Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 1: Các khái niệm cơ bản

Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 1: Các khái niệm cơ bản cung cấp cho người đọc các kiến thức: Lý thuyết mạch điện, các phần tử mạch điện, mạch điện tuyến tính, đặc trưng của mạch điện, các phép toán trên mạch điện. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

  Tr ườ ng Đ i H c Công Ngh  Thông Tin ạ ọ ệ

NH P MÔN ĐI N T   Ậ Ệ Ử

THÁNG 9/2012

Ki n trúc c a các h  th ng vi n thông ế ủ ệ ố ễ

2. Các ph n t  m ch đi n ầ ử ạ ệ

v Đi n tr   ệ ở (thông s  th  đ ng, không quán  ố ụ ộ

tính): đ c tr ng cho s  tiêu tán năng l ặ ư ự ượ ng 

d ướ ạ i d ng nhi t, trên đó dòng đi n và đi n  ệ ệ ệ

áp đ ng pha (t  l  tr c ti p v i nhau).  ồ ỉ ệ ự ế ớ

r t

u ) (

vT  đi n  ụ ệ (thông s  th  đ ng, quán tính ố ụ ộ ): đ c tr ng cho s  ặ ư ựphóng và n p năng lạ ượng đi n trệ ường. Trong ch  đ  AC, ế ộ

dòng đi n nhanh pha h n đi n áp 900.  Đi n áp trên ph n t  ệ ơ ệ ệ ầ ửthu n dung ch m pha so v i dòng đi n là ầ ậ ớ ệ π/2. Ký hi u: ệ C

§ Th a mãn đ ng th c: ỏ ẳ ứ i(t) = C  

      hay u(t)=      ∫i(t)dt  = 

§ q(t) =  i(t)dt  ∫ : đi n tích tích lũy trên ph n t    th i đi m ệ ầ ử ở ờ ểt

vNăng l ượ ng tích lũy trên C: 

      WE=  ∫ p(t)dt =  ∫ C.        .u(t)dt =  C.u2

C

1

C q(t)

vĐi n c m  ệ ả (thông s  th  đ ng, quán tính ố ụ ộ ): đ c tr ng cho ặ ư

s  phóng và n p năng lự ạ ượng t  trừ ường. Trong ch  đ  AC, ế ộdòng đi n ch m pha h n đi n áp 900.  Đi n áp trên ph n t  ệ ậ ơ ệ ệ ầ ửthu n c m nhanh pha so v i dòng đi n là ầ ả ớ ệ π/2. Ký hi u: ệ L

§ Th a mãn đ ng th c: ỏ ẳ ứ u(t) =  L  

      hay i(t)=      ∫u(t)dt 

vNăng l ượ ng tích lũy trên L: 

vH  c m ỗ ả : gi ng nh  đi n c m nh ng nó đ c tr ng cho s  ố ư ệ ả ư ặ ư ự

nh h ng qua l i gi a 2 ph n t  đ t g n nhau

vKý hi u: ệ M=k       (v i  ớ k: h  s  ghép, th ệ ố ườ ng <1)

vDo đó, trên m i ph n t  s  có tỗ ầ ử ẽ ương  ng m t đi n áp t  ứ ộ ệ ự

dt

t dik Lk

uk

)()

(

dt

t dil Ll dt

t dik M

ul

)()

(

    Thông s  c a các ph n t  m c n i ti p và song song ố ủ ầ ử ắ ố ế

qThông s  tác đ ng hay thông s  t o ngu n ố ộ ố ạ ồ

üNgu n đ c l p: ồ ộ ậ

vNgu n áp ồ :  Eng: ngu n áp; UAB: đi n áp ồ ệ

Ø Lý t ưở ng: ri=0 

Ø Không lý t ưở ng: ri ≠ 0 

*  Công th c phân áp: n u có 2 đi n tr  m c n i ti p, mu n tìm ứ ế ệ ở ắ ố ế ố  đi n áp  ệ trên đi n tr  này ta ệ ở  l y đi n áp t ng chia cho t ng 2 đi n tr  r i nhân v i  ấ ệ ổ ổ ệ ở ồ ớ

đi n tr  đó ệ ở

* Công th c phân dòng n u có 2 đi n tr  m c song song, mu n tìm  ứ ế ệ ở ắ ố dòng  đi n  ệ ch y  ạ qua  đi n  ệ tr   ở này  ta

l y dòng t ng nhân v i đi n tr  kia r i chia cho t ng 2 đi n tr ấ ổ ớ ệ ở ồ ổ ệ ở

vNgu n dòng: ồ

ØLý tưởng: ri = ∞    

ØKhông lý tưởng ri ≠ ∞ 

Quan h  t ệ ươ ng đ ươ ng gi a ngu n áp và ngu n  ữ ồ ồ dòng:

Ø Ngu n ph  thu c hay ngu n đi u khi n ồ ụ ộ ồ ề ể :

◦Ngu n áp ồ :

 o Đ ượ c đi u khi n b ng áp (A­A) ề ể ằ

 o Đ ượ c đi u khi n b ng dòng (A­D) ề ể ằ

◦­ Ngu n dòng ồ :

 o Đ ượ c đi u khi n b ng áp (D­A) ề ể ằ

 o Đ ượ c đi u khi n b ng dòng (D­D) ề ể ằ

μ: H  s  t  ệ ố ỷ

lệ

Ngu n áp đi u khi n b ng áp (A­A) ồ ề ể ằ

Trong tr ng h p lý t ng  ườ ợ ưở R1=    , ri = 0 và khi đó I1=0 

và U2=Eng=μU1

I1

U 2

Ngu n áp đi u khi n b ng dòng (A­D) ồ ề ể ằ

U 2

U 1

I2

r: H  s  t  l ệ ố ỷ ệ

• Trong tr ng h p lý t ng  ườ ợ ưở R1= 0 , ri = 0 và khi đó 

U1=0 và U2=Eng=rI1

Ngu n dòng đi u khi n b ng áp (D­A) ồ ề ể ằ

g: H  s  t  l ệ ố ỷ ệ

• Trong tr ng h p lý t ng  ườ ợ ưở R1=   , ri =   và khi đó 

I1=0 và  I2=Ing=gU1

U 2

I2 I1

Ngu n dòng đi u khi n b ng dòng (D­D) ồ ề ể ằ

1

• T  các công th c  ng v i các ngu n ph  thu c   trên ta ừ ứ ứ ớ ồ ụ ộ ở

có th  suy ra để ược m i liên h  gi a các h  s  ố ệ ữ ệ ố μ , g,  , r 

:

 Quan h  gi a tín hi u vào x(t) và tín hi u ra y(t) là m i quan  ệ ữ ệ ệ ố

hi u vào   quá kh  và hi n t i ch  không tùy thu c tín hi u  ệ ở ứ ệ ạ ứ ộ ệ vào   t ở ươ ng lai, nói cách khác, y(t)   th i đi m t0 nào đó  ở ờ ể không b   nh h ị ả ưở ng c a x(t)   th i đi m t>t0 .  ủ ở ờ ể

M ch ch  g m các ph n t  tuy n tính là m ch  ạ ỉ ồ ầ ử ế ạ

tuy n tính  ế (các thông s  h p thành không ph  thu c vào đi n áp  ố ợ ụ ộ ệ

và dòng đi n ch y trong m ch ệ ạ ạ ). 

M t m ch g i là tuy n tính khi tuân theo đ nh lu t:  ộ ạ ọ ế ị ậ

 N u y1(t) và y2(t) l n lế ầ ượt là đáp  ng c a hai ngu n ứ ủ ồkích thích đ c l p v i nhau x1(t) và x2(t), m ch là ộ ậ ớ ạ

tuy n tính n u và ch  n u đáp  ng đ i v i :ế ế ỉ ế ứ ố ớ

◦x(t)= k1x1(t) + k2x2(t) 

◦là y(t)= k1y1(t) + k2y2(t) v i m i x(t) và m i k1 và k2.  ớ ọ ọ

G i y1(t) là đáp  ng đ i v i x1(t): y1(t)=  ọ ứ ố ớ

G i y2(t) là đáp  ng đ i v i x2(t): y2(t)= ọ ứ ố ớ

dx2( )

qTính b t bi n ấ ế : 

◦ M t m ch đ ộ ạ ượ c g i là b t bi n n u các thông s   ọ ấ ế ế ố

c a m ch không ph  thu c th i gian, khi m t  ủ ạ ụ ộ ờ ộ

trong các thông s  c a nó ch u  nh h ố ủ ị ả ưở ng c a  ủ

th i gian thì m ch đó là m ch không b t bi n  ờ ạ ạ ấ ế

(m ch thông s ). V i m ch b t bi n, gi  thi t  ạ ố ớ ạ ấ ế ả ế

m ch không có năng l ạ ượ ng ban đ u, n u  ầ ế y(t) là 

đáp  ng c a m ch t ứ ủ ạ ươ ng  ng v i tác đ ng x(t),  ứ ớ ộ thì y(t – t0 ) s  là đáp  ng c a  ẽ ứ ủ m ch t ạ ươ ng  ng  ứ

v i tác đ ng  ớ ộ x(t – t0 ).

q Tính nhân quả: 

q M ch đi n  ạ ệ (v i gi  thi t không  ớ ả ế

có năng l ng ban đ u) ượ ầ  đ ượ c 

g i là có tính  ọ nhân qu   ả n u  ế đáp  ng ra c a m ch không  ứ ủ ạ

th  có tr ể ướ c khi có tác đ ng  ộ

 đ u vào.

ở ầ

 Cũng c n ph i nh c r ng tính ch t tuy n  ầ ả ắ ằ ấ ế tính và b t bi n c a m ch đi n ch  đúng  ấ ế ủ ạ ệ ỉ trong đi u ki n làm vi c nh t đ nh, khi  ề ệ ệ ấ ị

đi u ki n làm vi c b  thay đ i thì các tính  ề ệ ệ ị ổ

5. Các phép toán trên m ch đi n ạ ệ5.1 Các đ nh lu t Kirchhoff ị ậ

1. Đ nh lu t Kirchhoff 1 (v  dòng đi n) ị ậ ề ệ

◦ Đ nh lu t này đ ị ậ ượ c phát bi u nh  sau:  ể ư T ng các dòng đi n  ổ ệ

đi vào m t nút b ng t ng các dòng đi n đi ra kh i nút đó ”.  ộ ằ ổ ệ ỏ

Ho c là: “T ng đ i s  các dòng đi n t i m t nút b ng  ặ ổ ạ ố ệ ạ ộ ằ không”:

2. Đ nh lu t Kirchhoff 2 (v  các đi n áp) ị ậ ề ệ

◦Đ nh lu t này đị ậ ược phát bi u nh  sau: ể ư T ng đ i s  các  ổ ạ ố

s t áp trên các ph n t  th  đ ng c a m t vòng kín  ụ ầ ử ụ ộ ủ ộ

b ng t ng đ i s  các s c đi n đ ng có trong vòng kín  ằ ổ ạ ố ứ ệ ộ

đó ”. Ho c là: “T ng đ i s  các s t áp c a các nhánh  ặ ổ ạ ố ụ ủ trong m t vòng kín b ng không”: ộ ằ

Đ nh lu t Kirchhof 2 có th  mô t  d ị ậ ể ả ướ ạ i d ng ma 

tr n: ậ

5.2 H  ph ệ ươ ng trình t ng quát ổ

­ Ch n dòng đi n qua các nhánh làm  n, nh   ọ ệ ẩ ư

v y v i B nhánh c a m ch s  có B  n s ậ ớ ủ ạ ẽ ẩ ố

­ Áp d ng đ nh lu t Kirchoff đ  t o ra h  g m B  ụ ị ậ ể ạ ệ ồ

ph ươ ng trình. Đây chính là h  ph ệ ươ ng trình t ng  ổ quát c a m ch. Trong đó: ủ ạ

◦o Đ nh lu t 1: t o ra N­1 phị ậ ạ ương trình

◦o Đ nh lu t 2: t o ra B­(N­1) phị ậ ạ ương trình

Ví d : Xét s  đ  m ch đi n: ụ ơ ồ ạ ệ

S  đ  t ơ ồ ươ ng đ ươ ng khi chuy n: E7(t) = Ing(t).R7 ể

Ch n chi u d ọ ề ươ ng quy  ướ c cho các dòng đi n  ệ nhánh.

­ Áp d ng đ nh lu t Kirchhoff 1 t i các nút A, B,  ụ ị ậ ạ

C, D:

Ch n các vòng c  b n và áp d ng đ nh lu t Kirchhoff 2: ọ ơ ả ụ ị ậ

Vi t d ế ướ ạ i d ng ma tr n ta đ ậ ượ c: [A].[I]=0

Xét m ch đi n: ạ ệ

G i dòng đi n qua các vòng c  b n làm  n s , ch n ọ ệ ơ ả ẩ ố ọchi u (+) quy ề ước cho các vòng này.

­ Áp d ng đ nh lu t 2 t o h  B­(N­1) phụ ị ậ ạ ệ ương trình

H  ph ệ ươ ng trình dòng đi n vòng d ệ ướ ạ i d ng ma tr n ậ

 Ma tr n Zv là ma tr n tr  kháng vòng. Có  ậ ậ ở

đ c đi m: ặ ể

◦ ­ Là ma tr n vuông ậ

◦ ­ Đ ườ ng chéo chính là các tr  kháng vòng ở

◦ ­ Hai bên đ ườ ng chéo là tr  kháng chung đ i  ở ố

x ng nhau qua đ ứ ườ ng chéo chính.

◦Ngu n ngồ ược chi u + : mang d u (­)ề ấ

◦Ngu n cùng chi u + : mang d u (+)ồ ề ấ

 Zv : Ma tr n đi n áp vòng ậ ệ

◦  zii = T ng tr  kháng trong vòng th  i ổ ở ứ

◦  zij = Tr  kháng chung gi a vòng i và vòng  ở ữ

5.4 Ph ươ ng pháp đi n áp nút: ệ

­ Trong N nút c a m ch, ch n m t nút làm nút  ủ ạ ọ ộ

g c có đi n áp b ng 0 ố ệ ằ

­ T i m i nút còn l i c a m ch coi nh  xác đ nh  ạ ỗ ạ ủ ạ ư ị

m t đi n áp c  đ nh. G i các giá tr  đi n áp này  ộ ệ ố ị ọ ị ệ

là  n s  Khi đó có t ng c ng N­1  n s ẩ ố ổ ộ ẩ ố

­ Áp d ng đ nh lu t 1 t i N­1 nút đ  xây d ng  ụ ị ậ ạ ể ự

h  ph ệ ươ ng trình N­1  n s  Đây là h  ph ẩ ố ệ ươ ng  trình đi n áp nút c a m ch ệ ủ ạ

Xét m ch đi n: ạ ệ

B ướ c 1 : Đánh ký hi u cho các nút A, B, C, D, O. Ch n  ệ ọ

m t nút làm nút g c (ch n nút O làm nút g c) – Nút g c ộ ố ọ ố ố

s  có đi n th  quy ẽ ệ ế ước là đi m chung (0V). Đi n th  ể ệ ế

c a các nút còn l i chính là đi n áp c a nó so v i g c.ủ ạ ệ ủ ớ ố

B ướ c 2 : Thành l p h  ph ng trình đi n áp nút  ậ ệ ươ ệ cho m ch ạ

◦H  phệ ương trình vi t cho Nn­1 nút (tr  nút g c). Xu t ế ừ ố ấphát t  đ nh lu t Kirchhoff 1 ta vi t đừ ị ậ ế ược cho nút A:

­i1 + i2 +i8 = 0  

v i   ớ

Thay vào ta đ ượ c:

T  đó ta rút ra đ ừ ượ c quy lu t thành l p các v  trái và v  ph i c a ph ậ ậ ế ế ả ủ ươ ng  trình vi t cho nút A: ế

H  ph ệ ươ ng trình đi n áp nút cho m ch: ệ ạ

B ướ c 3 : Gi i h  ph ng trình đ  tìm ra các đi n áp nút ả ệ ươ ể ệ

B ướ c 4 : Chuy n đ i k t qu  trung gian v  dòng trong các  ể ổ ế ả ề nhánh.

Chú ý h  phệ ương trình đi n áp nút có th  đệ ể ược bi u di n ể ễ

dướ ại d ng ma tr n:ậ

•  Ma tr n vuông d n ậ ẫ

n p nút:ạ

•  Có đ c đi m:ặ ể

­ N m trên đằ ường chéo chính là các d n n p nút.ẫ ạ

­ Hai bên đường chéo là d n n p chung n m đ i x ng qua ẫ ạ ằ ố ứ

đường chéo chính

 Ph ươ ng pháp ngu n t ồ ươ ng đ ươ ng

◦Thay th  ph n m ch có ch a ngu n b ng m t ngu n áp ế ầ ạ ứ ồ ằ ộ ồhay ngu n dòng tồ ương đương

◦Đ nh lý Thevenine – Nortonị :

Ví d : ụ

 Ph ươ ng pháp x p ch ng ế ồ

Th c hi n ng n m ch E5: ự ệ ắ ạ

Th c hi n ng n m ch E1: ự ệ ắ ạ