Bài giảng Kỹ thuật điện, điện tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NAM ĐỊNH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ Th.s Trần Thị Kim Dung Th.s Vũ Thị Thắng TẬP BÀI GIẢNG Kü THT §IƯN-§IƯN Tư Nam Định, năm 2012 LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật điện lĩnh vực khoa học có ý nghĩa quan trọng việc đào tạo kỹ sư ngành công nghệ kỹ thuật có phạm vi nghiên cứu rộng nhằm cung cấp cho sinh viên phương pháp phân tích mạch sở để thiết kế hệ thống điều khiển Chúng ta sống năm đầu kỷ 21, chứng kiến phát triển nhanh chóng đến kinh ngạc công nghệ thông tin mà sở công nghệ thông tin kỹ thuật công nghệ điện tử Từ xuất transitor năm (1948) cơng nghệ điện tử có tiến nhảy vọt, mang lại nhiều thay đổi to lớn sâu sắc đời sống, trở thành công cụ quan trọng cách mạng kỹ thuật trình độ cao Để đáp ứng việc học tập sinh viên hệ cao đẳng, đại học chuyên ngành Cơ khí, biên soạn tập giảng “Kỹ thuật điện - điện tử” Tập giảng biên soạn theo đề cương, chương trình chi tiết đươc Hội đồng khoa học trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định thông qua Tập giảng viết thành hai phần với bốn chương Cuối phần có phần câu hỏi tập giúp sinh viên ôn tập hệ thống kiến thức Nhóm tác giả viết tập giảng sưu tầm tài liệu sử dụng trường nước, đóng góp đồng nghiệp, kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm Tuy nhiên khơng tránh thiếu sót Chúng tơi mong nhận ý kiến đóng góp đồng nghiệp bạn quan tâm đến lĩnh vực Mọi ý kiến xin gửi tới Bộ môn Cơ sở Kỹ thuật điện, khoa Điện – Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định (Phường Lộc Hà thành phố Nam Định) Xin chân thành cảm ơn! Nam Định, tháng 12 năm 2012 CÁC TÁC GIẢ MỤC LỤC Trang Lời nói đầu Chương 1: Những khái niệm mạch điện……………………… … 1.1 Khái niệm chung…………………………………………………………… 1.1.1 Định nghĩa mạch điện…………………………….…………………… 6 1.1.2 Kết cấu hình học mạch điện………………………………………… 1.1.3 Các thông số bản…………………………………………………….… 1.2 Các định luật bản………………………………………………………… 11 1.2.1 Định luật Ohm…………………………………………………………… 11 1.2.2 Định luật Kirchhoff……………………………………………… ……… 1.3 Phân loại mạch điện………………………………………………………… 12 13 1.3.1 Theo dòng điện mạch……………………………………………… 1.3.2 Theo tính chất thơng số R,L,C mạch…………………………… 13 13 Câu hỏi tập chương 14 Chương 2: Kỹ thuật điện……………………………………………………… 2.1 Mạch điện xoay chiều pha…………………………………………… 15 15 2.1.1 Khái niệm………………………………………………………………… 15 2.1.2 Mạch điện hình sin pha bản……………………………………… 2.1.3 Hệ số công suất phương pháp nâng cao hệ số công suất………… 22 38 2.1.4 Các phương pháp phân tích mạch điện…………………………………… 2.2 Mạch điện xoay chiều pha………………………………………………… 39 53 2.2.1 Khái niệm chung………………………………………………………… 53 2.2.2 Mạch ba pha đối xứng nối sao- (Y-Y) 2.2.3 Mạch ba pha đối xứng nối tam giác - tam giác (-) 54 55 2.2.4 Mạch ba pha đối xứng đấu phức tạp 56 2.2.5 Công suất mạch ba pha 2.2.6 Phương pháp giải mạch điện xoay chiều ba pha đối xứng 57 57 2.3 Máy điện 2.3.1 Khái niệm chung máy điện 2.3.2 Máy biến áp 64 64 67 2.3.3 Máy điện quay 2.4 Kỹ thuật đo lường 2.4.1 Khái niệm chung đo lường 2.4.2 Các dụng cụ đo 72 82 82 84 Trang 2.4.3 Đo đại lượng điện Câu hỏi tập chương 93 103 Chương 3: Kỹ thuật điện tử 3.1 Vật liệu điện linh kiện 3.1.1 Vật liệu điện 109 109 109 3.1.2 Linh kiện thụ động linh kiện bán dẫn 3.2 Mạch khuếch đại mạch cấp nguồn 3.2.1 Mạch định thiên TZT 112 156 156 3.2.2 Các mạch khuếch đại xoay chiều 162 3.2.3 Mạch khuếch đại công suất 3.2.4 Mạch cấp nguồn 165 170 Câu hỏi tập chương 194 Chương 4: Kỹ thuật xung - số 4.1 Kỹ thuật xung 4.1.1 Khái niệm 4.1.2 Các mạch tạo xung 196 196 196 196 4.2 Kỹ thuật số 207 4.2.1 Khái niệm hệ thống số 4.2.2 Đại số Boolean cổng lozic 207 211 4.2.3 Các phương pháp tối thiểu hàm lơzíc 4.2.4 Các mạch Flip-Flop 219 222 4.2.5 Các mạch ứng dụng 229 Câu hỏi tập chương Tài liệu tham khảo 254 256 Chương NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN 1.1 Khái niệm chung 1.1.1 Định nghĩa mạch điện Là tập hợp thiết bị điện nối với dây dẫn tạo thành vòng điện kín có dịng điện chạy qua * Mạch điện gồm ba phần + Nguồn điện: Là thiết bị phát điện máy phát điện biến thành điện năng, nguồn pin biến hóa thành điện năng, pin quang điện biến lượng xạ mặt trời thành lượng điện + Phụ tải: Chính thiết bị tiêu thụ điện biến điện thành dạng lượng khác Ví dụ: Động điện biến điện thành năng; Bàn điện biến điện thành nhiệt năng; Bóng đèn chiếu sáng biến điện thành quang năng; + Dây dẫn: Là phận quan trọng làm nhiệm vụ dẫn điện từ nguồn đến tải thường làm đồng, nhơm + Ngồi cịn có thiết bị khác: - Thiết bị đóng cắt: Cơng tắc, ATM, cầu dao - Thiết bị đo lường: - Các loại đồng hồ đo đại lượng điện - Thiết bị bảo vệ & báo tín hiệu Ví dụ : Mạch điện đơn giản hình1.1 K MF V Đ/C Đ Hình 1.1: Sơ đồ mạch điện đơn giản 1.1.2 Kết cấu hình học mạch điện - Nhánh: Nhánh phận mạch điện gồm phần tử nối tiếp với có dịng điện chạy qua - Nút: Là chỗ gặp ba nhánh trở lên - Vòng: Là lối khép kín qua nhánh, tập hợp nhánh nối tiếp tạo thành vòng khép kín - Mắt lưới: (Số vịng độc lập) vịng khơng chứa nhánh bên Ví dụ: cho sơ đồ mạch điện hình 1.2 A B C C R1 V2 R2 V1 L e V3 F E D Hình 1.2: Sơ đồ kết cấu hình học mạch điện Mạch điện hình 1-2 gồm: nhánh: AF, BE, CD nút: A (B ≡ C), F (E ≡ D) mạch vòng mắt lưới 1.1.3 Các thông số 1) Nguồn điện áp - Nguồn sức điện động + Nguồn điện áp đặc trưng cho khả tạo nên trì điện áp cực nguồn Ký hiệu: Ut Mũi tên chiều mạch ngồi nguồn có chiều từ nơi cao đến nơi thấp + Nguồn sức điện động đặc trưng cho khả sinh cơng nguồn điện Ký hiệu: e(t) Mũi tên chiều mạch nguồn có chiều từ nơi thấp đến nơi cao Đơn vị: mV, V, KV 1mv 1v 1Kv = 10-3V = 103mV = 103V 2) Nguồn dòng điện Nguồn dòng điện j(t) đặc trưng cho khả nguồn điện tạo nên trì dịng điện cung cấp cho mạch ngồi J(t) - Kí hiệu: >> - Dòng điện (i) trị số tốc độ biến thiên lượng điện tích (q) qua tiết diện ngang vật dẫn theo thời gian i= dq dt (1- 1) - Chiều dòng điện quy ước chiều với chiều chuyển động điện tích dương ngược chiều với chiều chuyển động điện tích âm (điện tử tự do) 3) Điện trở R i(t) R uR R   l S (1- 2)  : điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn (mm2/m) l : chiều dài vật dẫn (m) S: Tiết diện vật dẫn (mm2) - Khi cho dòng điện chạy qua vật dẫn (điện trở) sinh điện áp rơi điện trở UR = Ri (1- 3) - Công suất tiêu thụ dạng nhiệt P = I2 R (w ; Kw) (1- 4) - Điện tiêu thụ thời gian t A = Pt = I2Rt (Kw/h) (1- 5) - Cách đấu điện trở: + Đấu nối tiếp + Đấu song song eL iL + Đấu hỗn hợp 4) Điện cảm L L uL Khi cho dòng điện i chạy qua cuộn dây có số vịng w sinh từ thơng móc vịng cuộn dây  = w Điện cảm cuộn dây L xác định: L  w  (H) (H)  i i (1- 6) Nếu i biến thiên   biến thiên theo tượng cảm ứng điện từ Trong cuộn dây xuất suất điện động tự cảm có chiều chống lại từ thơng sinh Ký hiệu: SĐĐ tự cảm eL  eL   L di d  dt dt (1- 7)  Cuộn dây xuất điện áp UL ngược với eL u L   eL  Ldi dt (1- 8) Công suất tức thời cuộn cảm pL = uL i Năng lượng từ trường tích lũy cuộn dây WL (1- 9) t WL   PL dt  LI 2 (1- 10) Kết luận: Điện cảm L đặc trưng cho tượng tích lũy lượng từ trường cuộn dây gọi kho từ 5) Tụ điện C Khi đặt điện áp lên tụ điện có điện dung C Tụ điện C nạp điện tích q q = C UC (1- 11) C i UC Nếu uC biến thiên có dịng điện chuyển dịch qua tụ i du dq C C dt dt (1- 12) 1t u C   idt C0 (1- 13) Nếu thời điểm ban đầu t = tụ tích điện tích ban đầu: uC = 1t idt + UC (0) C 0 (1- 14) Công suất tức thời tụ pc = uC i = uC C duC dt (1- 15) Năng lượng tích luỹ điện trường tụ điện t WC =  pdt  C U 2C (1- 16) Kết luận: Tụ điện C đặc trưng cho tượng tích lũy lượng điện trường tụ điện gọi kho điện 6) Hỗ cảm M Hiện tượng hỗ cảm tượng xuất điện áp cuộn dây dòng điện biến thiên cuộn dây khác tạo nên M * 11 21 i2 i1 W2 * W1 Hình 1.3: Hai cuộn dây có hỗ cảm Hai cuộn dây W1 W2 có liên hệ hỗ cảm với Từ thông hỗ cảm hai cuộn dây dòng điện i1 tạo nên là: 21 = Mi1 (1- 17) 21 từ thông hỗ cảm cuộn dây cuộn dây gửi sang M hệ số hỗ cảm hai cuộn dây d12 Mdi1 (1- 18)  dt dt Tương tự cho dịng i2 vào cuộn dây W2 điện áp hỗ cảm cuộn dây W1 dòng i2 sinh là: Nếu i1 biến thiên => U 21  U12  d12 Mdi2  dt dt (1- 19) Ký hiệu: L1 M L2 * * 7) Các đại lượng đặc trưng mạch điện + Dòng điện Dòng điện trị số tốc độ biến thiên lượng điện tích q qua tiết diện ngang vật dẫn theo thời gian: i dq dt (1- 20) Chiều quy ước chiều chuyển động điện tích dương điện trường + Điện áp Hiệu điện hai điểm gọi điện áp U AB  A  B (1- 21) A: Thế điểm A B: Thế điểm B Chiều điện áp chiều từ điểm có điện cao đến điểm có điện thấp + Công suất 10 Trong mạch điện nhánh phần tử có thu phát lượng P = UI >0 Nhánh nhận lượng P = UI