Bài giảng Cơ sở lý thuyết mạch - Phần tử cơ bản của mạch điện

Phần tử cơ bản của mạch điện Cơ sở lý thuyết mạch điện Phần tử cơ bản của mạch điện 2 Nội dung • Thông số mạch • Phần tử mạch – Nguồn áp – Nguồn dòng – Điện trở – Cuộn dây – Tụ • Mạch một chiều • Mạch xoay chiều • Mạng hai cửa • Mạch ba pha • Quá trình quá độ Phần tử cơ bản của mạch điện 3 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 Phần tử cơ bản của mạch điện 4 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 Phần tử cơ bản của mạch điện 5 Nguồn áp (2) • Chiều của mũi tên ở phía trong vòng tròn biểu diễn chiều tăng của điện áp u Phần tử cơ bản của mạch điện 6 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 áp 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 Phần tử cơ bản của mạch điện 7 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) Phần tử cơ bản của mạch điện 8 Điện trở (2) Phần tử cơ bản của mạch điện 9 Điện trở (3) Riu = R ui = 2RiRiiuip === R u R uuuip 2 === u i R Công suất của điện trở luôn dương Phần tử cơ bản của mạch điện 10 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 = ∞ Phần tử cơ bản của mạch điện 11 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 Phần tử cơ bản của mạch điện 12 Cuộn dây (2) Phần tử cơ bản của mạch điện 13 Cuộn dây (3) udt L di 1=→ ∫ ∞−=→ t dttuLi )(1 )()(1 00 tidttuL tt += ∫ dt diLu = u i L 0 )( 0 ttiti <<∞−= 0)( =−∞i Phần tử cơ bản của mạch điện 14 Cuộn dây (4) ∫∫ ∞−∞− ⎟⎠⎞⎜⎝⎛==→ tt idt dt diLpdtw )( 2 1)( 2 1 22 −∞−== ∫ ∞− LitLiidiL t 2 2 1 Liw = i dt diLuip ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛== u i L 0)( =−∞i Phần tử cơ bản của mạch điện 15 Cuộn dây (5) 0==→ dIdi 0=→ udt diLu = u i L Mạch DC: i = I = const Trong mạch DC, cuộn dây tương đương với ngắn mạch Phần tử cơ bản của mạch điện 16 Cuộn dây (6) 0→dt ∞→→ udt diLu = u i L Nếu Dòng điện trong cuộn cảm không thể biến thiên đột ngột (vô lý) Phần tử cơ bản của mạch điện 17 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 Phần tử cơ bản của mạch điện 18 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 Phần tử cơ bản của mạch điện 19 Tụ (2) Phần tử cơ bản của mạch điện 20 Tụ (3) dt dqi = Cuq = dt duCi = )(11 0 0 tuidt C idt C u t t t +==→ ∫∫ ∞− C tqtu )()( 00 = Ci u Phần tử cơ bản của mạch điện 21 Tụ (4) dt duCup = uip = dt duCi = t t ttt CuuduCdt dt duuCpdtw −∞=∞−∞−∞− ==== ∫∫∫ 221 2 2 1 Cuw = Ci u 0)( =−∞u Phần tử cơ bản của mạch điện 22 Tụ (5) 0=i 0==→ dUdu dt duCi = Ci u Mạch DC: u = U = const Trong mạch DC, tụ tương đương với hở mạch Phần tử cơ bản của mạch điện 23 Tụ (6) ∞→i 0→dt dt duCi = Ci u Nếu (vô lý) Điện áp trên tụ không thể biến thiên đột ngột Phần tử cơ bản của mạch điện 24 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 Phần tử cơ bản của mạch điện 25 • Điện trở & tụ được bán ở dạng đơn lẻ hoặc dạng mạch tích hợp (IC) Æ rẻÆ được dùng nhiều • Cuộn dây chỉ bán ở dạng đơn lẻÆ đắt Æ dùng hạn chế • Cuộn dây & tụ: – Khả năng dự trữ năng lượng Æ dùng làm nguồn nhất thời – Cuộn dây: chống lại biến thiên dòng đột ngột Æ dùng để dập hồ quang hoặc tia lửa điện – Tụ: chống lại biến thiên điện áp đột ngột Æ dùng để hạn chế xung – Nhạy tần Æ phân tách tần số