Bài giảng Mạch điện 1 - Chương 1: Khái niệm cơ bản về mạch điện

Nội dung text: Bài giảng Mạch điện 1 - Chương 1: Khái niệm cơ bản về mạch điện

1. Electric Circuits 1 Using PSpice Dr. Ngo Van Sy University of Dannang ngvnsy@yahoo.com Mb: 0913412123
2. Nội dung ◼ KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN (5 tiết) ◼ PHÂN TÍCH MẠCH (20 tiết) ◼ CÁC MẠCH RLC ĐƠN GIẢN DƯỚI TÁC ĐỘNG DC VÀ AC (10 tiết) ◼ MẠCH TUYẾN TÍNH BẤT BIẾN (5 tiết) ◼ PHÂN TÍCH MẠCH BẰNG MÁY TÍNH (5 tiết)
3. Tài liệu tham khảo ◼ Lý thuyết mạch tập 1 ◼ Hồ Anh Túy và Phương Xuân Nhàn ◼ Đại học Bách Khoa Hà nội
4. Phương pháp dạy và học ◼ Phần lý thuyết ◼ Học trên giảng đường ◼ Giới thiệu các kiến thức căn bản ◼ Tự đọc tài liệu và làm bài tập ở nhà ◼ Phần bài tập ◼ Sử dụng PSpice ◼ Làm các bài tập mô phỏng
5. Chương 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN ◼ Tín hiệu, mạch và hệ thống xử lý tín hiệu ◼ Các thông số cơ bản 2 cực của mạch điện ◼ Ghép nối các phần tử 2 cực ◼ Sơ đồ tương đương ◼ Các toán tử trở kháng và dẫn nạp thực ◼ Biểu diễn phức ◼ Các toán tử trở kháng và dẫn nạp phức
6. Tín hiệu, mạch và hệ thống xử lý tín hiệu ◼ Tín hiệu: là biểu diễn vật lý của thông tin ◼ Tín hiệu analog (tương tự) ◼ Biểu diễn bằng một hàm liên tục và đơn trị x(t) ◼ Số trạng thái của hàm là vô hạn (Xmin - Xmax) ◼ Tín hiệu digital (số) ◼ Biểu diễn bằng một hàm rời rạc x(n) ◼ Nhận giá trị trong một tập hữu hạn (x1, x2, , xi, , xM )
7. ◼ Hệ thống analog và digital ◼ ASP : Analog Signal Processing ◼ DSP : Digital Signal Processing ◼ ADC : Analog Digital Convert ◼ DAC : Digital Analog Convert Tín hiệu Tín hiệu analog ASP analog ADC DSP DAC Tín hiệu Tín hiệu digital digital
8. ◼ Mô hình mạch điện: ◼ Mạch điện là mô hình của hệ thống ASP ◼ Mô hình mạch điện phải phản ảnh trung thực các hiện tượng vật lý về điện xảy ra bên trong hệ thống ◼ Trên cơ sở của mô hình phải cho phép phân tích, tính toán, thiết kế hệ thống ◼ Nội dung của mô hình được thể hiện qua: ◼ Các thông số cơ bản của mạch điện ◼ Cách ghép nối phức hợp của các thông số ◼ Các định luật về điện làm cơ sở phân tích mạch
9. Các thông số cơ bản 2 cực của mạch điện ◼ Điện trở R : Là thông số đặc trưng cho các phần tử hai cực mà điện áp trên hai đầu tỷ lệ với dòng điện đi qua nó. ◼ u(t) = R.i(t) ◼ Thứ nguyên Điện áp/Dòng điện R1 ◼ Ký hiệu trong sơ đồ 1 2 ◼ Đơn vị đo: 1k ◼ Ohm Ω ◼ Kilo Ohm kΩ ◼ Mega Ohm MΩ
10. Dẫn nạp G ◼ Là thông số đặc trưng cho các phần tử hai cực mà dòng điện đi qua nó tỷ lệ với điện áp trên hai đầu. ◼ i(t) = G.u(t) (G=1/R) ◼ Thứ nguyên Dòng điện / Điện áp ◼ Ký hiệu trong sơ đồ ◼ Đơn vị đo: ◼ Siemens S
11. Điện cảm L1 1 2 ◼ Điện cảm L: là thông số đặc 10uH trưng cho các phần tử 2 cực di(t) mà điện áp trên hai đầu tỷ lệ u(t) = L với tốc độ biến thiên của dòng dt điện đi qua nó. 1 i(t) = u(t).dt ◼ Biểu thức quan hệ dòng và áp: L ◼ Thứ nguyên: Volt.Sec ◼ Đơn vị đo: Ampe ◼ Henry: H ◼ Mili Henry: mH ◼ Micro Henry: uH, µH
12. Điện dung ◼ Điện dung C : là thông số đặc trưng du(t) cho các phần tử 2 cực mà dòng điện i(t) = C dt đi qua nó tỷ lệ với tốc độ biến thiên 1 của điện áp đặt trên hai đầu. u(t) = i(t).dt C ◼ Biểu thức quan hệ dòng và áp: Ampe.Sec ◼ Thứ nguyên: Volt ◼ Đơn vị đo: ◼ Fara: F -3 ◼ Mili Fara: mF = 10 F -6 C1 ◼ Micro Fara: uF, µF = 10 F -9 1 2 ◼ Nano Fara: nF = 10 F -12 ◼ Pico Fara: pF = 10 F 1n
13. Hỗ cảm ◼ Hỗ cảm M ◼ Đặc trưng cho sự tác động qua lại giữa các thông số điện cảm trong mạch điện ◼ Hỗ cảm là thuận chiều nếu sự biến thiên dòng điện trên nhánh này làm tăng cường điện áp trên nhánh kia. Trên sơ đồ chiều dòng điện trên hai nhánh cùng đi vào hoặc cùng đi ra khỏi đầu được đánh dấu ◼ Hỗ cảm là ngược chiều nếu sự biến thiên dòng điện trên nhánh này làm giảm điện áp trên nhánh kia. Trên sơ đồ chiều dòng điện trên hai nhánh này đi vào đầu được đánh dấu thì chiều dòng điện trên nhánh kia đi ra khỏi đầu được đánh dấu ◼ Có thứ nguyên và đơn vị đo giống như thông số điện cảm
14. ◼ Nguồn sức điện động lý tưởng: ◼ Đặc trưng cho các phần tử hai cực có khả năng cung cấp năng lượng hay tạo tín hiệu kích thích cho phần mạch khác làm việc ◼ Giá trị của nguồn chính là điện áp hở mạch trên hai đầu của phần tử V1 V2 ◼ Thứ nguyên: Điện áp 0Vdc ◼ Đơn vị đo: 1Vac TRAN = ◼ Volt V -3 ◼ Mili Volt mV = 10 V -6 ◼ Micro Volt nV, µV = 10 V 3 ◼ Kilo Volt kV = 10 V 6 ◼ Mega Volt MV = = 10 V
15. ◼ Nguồn dòng điện lý tưởng: ◼ Đặc trưng cho các phần tử hai cực có khả năng cung cấp năng lượng hay tạo tín hiệu kích thích cho phần mạch khác làm việc ◼ Giá trị của nguồn chính là dòng điện ngắn mạch trên hai đầu của phần tử ◼ Thứ nguyên: Dòng điện ◼ I1 I1 = I2 Đơn vị đo: 0Adc I2 = 1Aac TD1 = ◼ Ampe A -3 TRAN = TC1 = ◼ Mili Ampe mA = 10 A TD2 = -6 TC2 = ◼ Micro Ampe uA, µA = 10 A 3 ◼ Kilo Ampe KA = 10 A
16. GHÉP NỐI GIỮA CÁC PHẦN TỬ i(t) = ik (t) ◼ MẮC NỐI TIẾP k =1,2, N ◼ Dòng điện là chung N ◼ Điện áp trên hệ thống nối tiếp bằng tổng u(t) = uk (t) điện áp trên mỗi phần tử k =1 N ◼ Các R nối tiếp Rnt =  Rk ◼ Các L nối tiếp k =1 N ◼ Các C nối tiếp Lnt =  Lk k =1 1 N 1 = C  C i(t)= ik(t) nt k =1 k u1(t) u2(t) uk(t) uN(t) u(t)
17. ◼ MẮC SONG SONG u(t) = uk (t) ◼ Điện áp là chung k =1,2, N ◼ Dòng điện đi qua hệ thống song song bằng N i(t) = ik (t) tổng dòng điện đi qua k =1 mỗi phần tử N 1 N 1 ◼ Các R song song Gss = Gk =  k =1 Rss k =1 Rk ◼ Các L song song 1 N 1 ◼ Các C song song =  Lss k =1 Lk u(t)=uk(t) N i1(t) i2(t) Css = Ck i(t) k =1 ik(t) iN(t)
18. Sơ đồ tương đương ◼ Nguồn áp thực tế Ri 1 2 ◼ Có điện trở nội nối tiếp V1 ◼ 0Vdc Nguồn áp lý tưởng là 1Vac nguồn có nội trở bằng TRAN = không ◼ Nguồn thực tế có nội trở càng bé càng tốt
19. ◼ Nguồn dòng thực tế ◼ Có điện trở nội mắc song song 2 ◼ Nguồn dòng lý tưởng có điện trở I1 Ri nội bằng vô cùng (hở mạch) 1Aac TRAN = 1 ◼ Nguồn dòng có điện trở nội càng 0Adc lớn càng tốt
20. ◼ Chuyển đổi tương đương Ri 1 2 2 V1(t) I1(t) Ri 1 V1(t) = Ri I1(t) Ri = Ri V1(t) I1(t) = Ri Ri = Ri
21. ◼ Linh kiện điện trở R ◼ Tần số thấp 1 2 R L ks 1 2 1 2 ◼ Tần số trung bình C ks 1 2 ◼ Tần số cao R 1 2 L ks 1 2
22. ◼ Cuộn cảm R ks L 1 2 1 2 C ks 1 2 R ks 1 2 L 1 2
23. ◼ Tụ điện ◼ Tụ gốm: Điện dung cở pF, điện áp đánh thủng cở kV AC (dùng gốm cách C điện) 1 2 ◼ Tụ giấy : Điện dung cở 1nF đến 100nF, điện áp đánh thủng 200V-500V AC (dùng giấy cách điện hoặc màng mỏng) ◼ Tụ dầu : Điện dung cở 100nF 10uF, điện áp đánh thủng 500V-1kV AC R ks (dùng giấy cách điện ngâm dầu cách 1 2 điện) C ◼ Tụ hóa : Có điện dung cở 1uF đến 1 2 10.000 uF. Có phân cực (+/-) do dùng hóa chất làm điện môi để tăng điện dung, điện áp đánh thủng cở 6V DC đến 100V DC
24. Các toán tử trở kháng và dẫn nạp thực Thông số Toán tử trở kháng Toán tử dẫn nạp Điện trở .R .G d 1 Điện cảm L dt dt L 1 d Điện dung dt C C dt d 1 RLC nối tiếp R + L + dt dt C d 1 RLC song song G + C + dt dt L
25. Biểu diễn phức Nguồn sức điện động điều hòa thực e(t) = Em cos(0t − e ) Biểu diễn phức cho nguồn . E = E .e j(0t− e ) = E .e− j e .e j0t sức điện động m m . − j e Biên độ phức của nguồn E m = Em.e sức điện động . . j0t E = E m .e Quan hệ giữa nguồn thực . j(0t− e ) và nguồn phức e(t) = Re[E] = Re[Em.e ] = Re[Em cos(0t − e ) + jEm sin( 0t − e )]
26. Thí dụ 1 Nguồn sức điện động điều hòa thực e(t) = 5.cos(314t − 600 )Volt Tần số của nguồn 0 = 314(rad / s) = 50Hz = 600 Pha của nguồn e . − j − j e 3 Biên độ phức của Em = Em.e = 5.e = 5[cos(− ) + j sin( − )] nguồn sức điện động 3 3 1 3 = 5[ − j ] 2 2
27. Toán tử cảm kháng ◼ Xét dòng điện điều hòa đi qua thông i(t) = I cos(t − ) số điện cảm: m i di(t) ◼ Điện áp sinh ra trên thông số điện cảm u(t) = L = −LI sin( t − ) dt m i = LI cos(t − + ) m i 2 . j(t− + ) j i − j jt ◼ 2 2 i Biểu diễn phức cho điện áp U = LIm .e = LIm.e e e = LI (cos + j sin )e− j i e jt m 2 2 . − j i jt j(t− i ) = jL.I me e = jL.I me = jL I . . ◼ Quan hệ giữa dòng điện và điện áp U = jL I trong biểu diễn phức . . U m = jL I m
28. Thí dụ 2 . ◼ Nguồn có biên độ phức E m =10 + 4 j(Volt) ◼ Tần số 0 = 62832(rad / s) 0 ◼ Nguồn sức điện động thực e(t) =10,77cos[62832t + 21,08 ] ◼ Biên độ thực Em = 100 +16 =10,77 ◼ Pha 0 e = −artg(0,4) = −21,08
29. Các toán tử trở kháng và dẫn nạp phức Thông số Toán tử trở kháng Toán tử dẫn nạp Điện trở .R .G Điện cảm jL 1 jL Điện dung 1 jC jC RLC nối tiếp 1 R + jL + jC 1 RLC song song G + jC + jL
30. Công suất tiêu thụ trên R u 2 (t) p(t) = u(t).i(t) = = R.i2 (t) ◼ Công suất tức thời: R ◼ Năng lượng tiêu thụ E = p(t)dt ◼ Năng lượng tiêu thụ trong − T 2 khoảng thời gian T T E = p(t)dt −T ◼ Công suất tiêu thụ trung 2 T bình trong khoảng thời 1 2 PT = p(t)dt T −T gian T 2 T ◼ Công suất tiêu thụ trung 1 2 P = lim [ p(t)dt] T → bình T −T 2
31. Công suất cung cấp của nguồn sức điện động và nguồn dòng ◼ Công suất cung cấp tức thời của nguồn sức R.e(t) e(t) R điện động tỉ lệ với p(t) = u(t).i(t) = . = .e2 (t) R + R R + R (R + R)2 bình phương giá trị i i i của nguồn ◼ Công suất cung cấp R R R tức thời của nguồn p(t) = u(t).i(t) = i i (t). i i (t) R + R ng R + R ng dòng điện bình i i 2 R i R phương giá trị của i2 (t) (R + R)2 ng nguồn i
32. Năng lượng từ trường tích lũy trên thông số điện cảm ◼ Công suất di(t) p(t) = u(t).i(t) = L .i(t) tức thời dt ◼ Năng lượng 1 d = L [i2 (t)] từ trường tỷ 2 dt lệ với bình phương của 1 dòng điện W = p(t)dt = Li2 (t) M qua thông số 2 điện cảm
33. Năng lượng điện trường tích lũy trên thông số điện dung du(t) p(t) = u(t).i(t) = C .u(t) ◼ Công suất tức dt thời 1 d = C [u 2 (t)] 2 dt ◼ Năng lượng điện trường tỷ 1 2 lệ với bình WE = p(t)dt = C.u (t) 2 phương của điện áp trên thông số điện dung
34. Bài tập ◼ Xem các bài tập có giải mẫu chương 1 (trang 29 đến 37) ◼ Làm các bài tập chương 1 (trang 37, 38)
35. Lịch học 31ĐTDL SAT SUN MON TUE WED CHƯƠNG 1 CHƯƠNG 1 CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 3 CHƯƠNG 3 (7h30) CHƯƠNG 1 (13h30) CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 3 CHƯƠNG 3 (13h30) Thi Kỹ Thuật Nhiệt CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 1 CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 3 CHƯƠNG 3 (18h00)