Bài giảng giáo trình Kỹ thuật Điện đại cương TNUT

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN ĐẠI CƢƠNG (4 tín chỉ) Điều kiện học: để học môn học Kỹ thuật điện đại cương, sinh viên phải học trước mơn học Vật lý đại cương, tốn chun ngành Mục tiêu học phần: Môn học trang bị cho sinh viên kiến thức về: CHƢƠNG NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN (Tổng số tiết: TC) Mục đích: Cung cấp cho sinh viên kiến thức mạch điện; định luật mạch điện - Phần mạch điện: Những khái niệm mạch điện; mạch điện tuyến tính với dòng điện sin; phương pháp phân tích mạch điện; Yêu cầu: Sinh viên phải nắm được: mạch pha - Các yếu tố hình học mạch điện; thông số trạng thái, thông số đặc trưng cho trình lượng mạch điện - Các luật cho phần tử (luật Ôm, Lenxơ – Pharaday, luật Măcxoen); định luật mạch điện (2 luật Kirhof) dạng tức thời biết cách vận dụng chúng để viết phương trình mơ tả trạng thái phần tử riêng biệt trạng thái mạch điện - Khái niệm cách tính công suất tiếp nhận lượng điện từ - Phần máy điện: Khái niệm chung máy điện; máy biến áp; máy điện không đồng bộ; máy điện chiều - Phần điện tử: Các linh kiện điện tử; mạch điện tử thông dụng - Phần mạch điều khiển: Phân tích thiết bị nguyên lý làm việc sơ đồ điều khiển động điện chiều, động điện không đồng thông dụng Đánh giá: Điểm thứ nhất: kiểm tra trình (26,66% ) Điểm thứ hai: Điểm tập nộp (13,33%) Điểm thứ ba: Thi kết thúc học phần (Hình thức trắc nghiệm, thời gian 60 phút) (60%) Yêu cầu môn học sinh viên: Mỗi sinh viên bắt buộc phải có: - Tập giảng Kỹ thuật điện đại cương - Một máy tính kỹ thuật cá nhân tính số phức - Một tập riêng Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng (công suất tức thời) cho nhánh, mạch điện 1.1 Mạch điện kết cấu hình học mạch điện 1.1.1 Định nghĩa mạch điện Mạch điện tập hợp thiết bị điện nối ghép với dây dẫn tạo thành vòng kín q trình truyền đạt lượng điện từ thực nhờ phân bố dòng áp nhánh 1.1.2 Các yếu tố hình học mạch điện + Nhánh: Là đoạn mạch gồm phần tử ghép nối tiếp có dòng điện chạy qua, khơng biến thiên theo tọa độ không gian mà biến thiên theo thời gian t (hình 1.1a) Ký hiệu số nhánh chữ m + Nút: Là điểm gặp nhánh trở lên (hình 1.1b) Số nút thường ký hiệu n Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng + Vòng: Là lối khép kín qua nhánh (hình 1.1c) Ký hiệu số vòng chữ v i(t) i(t) V1 V2 V3 V4 i1 - Nếu u i chiều p > ta nói nhánh thu lượng, p < ta nói nhánh phát lượng m=4 n=2 v=6 (3 vòng độc lập) R a, i3 - Ngược lại u i ngược chiều p > ta nói nhánh phát lượng, p < ta nói nhánh nhận lượng Chú ý: Trong mạch điện có m nhánh thơng số uk(t), ik(t) đặc trưng cho q trình lượng mạch Lúc cơng suất tiếp nhận lượng tính: p(t) = u1i1 + u2i2 + + ukik + … + umim c, i2 b, âm tuỳ thuộc vào việc quy ước chiều giá trị điện áp dòng điện nhánh: Hình 1.1 1.1.3 Các thơng số trạng thái q trình lƣợng nhánh 1.1.4 Các thông số đặc trƣng mạch Các thông số trạng thái q trình lượng nhánh dòng i(t), điện áp u(t) công suất điện từ p(t) Các thông số liên hệ với thơng qua phương trình đại số p(t) = u(t) i(t) Chúng đại lượng vơ hướng cần phải xác định chiều cho chúng + Dòng điện i(t): Là dòng chuyển dời có hướng hạt điện tích tác dụng điện trường Chiều dương dòng điện chọn tuỳ ý Ví dụ nhánh ab hình 1.2 ta quy ước dòng chạy từ a đến b duơng dòng chảy từ b đến a âm (iba < 0) + Điện áp u(t): uab hiệu điện u(t) b hai điểm Tương tự a Tuỳ theo điều kiện cụ thể nguồn kích thích chắp nối phần tử nhánh mà điện áp u(t), dòng điện i(t) cơng suất điện từ có trị số khác Do chúng khơng thể đặc trưng cho nhánh Sau ta tìm thơng số đặc trưng nhánh dòng điện, chiều điện áp tuỳ chọn Chiều dương quy ước từ điểm có điện cao tới điểm có điện thành điện - Hiện tượng tiêu tán: trình chuyển lượng điện thành dạng lượng khác như: nhiệt năng, hoá năng, … + Hiện tượng tích luỹ: q trình cất giữ lượng điện từ vào không gian xung quanh thiết bị điện mà không tiêu tán Khi trường điện từ tăng lên lượng điện từ tích luỹ thêm vào khơng gian Khi trường điện từ giảm lượng lại đưa cung cấp cho phần tử khác Vì tượng tích luỹ gọi tượng tích phóng i(t) p(t) Hình 1.2 thấp Nếu uab = a - b > uba = b - a < Thông thường, chiều dương điện áp chọn trùng với chiều dương dòng điện + Cơng suất điện từ hay gọi cơng suất tiếp nhận lượng p(t) định nghĩa: p(t) = u(t) i(t) Cơng suất điện từ dương Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 1.1.4.1 Những tượng lượng xảy mạch Các q trình lượng xảy mạch điện phân thành hai loại chính: + Hiện tượng chuyển hố: q trình chuyển lượng từ dạng đến dạng khác, phân làm hai loại: - Hiện tượng tạo nguồn: hay gọi tượng nguồn trình biến nguồn lượng khác như: nhiệt năng, hoá năng, … Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 1.1.4.2 Các thông số đặc trưng cho tượng nguồn Đơn vị điện trở  Để đặc trưng cho tượng tạo nguồn, ta dùng nguồn áp u(t) Trong đó, g = 1/R - điện dẫn nhánh Đơn vị g Simen (S) nguồn dòng i(t) + Nguồn áp u(t) hay nguồn sức điện động e(t): thông số mạch điện, đặc trưng cho khả tạo trì mạch điện áp hay sức điện động biến thiên theo quy luật định, khơng phụ thuộc vào mạch ngồi Tuỳ theo mạch ngồi mà dòng điện mạch có giá trị khác Ký hiệu nguồn áp hình 1.3a + Nguồn dòng j(t): thơng số mạch điện, đặc a a trưng cho khả tạo trì hàm dòng điện j(t) khơng e(t) u(t) j(t) đổi cực nguồn Tuỳ thuộc mạch mà điện áp b b a, b, cực nguồn có giá trị khác Ký hiệu nguồn dòng Hình 1.3 hình 1.3b Chú ý: Từ định nghĩa ta dễ dàng thấy nguồn áp có tổng trở khơng nguồn dòng có tổng trở vơ 1.1.4.3 Thông số đặc trưng cho tượng tiêu tán - Điện trở R Hiện tượng tiêu tán nhánh đặc trưng thông số gọi điện trở nhánh, ký hiệu R (hình 1.4) R đặc trưng riêng cho trình tiêu tán nhánh Trên phần tử cơng iR hay Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng i= u = gu R p i2 Nếu i = A  R = p  R lớn p lớn 1.1.4.4 Thơng số đặc trưng cho tượng tích phóng lượng từ trường - Điện cảm L Khi có dòng điện chảy qua cuộn dây, khoảng khơng gian xung quanh cuộn dây tích luỹ lượng từ trường WM với thông lượng  Ta thấy dòng điện tăng  tăng Theo định luật Lenx-Faraday ta có điện áp cuộn dây là: d (1.2) u L = -e L = dt Vì từ thơng hàm dòng điện nên ta viết: uL di 01 dt p(t) i(t) a (1.3) L u(t) b Hình 1.5   L gọi điện cảm cuộn dây, đơn vị Henry (H), i ký hiệu hình 1.5 Điện cảm thơng số nói lên phản ứng từ thơng tác dụng dòng điện kích thích Nó lượng tăng từ thông xuyên qua cuộn dây dòng kích thích tăng thêm lượng chuẩn 1A Về mặt lượng, điện cảm L nói lên khả tích luỹ lượng từ trường vào khơng gian quanh cuộn dây Trong R di di Thật vậy, từ biểu thức p = ui = L i = L dt 2dt Vi phân lượng từ trường tích vào khơng gian quanh cuộn dây: uR Hình 1.4 suất tiếp nhận trường hợp không âm, nghĩa điện áp dòng điện qua R chiều Chúng liên hệ với qua biểu thức định luật Ôm: u=Ri Về trị số: R = (1.1) dWM (1.4) Ldi  L = 2 di Vậy điện cảm L hai lần lượng tăng lượng từ trường tích luỹ vào khơng gian quanh cuộn dây bình phương dòng điện tăng thêm lượng chuẩn 1A2 dWM = p.dt = Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 1.1.4.5 Thơng số đặc trưng cho tượng tích phóng lượng điện trường - Điện dung C tượng lượng ghép nối lại theo kết cấu thiết bị điện (hoặc mạch điện) Nó miêu tả hình dáng kết cấu trình Khi đặt điện áp u vào hai cực tụ điện cực tụ nạp điện tích ±q vào khơng gian hai cực có điện trường với cường độ E tích luỹ lượng điện trường WE Theo định lý iC C dòng chuyển dịch Măcxoen, dòng điện chạy qua uC tụ bằng: lượng thiết bị điện (hoặc mạch điện) Với cách biểu diễn số nhánh, số nút sơ đồ giống hệt dq dt Vì q hàm điện áp u nên: iC = iC = C du dt (1.5) Hình 1.6 (1.6) q gọi điện dung tụ điện, đơn vị Fara (F), ký u hiệu sơ đồ hình 1.6 C thơng số nói lên phản ứng nạp điện tác dụng điện áp kích thích Nó lượng tăng điện tích cực tụ điện điện áp tăng lượng chuẩn 1V ý nghĩa mặt lượng: điện dung C nói lên khả tích luỹ lượng điện trường vào khơng gian hai cực tụ điện Tương tự điện cảm: thiết bị điện (hoặc mạch điện), tiện lợi cho việc thiết lập phương trình tính tốn thông số trạng thái u, i, p … mạch Ví dụ: Hình 1.7a mạch điện bao gồm máy phát điện xoay chiều cung cấp điện cho bóng đèn sợi đốt bóng huỳnh quang Hình 1.7b sơ đồ mạch hệ thống, đó: - Máy phát biểu diễn sức điện động e, R1, điện cảm L1 - Bóng đèn huỳnh quang biểu diễn điện trở R4 điện cảm L4 - Các bóng đèn sợi đốt biểu diễn điện trở R2, R3 Trong C = dWE (1.7) C=2 du Vậy điện dung C lần lượng tăng lượng điện trường tích luỹ vào khơng gian hai cực tụ điện bình phương điện áp tăng thêm lượng chuẩn 1V2 1.1.4.6 Sơ đồ mạch điện Để mơ tả phân tích tượng lượng thiết bị điện (hoặc mạch điện) ta dùng sơ đồ mạch điện Sơ đồ mạch điện gồm phần tử e, j, R, L, C phần tử cụ thể hố thơng số đặc trưng cho Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng Máy  phát điện x x Đèn sợi đốt a, Đèn huỳnh quang L1 e L4 R3 R1 R4 R2 b, Hình 1.7 1.2 Các Luật kirhof (kiếchốp) mạch điện 1.2.1 Luật Kirhof a, Phát biểu: Tổng đại số dòng điện nút  i k (t) = (1.8) i1 nót Với quy ước dòng vào nút lấy dấu (+) dòng khỏi nút lấy dấu (-) ngược lại Ví dụ: Viết phương trình theo luật Kirhof cho nút A hình 1.8 -i1 + i2 - i3 =  i3 i2 A Hình 1.8 i1 + i3 = i2 (*) Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng Từ (*) ta có cách phát biểu 2: Tổng dòng điện vào nút tổng dòng điện rời khỏi nút b, ý nghĩa: - Về vật lý, luật Kirhof nói lên tính liên tục dòng điện (tại nút khơng có ứ đọng điện tích) - Về hình học, khẳng định tồn yếu tố nút mạch điện a, Phát biểu: Đi theo vòng kín có chiều tuỳ chọn tổng đại số sụt áp phần tử R, L, C tổng đại số sức điện động vòng  i dt k   =  ek (1.9) vßng b, ý nghĩa: - Về vật lý, luật Kirhof nói lên tính chất mạch điện (đi theo vòng khép kín độ tăng điện khơng) - Về hình học khẳng định tồn yếu tố vòng, nhánh kết cấu mạch 1.2.3 Vị trí luật Kirhof toán mạch Hai luật Kirhof cho ta mối liên hệ lượng dòng, áp, cơng suất điện từ nút, vòng Đồng thời mơ tả tính chất mạch điện,đó luật điểm xuất phát điểm toàn toán mạch Về nguyên tắc, khảo sát mạch điện ta phải xuất phát từ luật Kirhof 1.2.4 Số phƣơng trình độc lập theo luật Kirhof Phương trình độc lập phương trình khơng thể suy từ phương trình có Một mạch điện có n nút m nhánh, ta viết n -1 phương trình Kirhof m - (n - 1) phương trình Kirhof độc lập Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng i1 j  i  i  i   j 1 di   e1 R1i1  R 2i  L dt  di   R 2i  L dt  R 3i3  C  i3dt  e3  i3 i2 thái mạch điện hình 1.9 R1 Giải: Với chiều dương dòng R2 R3 C3 vòng chọn hình vẽ, ta viết e1 3phương trình độc lập theo luật Kirhof 1, 2: 1.2.2 Luật Kirhof  di   R k i k + L k dtk + C vßng  k Ví dụ: Viết hệ phương trình độc lập theo luật Kirhof 1, mô tả trạng L2 e3 j Hình 1.9 (1) (2) (3) 1.3 Phân loại toán mạch + Một cách tổng quát ta phân toán mạch điện thành hai loại: Bài tốn phân tích mạch tốn tổng hợp mạch - Bài tốn phân tích mạch: cho mạch, cho thơng số phần tử, nguồn kích thích, u cầu tìm trạng thái mạch (dòng, áp, cơng suất) - Bài tốn tổng hợp: cho trước u cầu dòng, áp, cơng suất cần tìm thơng số kết cấu mạch cho thoả mãn yêu cầu Bài tốn phân tích có lời giải, tốn tổng hợp có nhiều lời giải khác Vấn đề đặt sau tổng hợp cần tìm lời giải tối ưu + Ngồi ra, theo chế độ làm việc mạch ta phân toán mạch chế độ xác lập tốn mạch chế độ q độ Theo tính chất phần tử, ta phân toán mạch tuyến tính tốn mạch phi tuyến 10 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng CHƢƠNG DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN VÀ PHẢN ỨNG CỦA NHÁNH ĐỐI VỚI a DỊNG ĐIỆN HÌNH SIN (Tổng số tiết: 6; số tiết lý thuyết: 4; số tiết tập, thảo luận: 2) Mục đích: Cung cấp cho sinh viên kiến thức mạch điện pha có dòng hình sin; loại công suất mạch điện t t >0 a = A msin  t +   Yêu cầu: Sinh viên phải nắm được: - Các đặc trưng đại lượng hình sin nói chung; đặc trưng so sánh dòng điện, điện áp mạch có tần số - Biết cách biểu diễn dòng điện, điện áp mạch có tần số vectơ phẳng - Phản ứng nhánh dung, cảm, trở, nhánh R -L C nối tiếp có kích thích dạng sin - Khái niệm, công thức ý nghĩa loại công suất mạch điện có dòng hình sin Các phương pháp để nâng cao hệ số công suất cos 2.1 Đặc trƣng so sánh đại lƣợng sin tần số 2.1.1 Các đặc trƣng chung sin(t + ) Hàm điều hồ có dạng tổng qt: a = A m  (2.1) cos(t + ) Được biểu diễn đường cong hình 2.1 phân biệt với thông số đặc trưng: + Biên độ: kí hiệu Am-là trị số cực đại nói lên độ lớn bé của hàm điều hồ + Góc pha (t+): nói rõ trạng thái pha hàm điều hồ thời điểm t q trình diễn biến, đó: Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng Biên độ 11 Hình 2.1 - Tần số góc : nói lên biến thiên góc pha hàm điều hồ, có đơn vị rad/s - Góc pha đầu  : Nói rõ trạng thái ban đầu (thời điểm t = 0) hàm điều hồ Có đơn vị rad, theo thói quen lại hay dùng độ Tại t = 0: a(0) = -Am sin _  < a(0) = Am sin _  > Vậy cặp (biên độ; góc pha) làm thành cặp số đặc trưng cho độ lớn góc pha hàm điều hồ Muốn so sánh hàm điều hoà ta so sánh đặc trưng chúng với Dòng điện, điện áp điều hồ mạch có dạng tổng qt: sin(t  i ) i  Im  ; cos(t  i ) sin(t   u ) u  Um  cos(t   u ) (2.2) gọi dạng tức thời, chúng có cặp đặc trưng: [Im; (t+i)]; [Um; (t+u)] Trong giáo trình, dòng điện, điện áp mạch thường biểu diễn dạng hình sin 2.1.2 So sánh đại lƣợng hình sin tần số Khi mạch có dòng điện, điện áp tần số chúng đặc trưng cặp (biên độ; pha đầu), để so sánh chúng với nhau, ta so sánh xem: 12 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng + Biên độ đại lượng (kém) đại lượng lần, tức lập tỷ số biên độ Ví dụ: ta lập tỷ số biên độ điện áp dòng điện: Um ? Im + Góc pha đại lượng lớn (vượt pha, vượt trước, sớm pha) nhỏ (chậm sau, chậm pha) so với góc pha đại lượng độ chênh lệch góc pha đại lượng gọi góc lệch pha 2.1.3.2 Tần số f: số chu kỳ biến thiên hàm điều hoà thời gian giây, tức f T 1 hay    2f T - Đơn vị tần số f Héc - (Hz) Ví dụ: Dòng điện cơng nghiệp có f = 50Hz - tức biến thiên 50 chu kỳ giây f  Ví dụ: góc lệch pha điện áp dòng điện ký hiệu : 2.1.3.3 Trị số hiệu dụng dòng điện, điện áp điều hồ + Trị số hiệu dụng dòng điện:   (t   u )  (t  i )   u  i Ta xét nhánh tiêu tán đặc trưng thông số r r - Đầu tiên cho qua dòng điện chu kỳ i, i điện biến thành dạng lượng (I) khác với công suất tiêu tán p(t) = ri2, lượng tiêu tán chu kỳ công A:   u  i    : Điện áp vượt trước dòng điện góc   ψ u  ψ i  φ  : Điện áp chậm sau dòng điện góc   ψ u  ψ i  φ  : Điện áp trùng pha với dòng điện π : Điện áp vng pha với dòng điện  φ π : Điện áp ngược pha với dòng điện  φ T 2.1.3.1 Chu kỳ T: khoảng thời gian ngắn để đại lượng hình sin lặp lại trạng thái ban đầu, hình 2.2 i Trên đồ thị ta thấy chu kỳ khoảng thời gian góc pha biến thiên lượng t 2 hay: T  2    2 T T= 2 Hình 2.2 Vậy tần số góc  lựơng biến thiên góc pha giây, đơn vị là: rad/s Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 13 Hình 2.3 T A   p(t) dt   Ri dt 2.1.3 Chu kỳ tần số T (2.3) - Cũng nhánh đó, cho qua dòng khơng đổi I, lượng tiêu tán thời gian T rI2T Với dòng chu kỳ i cho, tìm dòng khơng đổi I tương đương mặt tiêu tán, cho lượng tiêu tán chu kỳ nhau: T RI T   Ri dt (2.4)  I 1T Ri dt T 0 (2.5) - gọi trị số hiệu dụng dòng chu kỳ i Ta định nghĩa: gọi giá trị dòng khơng đổi I tương đương mặt tiêu tán với dòng chu kỳ i trị số hiệu dụng dòng chu kỳ i Như trị số hiệu dụng thơng số động lực học dòng biến thiên i, liên hệ với cơng suất tiêu tán trung bình P qua công thức: P = rI2 14 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng  Nếu dòng mạch i = Imsint i  I2m sin t  I 2m Ví dụ: Hình 2.4, biễu diễn vectơ X : 1cos t có độ dài X, hợp với trục 0x góc  (2.6) + Với đại lượng hình sin tần số thời điểm chúng có vị trí tương chúng đặc trưng cặp thông số (trị hiệu dụng; góc pha đầu) chúng biểu diễn vectơ có: - Độ dài trị hiệu dụng - Góc góc pha đầu Với cách biểu diễn điểm cố định mặt phẳng pha ứng với vectơ phẳng, biểu diễn hàm điều hoà (sin cos tuỳ theo quy Thay vào công thức (2.5): I I 1T (Im sin t )dt   T0 I2m T 1cos t I dt  m T 0 Im (2.7) U Tương tự: U 1T u dt T 0 Um ; E E ; 1T e dt T 0 (2.8) ước) với trị số hiệu dụng chạy từ đến  góc pha đầu từ đến 2 dạng (2.9) u = U 2.sin( t +  u )  U (U;  u ) Điện áp: Xét đến ý nghĩa động lực trị hiệu dụng quan hệ đơn giản trị số hiệu dụng biên độ dụng cụ đo dòng điện điện áp chế tạo để giá trị hiệu dụng Khi nói đến trị số dòng điện điện áp nói đến trị số hiệu dụng Qua ta thấy dòng điện điện áp mạch có tần số đặc trưng cặp (hiệu dụng; pha đầu) Ví dụ: i = I 2.sin( t +  i )  I (I;  i ) Ví dụ: Dòng điện: Em + Ưu điểm việc biểu diễn hàm điều hoà véctơ: - Cách biểu diễn vectơ gọn rõ, nêu rõ giá trị hiệu dụng, góc pha góc lệch pha hàm điều hồ - Đồ thị vectơ tiện việc cộng trừ đại lượng hình sin tần số chất Ví dụ: Ta có: Dòng điện i  I sin(t  i )  i(I; i ) ; i1  I1 sin  t  1   I1  I1 ; 1  i  I2 sin  t     I2  I2 ;   Điện áp u  U sin(t   u )  u(U;  u ) Tìm i  i1  i  I1 sin  t  1   I2 sin  t     I sin  t   2.2 Biểu diễn đại lƣợng hình sin vecto phẳng Ngồi cách biểu diễn đại lượng hình sin đường cong mục (2.1) ta biểu diễn đại lượng hình sin vectơ phẳng y  + Trong toán học ta biết, X cặp (độ dài; góc) biễu diễn X vectơ mặt phẳng pha (xOy)  x  Ta việc cộng (trừ) hai vectơ biễu diễn, hình 2.6: I1  I2  I  I;   Véctơ hợp thành I  I;  cho giá trị hiệu dụng pha đầu dòng tổng hiệu cần tìm Hình 2.4 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 15 16 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng y y  I1    I  I1  I i, u, p    I  I1  I y pR iR  I1  I2 x a, Hình 2.6 IR U R x  I2 P áp rơi điện trở là: u R = Ri R = RI R 2.sin t = U R 2.sin t a, b, T= 2 uR Hình 2.7 - So sánh uR với iR ta quan hệ trị số góc pha chúng: U R RI R = =R IR IR + Về góc pha: R   u R   iR  0 t x 2.3.1 Nhánh trở - Nhánh trở nhánh có phần tử điện trở ngồi khơng phần tử khác, hay nhánh trở nhánh có tượng tiêu tán ngồi khơng tượng khác - Xét nhánh trở có điện trở R hình 2.7 p >0 Giả thiết dòng điện nhánh có iR R R dạng i R = I R 2.sin t , theo luật Ơm, điện (2.10) Cơng suất tiêu tán trung bình chu kỳ P (W): 1T 1T 2 P   p dt   RI R (1  cos 2t)dt  RI R  U R I R T0 R T0 (2.13) - Đồ thị vectơ đồ thị hình sin hình 2.8 Nhận xét: - Điện áp phần tử trở có độ lớn gấp R lần trùng pha với dòng điện qua nó, hay cặp số (R; 00) đặc trưng cho phản ứng nhánh tiêu tán độ lớn góc pha - Cơng suất tiếp nhận lương điện từ khơng âm lượng điện từ luôn đưa từ nguồn đến phần tử R để sinh công (nhiệt, 2.3.2 Nhánh cảm (2.11) p R  u R i R  U R sin t.I R sin t   U R IR 2sin t  U R IR 1  cos 2t   RI R2 1  cos 2t   b, Hình 2.8 năng) - Quá trình lượng: ta xét trình lượng thông qua công suất tiếp nhận lượng điện từ (tức thời) đưa vào nhánh: (2.12) - Nhánh cảm nhánh có phần tử điện cảm, ngồi khơng phần tử khác, hay nhánh cảm nhánh có tượng tích phóng lượng từ trường ngồi khơng pL > tượng khác < - Xét nhánh dung có điện dung C hình 2.11 iC C Giả thiết điện áp nhánh có dạng: uC u C  U C sin t Hình 2.11 Theo định lý dòng chuyển dịch, dòng điện qua điện dung là: 20 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng Có nhiệm vụ truyền tin tức liệu theo không gian (trên khoảng cách định) từ nguồn tin tới nơi nhận tin - Các đặc điểm bản: - Cấu trúc sơ đồ khối hình 9.1: Nguồn tin Gia cơng tin Tạo dao động cao Điều chế + Là hệ cấu trúc dạng hở + Có hai phương pháp thực trình đo: phương pháp Anten phát Khuếch đại Phối hợp Thiết bị phát Thiết bị thu Chọn lọc > Dải điều chế Gia công Nhận tin Hình 9.1 Sơ đồ khối hệ thống thơng tin thu - phát - Các đặc điểm chủ yếu: + Là dạng hệ thống hở + Bao gồm trình bản: Quá trình phát tin trình thu nhận tin + Chất lượng hiệu hệ thống phụ thuộc vào yếu tố là: Thiết bị phát, thiết bị thu môi trường thực trình truyền tin (địa hình, thời tiết, nhiễu ) + Các tiêu quan trọng hệ thống: Dạng điều chế (AM, FM, analog, digital), công suất xạ thiết bị phát, khoảng cách điều kiện môi trường truyền, độ nhạy độ chọn lọc thiết bị thu b, Hệ đo lƣờng điện tử Hệ loại có nhiệm vụ thu thập tin tức liệu đối tượng hay tiếp xúc (thiết bị đầu vào tiếp xúc trực tiếp với đối tượng đo nguồn tin) phương pháp không tiếp xúc + Khâu quan trọng biến đổi đầu vào, gọi sensơ có nhiệm vụ biến đổi thông số đại lượng vật lý cần đo dạng dòng điện điện áp + Mọi kết đo có sai số + Có thể thực gia công thông tin đo phương pháp analog hay digital + Có khả đo nhiều thơng số (nhiều kênh) hay đo xa c, Hệ tự điều chỉnh Hệ có nhiệm vụ theo dõi khống chế vài thơng số q trình cho thơng số phải có giá trị nằm giới hạn định trước (hoặc giới hạn này) tức có nhiệm vụ tự động ổn định thơng số trị số hay dải trị số cho trước Chỉ thị kết - Sơ đồ cấu trúc: Đối tượng cần T o khống chế Khối chấp hành trình để đánh giá thơng số trạng thái chúng - Cấu trúc khối hình 8.2: Biến đổi đầu vào Khuếch đại sai lệch Ux So sánh U ch Tạo tín hiệu chuẩn  U  U x  U ch Hình 9.3 Sơ đồ khối tổng quát hệ tự điều chỉnh nhiệt độ - Các đặc điểm chủ yếu: + Là hệ dạng cấu trúc kín Hình 9.2 Sơ đồ khối hệ thống đo lƣờng điện tử Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 155 156 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng + Thông số đo (thông số cần ổn định), so sánh với thông số chuẩn, lượng sai lệch tín hiệu điều khiển để ổn định thơng số đo Kết luận: - Muốn tạo hạt dẫn tự chất bán dẫn cần có lượng + Độ mịn (độ xác) điều chỉnh phụ thuộc vào yếu tố: Độ xác q trình biến đổi thông số chuẩn, thông số đo, dải sai lệch kích thích đủ lớn Ekt # Eg - Dòng điện chất bán dẫn gồm thành phần tương đương Äu tính chất quán tính hệ + Có thề điều chỉnh liên tục (analog) hay gián đoạn (digital) theo thời gian trình phát sinh cặp hạt dẫn tạo (ni = pi) b, Chất bán dẫn tạp * Chất bán dẫn tạp chất loại n Người ta tiến hành pha thêm nguyên tử thuộc nhóm bảng tuần hồn Medeleep vào mạng tinh thể chất bán dẫn nguyên chất nhờ công nghệ đặc biệt, với nồng độ khoảng 1010 đến 1018 nguyên tử/cm3 Khi nguyên tử tạp chất thừa điện tử vành ngoài, liên kết yếu với hạt nhân, dễ dàng bị iơn hố nhờ nguồn lượng yếu tạo nên cặp iôn dương tạp chất - điện tử tự Ngoài ra, tượng phát sinh hạt dẫn giống chế chất bán dẫn xảy với mức độ yếu Kết mạng tinh thể tồn đa số hạt dẫn điện tử có nồng độ nn thiểu số hạt dẫn lỗ trống có nồng độ pn (chênh nhiều cấp nn >> pn) Do tập chất bán dẫn loại gọi chất bán dẫn loại n (cho điện tử) * Chất bán dẫn tạp chất loại p Nếu ta tiến hành pha tạp chất thuộc nhóm bảng tuần hồn Medeleep vào tinh thể chất bán dẫn ta chất bán dẫn tạp chất loại p với đặc điểm chủ yếu nguyên tử tạp chất thiếu điện tử vành ngồi nên liên kết hố trị (ghép đơi) bị khuyết, ta gọi lỗ trống liên kết, có khả nhận điện tử, nguyên tử tạp chất bị ion hoá sinh đồng thời cặp: ion âm tạp chất - lỗ trống tự Mức lượng tạp chất loại p 9.2 Các linh kiện điện tử 9.2.1 Chất bán dẫn nguyên chất chất bán dẫn tạp chất a, Chất bán dẫn - Chất bán dẫn điển hình là: Gecmanium (Ge) Silicium (Si), thuộc nhóm bảng tuần hồn Medeleep - Mơ hình cấu trúc mạng tinh thể (1 chiều): Có dạng hình 8.3, với chất liên kết ghép đơi điện tử hố trị vành ngồi - Tính dẫn điện: 00K liên kết hoá trị bền vững chúng chất cách điện (khơng có hạt dẫn điện) Khi nguồn lượng ngồi kích thích, xảy tượng iơn hố nguyên tử nút mạng sinh cặp hạt dẫn tự do: điện tử bứt khỏi liên kết ghép đôi trở thành hạt tự để lại liên kết bị khuyết (lỗ trống) Các cặp hạt dẫn tự này, tác dụng trường hay Gradien nồng độ có khả dich chuyển có hướng lòng tinh thể tạo nên dòng điện chất bán dẫn Vùng dẫn ni nằm vùng cấm sát đỉnh vùng hố trị hình….cho phép giải thích cách sinh hạt dẫn chất bán dẫn loại Trong mạng tinh thể chất bán dẫn tạp chất loại p tồn nhiều ion âm tạp chất có tính chất định xứ vùng dòng điện chất bán dẫn loại p gồm hai thành phần không tương đương 1,12eV Vùng hố trị pi Hình 9.4 Cấu trúc mạng tinh thể chiều chất bán dẫn Si Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 157 158 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng nhau: lỗ trống gọi hạt dẫn đa số, điện tử gọi hạt thiểu số, với nồng độ pp np (pp >> np) dạng hình 9.6, phân làm ba vùng: 9.2.2 Điốt bán dẫn + Vùng 1: Là vùng mở (phân cực thuận), Dòng điện thuận tăng nhanh điện áp thuận tăng (do nhiệt độ tăng) a, Cấu tạo Hình 8.5 mơ tả cấu tạo điốt bán dẫn, gồm có: Hai đơn tinh thể bán dẫn tạp chất n p tiếp xúc công nghệ với nhau, cực nối với bán dẫn loại n gọi catốt (K), cực nối với bán dẫn P gọi anốt (A) Lớp tiế p xúc K K A i A   p n   a, Cấu tạo b, Ký hiệu E tx E ng Hình 9.5 Cấu trúc ký hiệu điốt bán dẫn sơ đồ mạch b, Nguyên lý làm việc + Vùng 2: Là vùng khoá (phân cực ngược), xuất dòng điện rò nhiệt độ gần không đổi + Vùng 3: Là vùng đánh thủng, dòng điện ngược tăng vọt điện áp ngược có giá trị đủ lớn (do ion hố va chạm) - Các tham số giới hạn điốt bán dẫn + Điện áp ngược cực đại cho phép Ungmax= 80%Uđt + Dòng cực đại cho phép qua điốt lúc mở IAcf + Công suất cực đại cho phép điốt để chưa bị hỏng nhiêt PAcf + Tần số giới hạn cho phép fmăx - Các tham số định mức điốt + Điện trở chiều điốt rt = UAK/IA + Điện trở vi phân (xoay chiều) điốt r®  u AK / i A - Khi chưa có điện trường ngồi: có chênh lệch lớn nồng độ hạt mang điện hai đơn tinh thể bán dẫn tạp chất, mặt tiếp xúc xuất điện trường tiếp xúc Etx hướng từ n sang p, ngăn chặn dòng điện khuếch tán từ p sang n - Khi có điện trường ngồi chiều với điện trường tiếp xúc dòng điện khuếch tán từ p sang n giảm tới khơng Ta gọi phân I A (mA) cực ngược 100 - Khi điện trường Ge Si ngược chiều với điện trường tiếp xúc dòng điện khuếch tán từ p sang n tăng nhanh Ta gọi U AK (V) 15 phân cực thuận 0, 0, c, Đặc tuyếnVon-Ampe Si tham số điốt - Đặc tuyến Von-Ampe có Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng Ge Hình 9.6 Đặc tuyến Vol-Ampe củ a đ iố t bán dẫ n 159 + Điện dung tiếp giáp p-n: Cpn = Ckt + Crào (Ckt điện dung phụ thuộc vào điện áp thuân, Crào điện dung phụ thuộc vào điện áp ngược) d, Phân loại điốt - Theo đặc điểm cấu tạo phân thành: Điốt tiếp điểm, điốt tiếp mặt - Theo vật liệu chế tạo có: Điốt giecmani (Ge), điốt silic (Si) - Theo tần số giới hạn fmax có: Điốt tần số cao, điơt tần số thấp - Theo cơng suất PAcf có: Điốt cơng suất lớn, cơng suất trung bình, cơng suất nhỏ - Theo nguyên lý hoạt động hay phạm vi ứng dụng có: Điốt chỉnh lưu, điốt ổn định điện áp (điốt Zener), điốt biến dung (Viricap), điốt sử dụng hiệu ứng xuyên hầm (điốt Tunen)… 160 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng Để tranzito làm việc, người ta phải đưa điện áp chiều tới điện cực nó, gọi phân cực cho tranzito Đối với chế độ khuếch đại J E 9.2.3 Tranzito (loại tiếp giáp mặt bipolar) a, Cấu tạo Gồm miền bán dẫn p n xen kẽ nhau, tùy theo trình tự xếp miền p n mà ta có hai loại cấu tạo điển hình pnp npn hình 9.7 Để cấu tạo cấu trúc người ta áp dụng phương pháp công nghệ khác phương pháp hợp kim, phương pháp khuếch tán, phương pháp epitaxi phân cực thuận JC phân cực ngược hình 9.9 Miền bán dẫn thứ tranzito miền emitơ với đặc điểm có nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với miền gọi cực emitơ Miền thứ hai Hình 9.8 Phân tích cấu tạo tranzito miền bazơ với nồng thành hai điốt mạch tƣơng hỗ độ tạp chất nhỏ độ dày nhỏ cỡ ìm, điện cực nối với miền gọi cực bazơ Miền lại miền colectơ với nồng độ tạp chất trung hình điện cực tương ứng colectơ Tiếp giáp p-n miền emitơ bazơ gọi tiếp giáp emitơ (JE) tiếp giáp pn miền bazơ miền colectơ tiếp giáp colectơ (JC) Về kí hiệu tranzito cần ý mũi tên đặt cực emitơ bazơ có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n Về mặt cấu trúc, coi tranzito điơt mắc đối hình 9.8 (Điều hồn tồn khơng có nghĩa mắc đốt hình 9.8 thực chức tranzito Bởi khơng có tác dụng tương hỗ lẫn tiếp p-n Hiệu ứng tranzito xảy khoảng cách tiếp giáp nhỏ nhiều so với độ dài khuếch tán hạt dẫn) b, Nguyên lí làm việc Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 161 Hình 9.9 Sơ đồ phân cực tranzito npn (a) pnp (b) chế độ khuếch đại Để phân tích nguyên lí làm việc ta lấy tranzito pnp làm ví dụ Do JE phân cực thuận hạt đa số (lỗ trống) từ miền p phun qua J E tạo nên dòng emitơ (IE) Chúng tới vùng bazơ trở thành hạt thiểu số tiếp tục khuếch tán sâu vào vùng bazơ hướng tới JC Trên đường khuếch tán phần nhỏ bị tái hợp với hạt đa số bazơ tạo nên dòng điện cực bazơ (IB) Do cấu tạo miền bazơ mỏng nên gần toàn hạt khuếch tán tới bờ JC bị trường gia tốc (do JC phân cực ngược) cuộn qua tới miền colectơ tạo nên dòng điện colectơ (IC) Qua việc phân tích rút hệ thức dòng điện tranzito (hệ thức gần bỏ qua dòng ngược JC) IE = IB + IC (9.1) Để đánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán vùng bazơ người ta định nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện tranzito α IC IE (9.2) Hệ số  xác định chất lượng tranzito có giá trị gần với tranzito loại tốt Để đánh giá tác dụng điều khiển dòng điện IB tới dòng colectơ IC 162 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng người ta định nghĩa hệ số khuếch đại dòng điện â tranzito β 9.2.4 Tiristo a, Cấu tạo IC IB (9.3)  thường có giá trị khoảng vài chục đến vài trăm Từ biểu thức (8.1), (8.2), (8.3) suy vài hệ thức hay sử dụng tranzito IE = IB (1 + â) (9.4) β β 1 β Tiristo chế tạo từ bốn lớp bán dẫn p1-n1-p2-n2 đặt xen kẽ (trên đế N1 điện trở cao, tạo lớp P1++ P2+, sau tiếp N2++ ) Giữa lớp bán dẫn hình thành chuyển tiếp p-n J1, J2, J3 lấy cực anôt (A), katôt (K) cực khống chế G (hình 9.11a) (9.5) c, Cách mắc tranzito đƣờng đặc tuyến - Có ba cách mắc tranzito: Cách mắc chung emitơ (EC), chung bazơ (BC) chung colechtơ (CC) hình 8.10 IC C IE IC C IE o B E a) Chung emitơ ra IB b) Chung bazơ Hình 9.10 o E Hình 9.11 Cấu trúc lớp p-n tiristo (a, b); Sơ đồ tƣơng đƣơng (c) ký hiệu quy ƣớc tiristo B IB B IB o E IE IC C c) Chung colectơ - Các đường đặc tuyến tranzito: + Đặc truyến vào: Là quan hệ điện áp với dòng cửa vào U1= f(I1) U2=const + Đặc tuyến phản hồi: Là quan hệ điện áp vào với cửa U1= f(U1) I1=const + Đặc tuyến truyền đạt: Là quan hệ dòng điện cửa với cửa vào I2= f(I1) U2=const + Đặc tuyến ra: Là quan hệ dòng điện với dòng điện cửa U2= f(I2) U1=const Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 163 Để tiện cho việc phân tích nguyên lí làm việc tiristo tưởng tượng lớp bán dẫn tiristo chia thành hai cấu trúc tranzito p1n1p2 n1p2n2 hình 9.11b với thơng miền N1 P2 chúng Từ vẽ sơ đồ tương đương hình 9.11c Kí hiệu quy ước tiristo cho hình 9.11d b, Đặc tuyến tiristo Đặc tuyến Vôn-Ampe tiristo có hình 9.12 chia thành vùng rõ rệt Trước tiên xiết trường hợp phân cực ngược tiristo với UAK < Đặc tính đoạn coi điơt phân cực ngược mắc nối tiếp (J1 J3) Dòng qua tiristo dòng dò ngược điơt (giống hệt dòng ngược bão hòa điơt) Nếu tăng điện áp ngược dần đến giá trị định chuyển tiếp J1 J3 bị đánh thủng theo chế thác lũ chế Zener, dòng ngược qua tiristo tăng lên đột ngột (dòng chế đánh thũng J3 định) Nếu khơng có biện 164 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng pháp ngăn chặn dòng ngược làm hỏng tiristo Vùng đặc tuyến ngược tiristo trước bị đánh thủng gọi vùng chắn ngược gọi miền chắn thuận, miền tiristo đă mở gọi miền dẫn thuận (hình 9.12) Quan sát miền chắn thuận miền chắn ngược tiristo thấy có Khi phân cực thuận tiristo (với UAK > 0), xét trường hợp cực G hở mạch (IG = 0), chuyển tiếp J1 J3 lúc phân cực thuận dạng giống đặc tuyến ngược điôt chỉnh thơng thường Sau điều kiện kích thích mở kết thúc, muốn trì tiristo J2 phân cực ngược Khi UAK nhỏ, dòng qua tiristo định chủ yếu dòng ngược J2 Xét chung cho tiristo dòng điện chảy qua tiristo lúc dòng dò thuận Ifx Giá trị điển hình dòng dò ngược (IRx) dò thuận (Ifx) khoảng 100ìA Nếu IG = dòng dò thuận giữ nguyên giá tri ban đầu Khi tăng UAK tới giá trị xấp xỉ điện áp đánh thủng chuyển tiếp J2 Điện áp thuận ứng với giá trị gọi điện áp đánh thủng thuận UBE Nói cách khác, điện áp thuận tăng đến giá trị này, dòng Ico tiristo đủ lớn dẫn tới làm cho Q1 Q2 sơ đồ tương đương (h.2.156c) mở chuyển sang trạng thái bảo hòa Tiristo chuyển sang trạng thái mở Nội trở đột ngột giảm đi, điện áp sụt lên cực A K giảm xuống đến giá trị UE gọi điện áp dẫn thuận Phương pháp chuyển tiristo từ khóa sang mở cách tăng dần U AK gọi kích mở điện áp thuận Nếu IG khác 0, dòng IG UGK cung cấp với dòng ngược vốn có tiristo Ico làm cho Q2 mở điện áp UAK nhỏ nhiều giá trị kích mở lúc IG = Dòng IG lớn UGK cần thiết tương ứng để tiristo nhỏ (ở cần nói thêm cho dù từ đầu điện áp UGK cung cấp dòng IG lớn dòng mở cực tiểu Q2 điện áp UAK chưa đủ lớn để phân cực thuận Q1 Q2 tiristo chưa mở) Như hình 9.12 mức dòng khống chế IG tăng từ IG1 đến IG4 tương ln mở phải đảm bảo cho dòng thuận IE lớn giá trị định gọi dòng ghim I4 (là giá trị cực tiểu dòng thuận IE) Nếu trình tiristo mở; IG trì giá trị dòng ghim tương ứng giảm dòng IG tăng (hình 9.12) Trong sổ tay thuyết minh nhà sản xuất kí hiệu IHC để dòng ghim cực G hở mạch IHX để dòng ghim đặc biệt cực G K nối điện trở phân cực đặc biệt c, Tham số tiristo Hai cặp tham số quan trọng cần ý chọn tiristo dòng điện điện áp cực đại mà tiristo làm việc khơng bị đánh thủng ngược đánh thủng thuận trình bày Điện áp dẫn thuận cực đại đảm bảo cho tiristo chưa mở theo chiều thuận điện áp thuận, điện áp thường, kí hiệu UOM UFxM trường hợp G nối với điện trở phân cực Với nghĩa tương tự, người ta định nghĩa điện áp chắn ngược cực đại VRoM VRxM dòng điện thuận cực đại Công suất tổn hao cực đại FaM công suất lớn cho phép tiristo làm việc, điện áp cực khống chế UG mức điện áp ngưỡng cần để mở tiristo UAK = v Những tham số vừa nêu thuờng cho sổ tay nhiệt độ 250C Với tiristo làm việc chế độ xung tần số cao phải quan tâm đến thời gian đóng mở tiristo tm thời gian chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở td thời gian chuyển từ trạng thái mở sang ứng với mức điện áp UAK giảm xuống từ U1 tới U4 Đây phương pháp kích mở tiristo dòng cực điều khiển Điện áp dẫn thuận UF viết UF = UBE1 + UBE2 = UBE2 + UCE1 Đối với vật liệu silic điện áp bão hòa tranzito silic vào cỡ 0,2v UBE biết vào cỡ 0,7v ; trạng thái đóng tiristo d, ứng dụng tiristo Tiristo dùng chuyển mạch điện tử Nó thường dùng để điều khiển nguồn điện, điều khiển cơng suất cho lò nung, điều suy UF = 0.9V Trên phần đặc tuyến thuận, phần mà tiristo chưa mở khiển tốc độ ô tô, điều khiển đèn tắt - sáng, điều khiển mô tơ điện Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 165 166 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng chiều v.v Nguyên lý làm việc: Nữa chu kỳ dương điốt D1 mở, dòng điện 9.3 Mạnh chỉnh lƣu 9.3.1 Chỉnh lƣu chu kỳ Đ ir - Sơ đồ hình 9.13a - Nguyên lý việc: Nữa chu u1 u2 r ur kỳ dương điốt Đ mở, dòng điện chạy qua tải r, chu kỳ âm điốt D khố dòng điện chạy qua tải r Hình 9.13a Mạch chỉnh lƣu không Dản đồ điện áp chu kỳ dòng điện tải điện trở r hình 9.14b ir điểm đến điểm 2, Nghĩa điện trở r ta nhận dòng áp chiều có tần số gấp đơi tần số điện áp nguồn biến thiên theo quy luật điện áp nguồn Giản đồ thời gian điện áp dòng điện tải hình 8.14b b, Chỉnh lƣu cầu - Sơ đồ hình 9.15 Nguyên lý làm việc: Nữa chu kỳ dương điốt Đ1 Đ2 mở dòng điện chạy qua tải r từ điểm đến điểm 2, chu kỳ âm điốt Đ3 Đ4 mở dòng điện chạy qua tải r từ điểm đến điểm Nghĩa điện trở r ta nhận dòng áp chiều có tần số gấp đôi tần số điện áp nguồn biến thiên theo quy luật điện áp nguồn Dản đồ thời gian điện áp dòng điện tải hình 8.15b t ur t T điện u21 sinh chạy qua điện trở r từ điển đến điểm 2, chu kỳ âm điốt Đ2 mở, dòng điện điện áp u22 sinh chạy qua điện trở r từ Hình 9.13b Giản đồ điện áp dòng r theo t Đ4 9.3.2 Chỉnh lƣu hai chu kỳ a, Chỉnh lƣu hai nửa chu kỳ dùng hai điốt - Sơ đồ hình 9.14a u21 u1 u22 u2 u1 r ir ur ir t ir r Đ2 Đ3 t ur t ur a) mạch chỉnh lưu chu kỳ ir Đ1 Đ1 T b) Giản đồ áp dòng r theo t Hình 9.15 9.3.3 Chỉnh lƣu ba pha hình tia khơng điều khiển, tải trở ur - Sơ đồ mắc hình 9.16a t Đ2 T a) mạch chỉnh lưu hai chu kỳ b) Giản đồ áp dòng r theo t Hình 9.14 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 167 168 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng A B C A uV u2a u2b u2c B C uV u2a u2b u2c t Đ2 ir t u2a u2b u2c a b c Đ1 t Đ3 r ur ur ir t a) mạch chỉnh lưu pha b) Giản đồ áp dòng r theo t hình tia khơng điều khiển tải điện trở Hình 9.16 - Nguyên lý làm việc: Khi điện áp u2a > u2b u2c điốt Đ1 mở, dòng điện chạy qua điện trở r từ điểm đến điểm 2, Khi điện áp u2b > u2a u2c điốt Đ2 mở, dòng điện chạy qua điện trở r từ điểm đến điểm 2, điện áp u2c > u2a u2b điốt Đ3 mở, dòng điện chạy qua điện trở r từ điểm đến điểm Nghĩa điện trở r ta nhận dòng áp chiều có tần số gấp ba tần số điện áp nguồn biến thiên theo quy luật điện áp nguồn Giản đồ thời gian điện áp dòng điện tải hình 9.16b 9.3.4 Chỉnh lƣu ba pha hình cầu khơng điều khiển, tải trở u2a u2b a b c Đ2 Đ4 ir u2c t Đ6 ur r Đ1 Đ3 Đ5 ir ur t b) Giản đồ áp dòng r theo t a) mạch chỉnh lưu pha hình cầu khơng điều khiển tải điện trở Hình 9.17 - Nguyên lý làm việc: Trong khoáng thời gian ùt = 300- 900 điốt Đ1 Đ4 mở, dòng điện chạy qua điện trở r từ điểm đến điểm 2, Tươmg tự khoảng ùt = 900- 1500 điốt Đ6 Đ1 mở, khoảng ùt = 15002100 điốt Đ3 Đ6 mở, khoảng ùt = 2100- 2700 điốt Đ2 Đ4 mở, khoảng ùt = 2700- 3200 điốt Đ2 Đ6 mở,…và dòng điện chạy qua điện trở r từ điểm đến điểm với tần số gấp lần tần số nguồn D ản đồ thời gian điện áp dòng điện tải hình 9.17b - Sơ đồ mắc hình 9.17a 9.3.5 Chỉnh lƣu chu kỳ có điều khiển tải điện trở - Sơ đồ hình 9.18 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 169 170 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng ir Ti t ir làm thay đổi dòng điện i mạch lối ví dụ lấy cực colectơ emitơ ta nhận điện áp biến thiên quy luật với tín hiệu u2 u1 r Ví dụ: Mạch điện hình 9.19, Tín hiệu vào chứa đựng thơng tin đặt vào cực điều khiển bazơ, làm thay đổi điện trở tranzito, dẫn đến ur t ur T a) Mạch chỉnh lưu b) Giản đồ điện áp dòng chu kỳ có điều khiển tải điện r theo t trở Hình 9.18 - Nguyên lý làm việc: Bắt đầu chu kỳ dương điện áp u2 tiristo Ti chưa mở, có tín hiệu điều khiển đến cực điều khiển Ti (tương ứng với góc mở á), tiristo Ti mở dòng điện chạy qua điện trở r khoảng thời gian từ ùt = á0- 1800, chu kỳ âm Ti khố dòng điện chạy qua đện trở r không Dản đồ thời gian điện áp dòng điện tải hình 9.18b Vậy ta thay đổi góc mở (thai đổi thời điểm đặt tín hiệu vào tiristo) thay đổi khoảng thời gian tín hiệu Nghĩa thay đổi giá trị trung bình tín hiệu vào độ lớn tăng lên nhiều lần b, Phân loại Theo cách mắc mạch người ta phân thành bốn loại: Emitơ chung (EC), bazơ chung (BC), colectơ chung (CC) c, Ghép nối tầng khuyếch đại Thực tế tầng khuyếch đại không đảm bảo đủ hệ số khuyếch đại cần thiết, khuyếch đại thường gồm nhiều tầng nối tiếp (hình 9.20), Tín hiệu tầng đầu hay tầng trung gian tín hiệu vào cho tầng sau tải tầng điện trở vào tầng sau nó, điện trử vào khuyếch đại tính theo tầng đầu tàng cuối ur1=uV En ~ 9.4 Mạch khuếch đại 9.4.1 Khái niệm a, Định nghĩa Khuyếch đại làm tăng cường độ lớn điện áp hay dòng điện tín hiệu vào Đó q trình biến đổi lượng có điều khiển, lượng nguồn chiều không chứa đựng thông tin biến đổi thành lượng xoay chiều có quy luật biến đổi mang tin cần thiết Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng uV1 ur2 N-1 N urN rt Hình 9.20 Sơ đồ khối khuyếch đại nhiều tầng -E RC Hệ số khuyếch đại nhiều tầng băng tích hệ số khuyếch đại tầng (tính theo đơn vị số lần), hay tổng chúng (tính theo đơn vị dB) i C B uV E ur Ku  U t U r1 U r2 U rN   K u1K u2 K uN E n E n U v2 U VN (9.6) Ku(dB) = Ku1(dB) + Ku2(dB) +…+ KuN(dB) (9.7) Việc ghép tầng khuyếch đại dùng tụ điện (hình 9.21), biến áp (9.22) hay ghép trực tiếp Trong ghép nối điện dung Hình 9.19 171 172 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng dùng phổ biến, ghép nối điện áp thường dùng cho tầng khuếch đại công suất dòng xoay chiều chạy tải, điện trở r1, r2 để định thiên cho tranzito - Nguyên lý làm việc: r1 r3 C T1 Cp r5 p r7 T2 + Khi chưa có tín hiệu đầu vào (uV = 0), dòng IC dòng chiều khơng đổi, nên tín hiệu xoay chiều đầu băng khơng (ur = 0) + Khi có tín hiệu xoay chiều tới đầu vào xuất dòng xoay chiều bazơ, xuất dòng xoay chiều colectơ có biên độ lớn gấp nhiều lần biên độ tín hiệu đầu vào (nhưng nhỏ trị số dòng chiều colectơ), qua tụ Cp2 đầu ta nhận tín hiệu ur >> uV ngược pha Tín hiệu khuếch đại mơ theo hình 9.24 ur ~ uV r2 r Ce r6 r8 Ce Hình 9.21 Sơ đồ ghép tầng khuếch đại điện dung IC IB r1 Cp r5 T1 Cp ib ur UC0 iC P P ~ r7 T2 UBE=Max r2 Ce r6 r4 r8 Ce r1 iV Cp iB rC T uV -EC Cp r5 ~ r2 iE rE 9.4.3 Khuyếch đại công suất ur CE Hình 9.23 Tầng khuếch đại E chung Tụ Cp2 có nhiệm vụ cho Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng ur a) Đặc tuyến bazơ (đặc b) Đặc tuyến colectơ (đặc tuyến ra) tuyến vào) Hình 9.24 uV EC UC Hình9.22 Sơ đồ ghép tầng khuếch đại bằ ng biế n áp iC 9.4.2 Khuyếch đại điện áp (EC) - Sơ đồ hình 9.23 - Giới thiệu sơ đồ: Tụ Cp1, Cp2 dùng để nối tầng, tụ Cp1 có nhiệm vụ loại trừ tín hiệu chiều vào tầng khuếch đại, đảm bảo điện áp tính Ubo khơng bị ảnh hưởng điện trở nguồn rn, IB=0 UBE IB0 173 a, Khái niệm Tầng khuếch đại công suất tầng cuối mắc với tải để nhận công suất tối ưu theo yêu cầu tải, cần phải đặc biệt ý đến tiêu lượng Tầng khuyếch đại cơng suất dùng tranzito IC khuyếch đại công suất, Tuỳ theo cách mắc tải người ta chia thành tằng khuyếch đại có biến áp tầng khuyếch đại khơng có biến áp 174 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng Ba chế độ làm việc thường dùng tầng khuếch đại công suất là: Chế độ A, chế độ B chế độ AB cuộn sơ cấp máy biến áp ra, Biến áp vào BA1 có tỷ số biến áp n1= WV/W11=WV/W12 đảm bảo cung cấp tín hiệu vào mạch bazơ hai Hình 9.25 dùng để minh hoạ đặc điểm ba chế độ đặc tuyến tranzito theo sơ đồ mắc EC tranzito Tầng đẩy kéo làm việc chế độ B AB, chế độ AB thiên áp bazơ hai tranzito lấy từ nguồn EC phân - Chế độ A nằm khoảng trung bình đường đặc tuyến tĩnh, thường dùng tầng khuếch đại cơng suất đơn, đảm bảo tín hiệu méo hiệu suất nhỏ khoảng 20%, công suất tải không vượt vài W IC UBE=Mă x - Chế độ B tranzito nằm đường dặc tuyến IC0 PA UBE0 tính tới hạn (UBE= 0), tranzitơ làm việc nửa PA IB1 chu kỳ, hiệu suất UBE=0 BP B lượng tần cao UCE Hình 9.25 (khoảng 60 – 70 %), độ méo tín hiệu lớn - Chế độ AB trung gian chế độ A B, giảm độ méo nhiều so với chế độ B có hiệu suất cao chế độ A áp r1, r2 Trong chế độ B thiên áp ban đầu khơng có, nên khơng cần r1, điện trở r2 dùng để đảm bảo IC cho mạch vào tranzito chế độ gần với chế độ nguồn dòng - Nguyên lý làm việc chế độ B iC ICm + Khi chưa có tín hiệu vào, Điện áp hai cực bazơ emitơ hai ÄuCE EC UCE tranzito không hai tranzito bị khố nên dòng điện iC tầng uCE uCm khuyếch đại không dẫn đến điện Hình 9.26b Đồ thị đặc tính tầng áp tải không Trên công suất colectơ tranzito có điện áp chiều EC + Khi có tín hiệu vào bắt đầu chu kỳ dương, cuộn W 11 có chu kỳ điện áp âm cuộn W12 có chu kỳ dương so với điểm chung cuộn dây Kết tranzito T2 khố tranzito T1 mở, xuất hiệndòng iC1 = â1iB1, cuộn W21 có điện áp U21 = IC1n22rt tải có sóng điện áp dương Ut = U21/n2 + Khi có tín hiệu vào bắt đầu chu kỳ âm, cực tính cuộn dây biến áp BA1 đổi dấu lúc tranzito T2 mở tranzito T1 khóa, xuất dòng iC2 = â2iB2, chọn â1 = â2 tải có sóng điện áp âm b, Mạch khuếch đại công suất đẩy kéo chế độ B hay chế độ AB có biến áp - Sơ đồ hình 9.26 r1 T - Gới thiệu sơ iC1 ib1 đồ: Gồn hai tranzito T1 it T2 Tải mắc W11 r W 21 EC với tầng khuyếch đại Wt uV + ur W12 qua biến áp BA2, có W22 tỷ số biến áp n2= iC2 ib2 T2 W21/Wt = W22/Wt, mạch colectơ Hình 9.26a Tầng đẩy kéo ghép biến áp tranzito mắc tới trị số với trường T1 mở Như q trình khuyếch đại tín hiệu vào thực theo hai nhịp chu kỳ, dòng điện chảy qua tranzito # chu kỳ thích hợp và chọn tranzito theo dòng điện dựa vào ICm, với loại tranzito tầng đẩy kéo đảm bảo công suất tải lớn tầng đơn Nhưng Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 175 176 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng độ méo tín hiệu lớn thiên áp ban đầu khơng (hình 9.27a), để giảm độ méo ta đưa thêm điện trở phụ vào mạch bazơ (ví dụ điện trở r2) lấy đường chéo cầu ur = ur1 – ur2 = Khi có tín hiệu đưa đến hai đầu vào Ví dụ uV1> 0, uV2 = 0, dòng bazơ tranzito T1 - Ngun lý làm việc chế độ AB: Để giảm méo triệt để độ méo tầng khuyếch đại công suất đẩy dòng bazơ T2 giảm dẫn đến dòng iE1, iC1 tăng dòng iE2, iC2 giảm, dòng tổng iE = iE1+iE2 = const, dòng iC1 tăng nên uC1= EC1- iC1rC1 kéo người ta chuyển sang làm việc chế độ AB cách mắc thêm phân áp định thiên cho hai tranzito hai điện trở r1, r2 (tức UBE # 0) Nguyên lý làm việc tương tự chế độ B tín hiệu nhận khơng bị méo (hình 9.27b) giảm (ngược dấu với đầu vào) gọi đầu đảo, tương tự ta có uC2 tăng (cùng dấu với đầu vào) gọi đầu khơng đảo Tín hiệu lấy hai colectơ gọi tín hiệu vi sai IB IB T1 t UBE T1 uC1 =ur1 i b1 i b1 i b2 T2 UB0 IB0 IB0 UB0 + iC2 EC1 rC2 iC1 rC1 t i b2 uV1 ur T1 uV2 iE2 iE iE1 uC2 =ur2 T2 iE1 T1 T2 iE2 uV2 b) Tín hiệu vào nguồn uV2 r1 T2 a) Độ méo tín hiệu chế độ B T3 b) Giảm độ méo chế độ AB R3 Hình 9.27 c, Tầng khuyếch đại vi sai - Sơ đồ hình 9.28 - Giới thiệu sơ đồ: Gồm mạch cầu có nhánh r1, r2, T1, T2, chế tạo cho r1 = r2, T1 giống T2, mạch T3, T4, r1, r2, r3 dùng để ổn định dòng iE, Tín hiệu vào từ hai nguồn riêng biệt (uV1, uV2) từ nguồn ( uV1 uV2), tín hiệu điện áp lấy hai cực colectơ T1 T2 (kiểu đối xứng) cực colectơ T1 T2 với đất (kiểu không đối xứng) Điện áp chiều cung cấp cho tầng vi sai EC1, EC2 khác - Nguyên lý làm việc: Tầng khuếch đại vi sai làm việc dựa theo nguyên lý cầu cân song song Khi chưa có tín hiệu vào, cầu cân bằng, T1 uV1 T4 EC1 + a) Tầng khuếch đại vi sai iE1 T2 iE2 c) Tín hiệu vào nguồn uV1 Hình 9.28 9.5 Mạch khuếch đại thuật tốn 9.5.1 Khái niệm Khuếch đại thuật toán thuộc khuếch đại dòng chiều có hệ số khuếch đại lớn, có hai đầu vào vi sai đầu chung, tên gọi có quan hệ tới việc ứng dụng chúng chủ yếu để thực phép tính cộng, trừ, tích phân,… Hiện khuếch đại thuật toán điện áp colectơ hai tranzito T1 T2 nên điện áp Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 177 178 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng đóng vai trò quan trọng ứng dụng rộng rãi kỹ thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin xung ổn áp lọc tích cực… Hệ số khuếch đại thuật tốn lớn vào trăm đến vài nghìn lần Đối với OA lý tưởng uV = có ur = 0, thực tế ur # Ký hiệu quy ước của khuếch đại thuật tốn (OA) hình 9.29, với đầu vào uVkđ (hay uV+) gọi đầu vào không đảo, đầu vào chút uVđ (hay uV-) gọi đầu vào đảo Cấu tạo sở khuếch đại OA tầng vi sai dùng làm tầng vào tần khuếch đại, tầng OA thường tầng lặp emitơ (CC) để đảm bảo khả tải yêu cầu sơ đồ, Vì hệ số khuếch đại tầng emitơ gần 1, nên hệ số e(t) khuếch đại đạt nhờ tầng vào tầng khuếch đại bổ xung mắc tầng vi sai tầng CC, tuỳ thuộc vào hệ số khuếch đại OA mà định số lượng tầng (hình 9.8 sơ đồ cấu trúc khuyếch đại thuật toán gồm tầng vào vi sai dùng T1 T2, Tầng hai vi sai dùng T5, T6, tầng thứ ba dùng T7, T8, Tầng cuối dùng T9 mắc theo tầng CC (colectơ chung) Nguyên lý làm việc: Khi có tín hiệu vào đầu khơng đảo gia số tín hiệu dấu (cùng pha) so với số gia tín hiệu vào, có tín hiệu vào đầu đảo gia số tín hiệu ngược dấu (ngược pha) so với số gia tín hiệu vào, đầu vào đảo thường dùng để hồi tiếp âm bên ngồi cho OA - Sơ đồ hình 9.31 - Giới thiệu sơ đồ: Tín hiệu vào qua r1 đặt vào đầu đảo, đầu không đảo nối với đất, tín hiệu phản hồi âmsong song với điện áp đặt vào đầu đảo qua điện trở rht - Nguyên lý làm việc: Nếu coi OA lý tưởng điện trở vào vơ Đặc tuyến quan trọng OA đặc truyến truyền đạt điện áp (hình 8.30), đoạn nằm ngang tương ứng với chế độ tranzito tầng CC thơng bảo hồ cắt dòng, đoạn dốc biểu thị phụ thuộc tỷ lệ điện áp với điện áp vào, với góc nghiên xác định hệ số khuếch đại tính K = ÄUr/ ÄUV Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 179 9.5.2 Bộ khuếch đại đảo lớn rV = # i0 = 0, nút N ta có iV = iht Suy ra: uV  u0 u0  ur  r1 rht (9.8) Khi K# # điện áp đầu vào u0 = ur/K# rr = 5.1 có dạng UV/r1 = - r/rht Do hệ số khuếch đại đầu đảo Kđ = Ur/UV = - rht/r1 Nếu chọn rht = r1 Kđ = - 1, sơ đồ 5.10 có tính chất tầng đảo lặp lại (Đảo tín hiệu Nếu chọn u0 = rV = r1 từ phương trình (8.1) ta có iV = -ur/ rht, hay ur = - iVrht, tức điện áp tỷ lệ với dòng điện vào (bộ biến đổi dòng thành áp) 9.5.3 Bộ khuếch đại khơng đảo - Sơ đồ hình 9.32 - Giới thiệu sơ đồ: Gồm mạch hồi tiếp âm đặt vào đầu đảo, tín hiệu vào đưa tới đầu vào không đảo OA - Nguyên lý làm việc: Vì điện áp đầu vào OA không (u0 = 0), nên quan hệ uV ur xác định uV  ur 180 r1 r1  rht (8.9) Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng Hệ số khuếch đại khơng đảo có dạng Kk  Khi dòng đầu vào khơng đảo khơng u r rht  r1 r    ht (9.10) uV r1 r1 (rVk = #) ta có: u1  u V  u  u V  u  u V    n 0 r r r r1 Hay: u1  u   u n  n ur r1  rht Khi rht = r1 = # rht hữu hạn từ (8.9) ta có uV = ur sơ đồ lặp lại điện áp với Kk = Bộ khuếch đại khơng đảo có điển trở vào đầu đảo không đảo lớn, điện trở rr # 9.5.4 Mạch cộng (9.12) a, Mạch cộng đảo - Sơ đồ hình 9.33, có dạng khuếch đại đảo với nhánh song song đầu vào số lượng tín hiệu cộng, cơi điện rht = r1 = r2 = …=rn < rV Khi iV = iht = i1 + i2 +…+in Hay ur = -(u1 + u2 +…un) (9.11) Công thức (5.4) cho thấy điện áp tổng điện áp vào Tổng quát (khi r khác nhau) u r  ( n rht r r u1  ht u   ht u1 )     i u i r1 r2 r1 i 1 với  i  rht ri r1  rht (u1  u   u n ) nr1 Nếu chọn r1 rht cho Thì ta có: r1  rht 1 nr1 u r  u1  u   u n (9.13) 9.5.5 Mạch trừ - Sơ đồ nguyên lý hình 8.35, điện áp đầu tính ur =K1u1 + K2u2 Tìm hệ số K1 K2 sau: + Khi cho u2 = 0, mạch làm việc khuếch đại đảo, tức ur = -áauV + Khi cho u1 = 0, mạch mạch khuếch đại khơng đảo có phân áp b, Mạch cộng khơng đảo Sơ đồ ngun lý hình 8.34 Khi điện áp u0 = điện áp hai đầu vào u V  u V  Suy ra: u r  r1 ur r1  rht Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 181 u rb  rb u2 rb  rb /  b Vậy: ur = ura+ urb = [áa/(1 + áb)](1 + áa)u2 – áau1 Nếu chọn điện trở hai lối vào nhau, tức áb = áa = á, K1 = K2 ta có ur = á(u2 – u1) 182 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng Nghĩa sơ đồ hình 8.35, cho ta kết điện áp hiệu hai điện áp vào 8.5.7 Bộ vi phân Tổng quát để thực đồng thời lấy tổng lấy hiệu số điện áp vào ta sử dụng sơ đồ hình 8.36 trước ta có điện áp tỷ lệ với tốc độ thay đổi điện áp vào - Sơ đồ hình 8.38, Bằng cách tính tốn tương tự phần du V du (9.16)  V dt dt Trong   rC gọi số vi phân củamạch u r  rC + Đối với cửa vào A u1  u a u a  u  0 i 1 (ra /  i ) n  n n   i u i u a   i  1  u a   i1  i 1 + Đối với cửa vào B cúng tương tự  n  '  1  u  ' '  u  u  i i b  i  b i 1  i1  n Nếu chọn ua = ub n n n i 1 i 1  i    ,i n Thì u a    i u i    i u i i 1 , , (9.14) i 1 9.5.6 Bộ tích phân - Sơ đồ hình 9.37 - Nguyên lý làm việc: Tại nút A với i0 = ta có ir = iC ta có du r u V t C   ur   u Vdt  u r0 dt r Cr Trong ur0 = ur(t=0), xác định từ điều kiện đầu (thường chọn uV(0) = ur(0) = 0) 1t Nên u r   u V dt (9.15) 0 với   rC số tích phân mạch, nghĩa tín hiệu tính tích phân tín hiệu vào Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 183 184 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng ... Hình 3.4c sức điện động phức vòng đó" Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 37 38 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 3.3 Các phƣơng pháp phân tích mạch điện i1 3.3.1 Phƣơng pháp dòng điện nhánh i3... suất Pt Pt, cost u Hình 2.17 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 25 26 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng cho tải, đường dây có dòng điện i với trị số: I gọi bù tụ điện tĩnh, hình 2.18a   - Khi... song song với tải (có tính chất điện cảm) tụ điện chuyên dùng để nâng cao hệ số công suất cos Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng 27 28 Bài giảng kỹ thuật điện đại cƣơng jb hai thành phần độc