Giáo trình Mạch điện - Chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử (Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM)

• Tác giả: Trần Tùng Giang
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Mạch điện
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình mạch điện cơ bản

Giáo trình mạch điện là tài liệu học thuật nền tảng trong đào tạo kỹ sư điện và điện tử. Nội dung cung cấp các kiến thức về hai định luật Kirchhoff, định luật Ohm và các phương pháp phân tích mạch cơ bản. Giáo trình được biên soạn theo hướng tiếp cận CDIO nhằm phát triển năng lực thực hành cho người học. Các phương pháp phân tích mạch chính bao gồm biến đổi tương đương, phương pháp thế nút và phương pháp dòng mắt lưới. Người học được trang bị khả năng phân tích mạch một chiều, mạch xoay chiều xác lập điều hòa và mạch ba pha. Giáo trình còn đề cập đến định lý Thevenin-Norton, định lý cân bằng công suất và định lý xếp chồng. Kiến thức về mạch hỗ cảm, mạch chứa khuếch đại thuật toán và mạng hai cửa cũng được trình bày. Giáo trình áp dụng cho các ngành Công nghệ kỹ thuật điện điện tử, Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông, Công nghệ kỹ thuật máy tính và Công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa.

1.1. Mục tiêu đào tạo của giáo trình mạch điện

Giáo trình mạch điện đặt ra nhiều mục tiêu đào tạo cụ thể. Mục tiêu đầu tiên là giúp sinh viên phân tích mạch điện một chiều và áp dụng phương pháp giải mạch để tính dòng điện, điện áp. Mục tiêu thứ hai là trang bị kỹ năng dùng số phức để giải bài toán xác lập điều hòa, mạch hỗ cảm và mạch Op-Amp. Sinh viên cần phân tích mạch ba pha đối xứng và không đối xứng, tính dòng dây, dòng pha, điện áp dây, điện áp pha và công suất. Ngoài ra, giáo trình giúp tính toán thông số mạng hai cửa Z, Y, H, vẽ giản đồ Bode và phân tích mạch phi tuyến. Đây là nền tảng cho các môn chuyên ngành như Điện tử cơ bản, Máy điện và Điều khiển tự động.

1.2. Cấu trúc nội dung chính của giáo trình

Giáo trình mạch điện được tổ chức thành nhiều chương học rõ ràng. Chương đầu tiên giới thiệu định luật Kirchhoff 1, 2 và các ví dụ minh họa cách viết phương trình mạch điện. Chương tiếp theo trình bày phương pháp phân tích mạch bao gồm biến đổi tương đương nguồn áp sang nguồn dòng. Phương pháp thế nút và dòng mắt lưới được hướng dẫn từng bước cụ thể. Các chương về định lý Thevenin-Norton, định lý cân bằng công suất và định lý xếp chồng cung cấp công cụ đơn giản hóa mạch phức tạp. Nội dung nâng cao bao gồm mạch ba pha, mạng hai cửa, phân tích miền tần số và giản đồ Bode. Mỗi chương đều có ví dụ minh họa từ đơn giản đến phức tạp cùng bài tập tự luyện.

II. Các vấn đề phân tích mạch điện thường gặp

Phân tích mạch điện là kỹ năng cốt lõi trong đào tạo kỹ sư. Nhiều vấn đề phức tạp xuất hiện khi giải các bài toán mạch thực tế. Người học cần nắm vững nguyên tắc cơ bản để xử lý chính xác các tình huống. Vấn đề đầu tiên là xác định dòng điện và điện áp trong mạch có nhiều nguồn và nhiều nhánh. Việc áp dụng sai định luật Kirchhoff dẫn đến kết quả sai lệch nghiêm trọng. Vấn đề thứ hai liên quan đến mạch xoay chiều với nhiều tần số khác nhau. Sử dụng số phức để tính toán đòi hỏi hiểu biết sâu về lý thuyết. Mạch ba pha không đối xứng cũng gây khó khăn lớn cho người học. Tính toán dòng và điện áp trong loại mạch này cần kỹ năng phân tích tốt. Mạch phi tuyến với đặc tính không tuyến tính của phần tử đòi hỏi phương pháp giải riêng biệt. Các bài toán quá trình quá độ trong miền thời gian cũng là thách thức đáng kể.

2.1. Xác định dòng điện và điện áp trong mạch phức tạp

Xác định dòng điện và điện áp là bài toán cơ bản nhất trong mạch điện. Trong mạch một chiều, áp dụng định luật Ohm trực tiếp để tính dòng qua mỗi phần tử. Dòng điện bằng hiệu điện thế chia cho điện trở của phần tử đó. Trong mạch phức tạp hơn, cần lập hệ phương trình dựa trên hai định luật Kirchhoff. Định luật Kirchhoff 1 quy định tổng dòng đi vào nút bằng tổng dòng đi ra. Định luật Kirchhoff 2 quy định tổng điện áp trong vòng kín bằng không. Giải hệ phương trình tuyến tính thu được dòng điện và điện áp cần tìm. Việc chọn nút và vòng kín phù hợp ảnh hưởng trực tiếp đến độ phức tạp của phép tính.

2.2. Bài toán mạch một chiều và mạch xoay chiều

Mạch một chiều sử dụng nguồn áp không đổi, phân tích tương đối đơn giản. Điện trở là phần tử chính cần xét trong mạch loại này. Mạch xoay chiều phức tạp hơn nhiều do nguồn điện thay đổi theo thời gian hình sin. Điện dung và cảm kháng xuất hiện bên cạnh điện trở, tạo thành trở kháng phức. Dùng số phức để giải bài toán xác lập điều hòa là phương pháp hiệu quả. Điện áp và dòng điện biểu diễn dưới dạng vectơ với biên độ và góc pha. Góc pha giữa điện áp và dòng điện quyết định hệ số công suất mạch. Phân tích này áp dụng rộng rãi trong hệ thống truyền tải và phân phối điện năng.

III. Phương pháp giải mạch điện hiệu quả và chính xác

Nhiều phương pháp giải mạch điện đã được phát triển để xử lý các loại bài toán khác nhau. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, phù hợp với từng tình huống cụ thể. Lựa chọn phương pháp đúng giúp tiết kiệm thời gian và tăng độ chính xác kết quả. Phương pháp biến đổi tương đương giúp đơn giản hóa mạch phức tạp. Nguồn áp chuyển thành nguồn dòng và ngược lại, điện trở nối tiếp hoặc song song được gộp lại. Phương pháp thế nút áp dụng hiệu quả cho mạch có nhiều nút. Người học viết phương trình điện thế tại từng nút rồi giải hệ phương trình. Phương pháp dòng mắt lưới phù hợp với mạch phẳng có nhiều vòng kín. Các định lý quan trọng như Thevenin-Norton giúp đơn giản hóa mạch về dạng tương đương. Định lý cân bằng công suất và định lý xếp chồng là công cụ tính toán mạnh mẽ. Việc thành thạo các phương pháp này đòi hỏi luyện tập thường xuyên với nhiều bài tập khác nhau.

3.1. Định luật Kirchhoff và ứng dụng giải mạch

Định luật Kirchhoff gồm hai định luật cơ bản quan trọng. Định luật Kirchhoff 1 phát biểu tổng dòng điện đi vào một nút bằng tổng dòng điện đi ra. Định luật này dựa trên nguyên lý bảo toàn điện tích tại mỗi nút trong mạch. Định luật Kirchhoff 2 phát biểu tổng các điện áp trong một vòng kín bằng không. Nguyên lý này dựa trên bảo toàn năng lượng trong mạch điện. Khi giải bài toán, cần chọn nút và vòng kín phù hợp rồi viết phương trình. Tại mỗi nút, liệt kê tất cả dòng đi vào và đi ra. Trong mỗi vòng kín, xác định chiều dòng điện và dấu điện áp. Giải hệ phương trình tuyến tính thu được các đại lượng cần tìm.

3.2. Phương pháp thế nút và dòng mắt lưới

Phương pháp thế nút là kỹ thuật phân tích mạch mạnh mẽ. Bước đầu tiên là chọn nút gốc và gán điện thế tại các nút. Điện thế tại một nút nhân với tổng điện dẫn của phần tử nối lại nút đó. Trừ đi điện thế nút kia nhân tổng điện dẫn nối giữa hai nút. Kết quả bằng tổng nguồn dòng nối tới nút đó với quy ước dấu rõ ràng. Phương pháp dòng mắt lưới áp dụng cho mạch phẳng, gán dòng mắt lưới cho mỗi vòng độc lập. Viết phương trình điện áp theo Định luật Kirchhoff 2 rồi giải hệ. Thế nút phù hợp mạch nhiều nút ít vòng, dòng mắt lưới phù hợp ngược lại.

IV. Ứng dụng thực tế và tầm quan trọng giáo trình mạch điện

Giáo trình mạch điện đóng vai trò nền tảng không thể thiếu trong đào tạo kỹ sư điện tử. Kiến thức từ giáo trình được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Đây là cầu nối quan trọng giữa lý thuyết vật lý và thực hành kỹ thuật hiện đại. Ứng dụng đầu tiên là trong ngành điện lực, phân tích lưới điện truyền tải và phân phối. Kỹ sư sử dụng nguyên lý mạch để tính toán dòng ngắn mạch và thiết kế hệ thống bảo vệ. Ứng dụng thứ hai là trong điện tử công nghiệp, thiết kế mạch nguồn và mạch điều khiển. Phân tích mạch khuếch đại và mạch dao động đòi hỏi nền tảng lý thuyết vững chắc. Giáo trình còn là cơ sở cho nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ mới. Người học phát triển tư duy phân tích logic và kỹ năng giải quyết vấn đề sáng tạo. Kiến thức mạch điện cần thiết cho các ngành công nghiệp bán dẫn, viễn thông, tự động hóa và năng lượng tái tạo.

4.1. Ứng dụng trong đào tạo kỹ sư điện tử viễn thông

Đào tạo kỹ sư điện tử viễn thông cần nền tảng mạch điện vững chắc. Giáo trình cung cấp kiến thức về mạch analog và mạch số phục vụ thiết kế sản phẩm. Trong lĩnh vực viễn thông, mạch điện áp dụng cho hệ thống truyền dẫn tín hiệu. Phân tích mạch tần số cao đòi hỏi hiểu biết sâu về lý thuyết đường truyền. Kỹ sư cần biết tối ưu hóa hiệu suất hệ thống truyền thông không dây và có dây. Ngành tự động hóa sử dụng mạch điện cho bộ điều khiển công nghiệp. Mạch cảm biến và mạch chấp hành cần phân tích kỹ trước khi triển khai. Giáo trình cung cấp công cụ tính toán cần thiết cho quá trình thiết kế và kiểm thử.

4.2. Liên hệ giáo trình mạch điện với các môn chuyên ngành

Giáo trình mạch điện liên hệ mật thiết với nhiều môn chuyên ngành khác nhau. Môn Điện tử cơ bản sử dụng nguyên lý mạch để phân tích các linh kiện bán dẫn. Môn Máy điện áp dụng lý thuyết mạch cho động cơ, máy phát và máy biến áp. Môn Điều khiển tự động cần nền tảng mạch điện để hiểu hàm truyền và đáp ứng hệ thống. Môn Lý thuyết đo lường điện áp dụng phương pháp phân tích mạch cho thiết bị đo. Môn Cung cấp điện sử dụng kiến thức mạch ba pha và cân bằng công suất. Mạng hai cửa và tham số Z, Y, H là cơ sở cho lý thuyết truyền sóng. Phân tích miền tần số và giản đồ Bode áp dụng trực tiếp trong điều khiển tự động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ GVC. Trần Tùng Giang ThS. Lê Thị Thanh Hoàng MẠCH ĐIỆN NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LỜI NÓI ĐẦU Lý thuyết mạch điện là một trong các nội dung khoa học có ý nghĩa quan trọng trong việc đào tạo kỹ sư các ngành: Công nghệ kỹ thuật điện điê ̣n tử , Công nghê ̣ kỹ thuật điện tử truyề n thông , Công nghê ̣ kỹ thuật máy tính , Công nghê ̣ kỹ thuật điề u khiể n và tự động hóa. Đây còn là môn học cơ sở kỹ thuật nhằm cung cấp cho sinh viên các phương pháp phân tích, tổng hợp mạch, làm cơ sở để thiết kế các hệ thống điện- điện tử. Giáo trình Mạch điện trong chương trình đào tạo kỹ sư Điện, Điện tử-Viễn thông và Công nghệ tự động, có khối lượng 4 tín chỉ, được soạn thảo theo hướng tiế p cận CDIO và đã được Hội đồng khoa học đào tạo của Khoa Điện-Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM thông qua.  Học phần Mạch điê ̣n cung cấp cho sinh viên các kiến thức về: Hai đi ̣nh luật Kirchhoff 1,2; Các phương pháp phân tích mạch : biế n đổ i tương đương , phương pháp thế nút , phương pháp dòng mắ t lưới ; Các định lý về m ạch: đi ̣nh lý Thevenin -Norton, đi ̣nh lý cân bằ ng công suấ t, đi ̣nh lý xế p chồ ng; Áp dụng số phức để giải bài toán xác lập điều hòa ; Mạch hỗ cảm , mạch chứa khuếch đại thuật toán, Mạch ba pha đố i xứng và không đố i xứng ; Mạng hai cửa , Phân tích mạch trong miề n thời gian , phân tích mạch trong miề n tầ n số , giản đồ Bode; Mạch phi tuyến.  Sau khi học xong môn Mạch điê ̣n , các sinh viên có khả năng: - Phân tích các mạch điê ̣n và áp dụng các phương pháp giải mạch điện để tính dòng điện, điện áp trong mạch một chiề u ; - Phân tích các mạch điê ̣n và áp dụng các phương pháp giải mạch điện , dùng số phức để tính dòng điện , điê ̣n áp trong mạch xác lập điề u hòa, hỗ cảm, Op- Amp; - Phân tích mạch điê ̣n ba pha để tính dòng dây, dòng pha, điê ̣n áp dây, điê ̣n áp pha, công suấ t mạch ba pha; - Tính toán các thông số mạng hai cửa Z, Y, H và các thông số làm viê ̣c; 3 - Phân tích và tính toán dòng điê ̣n và điê ̣n áp , vẽ dạng sóng bài toán quá trình quá độ; - Phân tích và tính toán dòng điê ̣n và điê ̣n áp khi nguồ n điê ̣n là điề u hòa không sin và vẽ giản đồ Bode; - Phân tích và tính toán dòng điê ̣n mạch phi tuyế n ; - Tính toán công suất nguồn , công suấ t tiêu tán, cân bằ ng công suấ t; - Biết vận dụng môn học vào trong các môn chuyên ngành như: Điện tử cơ bản, Máy điện, Điều khiển tự động, Lý thuyết đo lường điện và thiết bị đo, Cung cấp điện…. Tài liệu đưa ra những lý thuyết cơ bản, sau đó đưa ra các ví dụ hướng dẫn, cách làm để giải một bài toán về mạch điện, cách tính toán để từ đó giúp sinh viên nắm vững lý thuyết đã học và tự mình làm được các bài tập được đưa ra ở cuối mỗi chương. Các tác giả biên soạn giáo trình này đã cố gắng sưu tầm các tài liệu trong và ngoài nước, với sự đóng góp tận tình của các đồng nghiệp trong khoa. Rất mong những sự đóng góp ý kiến của các đồng nghiệp và các em sinh viên. Xin liên hệ về Bộ môn Cơ sở kỹ thuật điện, Khoa Điện- Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM. Xin chân thành cảm ơn. Các tác giả 4 Chương I NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN Chuẩ n đầ u ra theo tiêu chuẩ n CDIO : Trình bày được các khái niệm nhánh, nút, vòng, dòng điê ̣n , điê ̣n áp, chiều, công suất, các thông số R,L,C, các nguồn độc lập, phụ thuộc, các tính chất đặc trưng. Viết được phương trình Kirchhoff 1 và Kirchhoff 2. Tính toán được dòng áp của các ví dụ. Tính được điện trở nối tiếp, song song, công thức chia dòng. Tính được điện trở nối sao, tam giác, nguồn dòng song song. Biến đổi tương đương nguồn áp mắc nối tiếp điện trở thành nguồn dòng mắc song song điện trở và ngược lại. Tính toán được dòng, áp công suất của các bài tập. TÓM TẮT LÝ THUYẾT VÀ VÍ DỤ 1. Mạch điện Mạch điện là một hệ thống gồm các thiết bị điện, điện tử ghép lại.Trong đó xảy ra các quá trình truyền đạt, biến đổi năng lượng hay tín hiệu điện từ đo bởi các đại lượng dòng điện, điện áp.  Kết cấu hình học của mạch điện  Nhánh là một đoạn gồm những phần tử ghép nối tiếp nhau, trong đó có cùng một dòng điện chạy thông từ đầu nọ đến đầu kia.  Nút là giao điểm gặp nhau của ba nhánh trở lên.  Vòng (mạch vòng, mắt lưới) là một lối đi khép kín qua các nhánh.1: Mạch điện có ba nhánh, hai nút A, B và ba vòng.  Nguồn điện: là các thiết bị dùng để biến đổi các dạng năng lượng khác sang điện năng. 5  Phụ tải là thiết bị điện biến điện năng thành các dạng năng lượng khác.  Dây dẫn là dây kim loại làm bằng Cu, Al dùng để truyền tải điện từ nguồn đến phụ tải. Công suất và năng lượng 1. Công suất tức thời p = u.i (W) Trong đó p là công suất tức thời Tại thời điểm t nào đó p >0 hấp thụ năng lượng p< 0 phát ra năng lượng 1. Công suất tác dụng còn gọi là công suất trung bình hay công suất tiêu thụ T 1 T 0 P p.dt Công suất tiêu thụ trên điện trở P = RI2 1 2 1. Năng lượng tích lũy trong cuộn dây WL  Li (J) 2 1 2 1. Năng lượng tích lũy trong tụ điện WC  Cu (J) 2 1. Các phần tử của mạch điện 1. Điện trở Đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán năng lượng, biến điện năng thành nhiệt năng. Ký hiệu: R; Đơn vị:  (ohm) R i Hình 1.2 uR uR = Ri Điện dẫn: g 6 1 g= ; Đơn vi:̣ mho hoặc Siemen (S) R 1. Điện cảm Đặc trưng cho khả năng tạo nên từ trường của phần tử mạch điện. Ký hiệu: L; Đơn vị: Henry (H); mH=10-3H L i uL Hình 1.3 di uL  L dt Trong đó: i là dòng điện đi qua cuộn dây, uL là điện áp đặt giữa hai đầu cuộn dây, di/dt chỉ sự biến thiên của dòng điện theo thời gian. Lưu ý: trong mạch điện một chiều, điện áp giữa hai đầu cuộn dây bằng 0. Khi đó, cuộn dây được xem như bị nối tắt. Điện dung Đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường. Ký hiệu: C Đơn vị: Farad (F) i C Hình 1.4 uC 1µF = 10-6F; 1nF = 10-9F; 1pF = 10-12F 1 c Gọi uc là điện áp đặt giữa hai đầu của tụ điện: uC  idt Lưu ý: trong mạch điện một chiều, dòng điện qua hai đầu tụ điện bằng 0. Khi đó, tụ điện được xem như bị hở mạch. Nguồn áp độc lập Ý nghĩa của từ “độc lập” là giá trị của nguồn không phụ thuộc bất kỳ vào phần tử nào trong mạch và được cho trước giá trị. 7 Nguồn áp một chiều Ký hiệu: E E Hình 1.5 E là giá trị của nguồn. Chiều của điện áp từ + sang - Chiều của sức điện động ngược lại Nguồn áp xoay chiều Ký hiệu: + u _ Hình 1.6 Ví dụ: u(t) = 10 cos2t Mang dấu “+” và “ –” là vì tại thời điểm gốc thì t = 0 1. Nguồn dòng độc lập Ký hiệu: J Hình 1.7 J là giá trị của nguồn dòng, đơn vị (A) : chỉ chiều của dòng điện 8 1. Nguồn phụ thuộc Nguồn áp phụ thuộc áp Ký hiệu: VCVS (Voltage Control Voltage Source) u1  u1 u2 Hình 1.8 u2 = α u1 α : không có thứ nguyên Nguồn dòng phụ thuộc áp Ký hiệu: VCCS (Voltage Controlled Current Source) i2 u1 gu1 u2 Hình 1.9 i2 = - gu1 Đơn vị đo của g là Siemen (S) hoặc mho Nguồn dòng phụ thuộc dòng Ký hiệu: CCCS (Current Controlled Current Source) i2 i1 β i1(A) Hình 1.10 i2 = -  i1  : không có thứ nguyên Nguồn áp phụ thuộc dòng Ký hiệu: CCVS (Current Controlled Voltage Source) 9 i1 ri1(V) u2 Hình 1.i1 r: Đơn vị đo là ohm 1. Hai định luật KIRCHHOFF 1. Định luật Kirchhoff 1 (Định luật nút, Định luật dòng) Tổng đại số các dòng điện tại một nút bằng 0.Với dòng đi vào nút mang dấu dương, dòng đi ra nút mang dấu âm. Phương trình định luật Kirchhoff 1:  i  0 1. Định luật Kirchhoff 2 (Định luật áp, Định luật vòng) Đi theo một vòng kín với chiều tùy ý chọn thì tổng đại số các điện áp trên các phần tử bằng 0. Với chiều của i, u, cùng chiều đi của vòng thì mang dấu dương, ngược lại mang dấu âm Phương trình định luật Kirchhoff 2:  u  0 Chú ý: Nếu mạch có d nút, n nhánh thì ta có (d-1) phương trình định luật Kirchhoff 1 và (n-d+1) phương trình định luật Kirchhoff 2.2: Cho mạch điện như hình 1.12, tìm dòng điện qua các nhánh I1, I2 và I3 a R1 b R2 c I1 I2 E1 R3 E2 I3 d Hình 1.12 10 Giải: Tại nút b: Theo định luật Kirchhoff 1 ta có: I1 – I2 – I3 = 0 (1) Giả sử ta khảo sát vòng kín (a, b, d, a) áp dụng định luật Kirchhoff 2 ta có: Uab + Ubd + Uda = 0 I1.R3 - E1 = 0 (2) Khảo sát vòng (b, c, d, b) theo định luật Kirchhoff 2 ta có: Ubc + Ucd + Udb = 0 I2.R3 = 0 (3) Giải hệ ba phương trình (1) (2) (3) ta tìm được dòng các nhánh I1, I2 và I3.3: Cho mạch điện như hình 1.13 Giải: Theo định luật Kirchhoff 1 ta có: 12 - Tại nút c: -i1 -1- = 0  i1 = - 4 (A) 4 - Tại nút d: i2 = i1 + 6 = 2 (A) - Tại nút e: i = 1 + i2 = 3 (A) Theo định luật Kirchhoff 2 ta có: Uab = Uae + Ued + Udc + Ucb Uab = (-i).4: Cho mạch điện như hình 1.