GIỚI THIỆU MÔN HỌC
LÝ THUYẾT MẠCH
SỐ TIẾT: 60
GỒM 7 CHƯƠNG:
CHƯƠNG I. NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN – 10T
CHƯƠNG II. MẠCH ĐIỆN HÌNH SIN Ở CHẾ ĐỘ XÁC LẬP – 12T
CHƯƠNG III. MẠCH ĐIỆN Ở CHẾ ĐỘ QUÁ ĐỘ – 08T
CHƯƠNG VI. MẠCH ĐIỆN CÓ THAM SỐ PHÂN BỐ – 08T
CHƯƠNG V. MẠNG 4 CỰC – 10T
CHƯƠNG VI. TÍN HIỆU VÀ PHỔ – 08T
CHƯƠNG VII. MẠCH ĐIỆN PHI TUYẾN – 04T
TÀI LIỆU
- Tài liệu chính:
+ Lý thuyết mạch tín hiệu - Đỗ Huy Giác - NXB KHVKH - 2009
+ Bài tập lý thuyết mạch - Đỗ Huy Giác - NXB KHVKH - 2009
- Tài liệu tham khảo:
+ Lý thuyết mạch, quyển 1 - Hồ Thị Vân Hằng - HV Hải quân 2003.
+ Bài tập Lý thuyết mạch - Phạm Sỹ Hiệp - HV Hải Quân Nha trang…
CHƯƠNG I. NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN
Bài 1.1. Khái niệm và các phần tử cơ bản của mạch điện
Bài 1.2. Các định luật cơ bản của mạch điện
Bài 1.3. Các phương pháp cơ bản phân tích mạch điện
Bài 1.4. Tính chất và các phép biến đổi của mạch điện
Bài 1.5. Bài tập chương 1
CHƯƠNG I. NHỮNG VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN
Bài 1.1. Khái niệm và các phần tử cơ bản của mạch điện
1.1. Khái niệm về mạch điện và sơ đồ mạch điện
Mạch điện là tổ hợp các phần tử kỹ thuật điện, điện tử, được ghép nối với
nhau bằng dây dẫn hoặc thơng qua điện từ trường, mà trong đó phát sinh q
trình năng lượng.
Mạch điện là mơ hình vật lý thực. Thí dụ, mạch điện được lắp ráp trong
phịng thí nghiệm gồm các điện trở, tụ điện, cuộn dây, đèn điện tử, điôt,
transistor v.v... và chúng được nối ghép với nhau bằng các đoạn dây dẫn,
hoặc được lắp ráp trên các tấm mạch in.
Sơ đồ mạch điện là mạch điện nguyên lý thể hiện cấu trúc của mạch về lý
thuyết, sử dụng ký hiệu của các nguồn kích thích, các phần tử của mạch để
biểu diễn, các nguồn và phần tử được nối với nhau bằng các đường liền nét
đặc trưng cho dây dẫn có độ dẫn điện lý tưởng.
Trong thực tế việc phân tích tổng hợp các mạch điện đều thực hiện trên
mơ hình lý tưởng là sơ đồ mạch. Tuy nhiên cũng cần nhấn mạnh rằng, các kết
quả nhận được khi thực hiện phân tích mạch trên sơ đồ cũng đúng như các
quá trình vật lý xảy ra trong mạch điện thực, với sai số khá bé có thể bỏ qua
được. Chính vì vậy người ta cũng quen gọi sơ đồ mạch điện là mạch điện.
Các đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái năng
lượng của mạch điện là Dòng điện và điện áp.
1. Dòng điện.
Dòng điện i về trị số bằng tốc độ biến thiên của lượng điện
tích q qua tiết diện ngang một vật dẫn.
dq
i
dt
i
A
B
Chiều dòng điện qui ước là chiều
U
chuyển động của điện tích dương trong
điện trường.
Khi phân tích mạch điện, nếu chưa biết chiều thực của dòng
điện, ta tạm thời quy định chiều của dòng điện và dùng ký hiệu mũi
tên (→) để chỉ chiều dòng điện được chọn (hình vẽ). Sau khi phân
tích mạch, dịng điện nào có giá trị dương thì chiều của dịng điện
đó trùng với chiều dịng điện đã chọn, cịn dịng điện nào có giá trị
âm thì chiều của dịng điện đó ngược với chiều của dòng điện đã
chọn.
AB
2. Điện áp:
Tại mỗi điểm trong mạch điện có một điện thế. Hiệu điện thế
giữa hai điểm gọi là điện áp. Như vậy điện áp giữa hai điểm A và B
là:
i
uAB = φA- φB
Trong đó:
φA là điện thế tại điểm a.
φB là điện thế tại điểm b.
A
B
UAB
Chiều điện áp qui ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến
điểm có điện thế thấp.
Khi phân tích mạch điện, nếu chưa biết chiều thực của điện áp,
ta cũng tạm thời quy định chiều của điện áp và dùng ký hiệu mũi
tên (→) để chỉ chiều của điện áp được chọn (hình vẽ). Sau khi tính
tốn, điện áp nào có giá trị dương thì chiều của điện áp đó trùng với
chiều của điện áp đã chọn, cịn điện áp nào có giá trị âm thì chiều
của điện áp đó ngược với chiều của điện áp đã chọn.
Sức điện động (SĐĐ) là đại lượng đặc trưng cho khả năng sinh
cơng của nguồn điện.
Về trị số nó có giá trị đúng bằng giá trị của điện áp trên hai cực
của nguồn khi mạch ngoài hở mạch.
SĐĐ của nguồn được ký hiệu bằng chữ e, để chỉ rõ sự phụ
thuộc của SĐĐ vào thời gian người ta viết thêm vào biến thời gian
t: e(t).
Dòng điện, điện áp và SĐĐ của nguồn điện một chiều được ký
hiệu bằng các chữ in hoa: I, U, E.
Điện áp rơi trên một phần tử do dịng điện chay qua phần tử đó
gây nên (được ký hiệu bằng chữ u) có chiều trùng với chiều dịng
điện sinh ra nó (hình vẽ).
1.2. Các phần tử của mạch điện
1.2.1. Phần tử điện trở
Cho dịng điện i chạy qua điện trở R
(hình vẽ) và gây ra điện áp rơi trên điện trở uR .
Theo định luật Ơm quan hệ giữa dịng điện i
uR= Ri.
và điện áp u là:
Người ta còn dùng khái niệm điện dẫn g:
Công suất tiêu thụ trên điện trở:
i
R
uR
g 1
R
P u .i R.i2
R
Như vậy điện trở R đặc trưng cho công suất tiêu tán trên điện trở.
Đơn vị của điện trở là (Ôm). Đơn vị của điện dẫn là S (Simen).
S = 1/.
Điện năng tiêu thụ trên điện trở R trong thời gian t là:
t
t 2
A pdt Ri dt
0
0
2
Khi: i = const , có :A = RI t
Đơn vị của điện năng là Wh (oát giờ), bội số của nó là: kWh.
1.2.2. Phần tử điện cảm
Khi có dịng điện i chạy qua cuộn dây có W vịng sẽ sinh ra từ
thơng móc vịng với cuộn dây:
= W
W
Điện cảm của cuộn dây được định nghĩa: L i i
i
Đơn vị của điện cảm là Henry (H).
Nếu dòng điện i biến thiên thì từ thơng cũng biến thiên và theo
uL
định luật cảm ứng điện từ trong cuộn dây xuất hiện sức điện
động tự cảm:
e d L di
L
dt
dt
Điện áp trên cuộn dây:
u e L di
L
L
dt
Công suất trên cuộn dây: p u .i Li di
L L
dt
t
I
W
p
dt
Lidi 1 LI 2
Năng lượng từ trường tích luỹ trong cuộn dây:
M
L
2
0
0
Như vậy điện cảm L đặc trưng cho hiện tượng tích luỹ năng
lượng từ trường của cuộn dây.
eL
Công suất tức thời của các dao động điện trên phần tử điện cảm
có thể lớn hơn, nhỏ hơn hoặc bằng không. Tại thời điểm công suất
tức thời dương (p > 0), điện cảm nhận năng lượng của nguồn cung
cấp cho mạch và tích trữ trong nó dưới dạng từ trường, tại thời
điểm công suất tức thời âm (p < 0) phần tử điện dung trả lại năng
lượng tích trữ được cho mạch.
Mơ hình vật lý thực của phần tử điện cảm là cuộn cảm
(cuộn dây) trong mạch điện, tuy nhiên, các cuộn cảm ngồi
việc tích trữ năng lượng của mạch dưới dạng từ trường, bản
thân cuộn cảm cũng tiêu hao năng lượng của mạch. Tiêu hao
năng lượng trong cuộn cảm bao gồm tiêu hao trong điện trở
thuần của cuộn dây, đặc trưng bởi điện trở rL và tiêu hao do
từ thông tản trong vùng không gian quanh cuộn cảm, được
đặc trưng bởi điện trở RM . Ngoài ra, các vòng dây của cuộn
cảm sẽ tạo thành các điện dung với giá trị khá bé, được gọi là
điện dung ký sinh. Ở tần số thấp, ảnh hưởng của điện dung
ký sinh đến q trình năng lương của mạch khơng đáng kể và
có thể bở qua. Nhưng ở tần số cao, đặc biệt là ở giải sóng
siêu cao tần, các điện dung ký sinh có ảnh hưởng đáng kể
đến q trình năng lương cũng như tính chất của mạch, nên
chúng khơng thể bỏ qua được. Bởi vậy, tùy thuộc vào dải tần
số cơng tác và u cầu độ chính xác của q tình tính tốn
mà cuộn cảm có thể có nhiều sơ đồ thay thế tương đương
khác nhau (hình vẽ).
RL
rL
C0
RM
1.2.3. Phần tử điện dung
Khi đặt điện áp uc lên tụ điện có điện
dung C thì tụ điện sẽ được nạp với điện
tích q.
q = C.uc
Nếu điện áp uc biến thiên sẽ có dịng
d (Cuc )
du
điện chuyển dịch qua tụ điện:
i dq
C c
dt
dt
dt
t
1
u idt
Từ đó suy ra:
C C
0
Nếu tại thời điểm t = 0 mà tụ điện đã có
1 t idt u (0)
u
điện tích ban đầu thì điện áp trên tụ điện là: C C
C
0
duc
p
u
i
Cu
Công suất trên tụ điện:
C C
C dt
Năng lượng tích luỹ trong điện trường của
t
U
tụ điện là:
W p dt Cu du 1 CU 2.
E
C
C C 2
0
0
Vậy điện dung C đặc trưng cho hiện tượng
tích luỹ năng lượng điện trường trong tụ
điện . Đơn vị của điện dung là Fara (F).
C
i
uc
Biểu thức công suất pc chứng tỏ rằng công suất tức thời của các
dao động điện trên điện dung có thể lớn hơn, nhỏ hơn hoặc bằng
không. Về ý nghĩa vật lý, khi công suất tức thời dương (p > 0) tức là
tại thời điểm đó phần tử điện dung nhận năng lượng của nguồn
cung cấp cho mạch và tích trữ trong nó dưới dạng điện trường, tại
thời điểm cơng suất tức thời âm (p < 0) phần tử điện dung trả lại
năng lượng tích trữ được cho mạch.
Mơ hình vật lý thực của điện dung là tụ điện, tuy
nhiên, các tụ điện ngồi việc tích trữ năng lượng của
mạch dưới dạng điện trường, bản thân tụ điện cũng tiêu
hao năng lượng của mạch dưới dạng nhiệt trong lớp
điện môi giữa hai má của tụ điện. Để đặc trưng cho sự
tiêu hao đó người ta thay thế tương đương bằng một
điện trở Rc mắc song song hoặc nối tiếp với điện dung.
Do đó, sơ đồ thay thế tương đương của tụ điện có dạng
như hình vẽ. Cũng cần lưu ý rằng, trong thực tế tổn hao
năng lương dưới dạng nhiệt trong các tụ điện thường rất
nhỏ so với các tổn hao khác của mạch. Bởi vậy, trong
q trình tính tốn, nếu khơng địi hỏi độ chính xác cao,
ta có thể bỏ qua tổn hao trong các tụ điện.
Rc
C
Rc
C
Hình vẽ. Sơ đồ thay thế
tương đương của tụ điện
1.2.4. Phần tử nguồn
a) Nguồn điện áp
Nguồn điện áp đặc trưng cho khả năng tạo
nên và duy trì một điện áp trên hai cực của
nguồn.
Nguồn điện áp được ký hiệu như hình a)
và được biểu diễn bằng một sức điện động
e(t) như hình b).
Chiều e(t) từ điểm có điện thế thấp đến
điểm điện thế cao.
Chiều điện áp theo qui ước từ điểm có điện
thế cao đến điểm có điện thế thấp, vì thế chiều
điện áp đầu cực nguồn ngược với chiều sức
điện động
Điện áp đầu cực u(t) sẽ bằng sức điện
động:
u(t) = e(t)
U(t)
a)
e
U(t)
b)
Nguồn điện áp lý tưởng là nguồn điện ln duy trì một điện áp khơng đổi, khơng
phụ thuộc vào dịng điện mạch ngồi (dịng điện chạy qua phụ tải nối giữa hai
cực của nó).
b) Nguồn dòng
Nguồn dòng điện j(t) đặc trưng cho khả
năng của nguồn điện tạo nên và duy trì một
dịng điện cung cấp cho mạch ngồi .
Nguồn dịng điện được ký hiệu như hình
vẽ.
Nguồn dịng điện lý tưởng là
nguồn ln duy trì một dịng điện
khơng đổi (khép vịng qua hai cực
của nguồn), khơng phụ thuộc vào
điện áp mạch ngồi.
Thứ ngun của nguồn dòng: [A],
[mA], [A]…
j(t) = i(t)
J(t)
Các nguồn điện trong thực tế khác nguồn điện lý tưởng, ngồi việc
cung cấp năng lượng cho mạch, nó cịn tiêu hao năng lượng trên
điện trở trong của nguồn. Nên trong thực tế, nguồn áp thường gồm
nội trở r0 mắc nối tiếp với sức điện động của nguồn, r0 là thành phần
làm tiêu tán năng lượng của nguồn dưới dạng nhiệt, mức độ tiêu tán
phụ thuộc vào tính chất của mạch điện ngồi.
Trong thực tế giá trị tổng các dịng
điện mạch ngồi nhỏ hơn giá trị của
nguồn dịng ngắn mạch, bởi trong
nguồn dòng tồn tại một điện dẫn
mắc song song với nguồn dòng làm
rẽ dòng của nguồn dòng.
R0
Ký hiệu nguồn điện áp thực tế
Ký hiệu nguồn dòng thực tế
Dễ dàng suy ra rằng, nguồn điện áp với sức điện động e mắc nối tiếp với điện trở
r0 có thể thay thế tương đương bằng nguồn dịng điện có giá trị mắc song song
với điện trở r0 hoặc ngược lại, nguồn dòng j mắc song song với điện trở r0 có thể
thay thế tương đương bằng nguồn điện áp có sức điện động e = j.r0 mắc nối tiếp
với điện trở R = r0 (xem hình vẽ). Hình vẽ. Sơ đồ thay thế giữa nguồn dòng và
nguồn áp
Bài tập về nhà:
Chứng minh sơ đồ thay thế tương đương giữa nguồn dòng và nguồn áp.