Bài giảng Lý thuyết mạch điện tử

H ĐIỆNI – ĐỐI TƯỢNG CỦA MÔN HỌCIV – ĐỊNH LUẬT OHMVI – ĐỊNH LÍ MILLMANIV – ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFFVII – ĐỊNH LÍ THEVENIN - NORTONVIII – ĐỊNH LÍ KENNELYI – ĐỐI TƯỢNG CỦA MÔN HỌCLý thuyết mạch điện tử là một trong những môn học cơ sở của chuyên ngành điện tử - Viễn thông – Tự động hóa.Lý thuyết mạch nghiên cứu sự biến đổi tín hiệu của các mạch điện.INOUTMạch điệnPhần tử của mạch điệnII – DẠNG SÓNG CỦA TÍN HIỆU1 – Tín hiệu – Dạng sóng của tín hiệu:Tín hiệu là sự biến đổi một hay nhiều thông số của một quá trình vật lý nào đó.Trong phạm vi hẹp của mạch điện, tín hiệu là sự biến đổi của hiệu thế hoặc dòng điện theo thời gian. Do đó người ta dùng các hàm theo thời gian để mô tả tín hiệu và đường biểu diễn các hàm này theo thời gian được gọi là dạng sóng của tín hiệu.II – DẠNG SÓNG CỦA TÍN HIỆU1 – Tín hiệu – Dạng sóng của tín hiệu:Tín hiệu cho vào một mạch được gọi là tín hiệu vào hay kích thích.Tín hiệu nhận được ở ngã ra của mạch được gọi là tín hiệu ra hay đáp ứng.Tín hiệu vào (kích thích)Mạch điệnTín hiệu ra (đáp ứng)II – DẠNG SÓNG CỦA TÍN HIỆU2 – Hàm mũ (Exponential function):K,  là các hằng số thựct0V(t)Hình 1.1 > 0 0, ứng với các giá trị khác nhau của II – DẠNG SÓNG CỦA TÍN HIỆU3 – Hàm nấc đơn vị (Unit Step function):a là hằng số dươngt0Hình 1.2: Hàm nấc đơn vịu(t)t0t0u(t+a)-au(t – b)bt0u(t+a) – u(t – b)b-aChú ý: Hàm Ku(t – a) có giá trị bằng K khi t  a1111II – DẠNG SÓNG CỦA TÍN HIỆU4 – Hàm dốc (Ramp function):Chú ý:Hình 1.3: Hàm dốc đơn vị (độ dốc =1)t0t0a là hằng số dươngHàm Kr(t – a) có dạng sóng là đường thẳng có độ dốc K và gặp trục Ot tại a.450r(t)450r(t – a)aII – DẠNG SÓNG CỦA TÍN HIỆU5 – Hàm xung (Impulse function):Với  Càng nhỏ xung càng cao, nhưng diện tích giới hạn giữa đồ thị g(t) với trục hoành luôn bằng 1 đơn vịt0t0Hàm xung (t) được hình thành như sau:Xét hàm:1Suy ra hàm:1/t011/11/221/33II – DẠNG SÓNG CỦA TÍN HIỆU5 – Hàm xung (Impulse function):Chú ý:Hình 1.4: Hàm xung đơn vị t0t0a là hằng số dương(t): còn gọi là hàm Delta Dirac(t)(t – a)aHàm nấc, dốc, xung được gọi là các hàm bất thường.II – DẠNG SÓNG CỦA TÍN HIỆU6 – Hàm sin:t0vA-ATv(t) = Asin(t)Chu kì: Biên độ: ATần số: t0vt0vv(t) = A.e- t.sin(t)v(t) = Asin(1t).sin(1t)II – DẠNG SÓNG CỦA TÍN HIỆU7 – Hàm tuần hoàn không sin:t0vTín hiệu răng cưat0vt0vTín hiệu hình chữ nhậtTín hiệu chuỗi xungt0vIII – MẠCH ĐIỆN & CÁC PHẦN TỬ CỦA MĐ1 – Mạch điện:Mạch điện là tổ hợp các phần tử ghép với nhau.Sơ đồ mạch điện là mô hình của mạch điệnXE, rKRĐLEDIII – MẠCH ĐIỆN & CÁC PHẦN TỬ CỦA MĐ1 – Mạch điện:Phân giải mạch điện: cho mạch và tín hiệu vào, tìm tín hiệu ra.Thiết kế mạch điện: cho tín hiệu vào và tín hiệu ra, xây dựng mạch.Tín hiệu vào (kích thích)Mạch điệnTín hiệu ra (đáp ứng)Có hai loại bài toán về mạch điện:III – MẠCH ĐIỆN & CÁC PHẦN TỬ CỦA MĐ2 – Các phần tử cơ bản của mạch điện:Phần tử thụ động: nhận NL của mạch, tiêu tán NL dưới dạng nhiêt hoặc tích trữ năng lượng dưới dạng điện trường hoặc từ trường.VD: Điện trở, tụ điện, cuộn cảmPhần tử tác động: cung cấp NL cho mạch.VD: pin, accu, transitor, OPAMPIII – MẠCH ĐIỆN & CÁC PHẦN TỬ CỦA MĐ2 – Các phần tử cơ bản của mạch điện:2.1 – Điện trở R: Quan hệ giữa điện áp và dòng điện: v(t) = R.i(t) hay i(t) = G.v(t) Với G = 1/R: điện dẫn (Ω-1) (Mho)+-R+-R Nhiệt lượng tiêu tán:III – MẠCH ĐIỆN & CÁC PHẦN TỬ CỦA MĐ2 – Các phần tử cơ bản của mạch điện:2.2 – Cuộn cảm: Quan hệ giữa điện áp và dòng điện: Nhiệt lượng tích trữ:+-LIII – MẠCH ĐIỆN & CÁC PHẦN TỬ CỦA MĐ2 – Các phần tử cơ bản của mạch điện:2.3 – Tụ điện: Quan hệ giữa điện áp và dòng điện: Nhiệt lượng tích trữ:+-CIII – MẠCH ĐIỆN & CÁC PHẦN TỬ CỦA MĐ2 – Các phần tử cơ bản của mạch điện:2.4 – Nguồn độc lập: giá trị của nó không phụ thuộc vào mạch ngoài. Nguồn hiệu thế độc lập: v(t) = v = const Nguồn dòng điện độc lập: i(t) = i = constV(t)+-i(t)i(t)+-v(t)III – MẠCH ĐIỆN & CÁC PHẦN TỬ CỦA MĐ2 – Các phần tử cơ bản của mạch điện:2.5 – Nguồn phụ thuộc: giá trị của nó phụ thuộc vào hiệu thế hay dòng điện ở một nhánh nào đó.v1(1)(2)+_v2 = kv1v1(1)(2)VCVS = Voltage-Controlled Voltage Source CCVS = Current-Controlled Voltage Source i2 = kv1III – MẠCH ĐIỆN & CÁC PHẦN TỬ CỦA MĐ2 – Các phần tử cơ bản của mạch điện:2.5 – Nguồn phụ thuộc: giá trị của nó phụ thuộc vào hiệu thế hay dòng điện ở một nhánh nào đó.i1(1)(2)+_v2 = ki1i1(1)(2)VCCS =Voltage-Controlled Current Source CCCS = Current-Controlled Current Source i2 = ki1IV – ĐỊNH LUẬT OHMXác lập quan hệ giữa v(t) và i(t) qua một đoạn mạch+-R+-C+-LThuần trở: Thuần cảm: Thuần dung: R: điện trở (Ω) L: điện cảm (H) C: điện dung (F) Nội dung:IV – ĐỊNH LUẬT OHMĐiện trở R = 20Ω được mắc vào hiệu điện thế v(t) như đồ thị hình vẽ. Xác định:Giá trị của dòng điện tại các thời điểm t1 = 0,25s, t2 = 0,5s và t3 = 1s.Biểu thức công suất tiêu hao trên điện trở. Vẽ đường cong công suất đó.Nhiệt lượng tỏa ra trên điện trở trong khoảng thời gian từ 0 đến 1s?Ví dụ 1:0112t(s)v(V)IV – ĐỊNH LUẬT OHMa) Biểu thức điện áp trên hai của của điện trở:Bài giải:0112t(s)v(V)Dòng điện qua điện trở:t1 = 0,25si1 = 0,0125At2 = 0,5si2 = 0,025At3 = 1si3 = 0,05AIV – ĐỊNH LUẬT OHMb) Biểu thức công suất tiêu hao trên điện trở:Bài giải:t(s)p(W)00,0512c) Nhiệt lượng tỏa ra:IV – ĐỊNH LUẬT OHMVí dụ 2:0112t(s)v(V)Tìm qui luật biến thiên và vẽ dạng sóng của dòng điện qua cuộn cảm L = 1H, nếu điện áp trên hai cực của cuộn cảm có dạng sóng như hình vẽ. Tìm qui luật biến thiên năng lượng tích trữ trong cuộn cảm và vẽ dạng sóng của năng lượng này.IV – ĐỊNH LUẬT OHMGiải ví dụ 2:Cường độ dòng điện:IV – ĐỊNH LUẬT OHMGiải ví dụ 2:Năng lượng tích trữ:IV – ĐỊNH LUẬT OHMVí dụ 3:0112t(s)v(V)Tìm qui luật biến thiên và vẽ dạng sóng của dòng điện qua tụ điện C = 1F, nếu điện áp trên hai cực của cuộn cảm có dạng sóng như hình vẽ.Tìm qui luật biến thiên năng lượng tích trữ trong tụ điện và vẽ dạng sóng của năng lượng này.V – ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF1 – Kirchhoff’s Current Law (KCL):Tổng đại số các dòng điện tại một nút bất kì luôn bằng không.Tổng dòng điện đi tới một nút bằng tổng dòng điện đi khỏi nút đó.Qui ước: Dòng đi tới nút mang dấu dương; dòng đi khỏi nút mang dấu âm. i1 + i2 + i4 – i3 = 0 Hay: i1 + i2 + i4 = i3 V – ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF2 – Kirchhoff’s Voltage Law (KVL):Tổng đại số các hiệu thế của các nhánh trong một vòng kín bất kì luôn bằng không.Qui ước: Chọn một chiều dương cho mạch vòng. Khi đi theo chiều đó, hiệu thế sẽ có giá trị dương nếu đó là chiều giảm của điện thế (gặp cực dương trước). - v1 + v2 – v3 = 0 - v(t) + vL(t) + vR (t) = 0 V – ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF3 – Ví dụ 1: Tìm ix và vx trong sơ đồ sau:Áp dụng KCL cho các nút a, b, c, d: i1 + 1 – 4 = 0  i1 = 3A - i1 +2 – i2 = 0  i2 = -1A i2 + i3 – 3 = 0  i3 = 4A - ix - i3 – 1 = 0  ix = - 5A Áp dụng KVL: - vx – 10 + v2 – v3 = 0 - vx – 10 + 5.(-1) – 2.4 = 0 vx = - 23V V – ĐỊNH LUẬT KIRCHHOFF4 – Ví dụ 2:R=1Ω và L=5H mắc vào nguồn v(t) như hình (a), dòng điện có dạng sóng như hình (b). Tìm dạng sóng của nguồn v(t).GiảiÁp dụng KVL, ta có: -v(t) + VL + VR = 0Hay: v(t) = VR + VL = i(t).R + L.i’(t)Dựa vào dạng sóng của i(t), suy ra i’(t) và v(t)Dựa vào dạng sóng của i(t), suy ra i’(t) và v(t)VI-Định lý xếp chồng Định lý xếp chồng là kết quả của tính chất tuyến tính của mạch. Đáp ứng đối với nhiều nguồn độc lập là tổng số đáp ứng đối với mỗi nguồn riêng rẻ. Khi tính đáp ứng đối với một nguồn độc lập ta phải triệt tiêu các nguồn kia(nối tắt nguồn thế và để hở nguồn dòng), riêng nguồn phụ thuộc vẫn giữ nguyên. Các ví dụ:VD1:Tìm hiệu thế v2 trong mạch hình a: Giải:VD2:Tìm hiệu thế v2 trong mạch :VII. Định lý Thevenin&Norton:* Mục đích: Dùng để thay một mạch phức tạp bằng một mạch đơn giản chỉ gồm 1 nguồn và điện trở.1. Mạch Thevenin:Voc là điện áp hở mạch hai đầu ab.Rth là điện trở nhìn vào mạch A khi triệt tiêu các nguồn độc lập.2. Mạch Norton:-Isc là dòng điện ngắn mạch hai đầu abRth là điện trở nhìn vào mạch A khi triệt tiêu các nguồn độc lập.Isc=Voc/Rth3. Các ví dụ:Vd1: Vẽ mạch tương Thevenin và Norton của mạch sau: Vd2: vẽ mạch tương đương Norton sau:Vd3: Tính Vo dùng mạch tương đương Thevenin:VIII. Định lý Kennely:(biến đổi ΔY) Biến đổi ΔY là thay thế các mạch Δ bằng các mạch Y và ngược lại:Vd: Tìm dòng điện I trong mạch hình dưới: