Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 1: Tổng quan về mạch điện

NHẬP MÔN ĐIỆN TỬ 1 Nhập môn Điện tử Chương 1 Tổng quan về mạch điện 2 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử I. Các khái niệm cơ bản I.1 Điện tích (charge) Kí hiệu: q Điện tích: Đơn vị: Coulomb ( C ) q= z.e, z = ± 1, 2, 3 với e = 1,6.10-19 C Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử I. Các khái niệm cơ bản I.2 Dòng điện- cường độ dòng điện (current) Dòng điện chính là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện như điện tử , ion. Chiều dòng điện được quy ước là chiều chuyển động của các điện tích dương (đi từ dương sang âm - ngược với chiều chuyển động của các điện tử ) 4 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử I. Các khái niệm cơ bản I.2 Dòng điện- cường độ dòng điện (current) Cường độ dòng điện được định nghĩa là tốc độ biến thiên của lượng điện tích dq trong khỏang thời gian khảo sát dt . Kí hiệu : i Đơn vị : Ampere [A] 5 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử I. Các khái niệm cơ bản I.2 Dòng điện- cường độ dòng điện (current) So sánh tương tự giữa dòng điện và dòng nước Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử I. Các khái niệm cơ bản I.3 Điện áp (điện thế - voltage) Điện áp là năng lượng được truyền bởi một đơn vị điện tích khi nó di chuyển từ điểm này đến điểm kia trong mạch điện. Kí hiệu : v Đơn vị: Volt (V) w: năng lượng điện (điện năng), [J] 7 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử I. Các khái niệm cơ bản I.3 Điện áp (điện thế - voltage) Điện áp giống như độ cao của một bể chứa nước . Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử I. Các khái niệm cơ bản I.4 Dòng điện một chiều- xoay chiều Dòng điện một chiều (direct current) là dòng điện có chiều và giá trị ( I,U) không đổi theo thời gian . A. Dòng điện một chiều (dc) 9 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử I. Các khái niệm cơ bản I.4 Dòng điện một chiều- xoay chiều Dòng điện xoay chiều (alternating current ) là dòng điện có chiều và giá trị biến đổi theo thời gian, những thay đổi này thường tuần hoàn theo một chu kỳ nhất định . B. Dòng điện xoay chiều (ac) 10 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử I. Các khái niệm cơ bản I.4 Dòng điện một chiều- xoay chiều Dòng điện xoay chiều thường được đặt trưng bởi: Chu kỳ (T): là khoảng thời gian mà điện xoay chiều lặp lại vị trí cũ . Tần số (f): là số lần lặp lại trang thái cũ của dòng điện xoay chiều trong một đơn vị thời gian. 1 f  T Biên độ: là giá trị điện áp đỉnh của dòng điện xoay chiều. 11 Chương 3: Dòng điện xoay chiều Nhập môn Điện tử I. Các khái niệm cơ bản I.5 Công suất (power) Điện năng cung cấp cho phần tử trong một đơn vị thời gian gọi là công suất; gọi p(t) là công suất, ta có quan hệ: p = w / t = v(t). i(t) Đơn vị của p: Watt (W) • p > 0 : phần tử tiêu thụ công suất. • p < 0 : phần tử phát ra công suất . 12 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử II. Mạch điện (circuit) Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử II.1 Khái niệm mạch điện Mạch điện là một mô hình toán học tương đương một mô hình thực. Mạch điện được xây dựng dựa trên những yếu tố lý tưởng được kết nối qua một dây dẫn lý tưởng. Sơ đồ khối mô tả các thành phần mạch điện Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử II. 2 Các yếu tố cơ bản của mạch điện II.2.1 Dây dẫn Dây dẫn dùng trong mạch điện là lý tưởng. Nghĩa là điện áp ở hai đầu dây luôn bằng 0 dù có hay không dòng điện đi qua dây. Nếu hai điểm trong mạch được nối với nhau bằng một dây dẫn, ta nói hai điểm đó được nối ngắn mạch. M N H K Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử II.2.2 Nguồn điện a) Nguồn áp (voltage source) Nguồn áp độc lập: Một nguồn áp độc lập lý tưởng có khả năng duy trì một điện áp không đổi giữa hai cực của nó, không phụ thuộc vào các yếu tố khác hay dòng điện trong mạch. a) Nguồn áp b) Nguồn áp một chiều xoay chiều 16 Chương 1: Nguồn điện một chiều DC Nhập môn Điện tử II.2.2 Nguồn điện a) Nguồn áp (voltage source) Nguồn áp phụ thuộc: là nguồn tương tự nguồn áp độc lập, chỉ khác ở điện áp của nguồn là một hàm phụ thuộc vào các nguồn áp khác hoặc phụ thuộc dòng điện trong mạch. Có hai loại nguồn áp phụ thuộc: nguồn áp phụ thuộc áp và nguồn áp phụ thuộc dòng. Nguồn áp phụ thuộc áp Nguồn áp phụ thuộc dòng 17 Chương 1: Nguồn điện một chiều DC Nhập môn Điện tử II.2.2 Nguồn điện b) Nguồn dòng (current source) Nguồn dòng độc lập: Một nguồn dòng độc lập lý tưởng có khả năng tạo ra một dòng điện với giá trị xác định đi qua nó. a) Nguồn dòng b) Nguồn dòng một chiều xoay chiều 18 Chương 1: Nguồn điện một chiều DC Nhập môn Điện tử II.2.2 Nguồn điện b) Nguồn dòng (current source) Nguồn dòng phụ thuộc: là nguồn mà dòng điện qua nó có giá trị phụ thuộc vào một nguồn áp hay một dòng điện khác ở trong mạch. Nguồn dòng có hai loại: Nguồn dòng phụ thuộc áp và nguồn dòng phụ thuộc dòng Nguồn dòng phụ thuộc áp Nguồn dòng phụ thuộc dòng 19 Chương 1: Nguồn điện một chiều DC Nhập môn Điện tử II.2.3 Điện trở  Điện trở (resistor) là linh kiện cản trở dòng điện,  Giá trị điện trở ( resistence) kí hiệu là R tỉ lệ với điện áp và dòng điện trong mạch Đơn vị R: Ohm ()  Theo định luật Ohm: v(t) = R.i(t) 20 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử II.2.3 Điện trở Giá trị điện trở phụ thuộc vào vật liệu cản điện, kích thước của điện trở và nhiệt độ của môi trường. R = ρ.L / S ρ là điện trở suất, ρ =[Ω.m] L: chiều dài sợi dây, L=[m] S: tiết diện dây dẫn, S= [m2] Trong một số bài toán mạch, chúng ta định nghĩa đại lượng điện dẫn G là giá trị nghịch đảo của điện trở, ta có quan hệ : G=1/R Đơn vị G: Simens (S) 21 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử II.2.3 Điện trở Công suất của điện trở Công suất tức thời tiêu thụ trên phần tử R được xác định theo các quan hệ như sau : Công suất tối đa cho phép là công suất nhiệt lớn nhất mà điện trở có thể chịu được nếu quá ngưỡng đó điện trở bị nóng lên và có thể bị cháy. Công suất tối đa cho phép đặc trưng cho khả năng chịu nhiệt. 22 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử II.2.4 Tụ điện a. Khái niệm Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử, chúng được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay chiều, mạch tạo dao động .vv 23 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử II.2.4 Tụ điện b. Cấu tạo của tụ điện Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi. Người ta thường dùng giấy, gốm , mica, giấy tẩm hoá chất làm chất điện môi và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môi này như Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ hoá. 24 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử II.2.4 Tụ điện c. Điện dung ,dung kháng của tụ điện Điện dung: Là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai bản cực của tụ điện ở một hiệu điện thế nhất định. Kí hiệu : C Đơn vị: Faraday (F) Điện dung có mối quan hệ với dòng điện trong mạch như sau: Dòng xoay chiều Q Dòng một chiều C  U 25 Chương 3: Dòng điện xoay chiều Nhập môn Điện tử II.2.4 Tụ điện c. Điện dung ,dung kháng của tụ điện Dung kháng của tụ 1 Z  C 2 fC Dung kháng của tụ tỷ lệ nghịch với tần số f của dòng điện. Tần số càng cao thì dung kháng của tụ càng nhỏ và ngược lại. Vậy có thể nói, tụ có tác dụng chặn thành phần một chiều và dẫn tín hiệu cao tần. 26 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử II.2.5. Cuộn cảm a.Cấu tạo của cuộn cảm Cuộn cảm gồm một số vòng dây quấn lại thành nhiều vòng, dây quấn được sơn emay cách điện, lõi cuộn dây có thể là không khí, hoặc là vật liệu dẫn từ như Ferrite hay lõi thép kỹ thuật . 27 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử II.2.5. Cuộn cảm b. Các đại lượng đặc trưng cho cuộn cảm Hệ số tự cảm (L) là đại lượng đặc trưng cho sức điện động cảm ứng của cuộn dây khi có dòng điện biến thiên chạy qua. Đơn vị L : Henry (H) Cảm kháng(ZL ):Cảm kháng của cuộn dây là đại lượng đặc trưng cho sự cản trở dòng điện của cuộn dây đối với dòng điện xoay chiều Đơn vị ZL : Ohm (Ω ) Z  2 .f .L L f: tần số của dòng điện xoay chiều. 28 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử II.3 Các khái niệm thường gặp trong mạch điện Khi liên kết các phần tử trong mạch điện sẽ dẫn đến các khái niệm sau: Nhánh, Nút, Vòng, Mắt lưới. Nhánh(branch): là một đường trên đó chứa một hay nhiều phần tử liên kết với nhau theo phương pháp đấu nối tiếp. Nút (node) : là giao điểm của tổi thiểu hai nhánh trong một mạch điện. 29 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử II.3 Các khái niệm thường gặp trong mạch điện Vòng (loop): là tập hợp nhiều nhánh tạo thành hệ thống kín và chỉ đi qua mỗi nút duy nhất một lần Mắt lưới (mesh): được xem là vòng cơ bản nói một cách khác: mắt lưới là một vòng mà bên trong không tìm thấy được vòng nào khác. Ví dụ: Xác định các nút, vòng và mắt lưới có trong mạch điện phía dưới 30 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử II.3 Các khái niệm thường gặp trong mạch điện Điện áp không- gốc điện áp (zero voltage): Trong mạch điện giá trị điện áp ở một điểm bất kỳ trong mạch có thể thay đổi tùy thuộc gốc Điện điện áp được chọn. Thông thường ta áp so chọn điểm làm gốc điện áp (có điện với áp bằng 0) là điểm được nối sàn mặt Các cách chọn điểm đất (circuit ground) (đất, vỏ máy) làm điện áp không Kí hiệu: 31 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử II.3 Các khái niệm thường gặp trong mạch điện Nối đất (earthed ground) : nếu điểm làm gốc điện áp được nối thẳng với mặt đất thì ta nói là điểm này được nối đất Kí hiệu: 32 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử III. Các định luật cơ bản của mạch điện III.1.Định luật Kirchhoff 1 (ĐL K1- định luật về dòng): Định luật này có thể phát biểu theo một trong hai cách: Tổng giá trị đại số dòng điện tại một nút = 0 Hay: Tổng giá trị dòng điện vào nút = Tổng giá trị dòng điện ra khỏi nút Theo cách phát biểu này, chúng ta có thể qui ước : Dòng điện vào nút có giá trị dương. Dòng điện đổ ra khỏi nút có giá trị âm. 33 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử III.1.Định luật Kirchhoff 1 (ĐLK1 – định luật về dòng) Chú ý: Trong quá trình giải mạch, khi chưa biết rõ hướng dòng điện đi trong nhánh, ta có thể chọn tùy ý hướng dịch chuyển cho dòng điện trên nhánh. Khi giải được kết quả: Nếu giá trị tính được có giá trị dương dòng điện có hướng thực tế như đã chọn. Nếu giá trị tính được có giá trị âm dòng điện có hướng thực tế ngược với hướng đã chọn. 34 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử III.2 Định luật Kirchhoff 2 (ĐL K2) Cách 1: Tổng giá trị điện áp dọc theo một vòng = 0 Cách 2: Tổng điện áp cung cấp từ nguồn = Tổng điện áp đặt ngang qua 2 đầu từng phần tử tiêu thụ 35 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử III.2 Định luật Kirchhoff 2 (ĐL K2) Với cách phát biểu 1 ta cần chú ý:  Chọn chiều dòng điện chạy trong vòng khảo sát (chọn tùy ý).  Xác định điện áp xuất hiện giữa hai đầu i các phần tử .  Bắt đầu từ phần tử được chọn làm chuẩn) đi theo chiều dòng điện để viết phương trình điện áp . Nếu điện áp trên các phần tử cùng hướng với điện áp của phần tử chuẩn các giá trị này dương, và điện áp trên các phần tử ngược với hướng điện áp của phần tử chuẩn giá trị này âm. 36 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử III. Các định luật cơ bản của mạch điện Ví dụ1 : Áp dụng định luật K1 tìm i trong các hình ĐS: 37 Chương 1: Tổng quan về mạch điện Nhập môn Điện tử III. Các định luật cơ bản của mạch điện Ví dụ 2 : Áp dụng định luật K2 tìm v trong các hình ĐS: 38 Chương 1: Tổng quan về mạch điện