CHƯƠNG 2 PHẦN a KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN

1.1.1 Giới thiệu kỹ thuật vô tuyến điện (VTĐ) Vô tuyến điện là một ngành kĩ thuật có chức năng đảm bảo thông tin liên lạc mà không cần có sự hỗ trợ của hệ thống dây dẫn giữa hai địa điểm thu và phát. Nói cách khác, quá trình thu phát thông tin sẽ được thực hiện thông qua khoảng không gian.

CHƯƠNG 2 LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

Bất kì một thiết bị vô tuyến nào cũng đều được xây dựng từ những mạch điện

cơ bản, ví dụ như các mạch khuếch đại, tách sóng, tạo dao động, Trong đó, các mạch điện cơ bản này được cấu tạo từ những linh kiện điện tử Trong kỹ thuật điện

tử, các linh kiện điện tử được chia thành hai nhóm: nhóm linh kiện thụ động và nhóm linh kiện tích cực

A LINH KIỆN THỤ ĐỘNG

Nhóm linh kiện thụ động bao gồm: điện trở, tụ điện, cuộn cảm, biến áp

1.1 ĐIỆN TRỞ 1.1.1 Khái quát chung

Điện trở là loại linh kiện có đặc tính cản trở dòng điện

Trong mạch vô tuyến điện, điện trở được kí hiệu : R hoặc R

Quan hệ giữa điện trở với dòng điện và điện áp được thể hiện qua công thức cơ bản của định luật Ohm:

R

U

I = ⇒

I

U

Đơn vị: Ohm (Ω) Ngoài ra người ta còn dùng các bội số của Ohm là: kiloOhm (1kΩ = 10 3 Ω) và MegaOhm (1MΩ = 10 6 Ω)

Điện trở thường có dáng hình trụ Trị số của điện trở thường được ghi ngay trên vỏ hoặc được ghi bằng các vòng màu theo qui ước của Hoa Kì (Xem bảng bên dưới)

(Số thứ nhất)

Vòng 2 (Số thứ hai)

Vòng 3 (Bội số)

Vòng 4 (Sai số)

Hai tham số quan trọng nhất của điện trở là trị số điện trở và công suất chịu đựng của nó

Trị số càng lớn thì điện trở càng cản trở dòng điện nhiều Công suất chịu đựng của điện trở là trị số chỉ công suất tiêu tán tối đa của nó, nếu dòng điện qua điện trở có công suất lớn hơn trị số này thì điện trở sẽ bị cháy Công suất của điện trở thường tương ứng với kích thước của nó

1.1.2 Phân loại điện trở

 Điện trở than dùng bột than ép lại dạng thanh

 Điện trở màng kim loại dùng hợp chất Nicken – Crôm có trị số ổn định hơn điện trở than

 Điện trở oxit kim loại dùng chất oxit thiếc chịu được nhiệt độ cao và độ ẩm cao

 Điện trở dây quấn dùng các loại dây hợp kim để chế tạo ra các loại điện trở cần trị số nhỏ hay cần dòng điện chịu đựng cao

 Biến trở: VR(Variable Resistor)

Biến trở còn được gọi là chiết áp Nó được cấu tạo bao gồm một điện trở than hay dây quấn có dạng hình cung góc quay 2700, ở giữa có một trục xoay nối với một con trượt làm bằng than hoặc bằng kim loại Khi xoay, con trượt sẽ

ép lên mặt điện trở làm thay đổi trị số

Kí hiệu trong mạch điện: V R hoặc V R

 Nhiệt trở: Th(Thermistor)

Là loại điện trở có trị số thay đổi theo nhiệt độ Nhiệt trở gồm hai loại: + Nhiệt độ có hệ số nhiệt âm : khi nhiệt độ tăng thì trị số điện trở giảm + Nhiệt trở có hệ số nhiệt dương : khi nhiệt độ tăng thì trị số điện trở tăng

Nhiệt trở thường được dùng để ổn định nhiệt độ cho các tầng khuếch đại hoặc làm linh kiện cảm biến trong các hệ thống tự động điều khiển theo nhiệt độ

Kí hiệu trong mạch điện : T h

 Quang trở (Photo Resistor)

Quang trở được chế tạo từ chất sulfur Cadmium (CdS), có trị số thay đổi theo cường độ ánh sáng chiếu vào nó Nó thường được dùng trong các mạch tự động điều khiển bằng ánh sáng, mạch báo động,…

Kí hiệu trong mạch điện: C d s

 Điện trở cầu chì: (Fusistor)

Điện trở cầu chì có tác dụng bảo vệ quá tải như các cầu chì của hệ thống điện nhà, nhưng vì là điện trở nên nó còn có thêm tác dụng hạn dòng nữa Điện trở cầu chì thường được sử dụng trong các mạch bảo vệ nguồn hoặc các mạch

có dòng tải lớn Nó thường có trị số nhỏ khoảng vài ohm đến vài chục ohm

Kí hiệu trong mạch điện : F

 Điện trở tuỳ áp: VDR (Voltage dependent resistor)

Là loại điện trở có trị số thay đổi theo điện áp đặt ở hai cực VDR thường được mắc song song với cuộn dây có hệ số tự cảm lớn để dập tắt các điện áp tự cảm quá cao khi dòng điện qua cuộn dây bị mất đột ngột, tránh làm hư các linh kiện khác trong mạch

Kí hiệu trong mạch điện : V D R

1.1.3 Các kiểu ghép điện trở

Điện trở tương đương của đoạn mạch nối tiếp được tính theo công thức sau:

∑

=

= n

i i

R R

1

(2.1)

Trong mạch ghép nối tiếp: điện trở tương đương có trị số bằng tổng trị số các điện trở thành phần

Điện trở tương đượng trong đoạn mạch mắc song song được tính theo công thức sau:

3 2 1

1 1 1 1

R R R

Tổng quát:

∑

=

= n

1 1

(2.2)

1.1.4 Đặc tính của điện trở đối với dòng điện xoay chiều

Giả sử cho dòng điện xoay chiều i (t)= Icos ( ω +t ϕ ) qua điện trở R Khi đi qua điện trở nó sẽ sinh ra một sụp áp được tính bằng công thức :

) cos(

) ( ) (t =R i t =RI ω +t ϕ

Biểu diễn qua giản đồ véc tơ :

Nhận xét: Sụt áp trên điện trở cũng là một hàm điều hoà cùng tần số và có pha

trùng với pha của dòng điện

uR(t)

iR(t)

Hình 2.1 Mạch điện trở mắc

nối tiếp.

E

R 1 R 2 R 3

R3

R2

R1

Hình 2.2 Mạch điện trở mắc

song song

E R 1 R 2 R 3

+

R

3

R2

R1

1.1.5 Các ứng dụng của điện trở

Trong sinh hoạt, điện trở được dùng để chế tạo các dụng cụ điện như là bếp điện, bóng đèn,…

Trong kỉ thuật vô tuyến điện, điện trở được dùng để giới hạn dòng điện hay tạo

ra sự giảm điện thế

1.2 TỤ ĐIỆN 1.2.1 Khái quát chung

Tụ điện là loại linh kiện có khả năng tích trữ năng lượng dưới dạng điện trường Nó được cấu tạo bằng hai bản cực làm bằng chất dẫn điện đặt song song với nhau, ở giữa là một lớp cách điện gọi là dung môi Chất dung môi thông dụng trong tụ điện là giấy, dầu, gốm, không khí, ….Chất cách điện này được lấy làm tên gọi cho tụ Ví dụ: tụ dầu, tụ giấy,

Khả năng tích luỹ năng lượng điện của tụ điện được gọi là điện dung của nó, kí hiệu là C Đơn vị điện dung là Farad, kí hiệu F Trong thực tế ta thường dùng ước

số của đơn vị này gồm: Micro Farad (1 µF = 10 − 6F), Nano Farad (1 ηF = 10 − 9F), Pico Farad: (1pF = 10 − 12F)

Kí hiệu trong mạch điện:

Hai tham số quan trọng nhất của tụ điện là điện dung và điện áp làm việc của nó

1.2.2 Quá trình phóng- nạp của tụ

Trong mạch điện ở hình bên khi khoá K ở vị trí 1,

tụ C được nối với nguồn điện E, tụ điện bắt đầu quá trình nạp Ampe kế cho thấy dòng điện nạp có trị số giảm dần về 0 Khi tụ nạp đầy, khoá K được chuyển sang vị trí 2 và tụ bắt đầu phóng điện qua bóng đèn

Đ Đèn sáng lên, sau đó tối dần Chiều của dòng điện nạp và dòng điện phóng được chỉ rõ trong hình

vẽ Dòng điện do tụ xả qua bóng đèn trong thời gian đèn sáng chính là năng lượng đã được nạp trong tụ Năng lượng đó được tính theo công thức:

C

Đèn C

E

In

1 2

Hình 2.3 Thí nghiệm quá trình

phóng nạp của tụ

I p

2

2

1

CU

Trong đó: W: điện năng

C :điện dung

U :điện áp trên tụ

Thời gian nạp, phóng tụ tỉ lệ thuận với hằng số thời gian của mạch:

C R.

=

Trong đó: R : điện trở của tụ

C : điện dung của tụ

Như đã nói ở trên, hai tham số quan trọng nhất của tụ điện là điện dung và điện

áp làm việc Thực tế cho thấy khi điện áp giữa hai má tụ quá cao thì giữa chúng sẽ phát sinh ra một lực điện trường đủ lớn làm cho các điện tử bị bức xạ thành điện

tử tự do Dòng điện chạy qua chất điện môi sẽ xuất hiện và khi đó tụ sẽ bị đánh thủng Điện áp làm việc luôn nhỏ hơn điện áp đánh thủng nói trên vài lần Trong thực tế, khi chọn linh kiện, ta phải bảo đảm sao cho điện áp làm việc của tụ thoả mãn công thức:

C

Trong đó: U W: điện áp làm việc của tụ

UC: điện áp thực tế áp lên tụ

1.2.3 Phân loại tụ điện

Tụ điện được chia làm hai loại chính:

+ Tụ có phân cực tính dương, âm

+ Tụ không phân cực tính dương, âm

 Tụ oxi hoá (thường được gọi là tụ hoá):

Tụ hoá có điện dung lớn từ 1µF đến 10.000µF Đây là loại tụ có phân cực

tính dương, âm Tụ sử dụng lớp oxit nhôm và bọt khí làm chất điện môi Khi sử dụng cần lưu ý lắp đúng cực tính

 Tụ gốm:

Đây là loại tụ có điện dung nhỏ: từ 1pF đến 1µF, là loại tụ không phân cực

tính dương, âm Chất điện môi của tụ là gốm

 Tụ giấy:

Tụ giấy là loại tụ không phân cực tính, hai bản tụ là các băng kim loại dài, ở giữa có lớp cách điện là giấy tẩm dầu và cuộn lại thành ống

 Tụ Mica:

Tụ Mica là loại tụ không phân cực tính, điện dung nhỏ: từ vài pF đến vài η

F, điện áp làm việc rất cao đến trên 1000v

 Tụ Tang-Tan:

Tụ tang-tan là loại tụ có phân cực tính, điện dung khá cao: từ 0.1µF đến

100µF Tụ này có kính thước khá nhỏ, điện áp làm việc chỉ khoảng vài chục

vôn

 Tụ xoay:

Tụ xoay là loại tụ có điện dung có thể biến đổi được nhờ thay đổi vị trí tương đối của hai má tụ với nhau Chất điện môi của loại tụ này thường là không khí Tụ xoay thường được sử dụng trong các mạch điều hưởng

1.2.4 Đặc tính của tụ điện đối với dòng điện xoay chiều

Cường độ dòng điện I trong mạch được tính theo công thức sau:

t I Q t

Q

Mặt khác, điện tích Q tích trên tụ điện được tính theo công thức sau:

Từ hai công thức (2.7), (2.8) suy ra:

C

U = 1 .

Điện áp nạp được trên tụ là sự tích tụ của dòng điện nạp vào tụ theo thời gian

Cường độ dòng điện tức thời trong mạch điện được biểu diễn theo hàm điều hoà:

) cos(

) (t =I ω +t ϕ

i

Biểu thức liên hệ giữa dòng i(t) và điện áp trên tụ vc(t) là:

∫

0

).

(

1

dt t i C

Thay thế hàm i(t) dưới dấu tích phân bằng hàm phức I(t) và áp dụng công thức tính tích phân hàm phức ta được:









= 1 ( + − / 2 )

Re )

ω

t j

C t

u

) 2 / cos(

1 )

C t

Giản đồ vectơ:

Nhận xét: Điện áp trên tụ cũng là một hàm điệu hoà có tần số bằng tần số của

dòng điện nhưng chậm hơn pha một góc π/2.

Biểu thức hiệu điện thế có thể được viết lại như sau:

) 2 / cos(

) (t =U ωt+ ϕ − π

u c

Áp dụng định luạt ohm với tụ điện cho ta công thức:

C

U

ω

1

C I

U

ω

1

Rõ ràng giá trị

C

ω

1

có ý nghĩa giống như điện trở R trong công thức R

I

U = Giá trị

C

ω

1

được gọi là dung kháng, kí hiệu là Xc

fC C

X c

π

1

Dung kháng Xc cũng có đơn vị tính như là ohm giống như điện trở

Uc(t)

i(t)

1.2.5 Các kiểu ghép tụ điện

Điện dung tương đương của các tự mắc nối tiếp được tính theo công thức sau:

3 2 1

1 1 1 1

C C C

Điện dung tương đương của các tự mắc nối tiếp được tính theo công thức sau:

3 2 1

1 1 1 1

C C C

1.2.6 Ứng dụng của tụ điện

Tụ điện được dùng trong các mạch dao động, mạch lọc, mạch tách sóng,…

1.3 CUỘN CẢM 1.3.1 Khái quát chung

Cuộn cảm là một linh kiện có khả năng tích trữ năng lượng dưới dạng từ trường Nó được cấu tạo từ một cuộn dây được quấn bằng một dây dẫn điện có bọc lớp cách điện bên ngoài Lõi của cuộn dây có thể là một ống rỗng (lõi không khí) sắt bụi hoặc sắt lá

Ký hiệu của cuộn dây trong mạch điện:

+ Lõi không khí:

+ lõi sắt bụi:

E

C 3

C 2

C 1

Hình 2.4a Ghép nối tiếp

các tụ.

C3

C2

C1

C 3

C 2

C 1

E

+

Hình 2.4b Ghép song

song các tụ

C

3

C2

C1

+ Lõi sắt lá :

Cuộn dây dùng lõi sắt lá được dùng cho các dòng điện xoay chiều có tần số thấp, lõi sắt bụi cho tần số cao và lõi không khí cho tần số rất cao

Khả năng tích trữ năng lượng từ trường của cuộn cảm được đặc trưng bởi tham

số điện cảm của nó (còn gọi là hệ số tự cảm), kí hiệu là L, đơn vị là Henry (H) Trong thực tế người ta thường dùng H và ước số của nó là mH (1 H = 1000 mH) Hai tham số quan trọng nhất của cuộn cảm là điện cảm và dòng điện chịu đựng

1.3.2 Quan hệ giữa từ trường và cuộn cảm

Khi dòng điện một chiều đi qua một cuộn dây thì dòng điện đó sẽ tạo ra một từ trường đều bên trong lõi

từ Chiều của từ trường được xác định bằng qui tắt vặn nút chai Công thức xác định:

Trong đó: n : số vòng dây

I : cường độ dòng điện

H : cường độ từ trường

l : chiều dài trung bình của lõi thép

Tích (H.l) còn được gọi là từ áp.

Cường độ từ cảm B được tính bằng công thức:

l

I n H

Trong đó: µ là hệ số từ thẩm

Đặt cuộn dây O thẳng góc với đường sức trong một từ trường Khi cuộn dây đứng yên người ta nhận thấy không có dòng điện chạy qua nó Nếu bây giờ ta

di chuyển cuộn dây ra khỏi từ trường, sẽ xuất hiện

GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM

+

n

-Chiều dài l I

Hình 2.5 Tạo tự trường trong

khung dây

N

B

Cuộn dây

một dòng điện trong cuộn dây Khi dừng lại thì dòng điện cũng biến mất Nếu bây giờ ta di chuyển cuộn dây theo chiều ngược lại, trong cuộn dây cũng sẽ xuất hiện một dòng điện có chiều ngược với dòng điện ban đầu Dòng điện này cũng sẽ biến mất khi cuộn dây dừng lại

Nhận xét: Khi cuộn dây di chuyển, số đường sức đi qua diện tích giới hạn bởi

nó (còn gọi là từ thông) luôn thay đổi Vậy dòng điện trong cuộn dây chỉ xuất hiện khi có sự biến thiên từ thông qua nó Dòng điện đó được gọi là dòng điện cảm ứng

Định luật Lentz : Chiều dòng điện cảm ứng luôn luôn có khuynh hướng chống

lại sự thay đổi từ thông qua mạch bởi từ trường bên ngoài

Sức điện động cảm ứng được tính bằng công thức:

t n e

∆

∆Φ

−

Trong đó: n: số vòng dây

∆Φ: lượng từ thông biến thiên

∆t: khoảng thời gian biến thiên

Hệ số tự cảm được tính bằng công thức:

I n L

∆

∆Φ

Từ (2.17) & (2.18) ta có:

t

I L e

∆

∆

−

Dòng điện khi chạy qua cuộn dây sẽ tao ra một năng lượng trữ dưới dạng từ trường Năng lượng đó được tính theo công thức:

2

2

1

LI

1.3.3 Đặc tính nạp, phóng của cuộn cảm

Trong mạch điện bên, khi đóng khoá K trong cuộn cảm

sẽ sinh ra một điện áp U bằng với điện áp nguồn UDC

O

L +

R K

nhưng ngược dấu để chống lại dòng điện do nguồn sinh ra Vì vậy lúc đầu dòng điện qua cuộn cảm bằng 0 Sau đó nó sẽ tăng lên theo hàm số mũ:

) 1 ( )

t

R

U t i

−

−

Trong đó

R

L

=

τ (s) được gọi là hằng số thời gian nạp điện của cuộn cảm Ngược lại, nếu bây giờ ta ngắt khoá K ra thì dòng điện cũng không lập tức biến mất mà

nó sẽ giảm dần về 0 theo hàm số mũ

1.3.4 Đặc tính của cuộn dây đối với dòng điện xoay chiều

Qua thí nghiệm trên ta thấy UL ngược dấu với điện áp cảm ứng nên:

t

I L e

∆

∆

=

−

Nếu cho dòng điện xoay chiều vào cuộn cảm:

) cos(

) (t =I ω +t ϕ

i

Thay giá trị của i(t) vào biểu thức (2.22) và lấy đạo hàm theo t ta được:

) 90 cos(

) (t = ωLI ωt+ ϕ + 0

U L

Giản đồ vectơ:

Nhận xét: UL(t) nhanh pha hơn dòng điện một góc 90 0và cũng là một hàm điều hoà có tần số góc bằng ω

Ta có biên độ của điện áp:

LI

U L = ω

Hay:

I

U

L= L

i(t)

uL(t)

Giá trị ωL có ý nghĩa như một điện trở R và được gọi là cảm kháng, kí hiệu XL, đơn vị tính bằng ohm

fL L

1.3.5 Các cách ghép cuộn dây

Hệ số tự cảm tương đương của đoạn mạch với các cuộn cảm mắc nối tiếp:

L = L 1 + L 2

Tổng quát:

∑

=

= n

i i

L L

1

(2.25)

Hệ số tự cảm tương đương của đoạn mạch với các cuộn cảm mắc nối tiếp:

3 2 1

1 1 1 1

L L L

Tổng quát:

∑

=

= n

1 1

(2.26)

1.4 BIẾN ÁP

Biến áp (hay còn gọi là biến thế) là linh kiện dùng để tăng hoặc giảm điện thế ( hay cường độ ) của các dòng điện xoay chiều nhưng vẫn giữ nguyên tần số

1.4.1 Cấu tạo của biến áp

Biến áp gồm có hai hay nhiều cuộn dây được sơn cách điện quấn chung trên một lõi thép (mạch từ)

Lõi của biến áp có thể là loại sắt lá, sắt bụi hoặc lõi không khí

Cuộn dây nhận dòng xoay chiều vào là cuộn sơ cấp L1, cuộn dây lấy dòng điện xoay chiều ra là cuộn thứ cấp L2

Hình 2.8 Ghép nối tiếp

cuộn cảm

L3

L2

L1

L 3

L 2

L 1

Hình 2.9 Ghép song song

cuộn cảm

L1

L1

L1

1.4.2 Nguyên lí làm việc

Khi cho dòng điện xoay chiều điện áp U1

vào cuộn sơ cấp, dòng điện i1 sẽ tạo ra từ trường biến thiên chạy trong mạch từ và xuyên qua cuộn dây thứ cấp

Do đây là từ trường biến thiên nên từ thông qua cuộn dây cũng biến thiên Vì vậy mà trong nó sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng xoay chiều (ứng với điện áp U2)

Ở cuộn sơ cấp ta có:

t N e U

∆

∆

−

=

1 1

Ở cuộn thứ cấp ta có:

t N e U

∆

∆

−

=

2 2

Trong đó:

N1 là số vòng dây của cuộn sơ cấp

N2 là số vòng dây của cuộn thứ cấp

1.4.3 Tỉ lệ ( tỉ số ) biến áp

GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT VTĐ - TRƯỜNG ĐHGTVT Tp HCM

L1

Cuộn

sơ cấp

Cuộn thứ cấp

L2

Hình 2.10 Cấu tạo biến áp và các ký hiệu của máy biến áp

a) Lõi không khí a) Lõi sắt lá a) Lõi sắt bụi

U1

Cuộn

sơ cấp

Cuộn thứ cấp

U2

2

Hình 2.11 Nguyên lý làm việc

của biến áp

2

R1

R2