LÝ THUYẾT MẠCH Phạm Khánh Tùng - Bộ môn Kỹ thuật điện tungpk@hnue.edu.vn Hnue.edu.vn/directory/tungpk Giới thiệu Ngành Kỹ thuật điện: - Nghiên cứu, thiết kế, sản xuất, quản lý sản phẩm hệ thống sử dụng điện - Có liên quan đến hệ thống sản xuất, truyền dẫn đo tín hiệu điện - Áp dụng định luật vật lý điện từ vào việc chế tạo sản phẩm dịch vụ cho người Cơ sở Kỹ thuật điện phần chung sở lĩnh vực kỹ thuật điện, bao gồm: - Điện tử công suất, động & máy phát, hệ thống truyền tải - Khuyếch đại, mạch tương tự, kỹ thuật & thiết bị đo - Tín hiệu & hệ thống, điều khiển tương tự, điều khiển số, robot - Vi xử lý, mạch kỹ thuật số - Xử lý tín hiệu số, vi sóng, radio, truyền hình, liên lạc, vệ tinh… Giới thiệu - Nội dung học phần Lý thuyết mạch: kiến thức lý thuyết mạch điện - Mạch điện: Tập hợp phần tử (thiết bị điện) kết nối với dây dẫn dòng điện chạy qua - Có hai toán kỹ thuật điện: + Phân tích: mạch điện → thông sốcủa mạch (dòng, áp,… ) + Tổng hợp: thông số mạch (dòng, áp, …) → mạch điện ( Lý thuyết mạch toán phân tích) CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN 1.1 Đại lượng điện hệ đợn vị SI - Bốn đại lượng đơn vị Đại lượng Ký hiệu Đơn vị (hệ SI) Viết tắt L, l mét m M, m kilogam kg Thời gian T, t giây s Dòng điện I, i ampe A Chiều dài Khối lượng - Các đại lượng liên quan đơn vị chúng không trình bày bảng nhiệt độ thang kelvin (K), lượng vật chất phân tử (mol) mật độ ánh sáng đơn vị candela (cd) CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN Các đại lượng thường dùng phân tích mạch điện suy từ bảy đại lượng ký hiệu chúng Đại lượng Ký hiệu Điện tích Điện Điện trở Điện dẫn Điện cảm Điện dung Tần số Lực Công, lượng Công suất Từ thông Từ cảm (mật độ từ thông) Q, q V, v R G L C f F Đơn vị (hệ SI) coulomb vôn Ohm siemen henry fara hertz newton W, w joule J P, p Φ watt Weber W Wb B tesla T Viết tắt C V Ω S H F Hz N CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN • Hai đại lượng bổ xung góc phẳng (còn gọi góc pha phân tích mạch) góc khối Đơn vị hệ Si tương ứng chúng radian (rad) steradian (sr) • Đơn vị “độ” sử dụng nhiều để biểu diễn góc pha đại lượng sin, • ví dụ: sin(t  30 ) , đó: ωt có đơn vị radian, ωt o + 30o gọi đơn vị hỗn hợp CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN 1.2 Lực, công công suất • Đại lượng có nguồn gốc từ phương trình toán học với quan hệ: “lực khối lượng nhân với gia tốc”, vậy, theo định nghĩa newton (N) lực tác động tạo gia tốc m/s2 cho vật có khối lượng kg Như • Công kết lực tác dụng quãng đường Joule công lực N quãng đường m (1 J = N.m) Công lượng có đơn vị • Công suất đại lượng đo công hoàn thành thời gian lượng truyền từ vật sang vật khác Đơn vị công suất watt (1 W = J/s) CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN Ví dụ 1–1: Chuyển động thẳng vật khối lượng 10 kg có gia tốc m/s2 (a) Tìm lực tác động F (b) Nếu vật bắt đầu chuyển động từ thời điểm t = 0, x = 0, xác định vị trí, động công suất t = 4s (a) Lực tác động: F  m.a  10(kg ).2(m / s )  20(kg.m / s )  20( N ) (b) Tại thời điểm t = 4s x  a.t  2(m / s )(4 s )  16(m) 2 KE  F x  20( N ).16(m)  3200( N m)  3,2(kJ ) p KE 3200( J )   800( J / s )  0,8(kW ) t 4s CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN 1.3 Điện tích dòng điện • Dòng điện định nghĩa dòng điện không đổi hai dây dẫn có chiều dài vô hạn tiết diện không đáng kể, đặt chân không 1m, tạo nên lực 2.10-7 (N) cho mét chiều dài • Một định nghĩa khác : dòng điện kết di chuyển điện tích dòng điện ampe tương đương với coulomb (C) điện tích di chuyển qua mặt cắt vật dẫn giây • Như vậy, qua hàm biến thời gian, đơn vị coulomb (C) định nghĩa ampe-giây i( A)  dq / dt (C / s) CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN • Điện tích tự vật dẫn dương âm • Điện tích dương chuyển động sang trái làm nên dòng điện i có hướng sang trái • Điện tích âm di chuyển sang phải tạo nên dòng điện sang phía trái CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN 2.7 Sơ đồ mạch điện CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN 2.8 Điện trở phi tuyến • Quan hệ dòng-áp phần tử dạng tức thời không thiết phải tuyến tính • Những phần tử mô hình hóa dạng điện trở phi tuyến Một ví dụ phần tử loại này: đèn sợi, với điện áp cao dòng điện nhỏ • Một ví dụ điện trở phi tuyến – diode Diode có dạng phần tử cực, khả dẫn điện theo chiều (anode đến cathode, chiều thuận) tốt nhiều so với chiều ngược lại (từ cathode đến anode, chiều ngược) CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN Giá trị điện trở tĩnh phần tử phi tuyến trạng thái dòng-áp (I, V) tính theo: R = V / I Giá trị điện trở động r = ΔV / ΔI , nghịch đảo độ dốc dòng điện so với điện áp Cả hai giá trị tĩnh động điện trở phi tuyến phụ thuộc vào trạng thái làm việc CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN Ví dụ 1–8: Đặc tính dòng-áp diode bán dẫn đo ghi lại: v (V) i (mA) 0,5 2.104 0,6 0,65 0,66 0,67 0,68 0,69 0,70 0,71 0,72 0,73 0,74 0,75 0,11 0,78 1,2 1,7 2,6 3,9 5,8 8,6 12,9 19,2 28,7 42,7 Chiều ngược (khi v < 0), dòng điện i = 4.10-15 (A) Sử dụng liệu bảng tính giá trị tĩnh động (R r) điện trở phi tuyến diode làm việc với dòng điện 30 (mA) công suất tiêu thụ Giải: Từ bảng liệu, ta có điện trở tĩnh R V 0,74   25,8 3 I 28,7.10 CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN (Ω) Điện trở động: r V 0,75  0,73   0,85 3 I (42,7  19,2).10 Công suất: p  V I  0,74.28,7.103  21,38 CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN Ví dụ 1–9: Đặc tính dòng-áp bóng đèn sợi wonfram đo ghi lại bảng Điện áp chiều có giá trị trạng thái ổn định trì đủ lâu để có cần nhiệt v (V) 0,5 1,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 i (mA) 11 12 13 14 15 16 17 18 18 19 20 Hãy tìm giá trị tĩnh động điện trở phi tuyến đèn công suất tiêu thụ với điểm làm việc (a) i = 10 mA; ( b) i = 15 mA Giải (a) Tại i = 10 mA, điện trở tĩnh: R  2,5  250 3 10.10 CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN v (V) 0,5 1,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 i (mA) 11 12 13 14 15 16 17 18 18 19 20 Điện trở động: 32 r  500 3 (11  9).10 Công suất: p  2,5.10.103  25 (b) Tại i = 15 mA, điện trở tĩnh: Điện trở động: Công suất: R  333 3 15.10 5,5  4,5 r  500 3 (16  14).10 p  5.15.103  75 CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN v (V) 0,5 1,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 i (mA) 11 12 13 14 15 16 17 18 18 19 20 Điện trở động: 32 r  500 3 (11  9).10 Công suất: p  2,5.10.103  25 (b) Tại i = 15 mA, điện trở tĩnh: Điện trở động: Công suất: R  333 3 15.10 5,5  4,5 r  500 3 (16  14).10 p  5.15.103  75 CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN BÀI TẬP Bài 1.1: Một lực di chuyển vật khoảng cách x có giá trị tương ứng F  12 / x (N) Hãy xác định (a) công lực khoảng m < x < 3m (b) giá trị lực không đổi tác dụng khoảng cách thực công tương đương Bài 1.2: Điện biến đổi thành nhiệt tốc độ 7,56 kJ/min điện trở có lượng điện tích qua 270 C/min Điện áp hai cực điện trở bao nhiêu? Bài 1.3: Phần tử mạch điện có dòng i  2,5 sin t (mA), ω tần số góc tính theo rad/s, điện áp hai cực v  45 sin t (V) Hãy xác định công suất trung bình Pavg điện WT truyền đến phần tử chu kỳ CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN Bài 1.4: Đơn vị thông dụng điện Kilowatt–giờ (kWh) (a) Có jun (J) kWh? (b) Một TV màu có công suất 75W bật từ 7h đến 11h30 Tổng điện TV tiêu thụ tính theo kWh J bao nhiêu? Bài 1.5: Dây dẫn điện đồng mã hiệu AWG #12, loại dây phổ biến hệ thống điện gia dụng, có khoảng 2,77.1023 điện tử tự mét chiều dài với giả thiết nguyên tử có điện tử dẫn điện Hãy xác định tỉ lệ điện tử di chuyển qua tiết diện ngang dây dẫn phút dây dẫn mang dòng điện không đổi 25 A? CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN Bài 1.6: Ắc qui 12V thường xác định theo đơn vị ampe–giờ (A.h) Nếu ắc qui 70 A.h xả dòng điện 3,5 A trì 20 (a) Giả thiết điện áp không đổi, xác định nằng lượng công suất trình xả kiệt ắc qui (b) Cũng hỏi câu với dòng điện 7A Bài 1.7: Một điện trở 25 Ω có điện áp v  150 sin 377t xác định dòng điện i công suất p điện trở (V) Hãy CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN Bài 1.8: Dòng điện điện trở 5Ω tăng từ đến 10A ms Tại thời điểm t   ms dòng điện lại không lạ tăng đến 10 A thời điểm t = ms Quá trình lặp lại ms Hãy vẽ dạng sóng dòng điện i điện áp v tương ứng Bài 1.9: Một cuộn dây điện cảm mH có dòng điện i  5(1  e 5000t ) Hãy xác định điện áp cuộn dây lượng tích trữ lớn Bài 1.10: Một điện cảm mH đặt điện áp biến thiên theo qui luật sau: với < t < ms, V = 15 V với < t < ms, V = –30 V Hãy xác định dòng điện vẽ đồ thị vL, i khoảng thời gian CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN Bài 1.11: Một tụ điện có điện dung 60 μF đặt vào điện áp biến thiên theo qui luật sau: < t < ms, v  25.103 t (V) Vẽ đồ thị dạng sóng i, p, w khoảng thời gian nói lượng tích lũy lớn Wmax Bài 1.12: Một tụ điện 20 μF tích điện với tốc độ không đổi từ ÷ 400 μC ms Hãy tìm hàm biểu diễn điện áp lượng tích lũy lớn Bài 1.13: Mạch RLC nối tiếp có R = Ω, L = mH, C = 500 μF có dòng điện tăng tuyến tính từ đến 10A khoảng thời gian < t < 1ms; giữ nguyên giá trị 10A khoảng < t < ms giảm tuyến tính từ 10 A xuống không khoảng < t < ms Hãy vẽ dạng sóng vR, vL vC CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN Bài 1.14: Một phần tử mạch điện có dạng sóng dòng điện điện áp vẽ hình 1.6 Hãy xác định loại thông số phần tử Bài 1.15: Hãy xác định điện áp v nhánh hình bên dòng điện CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN Bài 1.16: Hãy xác định công suất cung cấp từ nguồn hình bên Bài 1.17: Một điện trở 25 Ω có điện áp v  150 sin 377t (V) Hãy xác định công suất tức thời p công suất trung bình Pavg chu kỳ Bài 1.18: Hãy xác định điện áp điện trở 10Ω hình bên dòng điện ix điều khiển nguồn dòng phụ thuộc nhận giá trị (a) A; (b) –1 A ... học phần Lý thuyết mạch: kiến thức lý thuyết mạch điện - Mạch điện: Tập hợp phần tử (thiết bị điện) kết nối với dây dẫn dòng điện chạy qua - Có hai toán kỹ thuật điện: + Phân tích: mạch điện... thông sốcủa mạch (dòng, áp,… ) + Tổng hợp: thông số mạch (dòng, áp, …) → mạch điện ( Lý thuyết mạch toán phân tích) CHƯƠNG : THÔNG SỐ - PHẦN TỬ CỦA MẠCH ĐIỆN ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN TRONG MẠCH ĐIỆN 1.1... thống truyền tải - Khuyếch đại, mạch tương tự, kỹ thuật & thiết bị đo - Tín hiệu & hệ thống, điều khiển tương tự, điều khiển số, robot - Vi xử lý, mạch kỹ thuật số - Xử lý tín hiệu số, vi sóng, radio,