CHƯƠNG 1: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU Mã chương: MH8-01 Thời gian: 18 giờ (LT: 03; TH: 04; Tự học:10; KT: 01) Giới thiệu: Trong thực tế mạch điện một chiều được ứng dụng nhiều ở lĩnh vực điện, điện tử, dòng điện một chiều tương đối ổn định và việc nghiên cứu để giải mạch điện một chiều là cơ sở để chuyển đổi và giải các mạch điện biến đổi khác về dạng mạch điện một chiều và các cách biến đổi, các phương pháp giải mạch điện một chiều được nghiên cứu kỹ. Mục tiêu: - Mô tả được mạch điện và mô hình mạch điện với các thông số đặc trưng của các phần tử mạch; - Trình bày được các định luật về mạch điện, từ đó biết áp dụng vào các bài toán giải mạch điện; - Vận dụng được các phương pháp khi giải mạch điện, ý nghĩa hệ số công suất. Nội dung chính 1. Những khái niệm cơ bản về mạch điện 1.
Mạch điện, kết cấu hình học của mạch điện 1. Khái niệm mạch điện Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn tạo thành những mạch kín trong đó dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện thường gồm các phần tử sau: Nguồn điện, phụ tải (tải), dây dẫn.1 là một ví dụ về mạch điện, trong đó: Nguồn điện là máy phát điện MF, tải gồm động cơ điện ĐC và bóng đèn Đ, các dây dẫn truyền tải điện năng từ nguồn đến tải.1: Mô hình mạch điện * Nguồn điện: Nguồn điện là thiết bị điện tạo ra điện năng. Về nguyên lý, nguồn điện là thiết bị biến đổi các dạng năng lượng như cơ năng, hóa năng, nhiệt năng, v.v… thành điện năng.
Ví dụ: Pin, ắc quy biến đổi hóa năng thành điện năng. Máy 6 phát điện biến đổi cơ năng thành điện năng. Pin mặt trời biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng, v.v… *Tải: Tải là các thiết bị tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, quang năng v. v…Ví dụ: Động cơ điện tiêu thụ điện năng và biến điện năng thành cơ năng.
Bàn là, bếp điện biến điện năng thành nhiệt năng. Bóng đèn biến điện năng thành quang năng… * Dây dẫn: Dây dẫn dùng để dẫn điện từ nguồn đến phụ tải. Ngoài các thành phần cơ bản trên, mạch điện còn có các thiết bị phụ trợ để bảo vệ và điều khiển như cầu dao, áp tô mát, cầu chì, rơle… 1. Kết cấu hình học của mạch điện Kết cấu hình học của mạch điện gồm: - Nhánh: Nhánh là một đoạn mạch có các phần tử ghép nối tiếp với nhau trong đó có cùng dòng điện chạy qua.
Trên mạch hình 1-1 có 3 nhánh 1,2,3 - Nút: Nút là điểm gặp nhau của từ ba nhánh trở lên. Trên mạch hình 1-1 có 2 nút A, B. - Mạch vòng: Mạch vòng là nối đi khép kín qua các nhánh. Trên mạch hình 1-1 có 3 vòng V1, V2, V3.
Mạch vòng độc lập là mạch vòng phải kép kín qua một nhánh mới chưa tham gia vào trong các vòng đã chọn. Trên mạch hình 1-1 có 2 vòng độc lập V1, V2. Mạch điện đơn giản là mạch điện có một nhánh, không có nút và có một mạch vòng. Mạch điện phức tạp là mạch điện có nhiều nhánh, nhiều mạch vòng và nhiều nút.
Các đại lượng đặc trưng cho quá trình năng lượng trong mạch điện Để đặc trưng cho quá trình năng lượng trong một nhánh hoặc một phần tử của mạch điện ta dùng hai đại lượng: Dòng điện i và điện áp u.2: Chiều điện áp và dòng điện * 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: i = dq/dt (1.1) - Chiều dòng điện quy ước là chiều chuyển động của các điện tích dương (ion dương), ngược với chiều chuyển động của các ion âm hoặc electron (điện tử). Trên một nhánh chiều dương quy ước của dòng điện được chọn tùy ý và ký hiệu bằng mũi tên như hình 1. 7 - Đơn vị đo của dòng điện là ampe. Ký hiệu là A * Điện áp: Tại mỗi điểm trong mạch điện có một điện thế.
Hiệu điện thế (hiệu thế) giữa hai điểm gọi là điện áp. Như vậy điện áp giữa hai điểm a và b có điện thế φa , φb là: uab = φa - φb = ua - ub (1.2) - Chiều điện áp quy ước là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp. - Điện áp giữa hai cực của nguồn điện khi hở mạch ngoài (dòng điện I = 0) được gọi là sức điện động E. - Đơn vị đo của điện áp, sức điện động là von.
Ký hiệu là V *Công suất tức thời Công suất tức thời: pt ut. Mô hình mạch điện, các thông số Hình 1.3: Các phần tử mạch điện Kí hiệu của nguồn điện áp độc lập: Hình 1.4: Kí hiệu của nguồn điện áp độc lập Kí hiệu của nguồn điện áp phụ thuộc: u2 = u1 u2 = R.5: Kí hiệu của nguồn điện áp phụ thuộc Dòng điện của nguồn sẽ phụ thuộc vào tải mắc vào nó. Nguồn dòng Nguồn dòng độc lập là phần tử hai cực mà dòng điện của nó không phụ thuộc vào điện áp trên hai cực nguồn: i(t)=j(t) Kí hiệu của nguồn độc lập: 8 Hình 1.6: Kí hiệu của nguồn độc lập Kí hiệu của nguồn phụ thuộc: i2 = gu1 i2 = i1 Hình 1.7: Kí hiệu của nguồn phụ thuộc 1. Phân loại và các chế độ làm việc của mạch điện *Phân loại - Mạch điện một chiều - Mạch điện xoay chiều * Chế độ làm việc - Chế độ xác lập: Là quá trình, trong đó dưới tác động của nguồn, dòng điện và điện áp trên các nhánh đạt trạng thái ổn định, dòng và áp trên các nhánh biến thiên theo quy luật giống với quy luật biến thiên của nguồn.
- Chế độ quá độ: là quá trình chuyển tiếp từ chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác, thời quan quá độ thường rất ngắn. Các định luật về mạch điện 1. Định luật Ohm * Định luật ôm đối vơi đoạn mạch chỉ có điên trở Định luật: Cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch có có điện trở R: - tỉ lệ thuận với hiệu điện thế hai đầu đoạn mạch. - tỉ lệ nghịch với điện trở.4) A B U Nếu có R và I, hiệu điện thế tính như sau: U = VA - VB = I.R: gọi là độ giảm thế (độ sụt thế hay sụt áp) trên điện trở.
Công thức của định luật ôm cũng cho phép tính điện trở: Đặc tuyến V - A (vôn - ampe) 9 Đó là đồ thị biểu diễn I theo U còn gọi là đường đặc trưng vôn - ampe.8: Đặc tuyến V - A Đối với vật dẫn kim loại (hay hợp kim) ở nhiệt độ nhất định đặc tuyến V –A là đoạn đường thẳng qua gốc các trục: R có giá trị không phụ thuộc U. Ví dụ 1: Khi đặt điện áp U = 24V vào một đoạn mạch, thấy có dòng điện I = 6A đi qua. Tính điện trở của đoạn mạch đó. Giải: Điện trở của đoạn mạch, ta có: * Định luật ôm cho toàn mạch Cường độ dòng điện trong mạch kín: Giả sử có mạch điện không phân nhánh như hình 1.9, nguồn có sức điện động E, điện trở trong là R0, cung cấp cho tải có điện trở là R, qua một đường dây có điện trở là Rd, dòng điện trong mạch là I.9: Mạch điện không phân nhánh Áp dụng định luật Ohm cho từng đoạn mạch ta có Điện áp trên tải: Điện áp trên đường dây: Điện áp trên điện trở trong của nguồn: Ở đây: : là tổng trở của toàn mạch Từ đó: Trong đó : : là điện trở mạch ngoài 10 Vậy: “Dòng điện trong mạch tỷ lệ với sức điện động của nguồn và tỷ lệ nghịch với điện trở tương đương của toàn mạch” Ví dụ 2.
Mạch điện ở trên có E = 231V, R0 = 0,1W, R = 22W, Rd = 1W. Hãy xác định dòng điện trong mạch, điện áp đặt vào tải và điện áp trên hai cực của nguồn. Giải: Áp dụng định luật Ohm cho toàn mạch để tính dòng điện: Điện áp đặt vào tải: Điện áp rơi trên đường dây: Điện áp rơi trên điện trở trong của nguồn: 1. Hai định luật Kiếchốp * Định luật Kiếchốp I: Tổng đại số các dòng điện tại một nút (hoặc vòng kín) bất kỳ bằng không (1.6) Trong đó, ta có thể quy ước: Các dòng điện có chiều dương đi vào nút thì lấy dấu +, còn đi ra khỏi nút thì lấy dấu –.
Hoặc có thể lấy dấu ngược lại. Có thể phát biểu định luật K1 dưới dạng: Tổng các dòng điện có chiều dương đi vào một nút bất kỳ thì bằng tổng các dòng điện có chiều dương đi ra khỏi nút. Với mạch điện có d nút thì ta chỉ viết được (d-1) phương trình K1 độc lập với nhau cho (d-1) nút. Phương trình K1 viết cho nút còn lại có thể được suy ra từ (d-1) phương trình K1 trên.
Ví dụ 3: Ta xét 1 nút của mạch điện gồm có 1 số dòng điện đi tới nút A và cũng có 1 số dòng điện rời khỏi nút A.10: Biểu diễn dòng điện tại nút A Như vậy, trong 1 giây, điện tích di chuyển đến nút phải bằng điện tích rời khỏi nút. Bởi vì, nếu giả thiết này không thoả mãn thì sẽ làm cho điện tích tại nút A thay đổi. Vì thế: “Tổng số học các dòng điện đến nút bằng tổng số học các dòng điện rời khỏi nút” Đây chính là nội dung của định luật Kirchhoff 1 Nhìn vào mạch điện ta có: Tổng quát, ta có định luật phát biểu như sau: “Tổng đại số các dòng điện đến một nút bằng 0” Quy ước: - Nếu các dòng điện đi tới nút là dương thì các dòng điện rời khỏi nút sẽ mang dấu âm hoặc ngược lại. * Định luật Kiếchốp II: Định luật Kirchhoff II phát biểu cho 1 vòng kín Tổng đại số các sụt áp trên một vòng kín thì bằng không (1.7) Người ta chứng minh được rằng: với một mạch có d nút, n nhánh thì số phương trình độc lập có được từ định luật K2 là (n-d+1).
Đối với mạch điện phẳng có d nút, n nhánh thì số mắc lưới là (n-d+1). Do đó: (n-d+1) phương trình K2 độc lập nhau có thể đạt được bằng cách viết (n-d+1) phương trình K2 viết cho (n-d+1) mắt lưới. Ví dụ 4: Cho một mạch điện như hình vẽ gồm 4 nhánh: 12 Hình 1.