Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản

Nhập môn Điện tử Chương 2 Phương pháp giải mạch điện cơ bản 1 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử I. Mạch điện trở mắc nối tiếp và song song I.1 Mạch nối tiếp Hai phần tử kề nhau được gọi là đấu nối tiếp nếu chúng có chung một nút và không còn dòng nào khác đi vào nút. A. Nguồn áp mắc nối tiếp Khi mắc nối tiếp các nguồn áp khác nhau ta có thể thay bằng một nguồn áp có điện áp bằng tổng giá trị điện áp của các nguồn này. 2 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử I. Mạch điện trở mắc nối tiếp và song song I.1 Mạch nối tiếp B. Nguồn dòng mắc nối tiếp Các nguồn dòng chỉ có thể được mắc nối tiếp nếu như đây là những nguồn dòng lý tưởng có cùng giá trị cường độ dòng điện qua nguồn, chiều dòng điện đi qua nguồn là cùng chiều với nhau Nguồn dòng mắc nối tiếp khác cường độ dòng sẽ gây cháy mạch 3 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử I. Mạch điện trở mắc nối tiếp và song song I.1 Mạch nối tiếp C. Điện trở mắc nối tiếp Khi mắc nối tiếp các điện trở khác nhau ta có thể thay bằng một điện trở tương đương có điện trở bằng tổng giá trị điện trở của các điện trở này. 4 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử I. Mạch điện trở mắc nối tiếp và song song I.2 Mạch song song Hai phần tử ghép song song nếu chúng tạo thành một vòng không chứa phần tử nào khác. A. Nguồn dòng mắc song song Khi mắc song song các nguồn dòng khác nhau ta có thể thay bằng một nguồn dòng có cường độ dòng điện bằng bằng tổng giá trị cường độ dòng điện của các nguồn này. 5 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử I. Mạch điện trở mắc nối tiếp và song song I.2 Mạch song song B. Nguồn áp mắc song song Khi các nguồn áp mắc song song, ta chỉ có thể mắc nguồn áp song song với nhau nếu như các nguồn này là nguồn áp lý tưởng có cùng giá trị điện áp, cùng chiều phân cực. Nguồn áp mắc song song khác điện áp sẽ bị cháy mạch. 6 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử I. Mạch điện trở mắc nối tiếp và song song I.2 Mạch song song C. Điện trở mắc song song Khi mắc song song các điện trở khác nhau ta có thể thay bằng một điện trở tương đương có điện trở tính như sau: 7 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử I. Mạch điện trở mắc nối tiếp và song song Tóm lại trong mạch điện trở mắc nối tiếp và song song 8 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử I. Mạch điện trở mắc nối tiếp và song song Ví dụ: Xác định điện áp và dòng điện qua các điện trở trong mạch a) b) 9 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử II. Mạch chia áp (cầu phân áp) và mạch chia dòng (cầu phân dòng) II.1 Mạch chia áp (cầu phân áp) 10 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử II.2 Mạch chia dòng (cầu phân dòng) 11 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử II.2 Mạch chia dòng (cầu phân dòng) Nếu thay thế giá trị nghịch đảo của điện trở bằng điện dẫn, ta có công thức Tổng quát Hay 12 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử Ví dụ : Tìm điện áp vx và i3 trong mạch điện ĐS: vx=25V , i3=0.417A Ví dụ : Tìm dòng i1 trong mạch điện ĐS: i1=10A 13 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử II.3 Ứng dụng cầu phân áp II.3.1 Đo điện áp, đo cường độ dòng điện Đo điện áp Vôn kế đo điện áp giữa hai điểm. Vôn kế có điện áp rất lớn do đó không ảnh hưởng đến điện trở toàn mạch. 14 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử II.3 Ứng dụng cầu phân áp II.3.1 Đo điện áp, đo cường độ dòng điện Giá trị vôn kế đo là bao nhiêu?? 15 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử II.3 Ứng dụng cầu phân áp II.3.1 Đo điện áp, đo cường độ dòng điện Đo cường độ dòng điện Ampere kế dùng để đo dòng qua dây dẫn Ampere kế có điện trở rất nhỏ do đó không ảnh hưởng tới mạch. Mạch phải được làm hở để kết nối Ampere kế 16 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử II.3 Ứng dụng cầu phân áp II.3.1 Đo điện áp, đo cường độ dòng điện Làm cách nào để kết nối Ampere kế vào đo? Giá trị của Ampere kế là bao nhiêu? 17 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử II.3 Ứng dụng cầu phân dòng- cầu phân áp II.3.2 Bộ chuyển đổi Một trong những ứng dụng của cầu phân áp là chế tạo bộ chuyển đổi (transducer). Bộ chuyển đổi là một thiết bị để tạo ra điện áp có giá trị tỉ lệ với một đại lượng vật lý nào đó như khoảng cách, áp suất hay nhiệt độ... Bộ chuyển đổi điện áp dùng trong bánh lái tàu (máy bay) 18 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử III.Phương pháp nguồn tương đương III.1 Mạch tương đương Thévenin Mạch chứa nguồn và điện trở Mạch chứa nguồn và điện trở có thể được thay thế bởi một mạch tương đương Thé venin bao gồm một nguồn áp mắc nối tiếp với một điện trở. Các thông số đặc trưng của mạch: vTh , RTh , in 19 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử III.Phương pháp nguồn tương đương III.1 Mạch tương đương Thévenin RTh hở vTh mạch Trong mạch tương đương Thévenin: • vTh: điện áp hở mạch giữa hai điểm A và B • 푅 Th: là điện trở tương đương đo tại cổng AB ( các nguồn áp thay bằng ngắn mạch, nguồn dòng thay bằng mạch hở) Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử III.Phương pháp nguồn tương đương III.1 Mạch tương đương Thévenin VD: Xác định các giá trị của nguồn tương đương Thévenin của mạch sau : Đs: voc = 5V, in =0,15A , RTh =33,3 21 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử III.Phương pháp nguồn tương đương III.2 Mạch tương đương Norton Nếu ta thay mạch tương đương Thévenin bằng một mạch gồm nguồn dòng mắc song song với một điện trở ta được mạch tương đương Norton 22 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử III.Phương pháp nguồn tương đương III.2 Mạch tương đương Norton RN Trong mạch tương đương Norton: voc: điện áp hở mạch iN: là dòng điện ngắn mạch chạy từ A đến B RN : điện trở tương đương đo tại cổng AB 23 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử III.Phương pháp nguồn tương đương III.2 Mạch tương đương Norton VD: Xác định các giá trị của nguồn tương đương Norton của mạch sau : 24 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử III.Phương pháp nguồn tương đương III.3 Phương pháp chuyển đổi nguồn Một nguồn áp có thể chuyển đổi thành nguồn dòng và ngược lại theo qui phép biến đổi Thévenin – Norton: VTh In  RTh 25 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử IV. Các phương pháp giải mạch cơ bản IV.1 Phương pháp dòng điện vòng Cơ sở: Dựa vào hai định luật Kirchhoff để lập hệ phương trình trạng thái của mạch, trên cơ sở hệ phương trình này ta dựa trên mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên các nhánh để đưa các phương trình này về dạng hệ phương trình của các ẩn số mới (các dòng điện trong các vòng). Phương pháp này thường sử dụng để tìm dòng điện trong các nhánh của mạch điện, với các bước sau: Bước 1: Thành lập các vòng cho mạch. Số vòng phải thành lập là [ 푁푛ℎ − 푁푛 + 1]. Bước 2: Thành lập hệ có[ 푁푛ℎ − 푁푛 + 1] phương trình theo định luật K2, trong đó ẩn số là dòng điện trong các vòng giả định. Bước 3: Giải hệ phương trình để tìm các dòng điện vòng giả định. Bước 4: Chuyển kết quả trung gian về các dòng điện nhánh. 26 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử Dạng 1: Tìm dòng điện trong các nhánh của mạch điện – Sử dụng phương pháp dòng điện vòng Ví dụ 1 Tìm dòng điện trong các nhánh của mạch điện hình bên 27 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử Bước 1: Thành lập các vòng cho mạch điện 28 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử Bước 2: Thành lập các phương trình cho các vòng mạch điện Xét vòng 1: Áp dụng định luật K2 cho vòng 1 ta viết được phương trình K2 như sau: EUUU1 1  2  3  0  IRIRIREnh1. 1  nh 2 . 2  nh 3 . 3  1 IIIRIIE1R 1  ( 1  4 ) 2  ( 1  2 )R 3  1 (RRRIRIRIE1  2  3 ) 1  3 2  2 4  1 29 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử Bước 2: Thành lập các phương trình cho các vòng mạch điện Từ đó rút ra qui luật thành lập pt cho vòng 1: Tổng trở vòng Dòng điện vòng lân đang xét cận ()RRR1R 2 3III1R 3 2 0 3 2I4  E1 Tổng đại số các suất điện động vòng đang xét Dòng điện vòng Trở kháng giữa vòng lân cận (lấy dấu dương nếu đang xét và vòng đang xét (lấy dấu chiều dòng của nguồn dương nếu vòng lân cận cùng cùng chiều dòng đang chiều vòng đang xét, dấu âm xét, dấu âm nếu chiều nếu vòng lân cận ngược chiều dòng của nguồn ngược vòng đang xét) chiều vòng đang xét) 30 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử Bước 2: Thành lập các phương trình cho các vòng mạch điện Sử dụng qui tắc thành lập trên ta có hệ phương trình cho các vòng ( của mạch điện như sau: V1: (R1 +R 2 +R 3 )I 1 -R 3 I 2 +0I 3 -R 2 I 4 = E 1 V2: -R31 I +(R 3 +R 4 +R 525344 )I -R I -R I = -E 5 V3: 0I152 -R I +(R 567364 +R +R )I -R I = E 57 -E V4: -R214263 I -R I -R I +(R 2 +R 4 +R 6 +R 84 )I = E 8 31 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử Bước 3: Giải hệ phương trình để tìm dòng điện vòng trong các vòng giả định Bước 4: Chuyển kết quả trung gian về dòng điện trong các nhánh In1 = - I 1 I n2 =I 1 I 4 In3 = I 1 -I 2 I n4 =I 2 I 4 I = I -I I =I I n5 2 3 n6 3 4 In7 = I 3 I n8 =I 4 32 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử Chú ý: Hệ phương trình dòng điện vòng có thể viết dưới dạng ma trận RIV     Ma trận trở kháng Ma trận dòng Ma trận nguồn( nguồn vòng thế độc lập) Trong đó [R] là ma trận vuông có đặc điểm: - Nằm trên đường chéo chính là các trở kháng vòng -Hai bên đường chéo là các trở kháng chung đối xứng nhau qua đường chéo chính. 33 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử Ví dụ 2: Tìm dòng điện trong các vòng Ví dụ 3: Tìm dòng điện trong các vòng IAIAIA 2 ,  4 ,   5 123 I 34 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử IV.2 Phương pháp điện áp nút Cơ sở: Dựa vào hai định luật Kirchhoff để lập hệ phương trình trạng thái của mạch, trên cơ sở hệ phương trình này ta dựa trên mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên các nhánh để đưa các phương trình này về dạng hệ phương trình của các ẩn số mới (các điện áp tại các nút) Phương pháp này dùng để tìm điện áp tại các nút của mạch điện với các bước sau: Bước 1: Đặt tên cho các nút của mạch, chọn một nút làm gốc. Bước 2: Thành lập phương trình điện áp nút cho mạch. Sử dụng K1 ta viết hệ phương trình cho[ 푁푛 -1] nút trừ nút gốc. Bước 3: Giải phương trình để tìm ra điện áp cho các nút. 35 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử Dạng 2: Tìm điện áp tại các nút của mạch điện (sử dụng phương pháp điện áp nút) Ví dụ 2 Tìm điện áp tại các nút của mạch điện hình bên 36 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử Bước 1: Đặt tên các nút, chọn điện thế nút 0 C A B 37 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử Bước 2: Thành lập các phương trình cho các nút của mạch điện Áp dụng định luật K1 cho nút A,B,C ta viết được phương trình như sau: C A B 38 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử Bước 2: Thành lập các phương trình cho các nút của mạch điện C Nếu sử dụng đại lượng A B điện dẫn G phương trình có thể viết lại ()()Gv1 v 3 G 1  v 1  v 2 2  ia (v2 v 1 ) G 2  v 2 . G 3  ( v 2  v 3 )G 4  0 v3 G 5()()G v 3  v 2 G 4  v 3  v 1 1   ib Hay : (G1G 2 ) v 1  G 2 v 2  G 1 v 3  i 1 G2 v 1 ( G 2  G 3  G 4 ) v 2  G 4 v 3  0 G1 v 1  G 4 v 2 () G 1  G 4  G 5   ib 39 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử Bước 2: Thành lập các phương trình cho các nút của mạch điện Từ đó rút ra qui luật thành lập pt: C Tổng điện dẫn A B nối vào nút Điện áp các nút lân đang xét. cận (G1 GGG 2 ) v1 2vv 2 1 3 i1 Tổng đại số các 퐼푛𝑔 nối với nút đang xét. Lấy Điện áp nút Các điện dẫn chung giữa dấu “+” nếu chiều của đang xét các nút lân cận với nút 퐼푛𝑔 đi vào nút đang xét, đang xét . Tất cả đều lấy ngược lại lấy dấu “-” dấu âm Bước 3: Giải hệ phương trình tìm ra các giá trị điện áp nút cần tìm. 40 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử Chú ý: Hệ phương trình điện áp nút có thể viết dưới dạng ma trận GUI     Ma trận điện dẫn Ma trận điện Ma trận nguồn( nguồn nút áp dòng độc lập) Trong đó [G] là ma trận vuông có đặc điểm: - Nằm trên đường chéo chính là các điện dẫn nút. -Hai bên đường chéo là các dẫn nạp chung đối xứng nhau qua đường chéo chính. 41 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản Nhập môn Điện tử Ví dụ : Tìm điện thế tại các nút V12 = 8.77V V = 7.62V 42 Chương 2: Phương pháp giải mạch điện cơ bản