Cơ sở lý thuyết mạch điện

Cơ sở lý thuyết mạch điện Nguyễn Công Phương Giới thiệu (1) Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 2 Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 3 Giới thiệu (2) KỸ THUẬT ĐIỆN Hệ thống điện Điện tửKỹ thuật đoMáy điện Viễn thôngĐiều khiển LÝ THUYẾT MẠCH LÝ THUYẾT TRƯỜNG Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 4 Giới thiệu (3) - Dòng điện - Điện áp - Công suất - Tổng hợp Phân tích Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 5 Hình vẽ của các phần tử mạch cơ bản Nguồn áp Nguồn dòng Điện trở Điện dung (tụ điện) Điện cảm (cuộn dây) (Anh/Mỹ) Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 6 Chương trình • Lý thuyết mạch I – Thông số mạch – Phần tử mạch – Mạch một chiều – Mạch xoay chiều – Mạch ba pha – Quá trình quá độ – Khuếch đại thuật toán • Lý thuyết mạch II – Mạch phi tuyến – Đường dây dài Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 7 Sách tham khảo 1. C. K. Alexander, M. N. O. Sadiku. Fundamentals of Electric Circuits. McGraw-Hill, 2001 2. J. Bird. Electrical Circuit Theory and Technology. Newnes, 2003 3. W. K. Chen. The Electrical Engineering Handbook. Elsevier, 2004 4. Nguyễn Bình Thành, Nguyễn Trần Quân, Phạm Khắc Chương. Cơ sở kỹ thuật điện. Đại học & trung học chuyên nghiệp, 1971 5. J. W. Nilsson, S. A. Riedel. Electric Circuits. Addison-Wesley, 1996 6. J. O’Malley. Theory and Problems of Basic Circuit Analysis. McGraw-Hill, 1992 7. A. L. Shenkman. Transient Analysis of Electric Power Circuits Handbook. Springer, 2005 8. https://sites.google.com/site/ncpdhbkhn/ Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 8 Nội dung I. Thông sốmạch 1. Điện tích 2. Dòng điện 3. Điện áp 4. Công suất 5. Năng lượng II. Phần tử mạch III. Mạch một chiều IV. Mạch xoay chiều V. Mạng hai cửa VI. Mạch ba pha VII.Quá trình quá độ VIII.Khuếch đại thuật toán Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 9 Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 10 Điện tích • Thuộc tính của các nguyên tử cấu tạo nên vật chất, đo bằng coulomb (C) • Q, q • 1,602.10 – 19 C • Luật bảo toàn điện tích: tổng đại số điện tích trong một hệ kín là hằng số Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 11 Dòng điện (1) • Là biến thiên của điện tích theo thời gian, đo bằng ampere (A) • A = C/s • Có hai dạng chính: một chiều & xoay chiều dt dqi = ∫= t t idtq 0 Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 12 Dòng điện (2) Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 13 Dòng điện (3) VD1 Vẽ i(t) Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 14 Điện áp (1) • Để dịch chuyển điện tử trong dây dẫn theo một hướng, cần có một công • Công này do một suất điện động (ví dụ pin) sinh ra • Suất điện động này gọi là điện áp hoặc hiệu điện thế • Hiệu điện thế giữa 2 điểm a & b là công cần có để dịch chuyển một điện tích từ a đến b dq dw uab = V = J/C = Nm/C Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 15 Điện áp (2) • Điểm a có điện thế uab vôn so với điểm b, hoặc • Điểm a có điện thế cao hơn uab vôn so với điểm b • Có hai dạng chính: một chiều & xoay chiều a b uab Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 16 Công suất (1) • Là tốc độ tiêu thụ/hấp thụ năng lượng theo thời gian, đo bằng watt (W) • W = J/s dt dwp = dt dq dq dw dt dwp .== u dq dw = i dt dq = uip = (công suất tức thời) Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 17 Công suất (2) • Dấu của công suất: – Dương (+) : phần tử tiêu thụ/hấp thụ công suất – Âm (–): phần tử sinh/phát công suất • → xác định dấu của công suất? • Σp = 0 u i p = +ui u i p = – ui Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 18 Công suất (3) 15 19 410 ( 1,6.10 ) 1,6.10 Cq ne − −= = − = − VD1 Dòng điện tử trong TV CRT có 1015 điện tử/giây. Xác định V0 để dòng điện tử đạt công suất 4W. 4 41,6.10 1,6.10 A 1 qi t − − − = = = − 0 0 4 4 25.000V 1,6.10 pp V i V i − = → = = = Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 19 Năng lượng • Khả năng thực hiện công, đo bằng joule (J) • Thường dùng đơn vị watt-giờ (Wh), 1 Wh = 3600 J dt dwp = ∫∫ == t t t t uidtpdtw 00 Tiêu thụ điện của một gia đình (5 người) trong một tháng (kWh) Tủ lạnh Đèn Bàn là TV Máy giặt Lò vi sóng Máy tính Radio 100 100 15 10 120 25 12 8 Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 20 Nội dung I. Thông số mạch II. Phần tử mạch 1. Nguồn áp 2. Nguồn dòng 3. Nguồn phụ thuộc 4. Điện trở 5. Cuộn dây 6. Tụ III. Mạch một chiều IV. Mạch xoay chiều V. Mạng hai cửa VI. Mạch ba pha VII.Quá trình quá độ VIII.Khuếch đại thuật toán Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 21 Phần tử cơ bản của mạch điện • Có 2 lớp chính: chủ động & thụ động • Chủ động: có khả năng tự phát ra năng lượng điện (về lý thuyết là vô tận) • Thụ động: không thể tự phát ra năng lượng điện • Chủ động: – Nguồn: thiết bị có thể chuyển hoá năng lượng phi điện thành năng lượng điện & ngược lại – Nguồn áp & nguồn dòng • Thụ động: – Điện trở – Cuộn dây – Tụ Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 22 Nguồn áp (1) • (lý tưởng) Là một phần tử mạch có khả năng duy trì một điện áp danh định trên 2 cực của đầu ra, điện áp này không phụ thuộc vào dòng điện chảy giữa 2 cực đó • Nói cách khác, điện áp không phụ thuộc vào tải • Điện áp có thể không đổi (một chiều) hoặc biến thiên (thường là xoay chiều) • Điện trở trong bằng không (0) • Ví dụ: ắcquy, pin, máy phát điện Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 23 Nguồn áp (2) • Chiều của mũi tên ở phía trong vòng tròn biểu diễn chiều tăng của điện áp u Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 24 Nguồn dòng • (lý tưởng) Là một phần tử mạch có khả năng duy trì một dòng điện danh định chảy giữa 2 cực của đầu ra, dòng điện này không phụ thuộc vào điện trên 2 cực đó • Nói cách khác, dòng điện không phụ thuộc vào tải • Dòng điện có thể không đổi (một chiều) hoặc biến thiên (thường là xoay chiều) • Điện trở trong vô cùng lớn Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 25 Nguồn phụ thuộc • Nguồn áp phụ thuộc áp: e = feu(u) • Nguồn áp phụ thuộc dòng: e = fei(i) • Nguồn dòng phụ thuộc áp: j = fju(u) • Nguồn dòng phụ thuộc dòng: j = fji(i) Nguồn áp phụ thuộc Nguồn dòng phụ thuộc Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 26 Điện trở (1) • Đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện • Đơn vị: ohm (Ω) • Ký hiệu R hoặc r • Ví dụ: dây tóc bóng đèn • Điện dẫn: – Nghịch đảo của điện trở – Đơn vị: siemens (S) hoặc mho – Ký hiệu G hoặc g S lR ρ= (Ω) Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 27 Điện trở (2) Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 28 Điện trở (3) Riu = R ui = 2RiRiiuip === R u R u uuip 2 === u i R Công suất của điện trở luôn dương Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 29 Điện trở (4) 0lim == ∞→ R ui R u = 0 R = 0 i u R = ∞ i = 0 Ngắn mạch: R = 0 0== Riu Hở mạch: R = ∞ Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 30 Cuộn dây (1) • Dây dẫn quấn xung quanh lõi • Liên quan đến từ trường • Từ trường biến thiên sinh ra điện áp • Thông số đặc trưng: điện cảm L, đo bằng henry (H) • H = Vs/A • Điện cảm: đặc trưng cho tính chất chống lại sự thay đổi của dòng điện chảy qua cuộn dây Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 31 Cuộn dây (2) Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 32 Cuộn dây (3) udt L di 1=→ ∫ ∞− =→ t dttu L i )(1 )()(1 0 0 tidttu L t t += ∫ dt diLu = u i L 0 )( 0 ttiti <<∞−= 0)( =−∞i Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 33 Cuộn dây (4) ∫∫ ∞−∞−       ==→ tt idt dt diLpdtw )( 2 1)( 2 1 22 −∞−== ∫ ∞− LitLiidiL t 2 2 1 Liw = i dt diLuip       == 0)( =−∞i u i L Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 34 Cuộn dây (5) 0==→ dIdi 0=→ udt diLu = Mạch DC: i = I = const Trong mạch DC, cuộn dây tương đương với ngắn mạch u i L Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 35 Cuộn dây (6) 0→dt ∞→→ udt diLu = Nếu Dòng điện trong cuộn cảm không thể biến thiên đột ngột (vô lý) u i L Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 36 Cuộn dây (7) • Cuộn dây lý tưởng có điện trở bằng không • Thực tế cuộn dây có một điện trở Rw nhỏ • Có thể mô hình hoá bằng một cuộn dây lý tưởng nối tiếp với Rw • Chỉ đề cập đến cuộn dây lý tưởng RwL Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 37 Tụ (1) • Gồm có 2 tấm dẫn điện (bản cực) phân tách bằng một lớp cách điện (điện môi) • Liên quan đến điện trường • Điện tích biến thiên sinh ra dòng điện giữa hai bản cực • Thông số đặc trưng: điện dung C, đo bằng farad (F) • F = C/V • C là hệ số liên hệ giữa điện tích trên một bản cực & hiệu điện thế giữa 2 bản cực Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 38 Tụ (2) Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 39 Tụ (3) dt dqi = Cuq = dt duCi = )(11 0 0 tuidt C idt C u t t t +==→ ∫∫ ∞− C tq tu )()( 00 = Ci u Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 40 Tụ (4) dt duCup = uip = dt duCi = t t ttt CuuduCdt dt du uCpdtw −∞=∞−∞−∞− ==== ∫∫∫ 2 2 1 2 2 1Cuw = Ci u 0)( =−∞u Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 41 Tụ (5) 0=i 0==→ dUdu dt duCi = Ci u Mạch DC: u = U = const Trong mạch DC, tụ tương đương với hở mạch Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 42 Tụ (6) ∞→i 0→dt dt duCi = Ci u Nếu (vô lý) Điện áp trên tụ không thể biến thiên đột ngột Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 43 Tụ (7) • Tụ lý tưởng có điện trở bằng vô cùng • Thực tế tụ có một điện trở rò Rl, khoảng 100 MΩ • Có thể mô hình hoá bằng một tụ lý tưởng song song với Rl • Chỉ đề cập đến tụ lý tưởng Rl C Cơ sở lý thuyết mạch điện - sites.google.com/site/ncpdhbkhn 44 • Điện trở & tụ được bán hàng loạt hoặc dạng mạch tích hợp (IC) → rẻ → được dùng nhiều • Cuộn dây chỉ bán ở dạng đơn lẻ → đắt→ dùng hạn chế • Cuộn dây & tụ: – Khả năng dự trữ năng lượng → dùng làm nguồn nhất thời – Cuộn dây: chống lại biến thiên dòng đột ngột→ dùng để dập hồ quang hoặc tia lửa điện – Tụ: chống lại biến thiên điện áp đột ngột→ dùng để hạn chế xung – Nhạy tần→ phân tách tần số