MẠCH điện một CHIỀU (DC CIRCUITS)

Tài liệu trình bày về lý thuyết mạch một chiều bao gồm các tham số trong mạch điện một chiều như điện áp, dòng điện, điện trở...Các định luật sử dụng để phân tích và thiết kế mạch điện một chiều như: định luật Ohm, định luật Kirchhoff, mạch tương đương Thevenin...

MẠCH MỘT CHIỀU DC CIRCUITS Lý thuyết mạch chiều Mối quan hệ điện áp, dòng điện điện trở mạch điện mạch điện tử gọi định luật Ohm Tất vật chất tạo thành từ nguyên tử, nguyên tử tạo thành từ protons, neutrons electrons Trong đó, protons mang điện tích dương, neutrons trung hòa điện electrons mang điện tích âm Các nguyên tử liên kết với lực hút mạnh tồn hạt nhân nguyên tử electron lớp vỏ ngồi Khi proton, neutron electron nguyên tử, chúng vui vẻ ổn định Nhưng tách chúng khỏi chúng bắt đầu phát huy tiềm thu hút đẩy gọi khác biệt tiềm (thế năng) Bây tạo mạch điện kín, electron lỏng lẻo bắt đầu di chuyển trôi ngược trở lại proton lực hút chúng tạo dòng electron Dòng điện tử gọi “dòng điện” Các electron khơng thể chảy tự mạch vật liệu chứa chúng tạo hạn chế dòng electron Sự hạn chế đượng gọi điện trở Do tất mạch điện điện tử bao gồm ba đại lượng điện riêng biệt có liên quan đến gọi là: Điện áp (V), Dòng điện (I) điện trở (R)  Điện áp Điện áp (V) lượng tiềm nguồn cung cấp điện lưu trữ dạng điện tích Điện áp coi lực đẩy electron thông qua dây dẫn điện áp lớn khả đẩy electron qua mạch lớn Vì lượng có khả thực cơng nên lượng tiềm mơ tả công cần thiết (bằng joules) để di chuyển electron dạng dòng điện xung quanh mạch từ điểm sang điểm khác nút sang nút khác Do khác biệt điện áp hai điểm kết nối điểm nối (điểm nút) mạch gọi khác biệt tiềm (thế năng) thường gọi điện áp rơi Sự khác biệt hai điểm đo Volts (V), đơi viết E để biểu thị lực điện động (emf) Khi điện áp lớn áp suất (hoặc lực đẩy) lớn khả thực công lớn Một nguồn điện áp không đổi gọi điện áp DC, nguồn điện áp thay đổi định kỳ theo thời gian gọi điện áp xoay chiều Điện áp đo Volt, với 1Volt định nghĩa áp lực điện cần thiết để buộc dòng điện 1Ampere qua điện trở 1Ohm Điện áp thường biểu thị Volts với tiền tố sử dụng để biểu thị bội số phụ điện áp microvolts(uV), millivolts(mV) kilovolts(kV) Điện áp mang dấu dương âm Pin nguồn cấp sử dụng chủ yếu để tạo nguồn điện áp chiều DC ổn định 5V, 12V, 24V…trong hệ thống mạch điện tử Trong nguồn điện áp xoay chiều AC có sẵn điện dân dụng, công nghiệp chiếu sáng Các mạch điện tử thông thường hoạt động nguồn cung cấp pin có điện áp thấp từ 1.5V đến 24V dc Ký hiệu mạch cho nguồn điện áp không đổi thường đưa dạng ký hiệu Pin có dấu dương “+” âm “-” cho biết hướng cực Ký hiệu mạch cho nguồn điện áp xoay chiều vòng tròn có sóng SIN bên  Kí hiệu điện áp Chúng ta hình dùng điện áp tương tự bể nước, đưa bể nước lên cao (thế lớn) áp lực nước chảy vòi lớn Tương tự điện áp cao lực đẩy lớn dòng electron giải phóng nhiều Điện áp đo chênh lệch hai điểm mạch điện áp hai điểm thường gọi điện áp rơi (rơi chuyển thành nhiệt, ánh sáng …) Lưu ý điện áp tồn mạch khơng có dòng điện, dòng điện khơng thể tồn mà khơng có điện áp nguồn điện áp dù DC hay AC để hở mạch hay bán hở mạch ngắn mạch điều phá hủy  Dòng điện Dòng điện (I) chuyển động dòng chảy hạt điện tích (đo Amperes, kí hiệu i, gọi cường độ) Đó dòng chảy liên lục đồng (gọi trơi dạt) điện tử (các hạt điện tích âm nguyên tử) xung quanh mạch đẩy lực đẩy nguồn điện áp Trong thực tế, electron chảy từ cực âm (-ve) đến cực dương (+ve) nguồn cung cấp, để dễ hiểu thơng thường ta giả định dòng điện chạy từ cực dương đến cực âm ( dòng dòng điện tích dương) Thơng thường sơ đồ mạch, dòng chảy qua mạch thường có mũi tên hướng ký hiệu (I i) Tuy nhiên mũi tên thường hướng dòng chảy quy ước (người thiết kế quy ước để dễ tính tốn) khơng thiết hướng dòng chảy thực (hướng dòng chảy thực thay đổi liên tục q trình hoạt động mạch)  Dòng điện quy ước Thơng thường, chiều dòng điện quy ước dòng điện tích dương chảy mạch từ cực âm đến cực dương Hình cho thấy di chuyển điện tích dương (lỗ trống) quanh mạch kín chảy từ cực dương pin qua mạch điện trở cực âm pin Dòng chảy từ cực âm sang cực dương gọi dòng quy ước Đây quy ước lựa chọn trình phát điện hướng dòng điện dòng chảy mạch điện Vì tất sơ đồ sơ đồ mạch mũi tên hiển thị ký hiệu cho linh kiện ốt, bóng bán dẫn…đều theo hướng dòng điện quy ước Như vậy, dòng điện quy ước dòng có hướng từ dương sang âm ngược với hướng dòng electron thực tế  Dòng điện tử (electron) Dòng electron mạch điện có hướng ngược với hướng dòng điện quy ước Thực tế dòng chảy mạch điện dòng electron chảy từ cực âm qua mạch trở cực dương nguồn điện Điều electron mang điện tích âm, bị hút cực dương nguồn điện Luồng di chuyển điện tử âm gọi dòng electron Do electron thực chảy quanh mạch điện từ cực âm sang cực dương Cả dòng quy ước dòng điện tử dùng số sách giáo khoa Trong thực tế khơng có khác biết dòng điện chay xung quanh mạch, miễn hướng chúng sử dụng qn Hướng dòng điện khơng ảnh hưởng đến dòng điện mạch Nói chung, dễ hiểu nghĩ dòng điện quy ước dòng từ dương sang âm Trong mạch điện tử nguồn dòng thành phần mạch điện cung cấp lượng dòng điện xác định 1A, 5A, 10A…Kí hiệu mạch điện nguồn dòng vòng tròn với mũi tên bên hướng dòng điện quy ước Dòng điện đo Amps (A) Amp(ampere) định nghĩa số lượng điện tử điện tính (điện tích Q tính coulomb) qua điểm (một bề mặt cắt ngang dây dẫn) định thời gian giây (t – đơn vị second) Dòng điện thường biểu thị đơn vị Ampe với tiền tố sử dụng uA=10 A mA=10-3A Lưu ý dòng điện dương âm tùy theo hướng dòng chảy quanh mạch -6 Dòng điện chạy theo hướng gọi dòng điện chiều (hay dòng điện DC) Dòng điện chạy theo hướng qua lại dọi dòng điện xoay chiều (dòng điện AC) Dù dòng điện xoay chiều hay chiều chúng chạy qua mạch nguồn điện áp kết nối vào mạch dòng điện mạch bị giới hạn điện trở mạch nguồn điện áp đẩy Ngồi ra, dòng điện xoay chiều (và điện áp) có tính chu kỳ thay đổi theo thời gian nên người ta sử dụng giá trị hiệu dụng (RMS – giá trị trung bình bình phương), Irms (dòng hiệu dụng) tạo tổn thất điện trung bình tương đương với dòng trung bình Iavr dòng điện chiều Các nguồn dòng khác với nguồn điện áp chỗ chúng thích ngắn mạch mạch kín, hở mạch khong có dòng điện chảy qua Có thể hình dung tương quan dòng điện với dòng nước Dòng nước chảy qua đường ống với dòng chảy giống suốt đường ống, dòng chảy mạch tương đương dòng điện lớn Lưu ý, dòng điện khơng thể tồn khơng có điện áp, khơng có dòng chảy bể nước vị trí thấp ống nước (khơng  khơng có áp lực) Do đó, nguồn dòng (AC DC) mạch thích ngắn mạch bán ngắn mạch khơng thích hở mạch, hở mạch ngăn khơng cho dòng điện chảy qua  Điện trở Điện trở (R) khả vật liệu chống lại ngăn chặn dòng điện cụ thể dòng điện tích mạch điện Phần tử mạch thực điều gọi “Điện trở” Điện trở phần tử mạch đo Ohms, kí hiệu Ω với tiền tố sử dụng để biểu thị kiloOhms (kΩ = 103 Ω) megaOhms (MΩ = 106 Ω) Lưu ý điện trở âm  Các ký hiệu điện trở Lượng điện trở mà điện trở có xác định mối quan hệ dòng điện qua với điện áp Lượng điện trở định xem phần tử mạch có dẫn tốt hay khơng điện trở thấp dẫn tốt ngược lại Điện trở thấp 1Ω ngụ ý dây dẫn tốt thường làm từ vật chất dẫn điện tốt đồng, nhôm, bon …Trong điện trở cao >1MΩ ngụ ý mạch dây dẫn xấu làm từ vật liệu cách điện thủy tinh, sứ nhựa Mặt khác, có chất bán dẫn khác silicon germanium vật liệu có điện trở nằm chất dẫn điện chất cách điện Do gọi Semi-conductor Chất bán dẫn sử dụng để chế tạo diodes, transistor hay linh kiện bán dẫn Điện trở tuyến tính phi tuyến khơng âm Điện trở tuyến tính tn theo định luật Ohm điện áp điện trở tỷ lệ tuyến tính với dòng điện qua Điện trở phi tuyến khơng tn theo định luật Ohm sụt giảm điện áp tỷ lệ thuận với số cơng suất dòng điện Điện trở điện trở khơng bị ảnh hưởng tần số trở kháng AC điện trở với điện trở DC Và nhớ điện trở không âm Một điện trở phân loại thành phần mạch thụ động khơng thể lưu trữ hay cung cấp lượng Thay vào điện trở hấp thụ lượng chuyển thành dạng nhiệt ánh sáng Công suất điện trở dương phân cực điện áp hay hướng dòng điện Đối với giá trị điện trở thấp (ví dụ mΩ) đơi người ta sử dụng giá trị nghịch đảo 1/R dễ dàng Giá trị nghịch đảo gọi độ dẫn (kí hiệu G) thể khả dẫn điện dây dẫn thiết bị dẫn điện Giá trị độ dẫn mô tả dễ dàng chảy qua dòng điện Giá trị độ dẫn cao ngụ ý chất dẫn tốt (như đồng), giá trị thấp ngụ ý chất dẫn (như gỗ) Đơn vị đo lường tiêu chuẩn độ dẫn Siemen, kí hiệu (S) Đơn vị thường sử dụng cho độ dẫn Mho (đánh vần ngược Ohm), ký hiệu kí hiệu ohm ngược) Cơng suất đượng biểu thị cách sử dụng độ dẫn như: P = i2/G = v2G Mối quan hệ điện áp (v) dòng điện (i) mạch có điện trở khơng đỗi (R) tạo đường đặc tuyến i-v với độ dốc với giá trị điện trơ đây:  Tổng hợp điện áp, dòng điện điện trở Hy vọng bạn có chút hình dung liên quan chặt chẽ với điện áp, dòng điện điện trở Mối quan hệ điện áp, dòng điện điện trở tạo thành tảng định luật Ohm Trong mạch tuyến tính có điện trở cố định, tăng điện áp, dòng điện tăng, tương tự, giảm điện áp, dòng điện giảm Điều có nghĩa điện áp dòng điện tỷ lệ thuận với Tương tự vậy, sử dụng điện áp cố định tăng giá trị điện trở dòng điện giảm ngược lại Điều có nghĩa dòng điện điện trở tỷ lệ nghịch với Do kết luận dòng điện xung quanh mạch điện tỷ lệ thuận với điện áp tỷ lệ nghịch với điện trở Một bảng tóm tắt thành phần đưa đây:        Điện áp điện thước đo lượng tiềm hai điểm mạch điện thường điện gọi “điện áp rơi” Khi điện áp đượng kết nối vào mơt mạch điện kín nguồn điện áp cung cấp dòng điện chạy quanh mạch điện Trong nguồn điện áp DC +ve (dương) –ve(âm) sử dụng để biểu thị cực nguồn cấp điện áp Điện áp đo volts có ký hiệu V (điện áp) hay E (năng lượng điện) Dòng điện mơ tả dòng điện tử hay dòng lỗ trống qua mạch điện Dòng điện dòng điện tích liên tục đồng xung quanh mạch, đo Ampe Amps có ký hiệu I Dòng điện tỷ lệ thuận với điện áp      Giá trị hiệu dụng (rms) dòng điện xoay chiều có tổn thất cơng suất trung bình tương đương với dòng điện chiều chạy qua phần tử điện trở Điện trở chống lại dòng điện chảy qua mạch điện Giá trị thấp điện trở ngụ ý dây dẫn, giá trị cao ngụ ý chất cách điện Dòng điện tỷ lệ nghịch với điện trở Điện trở đo Ohms kí hiệu hy lạp Ω kí hiệu tên R Định luật Ohm Công suất Mối quan hệ Điện áp, Dòng điện Điện trở vài mạch điện DC phá nhà vật lý học người đước Georg Ohm Georg Ohm thấy rằng, nhiệt độ không đổi, dòng điện chảy qua điện trở cố định tuyến tính tỷ lệ thuận với điện áp đặt lên tỷ lệ nghịch với điện trở Mối quan hệ điện áp, dòng điện điện trở tạo thành tảng định luật Ohm trình bày  Mối quan hệ định luật Ohm Bằng cách biết hai giá trị đại lượng Điện áp, Dòng điện điện trở, sử dụng định luật Ohms để tìm giá trị thiếu thứ ba Định luật Ohms sử dụng rộng rãi công thức tính tốn điện tử, đó, việc hiểu nhớ xác cơng thức quan trọng Để tìm điện áp (V): Vvolts = Iamps RΩ Để tìm dòng điện (I) Iamps = Vvolts / RΩ Để tìm điện trở (R) RΩ = Vvolts / Iamps Đôi để dễ nhớ mối quan hệ đại lượng định luật Ohm sử dụng hình ảnh, ba đại lượng V,I,R đặt chồng lên thành tam giác (được gọi tam giác định luật Ohms) với điện áp đỉnh, dòng điện điện trở đáy Sự xếp thể vị trí thực tế đại lượng công thức định luật Ohms  Tam giác định luật Ohm Các công thức cho kết hợp theo tam giác sau: Do đó, cách sử dụng định luật Ohms thấy điện áp 1V đặt vào điện trở 1Ω khiến dòng điện 1A chảy qua Giá trị điện trở lớn dòng chảy qua điện trở nhỏ với giá trị điện áp đặt lên Bất kỳ thiết bị thành phần điện tuân theo định luật Ohms, nghĩa là, dòng điện chạy qua tỷ lệ thuận với điện áp điện trở dây cáp gọi “Ohmic” tự nhiên thiết bị khơng, chẳng hạn bóng bán dẫn ốt gọi thiết bị “Non-ohmic”  Công suất mạch điện Công suất (P) mạch điện tốc độ mà lượng hấp thụ sản suất mạch Một nguồn lượng điện áp cung cấp phân phối lượng tải kết nối hấp thụ Ví dụ bóng đèn hấp thụ lượng điện chuyển đổi thành ánh sáng, lò sưởi hấp thụ lượng điện chuyển thành nhiệt Giá trị cơng suất thiết bị tiêu thụ cao khả tiêu thụ lượng điện lớn Kí hiệu đại lượng cơng suất P tích điện áp nhân với dòng điện với đơn vị đo Watt (W) Tiền tố sử dụng để biểu thị bội số bội số phụ khác watt milliwatts (mW = 10-3W) kilowatts (kW = 103W) Do đó, cách sử dụng định luật Ohm thay cho giá trị V, I R cơng thức cho lượng điện tìm thấy sau: Pwatts = Vvolts Iamps Hoặc: Pwatts = V2volts / RΩ Hoặc: Pwatts = I2amps RΩ Một lần ba đại lượng lại đặt chồng lên hình tam giác lần gọi tam giác lượng với cơng suất đỉnh dòng điện, điện áp Một lần xếp thể vị trí thực tế đại lượng công thức quyền lực định luật Ohms  Tam giác công suất Một lần hốn vị phương trình định luật Ohm cho công thức công suất công thức sau: Vậy thấy có ba cơng thức để tính tốn lượng điện mạch Nếu cơng suất tính tốn dương (+P) thành phần hấp thụ lượng, cơng suất tiêu thụ sử dụng lượng Nhưng giá trị tính tốn cơng suất âm (-P) thành phần cung cấp tạo lượng, nói cách khác, nguồn lượng điện pin máy phát điện  Công suất danh định – Công suất định mức (Electrical Power Rating) Các thành phần điện cho “cơng suất danh định” tính watts để giá trị tối đa mà thành phần chuyển đổi công suất điện thành dạng lượng khác nhiệt, ánh sáng chuyển động Ví dụ: điện trở 1/4W, bóng đèn 100W… Các thiết bị điện chuyển đổi dạng lượng sang dạng lượng khác Ví dụ động điện chuyển đổi lượng điện thành lực học, máy phát điện chuyển đổi lực học thành lượng điện Một bóng đèn chuyển đổi lượng điện thành ánh sáng nhiệt Bây biết đơn vị lượng Watt, số thiết bị điện động điện có cơng suất danh định theo đơn vị đo cũ mã lực (HP) Mỗi quan hệ mã lực watt đưa là: 1hp = 746W Vì động 2hp có cơng suất 2x746=1492W 1,5kW  Biểu đồ dạng bánh định luật Ohm  Bảng ma trận định luật Ohm Ví dụ 1: Cho mạch hình đây, tìm điện áp V, dòng điện I, điện trở R công suất P V = I.R = x 12Ω = 24V I = V / R = 24 / 12Ω = 2A R = V / I = 24 / = 12Ω P = V.I = 24 x = 48W Nguồn dòng khơng cho phép kết nối nối tiếp với dù nguồn dòng có hay khác Ở ví dụ trên, hai nguồn dòng 5A kết nối vối kết 5A 10A, nghĩa chúng kết chưa biết, khơng sử dụng việc phân tích mạch Ngồi ra, lý khác nguồn kết nối nối tiếp lại không phép cho kỹ thuật phân tích mạch chúng khơng cung cấp dòng theo hướng Dòng nối tiếp bổ xung nối tiếp phản kháng không tồn nguồn dòng lý tưởng Ví dụ 1: Hai nguồn dòng riêng lẻ có giá trị 250mA 150mA kết nối song song với kết nối với tải 20Ω Tính điện áp cơng suất tiêu thụ tải  Nguồn dòng thực tế Chúng ta thấy rằng, nguồn dòng khơng đổi lý tưởng cung cấp số lượng dòng vơ hạn điện áp đầu nó, nguồn dòng độc lập Do ngụ ý nguồn dòng có điện trở vơ hạn (R = ∞) Coi nguồn dòng lý tưởng tốt cho việc phân tích mạch, thực tế nguồn dòng lại khơng vậy, ln có điện trở dù lớn (thường mega-ohms), nguyên nhân dẫn đến chút thay đổi nguồn dòng đấu vào tải Một nguồn dòng thực tế khơng lý tưởng biểu diễn nguồn dòng lý tưởng kết nối với điện trở Điện trở RP có ảnh hưởng giống điện trở kết nối song song với nguồn dòng hình Và nhớ phần tử đầu song song với có điện áp rơi Nguồn dòng lý tưởng nguồn dòng thực tế Bạn thấy nguồn dòng thực tế giống với mạch tương đương Norton Chú ý điện trở song song thấp Rp = nguồn dòng ngắn mạch, ngược lại điện trở lớn vơ nguồn dòng hở mạch tương đương với nguồn dòng lý tưởng Một nguồn dòng lý tưởng có đực tính I-V đường nằm ngang nói Tuy nhiên với nguồn dòng thực tế có điện trở đặc tính khơng đường thẳng dòng điện bị lấy sang điện trở trong, đồ thị lúc chia thành đường Một đường màu xanh biểu thị nguồn dòng lý tưởng đượng màu nâu biểu thị nguồn dòng thực tế Độ dốc đường đặc tính nguồn dòng thực tế có điện trở gây đồ thị có độ dốc Slope = -RP Định luật Ohm nói dòng điện chảy qua điện trở gây sụt áp điện trở Giá trị sụt áp tính i*RP Như điện áp VOUT với điện áp rơi điện trở không gắn tải Chúng ta nhớ nguồn dòng lý tưởng có điện trở vơ khơng có điện áp hai đầu Tổng dòng điện vòng lặp tính theo định luật dòng Kirchoff Iout = Is – Vs / RP Công thức vẽ đường đặc tuyến I-V dòng đầu hình Do nguồn dòng lý tưởng có đường đặc tuyến I-V thẳng khác với nguồn dòng thực tế có đường đặc tuyến dốc xuống lượng với giá trị Vout/RP Ví dụ 2: Một nguồn dòng thực tế gồm nguồn lý tưởng 3A có điện trở 500Ohms Khơng có tải gắn vào, tính điện áp hở mạch công suất tiêu thụ điện trở Nếu điện trở tải 250Ohms đươc nối vào hai đầu AB mạch tính dòng điện cơng suất tiêu thụ điện trở, điện áp rơi điện trở tải Dòng điện qua hai điện trở : Công suất tiêu thụ điện trở là: Điện áp rơi điện trở tải là: Chúng ta thấy điện áp hở mạch nguồn dòng thực tế cao, tạo điện áp cần thiết Về lý thuyết, điện áp đầu cuối vơ hạn nguồn dòng cố gắng để cung cấp đủ dòng định mức Kết nối tải vào đầu làm giảm điện áp Đối với nguồn dòng khơng đổi điện áp đầu tỷ lệ thuận với điện trở tải Trong trường hợp nguồn dòng khơng lý tưởng kết nối song song với tổng trở kháng kết của việc kết hợp chúng song song với giống hệt kết nối song song điện trở  Nguồn dòng phụ thuộc Bây biết nguồn dòng lý tưởng cung cấp lượng dòng điện xác định hồn tồn độc lập với điện áp tạo điện áp cần thiết để trì dòng cần thiết Điều làm cho hồn tồn độc lập với mạch mà kết nối đến, gọi nguồn độc lập lý tưởng Một nguồn dòng điều khiển phụ thuộc vào thay đổi dòng điện hay điện áp phần tử khác kết nối với mạch, hay đầu nguồn dòng bị phụ thuộc điều khiển điện áp hay dòng điện khác gọi nguồn dòng phụ thuộc Các nguồn dòng phụ thuộc hoạt động tương tự nguồn dòng mà xem xét, lý tưởng thực tế Sự khác biệt lần nguồn dòng phụ thuộc kiểm sốt điện áp hay dòng điện đầu vào Nguồn dòng phụ thuộc vào đầu vào điện áp thường gọi điện áp điều khiển nguồn dòng VCCS Nguồn dòng phụ thuộc vào đầu vào dòng điện thường gọi dòng điện điều khiển nguồn dòng CCCS Nói chung, nguồn dòng phụ thuộc lý tưởng điều khiển dòng điện hay điện áp có ký hiệu hình kim cương với mũi tên hướng dòng điện nằm bên hình Một nguồn dòng phụ thuộc lý tưởng điều khiển điện áp (VCCS) trì dòng điện đầu tỷ lệ thuận với điện áp đầu vào điều khiển (VIN) Nói cách khác, dòng điện đầu phụ thuộc vào giá trị điện áp đầu vào làm cho trở thành nguồn dòng phụ thuộc Do đó, dòng đầu xác định theo phương trình sau: Iout = ɑVin Hằng số nhân ɑ (alpha) có đơn vị SI mhos ℧ (dấu Ohms ngược) ɑ = Iout/Vin, đơn vị ampe / volt Một nguồn dòng phụ thuộc lý tưởng điều khiển dòng điện (CCCS) trì dòng điện đầu tỷ lệ thuận với dòng điện đầu vào điều khiển Do dòng đầu phụ thuộc vào dòng đầu vào nên trở thành nguồn dòng phụ thuộc Như dòng điều khiển, IIN xác định độ lớn dòng đầu Iout nhân với số phóng đại ꞵ (beta), dòng đầu cho phần tử CCCS xác định công thức IOUT = ꞵIIN Lưu ý số nhân hệ số tỷ lệ khơng có thức nguyên ꞵ = IOUT / IIN, , đơn vị ampe / ampe  Tóm tắt nguồn dòng Chúng ta thấy hướng dẫn nguồn dòng nguồn dòng lý tưởng (R vô cùng) phần tử hoạt động cung cấp dòng điện khơng đổi hồn tồn độc lập với điện áp có tải kết nối với tạo đường đặc tuyến I-V đường thẳng Các nguồn dòng độc lập lý tưởng kết nối song song với kỹ thuật phân tích mạch cấu hình song song bổ xung cấu hình song song phản kháng, chúng kết nối nối tiếp với Ngồi ra, để giải tốn phân tích định lý mạch, nguồn dòng trở thành nguồn hở mạch để dòng điện Lưu ý nguồn dòng có khả cung cấp hấp thụ lượng Trong trường hợp nguồn dòng khơng lý tưởng nguồn dòng ngồi thực tế, chúng mơ hình hóa thành nguồn dòng lý tưởng tương đương kết nối song song với môt điện trở không vô hạn có giá trị cao R tạo đặc tuyến I-V không thẳng mà dốc xuống điện trở tải giảm Chúng ta thấy nguồn dòng nguồn độc lập nguồn phụ thuộc Một nguồn phụ thuộc nguồn có dòng đầu phụ phuộc vào giá trị khác mạch Nguồn dòng điều khiển điện áp ký hiệu VCCS, nguồn dòng điều khiển dòng điện kí hiệu CCCS Các nguồn dòng khơng đổi có điện trở cao tìm thấy nhiều ứng dụng mạch điện tử phân tích Có thể xây dựng cách sử dụng bóng bán dẫn lưỡng cực, ốt, zener FET kết hợp thiết bị 13 Định luật dòng điện Kirchhoff Định luật dòng điện Kirchhoff định luật Kirchhoff liên quan đến việc bảo tồn điện tích vào khỏi mối nối Để xác định số lượng độ lớn dòng điện quanh mạch điện điện tử, cần sử dụng số định luật quy tắc định cho phép tìm dòng điện dạng phương trình Các hệ phương trình sử dùng dựa theo định luật Kirchhoff, xử lý dòng điện mạch thấy ứng dụng định luật dòng điện Kirchhoff Định luật dòng điện Gustav Kirchhoff định luật sử dụng để phân tích mạch Định luật ông phát biểu rằng, đường song song tổng dòng điện vào mối nối mạch xác tổng dòng điện khỏi mối nối Xảy điều khơng có nơi để khơng bị Nói cách khác, tổng đại số tất dòng điện vào rời khỏi điểm nối phải 0: IIN = IOUT Ý tưởng Kirchhoff thường gọi bảo toàn điện tích dòng điện bảo tồn xung quanh đường giao mà không bị Hãy xem xét ví dụ đơn giản đây:  Mối nối đơn Ở ví dụ đơn giản này, dòng điện IT tổng đại số hai dòng điện I1 I2 vào mối nối Đó IT = I1 + I2 Lưu ý viết xác điều dạng tổng đại số IT – (I1 + I2) = Vì vậy, I1 3A I2 2A tổng dòng điện IT rời khỏi điểm nối 3+2=5A, cúng ta sử dụng định luật cho số lượng mối nối hay nút tổng dòng điện vào ln giống Ngồi ra, đảo ngược hướng dòng điện, phương trình kết với I1 I2, I1 = IT – I2 = – = 3A I2 = IT – I1 = – = 2A Do nghĩ dòng điện vào đường giao dương (+), dòng điện rời khỏi đường giao âm (-) Do đó, thấy tổng tốn học dòng điện vào rời khỏi điểm nối theo hướng 0, điều tạo thành sở quy tắc mối nối Kirchhoff, thường gọi định luật dòng điện Kirchhoff (KCL)  Các điện trở song song Hãy xem làm để áp dụng định luật Kirchhoff cho điện trở song song dù điện trở khơng Trong ví dụ đơn giản trên, có hai mối nối khác cho dòng điện nút B nút E Do sử dụng định luật Kirchhoff cho hai mối nối Đầu tiên dòng điện IT rời khỏi nguồn điện 24V đến nút A sau vào nút B Nút B chia dòng vào thành dòng theo hai hướng riêng biệt Một dòng xuống qua R1 đến nút E, dòng lại tiếp tục đến nút B vào R2 Chú ý dòng điện vào điểm nút gọi chung dòng nhánh Chúng ta sử dụng định luật Ohm để xác định dòng nhánh riêng biệt chảy qua điện trở I = V/R Đối với dòng nhánh B tới E qua điện trở R1 là: Đối với dòng nhánh C tới D thơng qua điện trở R2 là: Vậy biết từ tính tốn dòng điện rời khỏi điểm nối nút B I1 = 3A I2 = 2A, tổng dòng điện vào đường giao nút B + = 5A  Ứng dụng KCL cho mạch phức hợp Chúng ta sử dụng KCL để tìm dòng điện chảy qua mạch phức hợp Chúng ta biết tổng đại số dòng điện nút 0, sử dụng ý tưởng xác định dòng vào khỏi nút cách đơn giản đây: Ví dụ 1: Trong ví dụ này, có bốn điểm nối riêng biệt để dòng điện tách rời hợp với nút A, C, E nút F Dòng cung cấp IT tách nút A chảy qua điện trở R1 R2, kết hợp lại nút C trước phân tách lại điện trở R3, R4 R5 cuối kết hợp lại lần nút F Nhưng trước tính tốn dòng điện riêng lẻ chạy qua nhánh điện trở, trước tiên phải tính tổng dòng điện IT Định luật Ohms cho biết I = V / R biết giá trị V 132V, cần tính tốn điện trở mạch sau: Từ tính tốn cho mạch tương đượng KCL sau: Khi thiết lập điện trở song song tương đương dòng cung cấp, tính tốn dòng nhánh riêng lẻ xác nhận cách sử dụng quy tắc mối nối Kirchhoff Chúng ta xác nhận KCL cách sử dụng nút C làm điểm tham chiếu để tính tốn dòng vào sau: 14 Định luật điện áp Kirchhoff Định luật điện áp Kirchoff (KVL) định luật thứ hai Kirchhoff liên quan đến việc bảo tồn lượng xung quanh mạch kín Định luật điện áp Gustav Kirchhoff định luật thứ định luật ông mà sử dụng để phân tích mạch Định luật điện áp ơng nói chuỗi vòng kín, tổng đại số tất điện áp xung quanh vòng kín mạch khơng Điều vòng mạch vòng khép kín nên khơng lượng Nói cách khác, tổng đại số tất khác biệt tiềm xung quanh vòng lặp phải hay ΣV = Lưu ý thuật ngữ tổng đại số có nghĩa tính đến cực dấu nguồn điện áp giảm xung quanh vòng lặp Ý tưởng Kirchhoff thường gọi bảo toàn lượng, di chuyển xung quanh vòng kín mạch, bạn quay trở lại nơi mà bạn bắt đầu mạch trở lại tiềm ban đầu mà khơng bị điện áp xung quanh vòng Do đó, điện áp rơi xung quanh vòng lặp phải với nguồn điện áp gặp đường Vì vậy, áp dụng định luật điện áp Kirchhoff cho phần tử mạch cụ thể, điều quan trọng phải đặc biệt ý đến dấu đại số (+ -) điện áp rơi phần tử nguồn suất điện động khơng tính tốn sai Nhưng trước xem xét kỹ định luật điện áp Kirchhoff (KVL), trướng tiên cần hiểu sụt áp phần tử mach đơn giản điện trở  Phần tử mạch đơn Đối với ví dụ đơn giản này, giả sử dòng điện I hướng với dòng điện tích dương, dòng điện quy ước Ở dòng điện chạy qua điện trở từ điểm A đến điểm B tức cực dương đến cực âm Do hướng với dòng điện, có sụt giảm tiềm qua phần tử điện trở làm tăng điện áp –IR Nếu dòng điện ngươc chiều từ điểm B đến điểm A có gia tăng tiềm phần tử điện trở chuyển từ tiềm a- sang tiềm a+ cho điện áp giảm +IR Do để áp dụng định luật điện áp Kirchhoff vào mạch điện, trước tiên phải hiểu hướng cực tính thấy, dấu hiệu sụt áp phần tử điện trở phụ thuộc vào hướng dòng điện chạy qua Theo nguyên tắc chung, bạn ất tiề theo hướng dòng điện qua phần tử có tiềm bạn di chuyển theo hướng nguồn suất điện động Hướng dòng chảy xung quanh mạch kín giả định theo chiều kim đồng hồ ngược chiều kim đồng hồ Nếu hướng chọn hác với hướng dòng chảy thực tế kết có dấu “-” trước giá trị dòng điện  Vòng lặp mạch đơn Định luật điện áp Kirchhoff nói tổng đại số khác biệt tiềm vòng lặp phải Vì hai điện trở R1 R2 đấu nối tiếp với kết nối nối tiếp hai phần vòng lặp, có dòng chạy qua điện trở Do đó, điện áp rơi điện trở R1 I*R1 điện áp rơi điện trở R2 I*R2 Chúng ta thấy việc áp dụng định luật điện áp Kirchhoff cho vòng kín đơn tạo công thức cho điện trở tương đương tổng trở mạch nối tiếp, mở rộng điều để tìm giá trị điện áp rơi quanh vòng 16 Năng lượng công suất Năng lượng điện cung cấp công suất theo u cầu để hồn thành cơng việc hành động với mạch điên có đơn vị Joules/second (J/s) Năng lượng điện khả mạch điện để hồn thành cơng việc cách tạo hành động Hành động dạng khác nhiệt độ, điện trường, khí, điện…Năng lượng điện tạo từ pin, máy phát điện, quang điện…hoặc lưu trữ để sử dụng tương lại pin nhiên liệu, pin, tụ điện, từ trường… Do lượng tạo lưu trữ Chúng ta nhớ từ lớp khoa học định luật bảo toàn lượng phát biểu rằng, lượng tạo bị phá hủy, chuyển đổi từ dạng sang dạng khác Nhưng để lượng thực cơng việc hữu ích nào,nó phải chuyển đổi từ dạng sang dạng khác Ví dụ, động chuyển dổi lượng điện thành lượng học động (quay), máy phát chuyển đổi động trở lại thành lượng điện để cung cấp lượng cho mạch điện Đó máy điện chuyển đổi biến đổi lượng từ dạng sang dạng khác cách thực cơng Ví dụ bóng đèn, chuyển đổi lượng từ điện sang ánh sáng nhiệt Do lượng điện linh hoạt dễ dàng chuyển đổi thành nhiều dạng lượng khác Để lượng điện di chuyển electron tạo dòng điện chạy quanh mạch, cơng việc phải thực hiện, electron phải di chuyển theo khoảng cách thông qua dây dẫn Công việc thực lưu trữ dòng điện tử dạng lượng Do “cơng” tên mà chúng tơi đặt cho q trình lượng Do nói Cơng Năng lượng giống định nghĩa “khả thực số công việc” Lưu ý Công thực lượng truyền áp dụng cho hệ thống hệ thống nhiệt hệ thống điện Điều lượng học, nhiệt điện thay cho  Năng lượng điện: Điện áp Như biết lượng khả để thực công việc với đơn vị tiêu chuẩn sử dụng Joule Một joule lượng định nghĩa lượng tiêu thụ ampe volt di chuyển giây Dòng điện kết chuyển động điện tích (electron) xung quanh mạch, để di chuyển điện tích từ nút sang nút khác cần phải có lực để tạo cơng việc di chuyển điện tích, là: Điện áp Chúng ta có xu hướng nghĩ điện áp (V) tồn hai đầu khác nhau, điểm nút khác mạch nguồn cấp Nhưng điện áp quan trọng cung cấp cơng việc cần thiết để di chuyển điện tích từ điểm sang điểm khác theo hướng thuận ngược Điện áp hiệu điện hai cực điểm định nghĩa có giá trị volt joule lượng đươc sử dụng để di chuyển loulonb © điện tích hai cực Nói cách khác, chênh lệch điện áp hai điểm cực công cần thiết tính joule để di chuyển Coulonb điện tích từ A đến B Do điện áp biểu thị sau: Ở đây, điện áp Volts, Jj công lượng Joules C điện tích Coulombs Do đó, J = 1joule, C = 1Coulomb V = 1Volt Ví dụ: Điện áp pin cần dùng 135joules lượng để di chuyển 15 coulombs điện tích quanh mạch điện Do thấy ví dụ coulomb điện tích sở hữu lượng joules  Năng lượng điện: Dòng điện Chúng ta thấy đơn vị điện tích Coulomb dòng điện tích xung quanh mạch sử dụng để biểu diễn dòng điện Tuy nhiên, biểu tượng cho coulomb chữ “C”, điều bị nhầm lẫn với biểu tượng cho điện dung chữ “C” Để tránh cho nhầm lẫn này, ký hiệu phổ biến sử dụng cho điện tích chữ in hoa “Q” chữ nhỏ “q”, viết tắt số lượng Q = 1Coulomb điện tích Q = 1C Lưu ý Q +Q (số lỗ trống) –Q (số electron) Dòng chảy điện tích quanh mạch kín dạng electron gọi dòng điện Tuy nhiên, việc sử dụng biểu thức “dòng điện tích” có nghĩa chuyển động, đó, để tạo dòng điện điện tích phải di chuyển Điều dẫn đến câu hỏi, điều làm cho điện tích di chuyển? Và điều thực thành phần biết điện áp Vậy điện áp hiệu điện hai điểm cung cấp lượng cần để di chuyển điện tích quanh mạch dạng dòng electron Do đó, cơng việc đươc thực để di chuyển điện tích cần cung cấp khác biệt tiềm hai điểm nên khơng có khác biệt tiềm hai điểm khơng có dịch chuyển điện tích khơng có dòng chảy Điện tích thực tế mà khơng có dòng chảy chuyển động gọi tĩnh điện Nếu chuyển động điện tích gọi dòng điện nói dòng điện tốc độ chuyển động (tốc độ dòng chảy) điện tích, có điện tích đại diện cho dòng điện Nếu chọn điểm mạch đo lượng điện tích chảy qua điểm xác giây có cường độ dòng điện Amperes (A) Do đó, ampe dòng điện Coulomb điện tích chảy qua điểm cho trước khoảng thời gian giây Càng nhiều điện tích chảy qua điểm dây tạo cường độ dòng điện lớn Do định nghĩa 1A dòng điện coulomb điện tích giây Vậy 1A = 1C / s  Đơn vị Ampere Ở đây, Q điện tích (coulombs) t khoảng thời gian (giây) mà điện tích di chuyển Mặt khác, dòng điện có độ lớn (lượng điện tích) hướng xác định liên quan đến Chú ý ký hiệu sử dụng phổ biến dòng điện I i đại diện cho cường độ Đó cường độ nồng độ điện tích tạo dòng điện Đối với dòng điện chiều khơng đổi DC, chữ viết hoa “I” thường sử dụng, dòng điện thay đổi theo thời gian AC thường dùng chữ “i” Ký hiệu i(t) có nghĩa giá trị dòng điện tức thời xác thời điểm Đơi để dễ nhớ mối quan hệ Q, I t sử dụng tam giác đây:  Năng lượng điện: Watt Công suất điện sản phẩm hai thành phần điện áp dòng điện định nghĩa tốc độ thực công việc việc tiêu hao lượng Chúng ta nói điện áp cung cấp cơng việc cần thiết Joules để di chuyển Coulomb điện tích từ A đến B dòng điện tốc độ di chuyển (tốc độ dòng chảy) điện tích Vậy hai định nghĩa liên kết với nào? Nếu điện áp V Joules Coulomb (V = J / C) Amperes (I) điện tích (Coulomb) giây (A = Q / t) định nghĩa công suất tổng hai đại lượng Điều cơng suất điện điện áp lần amperes, là: P = V*I Vậy nói cơng suất điện la tốc độ công việc thực suất giây Đó joule lượng tiêu thụ giây Giống công suất điện đo Watts (W), đo joules giây Vậy nói xác 1Watt = Joule giây (J/s)  Cơng suất điện Vì vậy, watt = 1joule / giây, tương tự: joule lượng = watt giây, nghĩa là: Cơng việc với thời gian cơng suất Vì vậy, lượng điện (cơng việc thực hiện) có cách nhân cơng suất với thời gian tính giây mà điện tích (dưới dạng dòng điện) chảy Do đó, đơn vị lượng điện phụ thuộc vào đơn vị sử dụng công suất thời gian Vậy đo công suất điện theo kilowatts (kW) thời gian (h) lượng điện tiêu thụ kilowatt*giờ kWh ... điện chạy theo hướng qua lại dọi dòng điện xoay chiều (dòng điện AC) Dù dòng điện xoay chiều hay chiều chúng chạy qua mạch nguồn điện áp kết nối vào mạch dòng điện mạch bị giới hạn điện trở mạch. .. DC) mạch thích ngắn mạch bán ngắn mạch khơng thích hở mạch, hở mạch ngăn khơng cho dòng điện chảy qua  Điện trở Điện trở (R) khả vật liệu chống lại ngăn chặn dòng điện cụ thể dòng điện tích mạch. .. với điện áp, dòng điện điện trở Mối quan hệ điện áp, dòng điện điện trở tạo thành tảng định luật Ohm Trong mạch tuyến tính có điện trở cố định, tăng điện áp, dòng điện tăng, tương tự, giảm điện