giáo trình mạch điện Cách làm chân, hàn IC chân bụng và câu dây động
Chương Khái niệm mạch điện Giáo trình Mạch Điện CHƢƠNG I KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN §1.1 GIỚI HẠN VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA LÝ THUYẾT MẠCH Việc nghiên cứu tượng vật lý thông thường người ta thiết lập mô hình tương đương ví dụ: Máy biến áp pha có mơ hình mạch sau U1 W1 W2 U2 Hình 1-1 Hoặc transistor trường có mơ hình mạch sau Hình 1-2 Từ mơ hình người ta phân tích tượng vật lý(vd: U 1/U2=W1/W2) Việc lập mơ hình cần phải xác kết phân tích gần với thực tế Để khảo sát tượng điện - từ kỷ thuật điện , người ta dùng loại mơ hình: Mơ hình mạch (lý thuyết mạch) Mơ hình trường (lý thuyết trường) Mơ hình mạch lý thuyết mạch điện trình truyền đạt biến đổi lượng, đo số hữu hạn biến : Dòng điện I điện áp U cực phần tử Việc phân tích mơ hình mạch dựa định luật bản: Định luật Kirchhoff1 (K1) cân dòng nút Định luật Kirchhoff2 (K2) cân áp cho mạch vòng kín Bản chất q trình điện từ phần tử mạch (R, L ,C) mơ tả phương trình đại số phương trình vi tích phân UR(t)=R.I(t) UL(t)=L.diL(t)/dt ic(t)=C.duc(t)/dt -5- Chương Khái niệm mạch điện Giáo trình Mạch Điện Trong R,L,C thơng số đặc trưng cá phần tử mạch §1.2 MẠCH ĐIỆN VÀ MƠ HÌNH 1) Mạch điện: Mạch điện hệ gồm thiết bị điện, điện tử ghép lại xảy q trình truyền đạt, biến đổi lượng hay tín hiệu điện tử đại lượng dòng điện điện áp.Mạch điện cấu trúc từ phần riêng lẻ đủ nhỏ thực chức xác định gọi “ phần tử mạch điện “ Có hai loại phần tử mạch điện : Phần tử nguồn phần tử phụ tải Nguồn phần tử dùng cung cấp lượng điện tín hiệu điện cho mạch.Vd: máy phát điện (biến đổi thành điện ) , ắc qui ( biến đổi hoá thành điện năng) , cảm biến nhiệt (biến đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệu điện) Tải phần tử tiêu tán lượng điện ( nhận lượng điện hay tín hiệu điện để biến thành dạng lượng khác ) Vd: động điện , đèn điện ( biến điện thành quang ) , bếp điện … Ngồi hai loại có nhiều loại phần tử khác : phần tử dùng để nối nguồn với tải( dây nối , hay đường dây tải điện ) , phần tử dùng thay đổi áp dòng phần khác cuả mạch( máy biến áp , máy biến dòng)… Trên phần tử thường có số đầu nối ta gọi cực dùng để nối với cá phần tử khác – Các định nghiã: a Điện áp: Điện áp hai điểm A B công cần thiết làm dịch chuyển đơn vị điện tích( coulomb ) từ A đến B Đơn vị cuả điện áp vôn ( V) Điện áp hai đầu phần tử mạch xác định kí hiệu(+ -) độ lớn (là giá trị đại số) UAB : Điện áp A B Ví dụ : viết UAB=5v điều hiểu điện đầu A lớn điện đầu B 5v Hình 1-3 -6- Chương Khái niệm mạch điện Giáo trình Mạch Điện Nếu ta đổi giá trị độ lớn điện áp hai đầu phần tử mạch điện từ âm sang dương ,đồng thời đổi giá trị (+ -) hai đầu phần tử ta mạch điện khơng đổi Ví dụ: hai mạch điện sau tương đương.Và ta có UAB = - UBA b Dòng điện: Là dòng chuyển dịch có hướng cuả diện tích Lượng điện tích dịch chuyển qua bề mặt (tiết diện ngang dây dẫn , dòng điện chạy dây dẫn ) đơn vị thời gian gọi cường độ dòng điện + UAB - Hình 1-4 Đơn vị cuả dòng điện ampere (A) I (t ) dQ(t ) dt Dòng điện nhánh mạch điện xác định chiều(kí hiệu) độ lớn (giá trị đại số) Chiều dòng điện định nghiã chiều chuyển động điện tích dương Để tiện lợi người ta chọn tuỳ ý chiều kí hiệu mũi tên gọi chiều dương cuả dòng điện thời điểm chiều dòng điện trùng với chiều dương I mang dấu dương ( I > ) chiều dòng điện ngược với chiều dương I âm ( I < ) Các dòng điện nhánh khác ta phải ký hiệu ký hiệu khác Hình 1-5 Ví dụ: Trên ba nhánh mạch điện ta ký hiệu ba dòng điện khác I1, I2 , I3 Nếu ta đổi giá trị độ lớn dòng điện qua phần tử mạch điện từ âm sang dương ,đồng thời đổi ký hiệu dòng điện nhánh ta mạch điện khơng đổi Ví dụ hai mạch điện sau đây(Hình 1-6) tương đương c) Nguồn tải Hiện tượng biến đổi lượng chia thành hai loại: Hình 1-6 Nguồn :( Phần tử cung cấp công suất) Là tượng biến đổi từ dạng lượng khác năng, hoá , nhiệt … thành lượng điện từ -7- Chương Khái niệm mạch điện Giáo trình Mạch Điện Một phần tử gọi nguồn cung cấp công suất dòng điện từ cực dương vào cực âm hai đầu phần tử Tải (Phần tử tiêu thụ công suất) Là Phần tử biến đổi lượng điện từ thành dạng lượng khác , nhiệt , quang , hoá … lượng tiêu tán khơng hồn trở lại mạch Một phần tử gọi tải dòng điện vào từ cực dương từ cực âm phần tử Ac quy : nguồn (phần tử cung cấp công suất) Ac quy : tải (phần tử tiêu thụ công suất) Hiện tượng tích phóng lượng điện từ : Hình 1-7 Là tượng lượng điện từ tích vùng khơng gian có tồn trường điện từ đưa từ vùng trả lại bên ngồi Hiện tượng tích phóng lượng điện từ bao gồm tượng tích phóng lượng trường từ tượng tích phóng lượng trường điện Trong cuộn dây : Hiện tượng xảy chủ yếu tượng tích phóng lượng trường từ Ngồi dòng điện dẫn gây tổn hao nhiệt dây dẫn cuộn dây nên cuộn dây xảy tượng tiêu tán ( cuộn dây xảy tượng tích phóng lượng trường điện thường yếu bỏ qua) Trong tụ điện : Trong tụ điện tượng chủ yếu xảy tượng tích phóng lượng trường điện Ngồi điện mơi giưã hai cực tụ có độ dẫn điện hưũ hạn nên tụ xãy tượng tiêu tán biến điện thành nhiệt Trong điện trở : Trong điện trở thực tượng chủ yếu xảy tượng tiêu tán (tải) Nó biến đổi lượng trường điện từ thành nhiệt Mơ hình Mơ hình mạch điện dùng lý thuyết mạch xây dựng từ phân tử mạch lý tưởng sau Phần tử điện trở (R) phần tử đặc trưng cho tiêu tán lượng ( tải) Quan hệ dòng điện điện áp hai cực điện trở có dạng u=R.i Hình 1-8 -8- Chương Khái niệm mạch điện Giáo trình Mạch Điện Phần tử điện cảm (L) phần tử đặc trưng cho phóng thích lượng trường từ Quan hệ dòng điện điện áp hai cực điện cảm có dạng u L di dt Hình 1-9 Phần tử điện dung (C) phần tử đặc trưng cho phóng thích lượng trường điện Quan hệ dòng điện điện áp hai cực điện dung có dạng i C du dt Hình 1-10 Phần tử nguồn phần tư cung cấp cơng suất Phần tử nguồn có hai loại A Phần tử nguồn áp: Nguồn áp độc lập i(t) Hình 1-11 e(t) + + _ u(t) u(t)=e(t)=const i(t) không phụ thuộc e(t) - Dòng điện i(t) phụ thuộc vào tải mắc vào hai đầu nguồn áp từ cực dương nguồn Nguồn áp phụ thuộc + Nguồn áp phụ thuộc áp (VCVS) (voltage controlled voltage source) Là phần tử nguồn áp mà giá trị phụ thuộc vào điện Hình 1-12 áp phần tử mạch Hình 1-13 + Nguồn áp phụ thuộc dòng (VCCS) (voltage controlled currunt source) Là phần tử nguồn áp mà giá trị phụ thuộc vào dòng điện qua phần tử mạch B Phần tử nguồn dòng: Nguồn dòng độc lập I(t)=j(t)=const U(t) khơng phụ thuộc vào j(t) -9- Chương Khái niệm mạch điện Giáo trình Mạch Điện Hình 1-14 Điện áp u(t) phụ thuộc vào tải mắc vào hai đầu nguồn dòng Nguồn dòng phụ thuộc + Nguồn dòng phụ thuộc áp (CCCS) (currunt controlled voltage source) Là phần tử nguồn dòng mà giá trị phụ thuộc vào điện áp phần tử Hình 1-15 mạch + Nguồn dòng phụ thuộc dòng (CCVS) (currunt controlled currunt source) Là phần tử nguồn dòng mà giá trị phụ thuộc vào dòng điện qua phần tử mạch Hình 1-16 §1.3 CÁC PHẦN TỬ MẠCH Trong phần ta xét phần tử mạch lý tưởng gồm phần tử hai cực như: phần tử điện trở , điện dung , điện cảm , nguồn áp nguồn dòng số phần tử bốn cực Phần tử điện trở : Kí hiệu R khái niệm: Phần tử điện trở phần tử đặc trưng cho tiêu tán lượng Mối quan hệ dòng điện điện áp U = fR (i) u,r r(i) r(i) u(i) u(i) i i Hình (a) Hình (b) Hoặc i = R (u) Hình 1-17 -10- Chương Khái niệm mạch điện u,r Giáo trình Mạch Điện r(i) Hình (a) : Đặc tuyến u(i) r(i) phần tử tuyến tính Hình (b) : Đặc tuyến u(i) r(i) phần tử phi tuyến u(i) i Hình 1-19 Trong trường hợp phần tử điện trở tuyến tính quan hệ dòng điện điện áp biểu thị sau: U=RxI Đặc tuyến u(i) r(i) phần tử điện trở tuyến tính Đơn vị : ohm (Ω) Điện trở tuyến tính có giá trị không âm không phụ thuộc vào giá trị điện áp dòng điện Từ phương trình U= R x I ta viết theo dạng sau: I= U =G.U R Hình 1-18 Từ ta rút ra: =G R G: gọi điện dẫn đo siemen (S) mho ( 1/Ω ) Khi R = ∞ G = phụ thuộc vào điện áp đặt điện trở => tương đương với hở mạch Phần tử điện dung : kí hiệu : C Là mơ hình lý tưởng tụ điện q = fc(u) Ta xét trường hợp điện dung tuyến tính , trường hợp : q = C x U Trong : C : điện dung tính Farad (F) có giá trị không phụ thuộc vào điện áp u,r C,q C(u) q(u) q(u) C(u) u u Hình (b) Hình (a) -11- Chương Khái niệm mạch điện Giáo trình Mạch Điện Hình 1.19 Hình(a) : Đặc tuyến q(u) C(u) phần tử điện dung tuyến tính Hình (b) : Đặc tuyến q(u) C(u) phần tử điện dung phi tuyến Dòng điện chạy qua điện dung tốc độ biến thiên điện tích i(t) = dq(t) / dt mà q(t) = C u(t) Nếu điện dung tuyến tính C khơng đổi theo thời gian : i(t) = C du(t) / dt Từ phương trình ta thấy điện áp phần tử điện dung : U (t ) t i(t )dt u (t ) c t Trong : u(t0) = q(t0) /C u(t0) : giá trị điện áp ban đầu phần tử điện dung Phần tử điện cảm : kí hiệu : L a Hiện tƣợng tự cảm : Phần tử điện cảm đặc trưng quan hệ từ thơng móc vòng dòng điện chảy qua cuộn dây = f L (i) Trong trường hợp phần tử điện cảm tuyến tính : tỉ số L = /i khơng phụ thuộc vào dòng điện L: gọi điện cảm hệ số tự cảm Đơn vị henry (H) L(i) L(i) i i Hình (b) Hình (a) Hình (a) : Đặc tuyến L(i) phần tử điện cảm tuyến tính Hình (b) : Đặc tuyến L(i) phần tử điện cảm phi tuyến Điện áp phần tử điện cảm tốc độ biến thiên từ thông : U(t) = d(t)/dt = eL (t) -12- Chương Khái niệm mạch điện Giáo trình Mạch Điện Trong : E(t) : sức điện động cảm ứng từ thông biến đổi theo thời gian gây nên : (t) = Li Nếu điện cảm tuyến tính L khơng biến đổi theo thời gian : U (t ) d di(t ) ( LI (t )) L dt dt Dòng điện trường hợp xác định từ phương trình : i(t ) u (t )dt ) i(t ) L 0 Trong : i(to) : Là giá trị dòng điện qua phần tử điện cảmtại thời điểm ban đầu to i (t ) (t ) L b Hiện tƣợng hổ cảm: Xét điện áp hổ cảm UKM gắn với dòng il , gọi hệ số áp hệ số hổ cảm MKl cuộn thứ k dòng cuộn thứ l : M KI (i I )= K () i I Ta có phương trình trạng thái gắn với phương trình hổ cảm hai cuộn dây : U KI =M KI di I () dt Xét hai cuộn dây hình sau : Cho dòng điện i1 i2 chạy vào hai cuộn dây : Từ thơng móc vòng cuộn dây : L1i1 Mi2 Dấu (+) i1 i2 chiều Dấu (-) i1 i2 ngược chiều Từ thơng móc vòng cuộn dây 2: L2 i2 Mi1 Lúc điện áp sinh ra: d di1 di2 dt dt dt d di di U (t ) L2 M dt dt dt U (t ) L1 M -13- Chương Khái niệm mạch điện Giáo trình Mạch Điện Trong trường hợp ( hình vẽ ) viết hệ phương trình sau : Viết K2 cho vòng U : di1 di M 0 dt dt di di U1 L M dt dt U L1 Viết K2 cho vòng U2: di2 di M 0 dt dt di di u L2 M dt dt U L2 §1.4 CƠNG SUẤT VÀ NĂNG LƢỢNG Chúng ta xét phần mạch điện chiụ tác động hai đầu điện áp u có dòng điện chạy i Nếu chiều dòng điện chiều điện áp phần tử chiều ta có lượng điện đưa vào phần tử đơn vị thời gian vô bé : dw = udq = u i dt Trong : dq : lượng điện tích dịch chuyển qua phần mạch điện từ cực dương đến cực âm khoảng thời gian dt Khi dó : cơng suất p(t) = dw/dt = u.i p(t) số âm số dương Nếu p(t) < : phần tử thực phát lượng điện với công suất giá trị tuyệt đối p Nếu như: p(t) > 0: phần tử thực hấp thụ lượng điện -14-