Bài giảng Cơ sở lý kỹ thuật điện 1 - Chương 4: Tính chất cơ bản của mạch điện tuyến tính - Nguyễn Việt Sơn

Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 1 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 1 Chương 4: Tính chất cơ bản của mạch điện tuyến tính. I. Khái niệm chung. II. Tính chất tuyến tính. III. Khái niệm hàm truyền đạt. IV. Truyền đạt tương hỗ và không tương hỗ. Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 2 Chương 4: Tính chất cơ bản của mạch điện tuyến tính. I. Khái niệm chung.  Mạch điện tuyến tính là mạch điện có mô hình toán học gồm hữu hạn các biến trạng thái với tính chất:  Các thông số của mạch (R, L, C) là hằng số.  Quan hệ giữa các biến trạng thái trên cùng 1 phần tử là phương trình vi tích phân tuyến tính, hệ số hằng. Mạch điện tuyến tính  Các thông số của mạch là hằng số.  Quan hệ giữa các biến trạng thái trên 1 phân tử là tuyến tính. Phương trình vi tích phân tuyến tính, hệ số hằng Phương trình đại số ảnh phức Kích thích điều hòa Miền thời gian Miền ảnh phức Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 3 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 1 Chương 4: Tính chất cơ bản của mạch điện tuyến tính. I. Khái niệm chung II. Tính chất tuyến tính. II.1. Quan hệ tuyến tính giữa kích thích và đáp ứng. II.2. Quan hệ tuyến tính giữa các đáp ứng. III. Khái niệm hàm truyền đạt. IV. Truyền đạt tương hỗ và không tương hỗ. Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 4 Chương 4: Tính chất cơ bản của mạch điện tuyến tính. II.1. Quan hệ tuyến tính giữa kích thích và đáp ứng:  Phát biểu 1: Nếu trong mạch có một kích thích thì mỗi đáp ứng của mạch đều có quan hệ tuyến tính với kích thích đó. .k kX T F    kX  : ảnh phức của đáp ứng thứ k F  kT : ảnh phức của kích thích trong mạch : hàm truyền đạt biểu diễn mối quan hệ giữa đáp ứng thứ k và kích thích Ví dụ: 2 3 1 2 3 1 2 1 3 2 3 1 2 3 . . . . . Z ZE I E Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z          2 3 3 3 2 1 2 1 3 2 3 2 3 1 2 1 3 2 3 . . . . . . . . . Z Z Z Z I E E Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z           1T 2T Z1 Z2 Z3E  1I  2I  Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 5 Chương 4: Tính chất cơ bản của mạch điện tuyến tính. II.1. Quan hệ tuyến tính giữa kích thích và đáp ứng:  Phát biểu 2: Nếu trong mạch có nhiều kích thích cùng tần số tác động đồng thời thì mỗi đáp ứng của mạch đều có quan hệ tuyến tính với mỗi kích thích đó. (tính chất xếp chồng) 1 1 2 2. . ... .k k k nk nX T F T F T F         kX  : ảnh phức của đáp ứng thứ k 1 2, ,..., nF F F    1 2, ,...,k k nkT T T : ảnh phức của các kích thích trong mạch : hàm truyền đạt biểu diễn mối quan hệ giữa đáp ứng thứ k và các kích thích  Phát biểu 3: Nếu trong mạch có nhiều kích thích cùng tác động nhưng chỉ có một kích thích biến động thì quan hệ giữa mỗi đáp ứng với kích thích biến động đấy có dạng: 01.k kkX T F X      kX  : ảnh phức của đáp ứng thứ k 1F  1kT : ảnh phức của kích thích biến động : hàm truyền đạt biểu diễn mối quan hệ giữa đáp ứng thứ k và kích thích biến động 0kX  : tổng của những số hạng khác Chú ý: Nếu các kích thích không cùng tần số thì ta phải xếp chồng các đáp ứng trong miền thời gian. Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 6 Chương 4: Tính chất cơ bản của mạch điện tuyến tính. II.2. Quan hệ tuyến tính giữa các đáp ứng:  Phát biểu: Trong mạch tuyến tính, mỗi đáp ứng của mạch luôn có một quan hệ tuyến tính với ít nhất một đáp ứng khác trong mạch theo dạng: .k jjkX A X B     ,k jX X   : ảnh phức của 2 đáp ứng bất kỳ trong mạch ,jkA B : hàm truyền đạt biểu diễn mối quan hệ giữa 2 đáp ứng Z1 Z2 Z3 = 0  ∞ E  1I  2I  Ví dụ: Tìm quan hệ tuyến tính giữa và khi Z3 biến thiên từ 0 đến ∞.1I  2I  Quan hệ tuyến tính giữa và có dạng:1I  2I  1 2.I A I B     Khi Z3 = ∞: 1 2 1 2 E I I Z Z        Khi Z3 = 0: 2 1 1 0 E I I B Z         2 1 2 1 2 1 1 . ZE E E A A Z Z Z Z Z Z            2 1 2 1 1 . Z E I I Z Z      Vậy ta có: Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 7 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 1 Chương 4: Tính chất cơ bản của mạch điện tuyến tính. I. Khái niệm chung. II. Tính chất tuyến tính. III. Khái niệm hàm truyền đạt. IV. Truyền đạt tương hỗ và không tương hỗ. Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 8 Chương 4: Tính chất cơ bản của mạch điện tuyến tính. III. Khái niệm hàm truyền đạt.  Hàm truyền đạt là những hàm đặc tính tần phức đặc trưng cho hành vi của mạch tuyến tính hệ số hằng dưới tác dụng kích thích của một phổ tần điều hòa.  Hàm truyền đạt được định nghĩa là tỷ số riêng hoặc đạo hàm riêng của ảnh đáp ứng trên ảnh kích thích. ( ) ( ) ( ) k mk m X T F         ( )kX   ( )mF   : ảnh phức đáp ứng trên nhánh thứ k của mạch. : ảnh phức kích thích trên nhánh thứ m của mạch. ( )mkT  : hàm đặc tính tần phức giữa nhánh thứ k và nhánh thứ m  Mạch Kirchhoff có 4 hàm truyền đạt chính:  Hàm truyền đạt áp: Đo khả năng cung cấp áp trên nhánh k từ riêng một nguồn áp ở nhánh m. k Umk m U K E       Hàm truyền đạt dòng: Đo khả năng cung cấp dòng điện trên nhánh k từ riêng một nguồn dòng ở nhánh m. k Imk m I K J       Hàm truyền đạt tổng dẫn: Đo khả năng truyền dòng điện thứ k từ riêng một nguồn áp ở nhánh m. k mk m I Y E      k mk m U Z J       Hàm truyền đạt tổng trở: Đo khả năng truyền áp thứ k từ riêng một nguồn dòng ở nhánh m. Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 9 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN 1 Chương 4: Tính chất cơ bản của mạch điện tuyến tính. I. Khái niệm chung. II. Tính chất tuyến tính. III. Khái niệm hàm truyền đạt. IV. Truyền đạt tương hỗ và không tương hỗ. Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 10 Chương 4: Tính chất cơ bản của mạch điện tuyến tính. IV. Truyền đạt tương hỗ và không tương hỗ.  Mạch điện Kirchhoff tuyến tính được gọi là tương hỗ nếu những hàm truyền đạt tổng trở, tổng dẫn trong mạch là tuyến tính và thuận nghịch. KL LK KL LK Z Z Y Y    trong đó: ; KL KL LK K L U U Z Z I I           và ; Y KL KL LK K L I I Y U U            Tính chất:  Mạch tuyến tính tương hỗ có ma trận Zvòng và Ynút đối xứng với nhau qua đường chéo chính  chỉ cần tìm một nửa các hàm truyền đạt tổng trở, tổng dẫn.  Nhìn chung các hàm truyền đạt dòng, áp không có tính tương hỗ. Ví dụ:  Truyền đạt áp giữa 2 cuộn dây đặt gần nhau có hỗ cảm là một truyền đạt tương hỗ. 12 21 1 2. .M M k L L   Truyền đạt áp (dòng) trong máy biến áp (biến dòng), trong khuếch đại thuật toán ..., hàm truyền đạt tổng trở (tổng dẫn) trong transistor ... không có tính tương hỗ. Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 11 Chương 4: Tính chất cơ bản của mạch điện tuyến tính. IV. Truyền đạt tương hỗ và không tương hỗ. Ví dụ: Cho mạch điện tuyến tính tương hỗ. Hãy tính dòng điện trong nhánh 5 khi nguồn kích thích đặt trong nhánh 6. Với mạch hình (a)  ta có thể tính I5 theo các phương pháp dòng nhánh, dòng vòng, thế đỉnh, tuy nhiên dù giải bằng phương pháp nào ta cũng phải giải với ít nhất 3 phương trình. Áp dụng tính chất tương hỗ: Dòng điện I5 trong hình (a) sẽ bằng dòng điện I6 trong hình (b). Thật vậy, vì mạch là tuyến tính tương hỗ nên: R1 I6 E R5 R4R2 R3 I3 I4 (b) R1=20Ω R2=20Ω R3=20Ω R4=30Ω R5=8Ω E=6V I5 (a) 56 65Y Y 6 56 5 I Y E  565 6 I Y E  = = Cơ sở kỹ thuật điện 1 - Nguyễn Việt Sơn - 2010 12 Chương 4: Tính chất cơ bản của mạch điện tuyến tính. IV. Truyền đạt tương hỗ và không tương hỗ. Ví dụ: R1=20Ω I6 E=6V R5=8Ω R3=20Ω I3 I4 (b) R2=20Ω R4=30Ω Ing 5 2 4 1 3 0.2( ) ( // ) ( // ) ng E I A R R R R R     2 4 2 4 . 0.08( )ng R I I A R R    1 3 1 3 . 0.1( )ng R I I A R R    6 3 4 0.1 0.08 0.02( )I I I A     R1=20Ω R2=20Ω R3=20Ω R4=30Ω R5=8Ω E=6V I5 (a) Vậy: I5 = 0.02(A)