Chương 1: Các khái niệm cơ bản về mạch điện Giới thiệu: Mạch điện là môn học cơ bản của ngành Điện – Điện tử, là môn học cơ sở để học các môn học, mô đun chuyên ngành. Những khái niệm cơ bản về mạch điện là sự tiếp cận căn bản về các phần tử điện và đại lượng điện được ứng dụng trong đời sống sinh hoạt và lỉnh vực ngành nghề. Mục tiêu: - Phân tích được nhiệm vụ, vai trò của các phần tử cấu thành mạch điện như: nguồn điện, dây dẫn, phụ tải, thiết bị đo lường, đóng cắt. - Giải thích được cách xây dựng mô hình mạch điện, các phần tử chính trong mạch điện.
Phân biệt được phần tử lý tưởng và phần tử thực. - Phân tích và giải thích được các khái niệm cơ bản trong mạch điện, hiểu và vận dụng được các biểu thức tính toán cơ bản. - Rèn được tính cẩn thận, phương pháp học tư duy và chính xác. Nội dung chính: 1.
Mạch điện và mô hình: 1.1 Mạch điện: Mạch điện: là một hệ gồm các thiết bị điện, điện tử ghép lại thành vòng kín có dòng điện, trong đó xảy ra các quá trình truyền đạt, biến đổi năng lượng,…. Mỗi phần tử trong mạch thực hiện một chức năng xác định gọi là phần tử mạch điện. Có 2 loại phần tử chính là nguồn và phụ tải. Nguồn điện: là thiết bị 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,… thành điện năng. Ví dụ: Máy phát điện, ắc quy, pin mặt trời … Phụ tải: là các thiết bị tiêu thụ năng lượng và biến đổi điện năng thành các dạng năng lượng khác như cơ năng, nhiệt năng, quang năng, …. Ví dụ: động cơ điện, bếp điện, đèn điện… - Cực của phần tử điện là các đầu ra. Phần tử có thể 2 cực, 3 cực, 4 cực, … - Trên các cực của phần tử có dòng điện, điện áp và công suất.2 Mô hình mạch điện: Mạch điện được xaây döïng trên cơ sở nguồn điện, tải và dây dẫn 1 Hình 1 - 1: Mô hình mạch điện 1.1 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… thành điện năng. Ví dụ: Pin, ắc quy biến đổi hóa năng thành điện năng, Máy phát điện biến đổi cơ năng thành điện năng. Pin mặt trời biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng… 1.2 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… Ví dụ: động cơ điện tiêu thụ điện năng và biến đổi điện năng thành cơ năng, Bàn là, bếp điện biến đổi điện năng thành nhiệt năng, bong đèn biến đổi điện năng thành quang năng… 1.3 Dây dẫn: Dây dẫn dùng để dẫn điện từ nguồn điện 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… 2.
Các khái niệm cơ bản trong mạch điện.1 Cường độ dòng điện: - Dòng điện: là dòng các điện tích dịch chuyển có hướng. - Chiều dòng điện là chiều chuyển động dòng điện tích dương. - Cường độ dòng điện: (gọi tắt là dòng điện) là lượng điện tích chuyển qua một bề mặt nào đó (tiết diện ngang của dây dẫn) trong một đơn vị thời gian. 2 - Đơn vị cường độ dòng điện là Ampere (A).
- Ký hiệu: i - Trong tính toán i là đại lượng đại số kèm theo chiều dương qui ước. - Sau khi giải: + Nếu i dương: Chiều thực của dòng điện trùng với chiều dương qui ước. + Nếu i âm: Chiều ngược lại. Ví dụ: Dòng điện một chiều (DC) Dòng điện xoay chiều (AC) Hình 1 - 2: Giản đồ dòng điện một chiều (DC) và xoay chiều (AC) 2.2 Mật độ dòng điện: - Lượng điện tích chuyển qua dây dẫn trong một đơn vị thời gian.
- Mật độ dòng điện dây dẫn là dòng điện chạy qua dây dẫn trên một đơn vị diện tích dây dẫn.3 Điện áp: - Là công sinh ra khi 1 đơn vị điện tích dương dịch chuyển từ A đến B. - Với UAB = ϕA - ϕB; ϕA và ϕB là điện thế điểm A và B. - Đơn vị : Volt (V) - Ký hiệu : U Trong tính toán điện áp U là lượng đại số theo chiều xác định, ví dụ U AB. Khi UAB > 0 thế A cao hơn thế B và UAB < 0 thế B cao hơn thế A.
Ví dụ: 3 Điện áp một chiều (DC) Điện áp xoay chiều (AC) Hình 1 - 3: Giản đồ điện áp một chiều (DC) và xoay chiều (AC) 2.4 Công suất: Trong mạch điện, một nhánh, một phần tử có thể nhận năng lượng hoặc phát năng lượng. Khi chọn chiều dòng điện và điện áp trên nhánh trùng nhau, sau khi tính toán công suất P của nhánh ta có kết luận sau về quá trình năng lượng của nhánh. Ở thời điểm nào đó nếu: P = ui > 0: (Nhánh nhận năng lượng) P = ui < 0: (Nhánh phát năng lượng) Khi dòng điện có đơn vị A (ampe) và điện áp có đơn vị V (vôn) thì đơn vị công suất l W (Oát). Ví dụ: Công suất một chiều Công suất xoay chiều 4 3.
Các thông số cơ bản của mạch điện: 3.1 Phaàn töû ñieän trôû R: Là phần tử đặt trưng cho hiện tượng tiêu tán năng lượng điện từ. Công suất tiêu tán P = RI2 Hình 1 - 4: Phần tử điện trở R - Ký hiệu phần tử điện trở R (hình 0 - 4) - Với quan hệ u = Ri(V) - Đơn vị điện trở R là Ohm[ ] 3.2 Phần tử điện cảm L: Là phần tử đặt trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng từ trường. Hình 1 - 5: Phần tử điện cảm L - Năng lượng từ trường: W 1/ 2* Li 2 - Ký hiệu phần tử điện cảm L (hình 1 - 5). - L là thông số cơ bản của mạch điện đặc trưng cho hiện tượng phóng tích năng lượng trường từ, được gọi là điện cảm.
- Đơn vị điện cảm L là Henry [H] 1.3 Phần tử điện dung C: Là phần tử đặt trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường. Hình 1 - 6: Phần tử điện dung C - Ký hiệu phần tử điện dung C (hình 1 - 6). - Năng lượng điện trường: W 1/ 2* CU 2. 5 - Đơn vị điện dung C là Fara [F] 3.4 Phần tử nguồn độc lập: Là phần tử đặt trưng cho hiện tượng nguồn, phần tử nguồn gồm hai loại: Phần tử nguồn áp e(t) Hình 1 - 7: Phần tử nguồn áp e(t) - Ký hiệu phần tử nguồn áp (hình 1 - 7) - Với quan hệ u(t) = e(t), trong đó e(t) không phụ thuộc dòng điện i(t) chảy qua phần tử và được gọi là sức điện động.
Phần tử dòng điện j(t) Hình 1 - 8: Phần tử nguồn dòng j(t) - Ký hiệu phần tử nguồn dòng (hình 1 - 8) - Với quan hệ i(t) = j(t), trong đó j(t) không phụ thuộc điện áp u(t) đặt trên 2 cực của phần tử - e(t) và j(t) là hai thông số cơ bản của mạch điện đặt trưng cho hiện tượng nguồn, do có khả năng phát của nguồn.5 Phần tử nguồn phụ thuộc: Là phần tử nguồn mà chúng phụ thuộc vào dòng điện hay điện áp nào đó của mạch. - Nguồn áp u2 phụ thuộc vào u1 của mạch. - Với u2 = u1; : không thứ nguyên Phần tử nguồn áp phụ thuộc dòng: (hình 1 – 9b) (CCVS – Current Controlled Voltage source) - Nguồn áp u2 phụ thuộc vào dòng i1 của mạch.i1; r: thứ nguyên (Ohm) Phần tử nguồn dòng phụ thuộc áp: (hình 1 - 9c) (VCCS – Voltage Controlled Current source) - Phần tử nguồn dòng phụ thuộc này phát ra dòng điện i2 phụ thuộc vào điện áp u1 theo hệ thức Nguồn dòng i2 phụ thuộc vào u1 của mạch. - Với i2=gu1 : g thứ nguyên S(Siemen) hay 1 Phần tử nguồn dòng phụ thuộc dòng: (hình 1 - 9d) (CCVS – Current Controlled Current source) - Nguồn dòng i2 phụ thuộc vào dòng i1 của mạch.
- Với i2 = i1: không thứ nguyên. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Mạch điện là gì? Nguồn điện là gì? Tải là gị? Hãy cho ví dụ về nguồn điện và tải. Cường độ dòng điện là gì? Qui ước chiều dòng điện? Vẽ tín hiệu i(t) = 10A, i(t) = 5Sin100tA? 3.
Có một dụng cụ nung nóng, khi điện áp của lưới là 220V thì dòng điện chạy trong đó là 5A. Hãy tính năng lượng điện trong một ngày đêm (24h). Ba bóng đèn có điện trở R1 = 60; R2 = 120; R3 = 150; đấu song song, đặt vào điện áp U = 120V. Tính điện trở tương đương, dòng điện qua mỗi bong đèntrong mạch chính.
7 Chương 2: Mạch điện một chiều Giới thiệu: Giải mạch điện một chiều là sự rèn luyện kỹ năng tính toán, giải mạch điện nhầm giúp học sinh sinh viên thấu hiểu chính xác về mạch điện. Biết vận dụng sự biến đổi mạch điện và áp dụng các định luật để tính toán các đại lượng điện từ đó áp dụng vào đời sống sinh hoạt và kỹ thuật ngành Mục tiêu: - Trình bày định luật, định lý và vận dụng được linh hoạt các biểu thức tính toán trong mạch điện DC (dòng điện, điện áp, công suất, điện năng, nhiệt lượng. - Tính toán được các thông số (điện trở, dòng điện, điện áp, công suất, điện năng, nhiệt lượng) của mạch DC một nguồn, nhiều nguồn từ đơn giản đến phức tạp. - Phân tích được sơ đồ và chọn phương pháp giải mạch hợp lý.
- Lắp ráp, đo đạc được các thông số của mạch DC theo yêu cầu. - Phát huy tính tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập. Nội dung chính: 1. Các định luật và biểu thức cơ bản trong mạch một chiều.1 Định luật Ohm.
Định luật Ohm do nhà bác học G.Ohm người Đức tìm ra bằng thực nghiệm ở nửa đầu thế kỷ 19, là một trong những định luật cơ bản của mạch điện. Với đoạn mạch. I: Cường độ dòng điện (A) U: Điện áp (V) R: Điện trở () Với toàn mạch: E: Sức điện động (V) Định luật Ohm nêu mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp ở mạch điện không phân nhánh. Đối với mạch điện phân nhánh, quan hệ giữa các dòng điện và điện áp sẽ phức tạp hơn rất nhiều.2 Công suất và điện năng trong mạch một chiều.
Công của dòng điện. 8 Khi đặt một hiệu điện thế U vào hai đầu đoạn mạch AB, trong mạch có dòng điện I chạy qua.