kĩ thuật điện tử

Trờng trung cấp nghề cao bằng Khoa Điện- Điện tử Xây dựng Chơng1. Các khái niệm và định luật cơ bản về mạch điện 1. Điện tích. Ngời ta làm một ví dụ: Lấy một thnah thuỷ tinh cọ xát vào da hay lông thú sẽ xuất hiện đặc tính là hút các vật nhẹ nh giấy vụn, lông chim . Hiện tợng đó gọi là sự nhiễm điện. Ngoài thuỷ tinh còn có lu huỳnh, nhựa cây, hổ phách . Thực nghiệm đã chứng minh rằng nhng vật bị nhiễm điện đều tồn tại các điện tích, mà các chất đó lại đợc cấu tạo từ những nguyên tử nhỏ bé. Vậy điện tích là những hạt nhỏ bé của vật chất có mang điện mà không thể phân chia các điện tích thành các điện tích nhỏ hơn đợc nữa. Điện tích có hai loại: + Điên tích dơng KH(+) + Điện tích âm KH(-) Tính chất của điện tích: + Hai điện tích cùng loại( cùng dấu) thì đẩy nhau. + Hai điện tích khác loại(khác dấu) thì hút nhau. Điện tử có trong tất cả các chất mà các chất đợc cấu tạo do các nguyên tử, mỗi nguyên tử lại đựơc cấu tạo gồm có hạt nhân mạch điện tích dơng và điện tử quay xung quanh hạt nhân mang điện tích âm. Bình thờng các nguyên tử trung hoà về điện tức là tổng số điện tích của các hạt điện tử bằng điện tích hạt nhân nhng ngợc dấu. Nguyên tử có thể nhận thêm điện tử khi nó mang điện tích âm để trở thành iôn âm, ngợch lại nguyên tử cũng có thể mất bớt đi điện tử khi nó mang điện tích dơng để trở thành iôn dơng. Hiện tợng nguyên tử mất đi hay nhận thêm điện tử gọi là quá trình ion hoá. 2. Mạch điện và các định luật đặc trơng. 2.1. Mạch điện. Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện, nối với nhau bằng dây dẫn, tạo thành những vào kín mà trong đó dòng điện dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện đợc cấu trúc từ nhiều thiết bị khác nhau, chúng thựch hiện các chức năng xác định gọi là phần tử của mạch điện. Hai loại phần tử chính của mạch điện là nguồn và phụ tải (tải) Ta xét hình sau: Giáo trình môn Kĩ thuật điện tử 1 Trờng trung cấp nghề cao bằng Khoa Điện- Điện tử Xây dựng Trong hình1 trên: - Nguồn là máy phát điện MF - Tải là bóng đèn điện Đ, động cơ điện ĐC và dây dẫn là dây kim loại. a) Nguồn điện. Nguồn điện là thiết bị phát ra điện năng, về nguyên lý là thiết bị biến đổi các dạng năng lợng khác thành điện năng nh: Máy phát điện biến cơ năng, quang năng, nhiệt năng . thàh điện năng. b) Phụ tải. Phụ tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng và bién đổi điện năng thành các dạng năng lợng khác nh: Bóng điện biến điện năng thành quang năng, động cơ biến điện năng thành cơ năng, bàn là và bếp điện biến điện năng thành nhiệt năng . Ngoài hai loại chính trên, trong mạch điện còn có dây dẫn nối từ nguồn đến tải để tạo thành các vòng kín và để truyền tải điện năng đến tải. Bên cạnh đó còn có các thiết bị phụ trợ nh cầu dao, aptomát, công tắc, đồng hồ . 2.1.1 Kết cấu của mạch điện. Mạch điện có kết cấu hình học gồm có: Nhánh, nút và vòng. a) Nhánh. Nhánh là bộ phận của mạch điện, gồm các phần tử mắc nối tiếp nhau trong đó có cùng một dòng điện chạy qua. Ví dụ ta xét hình1 có ba nhánh dánh số 1;2 và 3. b) Nút. Nút là chỗ gặp nhau của ba nhánh trở lên. Nh hình 1 ta có hai nút kí hiệu là a, b. c) Vòng hay mạch vòng. Vòng là đờng đi khép kín qua các nhánh. Hình 1 tạo thành ba vòng kí hiệu I, II, III. 2.1.2. Các đại lợng đặc trng quá trình năng lợng. Giáo trình môn Kĩ thuật điện tử 2 Hình 1 Trờng trung cấp nghề cao bằng Khoa Điện- Điện tử Xây dựng Để đặc trng cho quá trình biến đổi năng lợng( quá trình năng lợng) trong một nhán hay trong một phần tử của mạch điện ta dùng hai đại lợng: Dòng điện i và điện áp u. Công suất của nhánh hay của phần tử là: p = u.i. a) Dòng điện. Dòng điện là dòng chuyển rời có hớng của các hạt điện tích. Cờng độ dòng điện i (gọi tắt là dòng điện) về trị số bằng tốc độ biến thiên của lợng điện tích q qua tiét diện ngang của một vật dẫn. i=dq/dt Trong đó q là điện tích qua tiết diện ngang của vật dẫn trong thời gian t đơn vị của dòng điện theo hệ thống đơn vị SI là Ampe kh A Chiều dòng điẹn theo đinh nghĩa là chiếu chuển động của các hạt điện tích dơng trong từ trờng( hay ngợc vời chiều chuyển động của các hạt điện tích âm). Để thuận tiện cho viêch tính táon ngời ta quy ớc chiều dòng điện trên một nhánh là một mũi tên là chiều dơng nh hình 2a. Hình 2 Nếu tại một thời điểm t nào đó, chiều dơng của dòng điện trùng với chiều dơng đa chọ thì i màn dấu dơng i> 0 nh hình 2b. Ngợc lại nếu chiều dơng của dòng điện ngợc với chiều dơng đa chọn thì dòng điện mang dấu âm nh hinh 2c. b) Điện áp. Điện áp là hiêu điện thế giữa hai điểm ta xét. Nh vậy điện áp giữa hai điểm A và B có điện thế là V A , V B là: u AB = V A -V B đơn vị là volt kí hiệu là V Chiều điện áp qui ớc la chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp. Để thuận tiện cho việc tính toán, ngời ta quy ớc chiều dơng điện áp trên một nhánh ( thờng trùng với chiều dơng dòng điện) bằn mũi tên và trên đó ghi kí hiệu điện áp của nhánh hoắc đánh dáu cộng hoặc trừ. Giáo trình môn Kĩ thuật điện tử 3 Trờng trung cấp nghề cao bằng Khoa Điện- Điện tử Xây dựng Nếu u AB > 0 tức là điện thế ở điểm A lớn hơn điện thế ở điểm B và ngợc lại nếu u AB < 0 thì V A <V B . c) Công suất. Trong một phần tử, một nhánh hay một mạch điện có thế nhận năng lợng hoắc phát năng lựơng. Khi chon chiều điện áp, dòng điện trùng nhau và sau khi tính toán công suất p của nhánh ta có thể kết luận nh sau về quá trình năng lợng của nhánh tại một thời điểm nào đó: Có p(t)= u(t).i(t) Nếu p(t) > 0: u, i cùng chiều thì nhánh nhận năng lợng. p(t) < 0: u, i ngợc chiều thì nhánh phát năng lợng. d) Điện năng. Nếu điện áp u và dòng điện i trên cùng một phần tử phụ thuộc vào thời gian t, điện năng tiêu thụ bởi phần tử từ thời gian t o đến thời gian t là: Đơn vị của điện năng là j( joule), wh( watt.giờ), ngoài ra còn có kwh đây chính là đơn vị dùng để tính tiền điện. 2.1.3. Các thông số và mô hình mạch Mạch điện gồn nhiều phần tử nối với nhau, khi làm việc nhiều hiện tợng điện từ sẩy ra trong các phần tử. Trong quá trình tính toán ngời ta thay thế mạch điện bằng mô hình mạch. Mô hình mạch gồm nhiều phần tử lý tởng đặc trng cho quá trình điện từ trong mạch và đợc ghép nối với nhau tuỳ theo kết cấu của mạch. Dới đây ta xét các phần tử lý tởng của mô hình mạch gọi là các thông số của mô hình mạch. 2.1.3.1. Các thông số (phần tử) của mạch điện. a) Nguồn điện áp u(t). Giáo trình môn Kĩ thuật điện tử 4 Trờng trung cấp nghề cao bằng Khoa Điện- Điện tử Xây dựng Hình 3: Kí hiệu chiều nguồn đáp Nguồn điện áp u(t) là thông số của mạch điện đặc trơng cho khả năng tạo nên và duy trì trên hai bản cực của nguồn một điện áp, không phụ thuộc vào giá trị của dòng điện cung cấp từ nguồn. Nguồn áp đợc kí hiệu nh hình 3a hoặc hình 3b và đợc biểu diễn bằng một sức điện động(sđđ) e(t). Chiều điện áp u(t) từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp, vì thế điện áp u(t) chính bằng sức điện động của nguồn: u(t)=e(t) b) Nguồn dòn điện j(t). Nguồn dòng điện j(t) đặc trng cho khả năng của nguồn điện tạo nên và duy trì một dòng điện cung cấp cho mạch ngoài, không phụ thuộc vào điện áp trên hai cực của nguồn: j(t)=i(t) Nguồn điện đợc kí hiệu nh sau: c) Điện trở. Cho dòng điện i qua điện trở R và nó gây ra điện áp rơi u R trên điện trở. Theo định luật Ohm, quan hệ giữa dòng điện i và điện áp u R là: u R = R.i hay i=G.u R Giáo trình môn Kĩ thuật điện tử 5 Trờng trung cấp nghề cao bằng Khoa Điện- Điện tử Xây dựng Trong đó G = R 1 gọi là điện dẫn. Công suất tiêu thụ trên R là: p R = u R .i= R.i 2 Nh vậy điện trở R đặc trng cho quá trình tiêu tán điện trên điện trở. Trong hiien đơn vị SI, điện trở có đơn vị là (Ohm), điện dẫn có đơn vị là S(simen) Điện năng tiêu thụ trên R trong khỏng thời gian t là: với i= const ta có: d) Điện cảm L. Cho qua cuộn dây có N vòng một dòng điện i thì sẽ sinh ra từ thông móc vòng với cuộn dây là: Điện cảm L của cuộn dây đợc định nghĩa là: Đơn vị của điện cảm là H (Henry). Xét sơ đồ mạch sau: Nếu dòng điện i biến thiên theo thời gian t thì cũng biến thiên theo thời gian t và cuộn dây cảm ứng Sđđ tự cmr e L khi L = const Điện áp rơi trên điện cảm là: Giáo trình môn Kĩ thuật điện tử 6 Trờng trung cấp nghề cao bằng Khoa Điện- Điện tử Xây dựng Công suất cuộn dây nhân là: Năng lợng từ trờng tích luỹ trong cuộn dây là: Nh vậy điện cảm L đặc trng cho hiện tợng tích luỹ năng lợng từ trờng của cuộn dây. e) Hỗn cảm. Hiện tợng hỗn cảm là hiện tợng xuất hiện từ trờng trong một cuộn dây do dòng điện biến thiên trong cuộn dây khác tạo nên. Ta xét hình sau: Hình 4: Hai cuộn dây mắc hỗn cảm. Đây là hình của hai cuộn dây có liên hệ hỗn cảm với nhau. Từ đó ta có: Từ thông móc vòng với cuộn dây 1 gồm hai thành phần: (1) trong đó: 11 là từ thông móc vòng với cuộn dây 1 do chính dòng i 1 tạo nên. Giáo trình môn Kĩ thuật điện tử 7 Trờng trung cấp nghề cao bằng Khoa Điện- Điện tử Xây dựng 12 là từ thông móc vòng với cuộn dây 1 do dòng điện i 2 tạo nên. Tơng tự, từ thông móc vòng với cuộn dây 2: (2) trong đó: 22 là từ thông móc vòng với cuộn dây 2 do chính dòng i 2 tạo nên. 21 là từ thông móc vòng với cuộn dây 2 do dòng điện i 1 tạo nên. Trờng hợp trong môi trờng là tuyến tính, ta có: (3) Với L 1 , L 2 tơng ứng là hệ số tự cảm của cuộn dây 1 và 2 M 1 = M 2 = M là hỗn cảm giữa hai cuộn dây Thay (3) vào (1),(2) ta có: Việc chọn dấu dơng(+) hoặc dấu âm (-) trớc M trong biểu thức trên phụ thuộc vào chiều quấn các cuộn dây cũng nh chọ chiều âm, dơng của dòng điện i 1 và i 2 . Nếu cực tính của điện áp u 1 , u 2 và chiều dơng xcủa các dòng điện i 1 ,i 2 đợc chọn nh hình 4a thì theo dịnh luật cả ứng điện từ của Faraday, ta có: Cũng nh điện cảm L, đơn vị củ hỗn cảm M là H(henry). Ta thờng kí hiệu hỗn cảm giữa 2 cuộn dây bằng chữ M và mũi tên hai chiều nh hình 4, và dùng cách đánh dấu hai cực cùng tính của cuộn dây bằng dấu chấm (*) để xác định dấu của hai phơng trình (4). Nếu hai dòng điện i 1 và i 2 cùng đi vào ( hoặc cùng đi ra) các cực tính đánh dấu ấy thì từ thông hỗn cảm 12 và tự cảm 11 cùng chiều. Cực cùng tính phụ thuộc chiều quấn dây và vị trí các cuộn dây. Từ định luật Lentz, với quy ớc đánh dấu các cực tính cùng tính nh trê, có thể suy ra quy tắc sau đây để xác định dấu + hoặc dấu- trớc biểu thức M.di/dt của điện áp hỗn cảm. Nếu dòng điện có chiều dơng đi vào đầu có dấu chấm trong một Giáo trình môn Kĩ thuật điện tử 8 (4) Trờng trung cấp nghề cao bằng Khoa Điện- Điện tử Xây dựng cuộn dây và điện áp có cực tính dơng ở đầu vào có dấu chấm trong một cuộnk day kia thì điện áo hỗn cảm là M.di/dt, trờng hợp ngợc lại thì -M.di/dt. Nh trên hình 4b ta có: Với hình 4c: Với hình 4d: f) Điện dung C. Ta đặt một điện áp u C lên tụ điện thì qua tụ sẽ có dòng dịch chuyển i và ở hai bản cực tụ điện tích luỹ điện tích q. Điện dung C của tụ là: đơn vị của điện dung là: F( Fara) Dòng điện i qua tụ là: Điện áp rơi trên tụ có điện dung C là: Giáo trình môn Kĩ thuật điện tử 9 Trờng trung cấp nghề cao bằng Khoa Điện- Điện tử Xây dựng Nếu tại thời điểm t=0s, u C (0)=0V thì : Công suất trên tụ C là: Năng lợng điện trờng tích luỹ trong tụ là: Vậy điện dùn C đặc trng cho hiện tợng tích luỹ năng lợng điện trờng trong tụ điện. 2.1.3.2. Mô hình mạch điện. Mô hình mạch điện là sơ đồ thay thế mạch điện mà trong đó quá trình năng lợng và kết cấu hình học giống nh mạch điện thực, song các phần tử của mạch điện thay thế bằng các thông số lý tởng e, j, R, L, M, C. Ví dụ xét hình sau: Hình 5: Mô hình mạch điện Thành lập sơ đồ thay thế mạch điện có mạch điện thực nh hình 5a. Để thành lập mô hình mạch điện, đầu tiên ta phải liệt kê các hiện tợng năng lợng xảy ra trong từng phần tử và thay thế chúng bằng các thông số lý tởng rồi sau đó nối với tuỳ theo kết cấu hình học của mạch. Hình 5b là sơ đồ thay thế của mạch điện hình 5a, trong đó nếu máy phát điện MF là máy phát xoay chiều thì đợc thay thế bằng e MF nối tiếp với R MF và L MF , đờng dây đợc thay thế bằng R D và L D , bóng điện Đ thay thế bằng R Đ , cuộn dây C d Giáo trình môn Kĩ thuật điện tử 10 [...]... việc của mạch điện 2.1.4.1 Phân loại mạch điện a) Phân loại theo dạng của mạch điện - Mạch điện một chiều là mạch điện có dòng điện một chiều Dòng điện một chiều là dòng điện có trị số và chiều không đổi theo thời gian nh hình 6a - Mạch điện xoay chiều là mạch điện có dòng điện xoay chiều Dòng điện xoay chiều là dòng điện có chiều thay đổi theo thời gian 11 Giáo trình môn Kĩ thuật điện tử Trờng trung... trình môn Kĩ thuật điện tử Trờng trung cấp nghề cao bằng Khoa Điện- Điện tử Xây dựng d) ứng dụng của điện trở Trong sinh hoạt, điện trở đợc dùng để chế tạo các loại dụng cụ điện nh bàn là, bếp điện, bóng đèn sợi đốt Trong công nghiệp, điện trở đợc dùng để chế tạo các thiết bị sấy, sởi, giới hạn dòng điện khởi động của động cơ Trong lĩnh vực điện tử, điện trở đợc sử dụng để giới hạn dòng điện, tạo... song các điện trở 26 Giáo trình môn Kĩ thuật điện tử Trờng trung cấp nghề cao bằng Khoa Điện- Điện tử Xây dựng + Sơ đồ R1 R2 Rn + Tính chất - Dòng điện của nguồn bằng tổng cácdòng điện thành phần: I= I1 + I2 + +I n - Điện áp nguồn bằng các điện áp thành phần: U= U1=U2 ==U n - Nghịch đảo điện trở tơng đơng bằng tổng nghịch đảo điện trở 1 1 1 1 = + + + Rt R1 R2 Rn thành phần: Ví dụ: Cho 3 điện trở R1... những phần tử nào? Các vòng qua các nhánh nào và các nút là điểm gặp nhau của các nhánh nào? c Hãy viết biểu thức điện áp trên các phần tử và các nhánh? Bài số 3 Cho hai sơ đồ mạch sau: 16 Giáo trình môn Kĩ thuật điện tử Trờng trung cấp nghề cao bằng Khoa Điện- Điện tử Xây dựng a Giả thiết mỗi nhánh một dòng điện và xác định chiều dơng dòng điện trên các nhánh? Giả thiết về điện áp và chiều dơng điện áp... 600W, điện áp 220V ngời ta dùng dây điện trở tính Tính: a Dòng điện bếp tiêu thụ b Điện trở của bếp c Nếu dùng dây điện trở chiều dài 5m, điện trở suất ở nhiệt độ làm viêc bằng 1,3.10-6 m thì đờng kính của dây dẫn bằng bao nhiêu? Đáp số: 2,73 A; 80,6 ; 0,32mm Chơng 2 Các linh kiện điện tử 1 Điện trở Điện trở là một linh kiện thụ động, chúng có tác dụng cản trở dòng điện, điện áp để tạo dòng điện, điện. .. tụ điện Ngời ta thờng phân loại tụ điện thành loại tụ có trị số không đổi và tụ có trị số biến đổi Trong các loại tụ này ngời ta lại tiếp tục phân chia theo chất điện môi làm tụ đó 29 Giáo trình môn Kĩ thuật điện tử Trờng trung cấp nghề cao bằng Khoa Điện- Điện tử Xây dựng - Tụ có trị số điện dung không đổi * Tụ oxit hoá (gọi tắt là tụ hoá) Tụ hoá (hay còn gọi là tụ điện phân, tụ điện giải) có điện. .. cao bằng Khoa Điện- Điện tử Xây dựng đợc thay thế bằng RCd và Lcd Trờng hợp máy phát điện MF là máy phát điện một chiều thì mạch điện hình 5a đợnc thay thế bởi hình 5c Mô hình mạch điện đợc sử dủngất thuận lợi trong công việc nghiên cứu và tính toán mạch điện và thiết bị điện Ví dụ: Một máy phát điện một chiều khi không tải điện áp trên đầu cực Uo= 220V Khi có tải có dòng điện I= 10A, điện áp trên... là 320V + Với tụ có giá trị điện dung nhỏ hơn 100pF thì điện dung đợc ghi bằng một, hai hoặc ba chữ số và các chữ cái Với loại tụ ký hiệu bằng 3 chữ số và 1 chữ cái Đơn vị là pF Chữ số cuối cùng chỉ số số 0 thêm vào Chữ cái chỉ dung sai 35 Giáo trình môn Kĩ thuật điện tử Trờng trung cấp nghề cao bằng Khoa Điện- Điện tử Xây dựng Trong kỹ thuật điện tử thông thờng tụ điện thờng có dung sai từ 5%... Mạch điện phi tuyến là mạch điện có các thông số R, L, M, C phi tuyến nghĩa là R, L, M, C thay đổi theo dòng điện i hoặc điện áp u trên chúng 2.1.4.2 Chế độ làm việc của mạch điện a) Chế độ xác lập của mạch điện Chế độ xác lập của mạch điện là quá trình xảy ra lâu dài trong mạch, dới tác động của nguồn, dòng điện và điện áp trên các phần tử đạt trạng thái ổn định ở chế độ xác lập, dòng điện và điện. .. Kí hiệu, phân loại, cấu tạo điện trở a) Kí hiệu đơn vị là (Ohm) Điện trở đợc kí hiệu là: R Ngoài ra còn có K (Kilô Ohm), M (Mêga Ohm) 1 M = 1000 K = 1000.000 Một số kí hiệu trên sơ đồ: Hình dạng thật của điện trở: 18 Giáo trình môn Kĩ thuật điện tử Trờng trung cấp nghề cao bằng Khoa Điện- Điện tử Xây dựng Hầu nh tất cả các vật liệu đều có điện trở, nếu vật lệu đó tốt thì điện trở của nó nhỏ còn ngợc . thông số (phần tử) của mạch điện. a) Nguồn điện áp u(t). Giáo trình môn Kĩ thuật điện tử 4 Trờng trung cấp nghề cao bằng Khoa Điện- Điện tử Xây dựng Hình. Kĩ thuật điện tử 17 Trờng trung cấp nghề cao bằng Khoa Điện- Điện tử Xây dựng Để chế tạo một bếp điện công suất 600W, điện áp 220V ngời ta dùng dây điện