Đang tải... (xem toàn văn)
Giáo trình trình bày về Cơ sở kỹ thuật điện, điện tử cho sinh viên kỹ thuật
HC VIN CÔNG NGH BU CHÍNH VIN THÔNG C S K THUT IN – IN T (Dùng cho sinh viên h đào to đi hc t xa) Lu hành ni b HÀ NI - 2006 HC VIN CÔNG NGH BU CHÍNH VIN THÔNG C S K THUT IN – IN T Biên son : Ths. NGÔ C THIN LI NÓI U Tài liu hng dn hc tp môn hc này đc biên son da theo bài ging môn hc "C s K thut đin - in t" dành cho h i hc chuyên ngành Công ngh Thông tin, ca Hc vin Công ngh Bu chính Vin thông. Vi mc đích trình bày các ni dung ch yu ca môn hc cho h đào to t xa, tài liu này đc biên son và sp xp li bao g m các phn sau: Phn th nht (Chng 1): Cung cp cho ngi đc các vn đ c bn ca mch đin, các đnh lut và các phng pháp phân tích mch đin. Phn th hai (Chng 2): Bao gm các ni dung v các linh kin bán dn và linh kin quang đin t. Phn th ba (Chng 3, 4, 5, 6): Gm các ni dung v k thut mch đin t bao g m: - Các mch khuch đi tín hiu nh dùng tranzito, IC khuch đi thut toán .và các mch khuch đi công sut - Các mch lc tn s. - Các mch to tín hiu hình sin, xung vuông, xung tam giác, rng ca. - Các mch bin đi tn s: Mch điu ch biên đ, điu tn, điu pha. Các mch tách sóng điu biên, điu tn, đi u pha. Các mch trn tn, nhân tn, chia tn. Phn th t (Chng 7): Là ni dung c bn v các mch cung cp ngun cho các thit b đin t, vin thông. Phn này bao gm các mch chnh lu, lc ngun, các mch n đnh và bo v ngun đin. ây là ln đu tiên biên son tài liu này nên chc chn không th tránh khi thiu sót, rt mong nhn đc các ý kin đóng góp quý báu ca đng nghip và bn đc. Hà Ni, tháng 06 nm 2006 Ch biên ThS. Ngô c Thin Chng 1: Các khái nim, đnh lut và các phng pháp phân tích mch đin 3 CHNG 1: CÁC KHÁI NIM, NH LUT VÀ CÁC PHNG PHÁP C BN PHÂN TÍCH MCH IN GII THIU Chng này trình bày v các dng tín hiu, biu din phc các tín hiu điu hòa. Các thông s tác đng và th đng trong mch đin. Các đnh lut Kirchhoff v dòng đin và đin áp. Mt s phng pháp phân tích mch đin nh: - Phng pháp dòng đin vòng. - Phng pháp đin áp nút. - Phng pháp ngun tng đng - Phng pháp dùng nguyên lý xp ch ng. Vic phân tích mch đin trong min thi gian trong nhiu trng hp cng gp nhng khó khn v tính toán chng hn nh các phng trình vi phân và tích phân. Nh có cách biu din trong min tn s ω mà xut phát ca nó là cp bin đi Fourier, ta đã thay th đc các phng trình này làm cho các tính toán đn gin đi rt nhiu. Thc cht đây là ngi ta đã thc hin m t phép toán t trong min tn s. Trong phn này chúng ta s xét mt cách tng quát hn đó là vic áp dng phép toán t trong min tn s phc p đ phân tích mch đin. Trong s các phng pháp toán t thì phng pháp thng dùng là da trên cp bin đi Laplace bi vì nó thích hp cho vic bin đi các phng trình vi tích phân thng gp trong phân tích mch. Phn tip theo là mng bn cc, là mô hình ca các phn t và các phn mch đin thng gp trong thc t. Các đnh lut tng quát dùng cho mch tuyn tính đu có th áp dng cho bn cc tuyn tính, nhng lý thuyt mng bn cc ch yu đi sâu vào phân tích mch đin theo h thng, lúc y có th không cn quan tâm ti mch c th na mà coi chúng nh mt hp đen và vn đ ngi ta cn đ n là mi quan h dòng và áp hai ca ca mch. Phn c bn ca mng bn cc là các h phng trình đc tính, bao gm: h phng trình tr kháng Z , h phng trình dn np Y , h phng trình truyn đt A , h phng trình truyn đt ngc B , h phng trình hn hp H , h phng trình hn hp ngc G . Khi ghép ni các mng bn cc thành mt mng bn cc chung, tùy theo cách mc ta có th tìm đc h phng trình đc tính ca mng bn cc chung đó. NI DUNG 1.1. TNG QUAN S to ra, thu nhn và x lý tín hiu là nhng quá trình phc tp xy ra trong các thit b & h thng khác nhau. Vic phân tích v lý thuyt s đc tin hành thông qua các loi mô hình gi là mch đin. Chng 1: Các khái nim, đnh lut và các phng pháp phân tích mch đin 4 Tín hiu là dng biu hin vt lý ca thông tin, nó qui đnh tính cht và kt cu ca các h thng mch. V mt toán hc, tín hiu đc biu din bi hàm ca các bin đc lp S(x,y, .). V mt thi gian, có các loi tín hiu sau: - Tín hiu liên tc (hay còn gi là tín hiu tng t - analog signal), hình 1-1a. Liên tc c v thi gian và biên đ. - Tín hiu đc ly m u, còn gi là tín hiu ri rc (discrete signal), hình 1-1b. Tín hiu này ri rc v thi gian. - Tín hiu liên tc đc lng t hoá, hình 1-1c. Tính hiu này có biên đ các mc c đnh (ri rc v biên đ). - Tín hiu ly mu đc lng t hoá, (hay tín hiu s - digital signal), hình 1-1d. Trên hình 1-2 là s đ phân loi x lý tín hiu liên tc. - Khi x lý tín hiu bng mch t ng t, thì không cn s dng b bin đi. - Khi x lý tín hiu bng mch ri rc, cn cho tín hiu qua 2 b bin đi: ly mu đu vào và khôi phc li tín hiu đu ra. - Khi x lý tín hiu bng mch s (digital circuit), so vi mch ri rc thì cn thêm hai b bin đi na là: bin đi tín hiu tng t sang tín hi u s (ADC) và ngc li t tín hiu s sang tín hiu tng t (DAC). Hình 1-1. s a (t) t a) t s s (n.T s ) b) n s d (n) d ) s q (t) t c) Chng 1: Các khái nim, đnh lut và các phng pháp phân tích mch đin 5 1.2. CÁC THÔNG S TÁC NG VÀ TH NG CA MCH IN 1.2.1. Các thông s tác đng ca mch đin. Thông s tác đng còn gi là thông s to ngun. ó là các thông s đc trng cho tính cht to ra tín hiu và cung cp nng lng trong mch đin. Thông s đc trng cho ngun có th là: - Sc đin đng ca ngun: mt đi lng vt lý có giá tr là đin áp h mch ca ngun, đo bng đn v “vôn” và đc ký hiu là V. - Dòng đin ca ngun: mt đi lng vt lý có giá tr là dòng đin ngn mch ca ngun, đo bng đn v “ampe” và đc ký hiu là A. T hai thông s đc trng to ngun trên dn đn s phân loi các ngun tác đng thành hai loi: ngun đin áp và ngun dòng đin. Theo đ nh ngha, mt ngun gi là ngun đin áp lý tng (hay còn gi là ngun đin áp) khi đin áp do nó cung cp cho mch ngoài không ph thuc vào dòng đin ca mch ngoài. Mt ngun gi là ngun dòng đin lý tng (hay ngun dòng) khi dòng đin do nó cung cp cho mch ngoài không ph thuc vào đin áp ca mch ngoài. Ngoài cách phân loi ngun theo ngun đin áp và ngun dòng đin, ng i ta còn chia ngun thành hai loi khác là: ngun kích thích (hay ngun tín hiu) và ngun cung cp nng lng. Trong tài liu này, các loi ngun đc ký hiu thng nht nh hình 1-3, lu ý rng qui c chiu sut đin đng ca ngun ngc li vi chiu dòng đin chy trong ngun. Hình 1-2. Mch tng t Ly mu Khôi phc Mch ri rc Tín hiu s Tín hiu liên tc Tín hiu ri rc ADC Mch s DAC Hình 1-3. Ngun dòng đin Ngun đin áp E ng + _ I ng + _ Chng 1: Các khái nim, đnh lut và các phng pháp phân tích mch đin 6 Ngun đin lý tng là không có tn hao nng lng. Nhng trong thc t phi tính đn tn hao, có ngha là tn ti tr kháng trong ca ngun. * Xét ngun đin áp (hình 1-4): ng ab t it E UR RR = + (công thc phân áp trên các phn t mc ni tip) Nh vy ta thy rng đin áp ngun trong trng hp này là ph thuc vào ti R t . * Xét ngun dòng đin (hình 1-5): ng ab i it I I R RR = + (công thc phân dòng trên các phn t mc song song) 1.2.2. Các thông s th đng ca mch đin Xét di góc đ nng lng, mt phn t (hình 1-6) trong khong thi gian T = t 2 - t 1 nó nhn mt nng lng là: 2 1 () t T t Wptdt= ∫ Trong đó p(t) là công sut tc thì mà phn t nhn đc thi đim t và đc tính theo công thc: p(t) =u(t).i(t) Nu u(t) và i(t) ngc chiu thì p(t) có giá tr âm, nh vy thc t ti thi đim t phn t cung cp nng lng, ngha là phn t có tính cht tích cc (ví d ngun). Nu u(t) và i(t) cùng chi u thì p(t) có giá tr dng, vy ti thi đim đó phn t nhn nng lng, ngha là phn t có tính cht th đng. Lng nng lng nhn đc đó có th đc tích lu tn ti di dng nng lng đin trng hay nng lng t trng, mà cng có th b tiêu tán di dng nhit ho c dng bc x đin t. c trng cho s tiêu tán và tích lu nng lng là các thông s th đng ca phn t. Ngi ta phân các thông s th đng này thành hai loi sau: a. Thông s không quán tính (R). u(t) i(t) R Hình 1 -7. E ng R i a R t b Hình 1-4. Phn t i(t) u(t) Hình 1 -6. Hình 1-5. I ng R i I ab a R t b Chng 1: Các khái nim, đnh lut và các phng pháp phân tích mch đin 7 Thông s không quán tính đc trng cho tính cht ca phn t khi đin áp và dòng đin trên nó t l trc tip vi nhau (hình 1-7). Nó đc gi là đin tr (R) và xác đnh theo công thc: u(t) = R.i(t) hay 1 () () . ()it ut Gut R == R có đn v vôn/ampe, hay còn đc bit là ôm (Ω). thông s 1 G R = gi là đin dn, có đn v 1/Ω, hay S (Simen). V mt thi gian, dòng đin và đin áp trên phn t thun tr là trùng pha nên nng lng nhn đc trên phn t thun tr là luôn luôn dng, vì vy R đc trng cho s tiêu tán nng lng. b. Các thông s quán tính Các thông s quán tính trong mch gm hai loi: đin dung và đin cm. Thông s đin dung (C) đc trng cho tính cht ca phn t khi dòng đin chy trên nó t l vi tc đ bin thiên ca đin áp, nó có đn v là fara (F) và đc xác đnh theo công thc: () () du t it C dt = hay () () () 0 1 t qt ut itdt CC == ∫ trong đó () () 0 t qt itdt= ∫ là đin tích tích lu đc trên phn t thi đim t. Nng lng tích lu trên C: 2 1 () . . (). 2 E du WptdtCutdtCu dt == = ∫∫ Xét v mt nng lng, thông s C đc trng cho s tích lu nng lng đin trng, thông s này không gây đt bin đin áp trên phn t và thuc loi thông s quán tính. Xét v mt thi gian đin áp trên phn t thun dung chm pha so vi dòng đin mt góc π/2. Thông s đin cm (L) đc trng cho tính cht ca phn t khi đin áp trên nó t l vi tc đ bin thiên ca dòng đin, có đn v là henry (H) và đc xác đnh theo công thc: () () di t ut L dt = hay () () 0 1 t it utdt L = ∫ và nng lng tích lu trên L: u(t) i (t) L Hình 1-9. u(t) i(t) C Hình 1-8. Chng 1: Các khái nim, đnh lut và các phng pháp phân tích mch đin 8 () 2 1 2 H di WLitdtLi dt == ∫ Xét v mt nng lng, thông s L đc trng cho s tích lu nng lng t trng, thông s này không gây đt bin dòng đin trên phn t và thuc loi thông s quán tính. Xét v mt thi gian, đin áp trên phn t thun cm nhanh pha so vi dòng đin là π/2. S tng quan v pha gia dòng đin chy trong phn t vi đin áp trên hai đu ca nó, tu theo tng loi thông s tng ng đc mô t hình 1-10. - Thông s h cm (M) có cùng bn cht vt lý vi thông s đin cm, đc trng cho s nh hng qua li ca hai phn t đin cm đt gn nhau, ni hoc không ni v đin, khi có dòng đin chy trong chúng. Ví d nh trên hình 1-11 ta thy dòng đin i 1 chy trong phn t đin cm th nht s gây ra trên phn t th hai mt đin áp là: 1 21 21 di uM dt = Ngc li, dòng đin i 2 chy trong phn t đin cm th hai s gây ra trên phn t th nht mt đin áp là: 2 12 12 di uM dt = Nh vy do tác dng đng thi ca các thông s đin cm và h cm, trên mi phn t s có tng ng mt đin áp t cm và mt đin áp h cm: 12 111 12 di di uL M dt dt =± 12 221 22 di di uM L dt dt =± + Trong đó, nu các dòng đin cùng chy vào hoc cùng chy ra khi đu có đánh du * (đu cùng tên) thì các biu thc trên ly du ‘+’, nu ngc li ly du ‘-’. c. Thông s cu các phn t mc ni tip và song song Trong trng hp có mt s các phn t mc ni tip hoc song song vi nhau thì các thông s đc tính theo các công thc ghi trong bng 1-1. Bng 1-1 Cách mc Thông s đ in tr Thông s đin cm Thông s đin dung Ni tip k k rr= ∑ k k LL= ∑ 11 k k CC = ∑ Song song 11 k k rr = ∑ 11 k k LL = ∑ k k CC= ∑ i 1 M i 2 u 1 u 2 L 22 L 11 * * Hình 1-11. L U → r U → C U → Hình 1-10. r I → Chng 1: Các khái nim, đnh lut và các phng pháp phân tích mch đin 9 1.3. BIU DIN PHC CA CÁC TÁC NG IU HÒA, TR KHÁNG VÀ DN NP Trong các phng pháp phân tích mch đin, vic phân tích ngun tác đng và các thông s tác đng thành các thành phn điu hoà và biu din chúng di dng phc làm vic tính toán mch đin tr nên thun li hn rt nhiu. Khi s dng phng pháp biu din phc thì vic gii các phép đo hàm và tích phân tr nên d dàng h n rt nhiu. 1.3.1. Cách biu din phc các tác đng điu hoà Xét cách biu din phc t công thc le: exp(j ϕ ) = cos ϕ + jsin ϕ Khi có mt dao đng điu hòa, ví d sc đin đng: e(t) =E m cos( ω t + ϕ u ) Ngha là nu đt: ( ) exp mu EE jt ωϕ ⎡ ⎤ =+ ⎣ ⎦ s vit đc: () Reet E= E gi là sc đin đng phc hay là biu din phc ca () et, vi E m là biên đ, 2/ [ /]Trads ω π = là tn s góc, ϕ u [rad] là pha đu. Cách biu din phc còn đc vit di dng: ( ) () ( ) exp exp exp mu m EE j jt E jt ϕ ωω == Trong đó () exp mm u EE j ϕ = là biên đ phc ca sc đin đng e(t). 1.3.2. Tr kháng và dn np Trong mt h thng (hình 1-13), nu tác đng vào là x(t) và đáp ng ra là y(t) thì v mt toán hc ta có th nói h thng đã thc hin mt phép toán t p lên x(t). Bây gi hãy nói đn đnh lut ôm tng quát vit di dng phc: .UZI= hay 1 I U Z = Nh vy Z chính là mt toán t có nhim v bin đi dòng đin thành đin áp và gi là tr kháng ca mch, đn v đo bng ôm (Ω), còn 1 Y Z = là mt toán t có nhim v bin đi đin áp thành dòng đin và gi là dn np ca mch, đn v đo bng Simen (S). Chúng đc biu din di dng phc: exp( arg )Z RjX Z j Z=+ = exp( arg )YGjBY j Y=+ = trong đó R là đin tr, X là đin kháng, G là đin dn và B là đin np. p x(t) y(t)=p{x(t)} Hình 1-13. E m Hình 1-12. e(t) t T