kĩ thuật điện tử

Ngoài hai loại chính trên, trong mạch điện còn có dây dẫn nối từ nguồn đếntải để tạo thành các vòng kín và để truyền tải điện năng đến tải.. Để đặc trng cho quá trình biến đổi năng lợng

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 thểphân 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 tửquay 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 nhngngợc dấu

Nguyên tử có thể nhận thêm điện tử khi nó mang điện tích âm để trởthành iôn âm, ngợch lại nguyên tử cũng có thể mất bớt đi điện tử khi nó mang

Ta xét hình sau:

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 đổicác dạng năng lợng khác thành điện năng nh: Máy phát điện biến cơ năng, quangnăng, nhiệt năng thàh điện năng

b) Phụ tải

Phụ tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng và bién đổi điện năng thành cácdạng năng lợng khác nh: Bóng điện biến điện năng thành quang năng, động cơbiến điện năng thành cơ năng, bàn là và bếp điện biến điện năng thành nhiệtnăng

Ngoài hai loại chính trên, trong mạch điện còn có dây dẫn nối từ nguồn đếntải 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 nhautrong đó có cùng một dòng điện chạy qua Ví dụ ta xét hình1 có ba nhánh dánh số1;2 và 3

Để đặc trng cho quá trình biến đổi năng lợng( quá trình năng lợng) trongmột 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 qqua 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 điệntích 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 mộtnhánh là một mũi tên là chiều dơng nh hình 2a

Nếu uAB > 0 tức là điện thế ở điểm A lớn hơn điện thế ở điểm B và ngợc lạinếu uAB < 0 thì VA<VB.

c) Công suất

Trong một phần tử, một nhánh hay một mạch điện có thế nhận năng lợnghoắc phát năng lựơng Khi chon chiều điện áp, dòng điện trùng nhau và sau khitính toán công suất p của nhánh ta có thể kết luận nh sau về quá trình năng lợngcủa nhánh tại một thời điểm nào đó:

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 choquá 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 môhình mạch

2.1.3.1 Các thông số (phần tử) của mạch điện

a) Nguồn điện áp u(t)

Hình 3: Kí hiệu chiều nguồn đáp

Nguồn điện áp u(t) là thông số của mạch điện đặc trơng cho khả năng tạonên và duy trì trên hai bản cực của nguồn một điện áp, không phụ thuộc vào giá trịcủa 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

Trong đó G = R1 gọi là điện dẫn.

Công suất tiêu thụ trên R là:

pR= uR.i= R.i2

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 Ω(Ohm), điện dẫn có đơn vị làS(simen)

Điện năng tiêu thụ trên R trong khỏng thời gian t là:

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: ψ là từ thông móc vòng với cuộn dây 1 do chính dòng i tạo nên

ψ12 là từ thông móc vòng với cuộn dây 1 do dòng điện i2 tạo nên.Tơng tự, từ thông móc vòng với cuộn dây 2:

(2)

trong đó: ψ22 là từ thông móc vòng với cuộn dây 2 do chính dòng i2 tạo nên

ψ21 là từ thông móc vòng với cuộn dây 2 do dòng điện i1 tạo nên Trờng hợp trong môi trờng là tuyến tính, ta có:

(3)

Với L1, L2 tơng ứng là hệ số tự cảm của cuộn dây 1 và 2

M1= M2= M là hỗn cảm giữa hai cuộn dây

Từ định luật Lentz, với quy ớc đánh dấu các cực tính cùng tính nh trê, cóthể suy ra quy tắc sau đây để xác định dấu + hoặc dấu- trớc biểu thức M.di/dt của

(4)

cuộn dây và điện áp có cực tính dơng ở đầu vào có dấu chấm trong một cuộnk daykia thì điện áo hỗn cảm là M.di/dt, trờng hợp ngợc lại thì -M.di/dt.

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:

Nếu tại thời điểm t=0s, uC(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 trìnhnăng lợng và kết cấu hình học giống nh mạch điện thực, song các phần tử củamạch điện thay thế bằng các thông số lý tởng e, j, R, L, M, C

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 eMF nối tiếp với RMF và LMF,

đợc thay thế bằng RCd và Lcd Trờng hợp máy phát điện MF là máy phát điện mộtchiều 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 vàtính 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 đầu cực U=210V Lập sơ

đồ thay thế cho máy phát điện Tính công suất nguồn phát ra, công suất tải tiêu thụ

và công suất tổn hao trong máy phát?

Bài giải:

Sơ đồ thay thế cho máy phát trên hình VD1

Hình VD1

Hình gồn sđđ E nối tiếp với điện trở Ro là nội trở của máy phát Ta có

ph-ơng trình định luật Ôm cho nhánh có nguồn:

Khi không tải có I=0A, E=Uo= 220V

Khi có tải I= 10A, Ro= − = − = 1 Ω

10

210 220

I

U

R o

Công suất của nguồn: Png= E.I= 220.10 = 2200W

Công suất tải: Pt= U.I =210.10 = 2100W

Công suất tổn hao trong nguồn là: Pth= Ro.I= 1.102 =10W

2.1.4 Phân loại và các chế độ làm 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 điệnmột 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 điệnxoay chiều là dòng điện có chiều thay đổi theo thời gian

Dòng điện xoay chiều đợc sử dụng nhiều nhất là dòng điện hình sin, biến

đổi hình sin theo thời gian nh hình 6b

a b

Hình 6: Dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều

b) Phân theo tính chất của các phần tử

- Mạch điện tuyến tính là mạch điện mà các thông số R, L, M, C đều tyếntính nghĩa là R, L, M, C đều là hằng số, không phụ thuộc vào dòng điện i hoặc

b) Chế độ quá độ của mạch điện

Chế độ quá độ của mạch điện là quá trình xảy nảy sinh trong mạch điện,khi nó chuyển từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác Chế độ quá độ nàysảy ra khi đóng cắt hoặc thay đổi các thông số của mạch có chứa L, C thời gianquá độ ∆t thờng rất ngắn Trên hình 7a, 7b, trớc thời điểm t=0 là chế độ xác lập

cũ, sau thời điểm t =∆t là chế độ xá lập mới, còn 0<t<∆t là quá trình quá độ

Hình 7: Chế độ xác lập và quá độ

a.Dòng điện một chiều; b Dòng điện xoay chiều

3 Các định luật cơ bản về mạch điện.

3.1 Định luật Kirchhoff 1 hay K1.

Định luật Kirchhoff 1 còn đợc gọi là định luật Kirchhoff về dòng điện, đợcphát biểu nh sau:

Tổng đại số các dòng điện tại một nút bất kì bằng không.

3.2 Định luật Kirchhoff 2 hay K2.

Định luật này còn gọi là địn luật Kirchhoff về điện áp, đợc phát biểu nhsau

Tổng đại số các điện áp trên các phần tử dọc theo tất cảc các nhánh

trong một vòng kín với chiều tuỳ ý bằng không.

u1-u3+ e3- e1=0

Ta chuyển các sđđ về một phía ta có:

u1-u2= e1- e2

u1-u3= e1- e3

Nh vậy ta có thể viết lại phong trình trênh nh sau:

Trong đó upt _ là điện áp rơi trên các phần tử không phải là sđđ

Định luật Kirchhoff 2 đợc phát biểu lại nh sau:

Đi theo một vòng kín với chiều tuỳ ý, tổng đại số các sụt áp trên các phần tử bằng tổng đại số các sđđ.

Trong đó, nếu chiều vòng đi từ cực tính dơng(+) sang cực tính âm ( -) của

điện áp thì điện áp đó mang dấu dơng(+), còn ngợc lại mang dấu âm(-) và nếuchiều vòng đi từ cực tính âm(-) sang cực tính dơng(+) của sđđ thì mang dấu d-

ơng(+), còng ngợc lại mang dấu âm(-)

Ta có thể viết điện áp trên các phần tử thông qua các biến của nhánh là:

Trong đó, chiều mạch vòng cùng chiều dơng dòng điện mang dấu dơng,cong ngợc lại mang dấu âm

Ví dụ: Cho sơ đồ mạch một vòng kín sau

Hãy viết phơng trình điện áp theo định luật Kirchhoff 2?

Bài làm

áp dụng định luật Kirchhoff 2 ta có:

Định luật Kirchhoff 2 nói lên trính chất thế của mạch điện Trong mộtmạch điện xuất phát tì một điểm theo một vòng kín cà trở lại vị trí xuất phát thì l-ợng tăng thế bằng 0

Hai định luận Kirchhoff nói nên mối quan hệ dòng điện và điện áp trongmạch điện để từ đó xây dựng các phơng pháp giải mạch điện

Bài số 2:

Cho sơ đồ mạch sau:

a Mạch có boa nhiêu nhánh, bao nhiêu nút và bao nhiêu mạch vòng?

b Hãy nêu ra các nhánh gồm những phần tử nào? Các vòng qua các nhánhnào 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:

a Giả thiết mỗi nhánh một dòng điện và xác định chiều dơng dòng điệntrên các nhánh? Giả thiết về điện áp và chiều dơng điện áp trên các phần tử.

b áp dụng dịnh luật Kirchhoff 1 và 2 để viết các phơng trình về dòng chocác nút và các phơng trình về điện áp cho các mạch vòng?

điện trở suất của dây dẫn là 1/ 50(Ω mm /2 m) Vẽ mô hình mạch điện và tính dòng

điện chạy trên dây dẫn điện khi điện áp lới điện( đầu nguồn) là 220V

Đáp số: I= 0,88A

Bài số 6.

Một máy phát điện một chiều khi không tải điện áp trên đầu cực Uo=230V Khi tải có dòng điênh I= 20A, điwnj áp trên đầu cực U= 220V Lập sơ đồthay thế cho máy phát điện tính công suất nguồn phát ra, công suất tải tiêu thụ vàcông suất tổn hao trong máy phát

Đáp số: 4600W; 4400W; 200W

Bài số 7

Để chế tạo một bếp điện công suất 600W, điện áp 220V ngời ta dùng dây

Điện trở là một linh kiện thụ động, chúng có tác dụng cản trở dòng

điện, điện áp để tạo dòng điện, điện áp mong muốn tại một nhánh, một đoạn mạch.

1.1 Kí hiệu, phân loại, cấu tạo điện trở.

Hầu nh tất cả các vật liệu đều có điện trở, nếu vật lệu đó tốt thì điện trở của

nó nhỏ còn ngợc lại có giá trị lớn, và giá trị điện trở đợc tính theo công thức

R= δl/S

trong đó R: Điện trở của vật liệu ( Ω)

δ: Là điện trở suất cảu vật liệu (Ωmm2/m)

l: Là chiều dài cảu dây dẫn ( m)S: Tiết diện của dây dẫn (mm2)

+ Mạng điện trở

- Dựa vào vật liệu làm điện trở:

+ Điện trở than ép

+ Điện trở màng kim loại

+ Điện trở làm bằng ôxít kim loại+ Điện trở dây quấn

c) Cấu tạo một số điện trở

- Điện trở than ép dạng thanh hoặc trụ chế tạo từ bột than (cacbon, chất dẫn

điện rất tốt) trộn với chất liên kết (th ờng là pheno, chất không dẫn điện) Nung−nóng để làm hoá thể rắn hỗn hợp trên theo dạng hình trụ và đ ợc bảo vệ bằng một−lớp vỏ giấy phủ gốm hay lớp sơn Trở kháng của sản phẩm cuối cùng phụ thuộcvào tỉ lệ của cacbon so với chất không dẫn điện cũng nh khoảng cách giữa các−

đầu dây Điện trở hợp chất carbon có độ ổn định cao, là loại điện trở phổ biếnnhất, có công suất danh định từ 1/8W đến 1W hoặc 2W Loại điện trở này có trị số

có thể rất nhỏ hoặc rất lớn, giá trị từ 10 Ω đến 20M Ω Mặt khác, nó mang tínhthuần trở, các yếu tố điện dung cũng nh điện cảm hầu nh không đáng kể Điều− −này làm cho điện trở hợp chất carbon đ ợc sử dụng rộng rãi trong các bộ xử lý tín−hiệu radio

- Điện trở màng kim loại (còn gọi là điện trở dạng phim – film resistor)chế tạo theo cách kết lắng màng Ni-Cr trên thân gốm có xẻ rãnh xoắn sau đó phủ

lớp sơn, loại này có độ ổn định cao hơn loại than nh ng giá thành cũng cao hơn−vài lần

- Điện trở oxit kim loại: kết lắng màng oxit thiếc trên thanh SiO2, có khảnăng chống nhiệt và chống ẩm tốt, công suất danh định 1/2W

- Điện trở dây quấn th ờng dùng khi yêu cầu giá trị điện trở rất thấp, chịu−dòng lớn và công suất từ 1W đến 25W (tr ờng hợp đặc biệt chúng chính là bộ đốt−nóng bằng điện và có công suất lên tới hàng ngàn oat) Nó đ ợc cấu tạo bằng−cách sử dụng một đoạn dây dẫn làm từ chất không dẫn điện tốt, ví dụ nh−nicrome Dây dẫn sẽ quấn quanh một vật hình trụ giống nh một cuộn dây (nên−còn đ ợc gọi là điện trở cuộn dây) Trở kháng khi đó phụ thuộc vào vật liệu làm−dây dẫn, đ ờng kính và chiều dài dây dẫn Nh ợc điểm chính của điện trở loại− −này là nó hoạt động nh một bộ cảm ứng điện từ, nghĩa là không phù hợp với các−mạch tần số cao

- Ngoài ra cũn một số loại điện trở khỏc

+ Biến Trở và Triết áp

Biến trở là điện trở có thể thay đổi giá trị và có kí hiệu là VR

Biến trở thuờng đ ợc lắp dáp trong máy phục vụ cho quá trình sửa chữa ,−cân chỉnh của kĩ thuật viên và có cấu tạo nh sau:−

Biến trở nhiệt là có điện trở thay đổi theo nhiệt độ Trong thực tế mà ta haygặp loại biến trở có giá trị thay đổi bằng cách xoay vít

Triết áp : cũng có cấu tạo t ơng tự nh điện trở nh ng có thêm cần chỉnh− − −

và th ờng bố trí ở tr ớc mặt cho ng ời điều chỉnh dễ sử dụng, nó có công dụng− − −triết ra 1 phần điện áp từ đầu vào tuỳ theo mức độ quy định nh : Volume−

+ Quang trở

Là loại điện trở có giá trị thay đổi khi chiếu các c ờng độ ánh sáng vào−

kí hiệu trên sơ đồ

d) ứng dụng của điện trở

Trong sinh hoạt, điện trở đ ợc dùng để chế tạo các loại dụng cụ điện nh− −bàn là, bếp điện, bóng đèn sợi đốt …

Trong công nghiệp, điện trở đ ợc dùng để chế tạo các thiết bị sấy, s ởi,− −giới hạn dòng điện khởi động của động cơ …

Trong lĩnh vực điện tử, điện trở đ ợc sử dụng để giới hạn dòng điện, tạo−sụt áp, phân áp, định hằng số thời gian, phối hợp trở kháng, tiêu thụ năng l ợng−

th ờng đ ợc nghi trực tiếp lên thân VD: Điện trở công suất, Điện trở sứ− −

Trên thân của những điện trở này thờng ghi những số quy ớc nh:

+ Các chữ cái biểu thị đơn vị: R (hoặc E) = Ω; M = MΩ; K = KΩ + Vị trí của chữ cái biểu thị dấu thập phân