figure 1.6

Figure 1.6

Trang 17

Example 1.4: Tìm công suất phân phát cho một phần tử tại t = 3 𝑚𝑠 nếu dò𝑛𝑔 đ𝑖ệ𝑛 𝑙à 𝑖 = 5𝑐𝑜𝑠60𝜋𝑡 A và điện áp (a) 𝑣 = 3𝑖, (b) 𝑣 = 3𝑑𝑖/𝑑𝑡

Answers: p = 53,48 W, b 𝑝 = −6,396 𝑘𝑊

Practice problem 1.4: Năng lượng tiêu thụ có một bóng đèn100 W

trong hai giờ ? Answer:

Trang 18

Năng lượng được hấp thụ hoặc cung cấp bởi một phần tử từ thời điểm t0 đến thời điểm t là 𝑤 = ׬𝑡

Các công ty điện lực đo năng lượng theo watt-giờ (Wh) hay kW- giờ,

Trong đó : 1Wh = 3600 J

Example: Một nguồn điện có một dòng điện không đổi 2 A chạy qua một

bóng đèn trong 10 giây Nếu 2,3 kJ tỏa ra dưới dạng năng lượng ánh sáng và nhiệt, hãy tính điện áp rơi trên bóng đèn

Trang 19

- Các nguồn vật lý như pin và máy phát điện có thể được coi là gần đúng

với các nguồn điện áp lý tưởng

Figure 1.7: Nguồn áp độc lập

Trang 20

d Nguồn độc lập lý tưởng

❖ Một nguồn dòng điện độc lập lý tưởng là một phần tử hoạt động cung

cấp một dòng điện xác định hoàn toàn độc lập với điện áp trên nguồn Nghĩa là, nguồn hiện tại cung cấp cho mạch bất kỳ điện áp nào cần

thiết để duy trì dòng điện được chỉ định

Figure 1.8: Nguồn dòng độc lập

Trang 21

e Nguồn phụ thuộc

Nguồn phụ thuộc (hoặc được điều khiển) lý

tưởng là một phần tử tích cực trong đó đại

lượng nguồn được điều khiển bởi điện áp

hoặc dòng điện khác

Example: Điện áp thứ cấp máy biến áp phụ

thuộc vào điện áp bên sơ cấp

Figure 1.9: Symbols for

(a) dependent voltage source (b) dependent current source

Trang 22

e Nguồn phụ thuộc

Nguồn áp phụ thuộc áp – VCVS

𝑢2 = 𝛼𝑢1𝛼: không có đơn vị

(a) A voltage-controlled voltage source (VCVS) (b) A current-controlled voltage source (CCVS)

Trang 23

(a) A voltage-controlled current source (VCCS) (b) A current-controlled current source (CCCS)

Trang 24

Example 1.5: Tính công suất được cung cấp hoặc hấp thụ bởi mỗi phần tử trong

Hình 1.12.

Practice problem 1.5: Tính công suất được hấp thụ hoặc cung cấp bởi mỗi

thành phần của mạch trong hình 1.13 Answer: p1= −40 W, p2 =16 W, p3= 9W,

p4=15 W.

Figure 1.12: for example 1.5 Figure 1.13: for practice problem 1.5

Trang 25

f Điện trở

Vật liệu nói chung có hành vi đặc trưng là chống lại sự di chuyển điện tích,

hoặc khả năng chống lại dòng điện Tính chất vật lý này được gọi là điện trở và được biểu thị bằng ký hiệu R Điện trở của bất kỳ vật liệu nào có diện tích mặt cắt ngang đều A phụ thuộc vào 𝜌 và chiều dài của nó như trong hình 1.14

Trang 26

f Điện trở

Định nghĩa : Điện trở R của một phần tử biểu thị khả năng chống lại

dòng điện, nó được đo bằng ohms (Ω)

❖ Georg Simon Ohm (1787–1854), nhà vật lý người Đức, được ghi nhận là người đã tìm ra mối quan hệ giữa dòng điện và hiệu điện thế của một điện trở Mối quan hệ này được gọi là định luật Ohm

❖Định luật Ôm phát biểu rằng hiệu điện thế 𝑢𝑅 trên một điện trở tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện 𝑖𝑅 chạy qua điện trở

𝑢𝑅 = 𝑅 𝑖𝑅(1.2f)

Chúng ta có thể suy ra từ phương trình (1.2f): 𝑅 = 𝑢𝑅

𝑖

Trang 29

f Resistor

Example 1.6: Một bếp điện có dòng là 2A ở điện áp 120V Tính điện

trở của nó? Ans: 60Ω

Practice problem 1.6: Thành phần thiết yếu của lò nướng bánh mì là

một phần tử điện (điện trở) chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng nhiệt Tính giá trị dòng điện của một lò nướng bánh mì có điện

trở 12Ω at 110 V? Answer: 9.167 A.

Trang 30

f Resistor

Example 1.7: Một nguồn điện có điện áp 20 sinπt V nối với điện trở 5kΩ Tìm

dòng qua điện trở và công suất tiêu tán trên điện trở.

Ans: 4 sinπt mA; 80𝑠𝑖𝑛2𝜋𝑡 𝑚𝑊

Practice problem 1.7: Một điện trở có tiêu thụ một công suất tức thời là 20𝑐𝑜𝑠2𝑡 (mW) khi nối với một nguồn áp là 𝑣 𝑡 = 10𝑐𝑜𝑠𝑡 Find 𝑖(𝑡) and R Ans: 𝑖(𝑡) = 2𝑐𝑜𝑠𝑡 mA, 5𝑘Ω ( Một điện trở tiêu thụ công suất là 20𝑐𝑜𝑠2𝑡 (mW) được kết nối với nguồn áp là 𝑣(𝑡) = 10𝑐𝑜𝑠𝑡 Tìm 𝑖(𝑡) và R

Ans: 2cost mA; 5 𝑘Ω

Trang 31

Example 1.8: Với mạch điện như hình 1.16, hãy tính i, độ dẫn điện G

và công suất trên điện trở Answer: 6mA, 0,2 mS, 180 mW.

Figure 1.16: For example 1.8

Practice problem 1.8: Mạch điện như hình 1.17, hãy tính điện áp v, độ

dẫn điện G và công suất trên điện trở Answer: 20 V, 100µS, 40 mW.

Figure 1.17: for practice problem 1.8

Trang 32

1.3 Nhánh, Nút và vòng

1.3.1 Nhánh

Một nhánh: Gồm một phần tử hay nhiều phần tử mắc nối tiếp với nhau

trên đó có cùng một dòngđiện đi qua

B C

D

E 2

Figure 1.18

Trang 33

1.3.2 Nút

❖Một nút là điểm chung của hai hay nhiều nhánh nối tới nó

Có bao nhiêu nút trên hinh?

Trang 34

E21.3 Nhánh, Nút và vòng

Figure 1.18

Trang 35

1.3.4 Mắt lưới (vòng độc lập)

Mắt lưới là một vòng kín mà khong chứa một vòng khác trong

nó (vòng con)

Mạch điện có bao nhiêu mắt lưới?

❖ Nếu mạch điện có n nút, d nhánh, và l mắt lưới (vòng độc lập), thì số mắt lưới là l = n-d+1

Trang 36

B C

D

E 2

Mắt lưới 3

Mắt lưới 2

Mắt lưới 1

Figure 1.18

Trang 38

1.4.2 Định luật Kirchhoff 1

( Kirchhoff’s của dòng điện – KCL)

❖ Định luật K1 phát biểu rằng tổng đại số

dòng đi vào và đi ra một bằng không ( hoặc

đường biên kín)

σ𝑛𝑁=1 ±𝐼𝑛= 0

Or σ 𝐼đi 𝑣à𝑜 𝑛ú𝑡 = σ 𝐼đ𝑖 𝑟𝑎 𝑛ú𝑡

Trong đó: N là số nhánh nối tới nút và 𝐼𝑛 là

dòng thứ n đi vào hay đi ra nút

(qui ước dòng đi vào nút lấy dấu dương, dòng

đi ra nút dấu âm hoặc ngược lại)

Trang 41

1.4.3 Định luật Kirchhoff 2

( Kirchhoff của điện áp– KVL)

❖ Định luật K2 phát biểu rằng: tổng đại

Trang 43

B C

+

+ -

Trang 44

1.4.3 Kirchhoff’s law 2

❖ Định luật điện áp của Kirchhoff (KVL) phát biểu rằng tổng đại số của tất

cả các điện áp xung quanh một đường dẫn (hoặc vòng) khép kín bằng

không

σ𝑚𝑀=1 ±𝑈𝑚= 0 hay σ𝑚𝑀=1 ±𝑅𝑚 × 𝐼𝑛 = σ𝑚𝑀=1 ±𝐸𝑚

✓Rm: điện trở trên nhánh của vòng; 𝐼𝑛: dòng qua 𝑅𝑚

✓σ𝑚𝑀=1 ±𝐸𝑚: tổng đại số điện áp của các nguồn riêng lẻ

✓Notice:

• −𝑅𝑛 × 𝐼𝑛: nếu dòng trên nhánh ngược chiều với chiều của vòng

• +𝑅𝑛 × 𝐼𝑛: nếu dòng trên nhánh cùng chiều với chiều của dòng vòng

• +𝐸𝑛: Nếu chiều của vòng đi vào cực âm của nguồn

• −𝐸𝑛: Nếu chiều của vòng đi vào cực dương của nguồn

1.4 Định luật Kirchhoff

Trang 45

1.4.3 Kirchhoff’s law 2

Example 1.11: Tìm vab in hình 1.26

Figure 1.26

Trang 47

Tóm lại: Nếu mạch điện có n nút, d nhánh, và L mắt lưới (vòng độc lâp), thì số mắt lưới là 𝐿 = 𝑛 − 𝑑 + 1

➢ Kirchhoff's Current Law (K1) Viết được 𝑑 − 1, phương trình độc lập

➢Kirchhoff's Voltage Law (K2) viết được 𝑛 − 𝑑 + 1 phương trình độc lập

Trang 48

Example 1.13: Tìm dòng điện trong hình 1.29

10Ω 60Ω

30Ω 4,5V

Trang 49

Example1.14: Tìm v 0 và i 0 và tính công suất cung cấp hay hấp thụ trên mỗi phần tử của mạch Fig.1

Answer: 8V; 4A

Trang 50

Practical Problem 1.14: Cho mạch điện như trong hình 1.32, tìm

Figure 1.32: for practice problem 1.14

Trang 51

Example 1.15: Tìm dòng điện trong mạch của hình 1.33

Trang 52

Practical Problem 1.15: Cho mạch điện như hình tìm 𝐼1, 𝐼2 và 𝐼3 và

1Ω

4Ω

I3+

Trang 53

Example 1.16: Cho mạch điện như hình 1.35 Tìm U0

Practice problem 1.16: Tìm 𝑉0 và công suất của nguồn và công suất trên các điện trở trong mạch hình 1.36

Figure 1.35: For example 1.16 Figure 1.36: For practice problem 1.16

Trang 54

1 5 Điện trở mắc nối tiếp và công thức chia áp

Nhu cầu ghép các điện trở nối tiếp phổ

biến đến mức nó cần được chú ý đặc biệt.

Quá trình kết hợp các điện trở được tạo

điều kiện thuận lợi trong lúc giải mạch.

Hãy xem xét mạch một vòng trong hình

1.37 Hai điện trở mắc nối tiếp, dòng điện

i qua trong cả hai điện trở là như nhau

Áp dụng định luật Ohm cho mỗi điện trở:

𝑣1 = 𝑖𝑅1; 𝑣2 = 𝑖𝑅2

Áp dụng K2 cho vòng

𝑣1 + 𝑣2 − 𝑣 = 0

Or 𝑣 = 𝑖𝑅1 + 𝑖𝑅2 = 𝑖 𝑅1 + 𝑅2 = 𝑖𝑅𝑒𝑞ngụ ý rằng hai điện trở có thể được thay thế bằng một điện trở tương đương 𝑅𝑒𝑞

𝑅𝑒𝑞 = 𝑅1 + 𝑅2

Figure 1.37 Figure 1.38

Trang 55

Điện trở tương đương của các điện trở mắc nối tiếp là tổng của các điện trở riêng lẻ Cho N điện trở nối tiếp: 𝑅𝑒𝑞 = 𝑅1 + 𝑅2 + ⋯ + 𝑅𝑁 = σ𝑛=1𝑁 𝑅𝑛

Để xác định điện áp trên mỗi điện trở trong hình 1.37, chúng

11 5 Điện trở mắc nối tiếp và công thức chia áp

Figure 1.37

Trang 56

1 6 Điện trở mắc song song và chia dòng

Xét mạch điện trong hình 1.39, trong đó

hai điện trở được mắc song song và do đó

có cùng hiệu điện thế đặt trên chúng Từ

Figure 1.39

(a)

Trang 57

Trong trường hợp có N điện trở mắc song song, thì điện trở tương đương là

Thường thuận tiện hơn khi sử dụng điện dẫn thay vì điện trở khi xử lý song song các điện

trở Điện dẫn tương đương của N điện trở mắc song song là 𝐺𝑒𝑞 = 𝐺1 + 𝐺2 + ⋯ + 𝐺𝑁

Trang 58

Với tổng dòng điện i đi vào nút a trong hình 1.39, làm

cách nào để có được dòng điện i1 và i2? Chúng ta biết

rằng điện trở tương đương có cùng điện áp

Phương trình (1.6a) và (1.6b) được gọi là nguyên lý chia dòng điện

Figure 1.39

Trang 59

Example 1.17: Tìm Req cho mạch điện như hình 1.40

Trang 60

Practical Problem 1.17: Tìm điện trở tương đương Rab trong mạch ở hình 1.41

Answer: 11.2Ω

Figure 1.41: For practice problem 1.17

Trang 61

Example 1.18: Tìm Rab cho mạch như hình 1.42

Answer: 11Ω

Trang 62

Practice problem 1.18: Nếu Req =50 Ω trong mạch mạch như hình 1.43, tìm R?

Answer: ?

Trang 63

Example 1.19: Tìm điện dẫn Geq cho mạch như hình 1.44

Answer: 10 S

Trang 64

Practice problem 1.19: Tính Geq trong mạch mạch như hình 1.45

Answer: 4 S

Trang 65

Practice problem 1.20: Tìm v1 and v2 trong

mạch hình 2.43 Cũng tính i 1 và i 2 và công suất

tiêu tán trên điện trở 12Ω and 40Ω

Answer: v 1 = 5 V, i 1 = 416.7 mA, p 1 = 2.083 W,

v 2 = 10 V, i 2 = 250 mA, p 2 = 2.5 W

Example1.20: Tìm i0 và v0 trong mach như

hình 1.46 Tính công suất tiêu tán trên điện

trở 3Ω

Ans: 4

3 𝐴; 4V; 5,333 W

Tiêu đề	Chương 1 - Khái niệm cơ bản
Tác giả	Nguyễn Ngọc Thiêm
Trường học	Đại học Công nghiệp TP.HCM
Chuyên ngành	Mạch điện
Thể loại	tài liệu tham khảo
Thành phố	TP.HCM

Định dạng
Số trang	77
Dung lượng	1,28 MB