Bài giảng Mạch điện tử - Chương 1: Những khái niệm cơ bản về mạch điện

Bài giảng Mạch điện tử - Chương 1: Những khái niệm cơ bản về mạch điện cung cấp cho người học những kiến thức cơ bản sau: Mạch điện, kết cấu hình học của mạch điện; các đại lượng đặc trưng quá trình năng lượng trong mạch điện; mô hình mạch điện; phân loại mạch điện và bài toán mạch điện; hai định luật Kirhof.

Chương 1: Những khái niệm mạch điện 1.1 Mạch điện, kết cấu hình học mạch điện 1.1.1 Mạch điện: • • Mạch điện tập hợp thiết bị điện nối với dây dẫn tạo thành vịng kín dịng điện chạy qua Mạch điện thường gồm phần tử: nguồn điện, phụ tải dây dẫn 1.1.2 Kết cấu hình học mạch điện a/ Nhánh: phận mạch điện gồm phần tử nối tiếp có dịng điện chạy qua b/ Nút: chỗ gặp từ ba nhánh trở lên Dây dẫn: truyền tải điện từ nguồn đến tải c/ Vịng: lối khép kín qua nhánh A Ví dụ hình 1.1 có: • nhánh 1,2,3 • nút A,B ĐC MF Đ • vịng a,b,c a b c Nguồn: thiết bị biến đổi dạng lượng khác thành điện B Phụ tải: thiết bị tiêu thụ lượng, biến đổi điện thành dạng lượng khác Hình 1.1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.2.Các đại lượng đặc trưng q trình lượng mạch điện - Dịng điện i - Điện áp u i 1.2.1 Dịng điện • uAB Trị số: tốc độ biến thiên lượng điện tích q qua tiết diện ngang vật dẫn: Hình 1.2 dq i dt • Chiều dịng điện: quy ước chiều chuyển động điện tích dương điện trường 1.2.2 Điện áp • Mỗi điểm mạch có điện Hiệu điện hai điểm gọi điện áp: • Chiều điện áp quy ước chiều từ điểm có điện cao đến điểm có điện thấp Trong q trình tính tốn phân tích mạch điện phức tạp tùy ý đặt chiều dòng điện điện áp nhánh chiều dương, sở thiết lập hệ phương trình giải mạch điện Kết tính tốn cho dịng điện (điện áp) thời điểm có trị số dương chiều dịng điện (điện áp) nhánh trùng với chiều chọn, có trị số âm ngược với chiều chọn u AB  A  B CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.2.3 Cơng suất: • • • Công suất nhánh phần tử p = ui, nhánh phần tử nhận phát lượng Nếu chọn dòng điện điện áp nhánh trùng (hình 1.2): p = ui > nhánh nhận lượng (1.3) p = ui < nhánh phát lượng (1.4) Nếu chọn dòng điện điện áp nhánh ngược ngược lại 1.3 Mơ hình mạch điện: 1.3.1 Các phần tử mơ hình mạch điện: a/ Nguồn điện áp u(t) • Đặc trưng cho khả tạo nên trì điện áp cực nguồn • Nguồn điện áp biểu diễn sức điện động e(t) (hình 1.3.a), có chiều e từ điểm có điện thấp đến điểm có điện cao, ngược với chiều điện áp đầu cực u(t) • u(t) = e(t) (1.5) b/ Nguồn dịng điện j(t) • Đặc trưng cho khả nguồn điện tạo nên trì dịng điện cung cấp cho mạch ngồi (hình 1.3.b) CuuDuongThanCong.com u(t) a) https://fb.com/tailieudientucntt j(t) b) Hình 1.3 c/ Điện trở R: • Cho dịng điện i chạy qua điện trở R: có điện áp uR rơi điện trở R: u R  Ri • Điện dẫn g  R • Đơn vị điện trở • • Cơng suất tiêu thụ điện trở p  u R i  Ri Điện tiêu thụ điện trở khoảng thời gian t  , đơn vị điện dẫn S  uR  t t 0 R i Hình 1.4 eL i A   pdt   Ri 2dt uL Điện trở R đặc trưng cho công suất tiêu tán điện trở Hình 1.5 d/ Điện cảm L • Khi có dịng điện chạy qua cuộn dây có w vịng sinh từ thơng móc vòng với cuộn dây   w Định nghĩa: L   w  i i điện cảm cuộn dây, đơn vị H (Henry) i biến thiên xuất sức điện động tự cảm cuộn dây e L   • d di  L dt dt Điện áp cuộn dây: u L  e L  L di dt CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt • • Công suất cuộn dây: p L  u Li  Li di dt t t 0 Năng lượng từ trường tích lũy cuộn dây: WL   p L dt   Lidi  Li Điện cảm đặc trưng cho tượng tích lũy lượng từ trường e/ Hỗ cảm M • Hỗ cảm tượng xuất từ trường cuộn dây dòng điện biến thiên cuộn dây khác tạo • Hình 1.6: từ thơng hỗ cảm cuộn dòng i1 tạo  21  Mi (đơn vị M H) M hệ số hỗ cảm cuộn dây i1 biến thiên có điện áp hỗ cảm cuộn i1gây d Mdi1 u 21  21  dt dt i2 biến thiên có điện áp hỗ cảm cuộn i2 gây d Mdi u12  12  dt dt Dấu M dương cuộn dây cực tính, âm ngược cực tính * cuộn dây cực tính: dịng điện i1, i2 vào cực đánh dấu từ thơng tự cảm chiều Cực tính phụ thuộc chiều quấn dây vị trí cuộn dây có hỗ cảm CuuDuongThanCong.com M * Hình 1.6 https://fb.com/tailieudientucntt f/ Điện dung C Khi đặt điện áp uC lên tụ điện có điện dung C tụ điện nạp điện với điện tích q  Cu C Nếu điện áp uC biến thiên có dịng điện dịch chuyển qua tụ C i dq d du i  (Cu C )  C C dt dt dt uC 1t u C   idt C0 Hoặc 1t u C   idt  u C (0) C0 Công suất tụ điện : Hình 1.7 (tụ điện có điện tích ban đầu thời điểm t=0) pC  u Ci  Cu C du C dt Năng lượng tích lũy điện trường tụ điện t t WE   p Cdt   Cu Cdu C  Cu 2 0 Đơn vị điện dung F (Fara) Điện dung C đặc trưng cho tường tích lũy lượng điện trường tụ điện CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.3.2 Mơ hình mạch điện: • Mơ hình mạch điện (sơ đồ thay mạch điện) có kết cấu hình học q trình lượng giống mạch điện thực, phần tử mạch điện thực mơ hình hóa phần tử lý tưởng phần 1.3.1 • Thành lập mơ hình mạch điện : liệt kê tượng lượng xảy phần tử, thay chúng thông số lý tưởng nối với theo kết cấu hình học mạch Ví dụ: sơ đồ thay mạch điện hình 1.1 có dạng: Rd Ld Rd RĐ ef Rđ Rf Lf Rd LĐ Ef Rđ Rf Rd Ld Hình 1.8 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt RĐ 1.4 Phân loại mạch điện toán mạch điện 1.4.1 Phân loại mạch điện a/ Phân loại theo dòng điện mạch: - Mạch điện chiều: mạch điện có dịng điện có chiều khơng đổi theo thời gian (dịng điện có trị số chiều khơng thay đổi theo thời gian gọi dịng điện khơng đổi - Mạch điện xoay chiều: mạch điện có dịng điện có chiều biến đổi theo thời gian (thường sử dụng nhiều dịng điện hình sin, biến đổi theo hàm sin thời gian) b/ Phân loại theo tính chất cá thông số R,L,C mạch: - Mạch điện tuyến tính: phần tử mạch phần tử tuyến tính ( R,L,M,C = const) - Mạch điện phi tuyến: phần tử mạch phần tử phi tuyến, thay đổi phụ thuộc vào dòng điện i điện áp u chúng c/ Phân loại theo trình lượng mạch: - Mạch điện làm việc chế độ xác lập: tác động nguồn, dòng điện điện áp nhánh đạt trạng thái ổn định (biến thiên theo quy luật giống với quy luật biến thiên nguồn điện) i - Mạch điện làm việc chế độ độ: trình chuyển tiếp từ chế độ xác lập sang chế độ xác lập khác Chế độ xảy sau đóng cắt thay đổi thơng số mạch có chứa L,C khoảng thời gian ngắn, nhiên, dòng điện điện áp biến thiên theo quy luật khác với quy luật biến thiên chế độ xác lập xảy dòng, áp gây nguy hiểm cho mạch điện nên t khơng bỏ qua t Ví dụ hình 1.9 quy luật biến thiên dòng điện sau đóng mạch R_L vào nguồn điện áp khơng đổi Hình 1.9 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.4.2 Phân loại toán mạch điện Bài tốn mạch điện Bài tốn phân tích cho biết thơng số kết cấu mạch, cần tính dịng, áp cơng suất nhánh Bài tốn tổng hợp thành lập mạch điện với thông số kết cấu thích hợp thỏa mãn yêu cầu định trước dịng, áp, cơng suất Đối với mơn học: tốn phân tích mạch điện tuyến tính chế độ xác lập CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.5 Hai định luật Kirhof: 1.5.1 Định luật Kirhof 1: • • Định luật Kirhof phát biểu cho nút: Tổng đại số dịng điện nút khơng Qui ước: dịng điện tới nút mang dấu dương dịng điện rời khỏi nút mang dấu âm i  1.5.2 Định luật Kirhof • Định luật Kirhof phát biểu cho vịng kín: Đi theo vịng kín, theo chiều tùy ý, tổng đại số điện áp rơi phần tử tổng đại số sức điện động vịng, sức điện động dịng điện có chiều trùng với chiều vòng lấy dấu dương, ngược lại mang dấu âm • Xét mạch điện hình 1.10 Pt định luật Kirhof viết cho nút A: i1  i  i5 Pt định luật Kirhof viết cho vòng a: R1i1  L1 di1   i 2dt  e1 dt C2 i1 A i2 e1 R1 B i5 i3 C2 a b R3 C3 L1 C Hình 1.10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt i4 c R4 e4 ... thơng số R,L,C mạch: - Mạch điện tuyến tính: phần tử mạch phần tử tuyến tính ( R,L,M,C = const) - Mạch điện phi tuyến: phần tử mạch phần tử phi tuyến, thay đổi phụ thuộc vào dòng điện i điện áp u... loại mạch điện toán mạch điện 1.4.1 Phân loại mạch điện a/ Phân loại theo dòng điện mạch: - Mạch điện chiều: mạch điện có dịng điện có chiều khơng đổi theo thời gian (dịng điện có trị số chiều... chiều chuyển động điện tích dương điện trường 1.2.2 Điện áp • Mỗi điểm mạch có điện Hiệu điện hai điểm gọi điện áp: • Chiều điện áp quy ước chiều từ điểm có điện cao đến điểm có điện thấp Trong