Tr ờng Đại học Bách Khoa Đà Nẵng Khoa Điện tử - Viễn thông Lý thuyết mạch điện tử 1 1 Giới thiệu môn học  Mục tiêu chung:    Phát triển công cụ cơ bản để thiết kế và phân tích mạch Trang bị cho SV các kiến thức cơ bản về mạch điện và điện tử: dây nối, điện trở, tụ, cuộn, nguồn áp và nguồn dòng độc lập hay phụ thuộc, khuếch đại thuật toán, Trang bị cho SV các phương pháp phân tích và tính toán trong mạch điện tử, giới thiệu phép biến đổi Laplace và ứng dụng trong phân tích và tính toán mạch điện tử. 2 Kết quả học t p mong đợi  Kết thúc môn học, sinh viên có thể:         Xác định mạch tuyến tính và biểu diễn chúng ở dạng sơ đồ mạch Áp dụng định lu t Kirchhoff's dòng và áp, định lu t Ohm Đơn giản mạch dùng mạch t ơng đ ơng song song n i tiếp và sử dụng phép biến đổi t ơng đ ơng Thevenin ậ Norton Thực hiện phân tích vòng và node Giải thích cơ sở v t lý của tụ điện và cuộn cảm. Xác định và mô hình hóa hệ th ng điện b c nhất và b c hai gồm tụ và cuộn cảm Dự đoán trạng thái quá độ (transient behavior) của mạch b c nhất và b c hai. Áp dụng phép biến đổi Laplace trong phân tích mạch 3 Thái độ nghề nghiệp   Qua học phần này sinh viên nh n thức đ ợc vai trò, vị trí của môn học Lý thuyết mạch là nền tảng để tiếp thu các kiến thức chuyên sâu của ngành Điện tử-Viễn thông. Tầm quan trọng: là 1 trong các môn cơ sở ngành để thi Cao học Tài liệu tham khảo  Giáo trình:    Phương Xuân Nhàn, Hồ Anh Túy, Lý thuyết mạch – Tập 1, NXB KH&KT, 2012. James W. Nilsson and Susan A. Ridel, “Electric Circuits”, 8th edition, Prentice-Hall, 2008. Tham khảo:   Lessons in Electric Circuits (a free series of textbooks, http://www.faqs.org/docs/electric/ ) EE 215, Fundamentals of Electrical Engineering, EE Dept., UW Nội dung chi tiết             Ch ơng 1: Các thông s cơ bản trong mạch Ch ơng 2: Các thành phần trong mạch điện Ch ơng 3: Mạch điện trở đơn giản Ch ơng 4: Các kỹ thu t phân tích mạch Ch ơng 5: Khuyếch đại thu t toán Kiểm tra giữa kỳ Ch ơng 6: Điện cảm, điện dung và hổ cảm Ch ơng 7: Đáp ứng của mạch RL và RC b c một Ch ơng 8: Đáp ứng tự do và đáp ứng nhảy b c của mạch RLC Ch ơng 9: Biến đổi Laplace (ch ơng 12 trong textbook) Ch ơng 10: Biến đổi Laplace trong phân tích mạch (ch ơng 13 trong textbook) Kiểm tra cuối kỳ Đánh giá học phần  Bài t p/Chuyên cần/vấn đáp hoặc thuyết trình : 20% Giữa kỳ : 20% Cu i kỳ : 60% Ch ơng 1 Các thông s cơ bản của mạch điện (Circuit Variables) 8 Mục tiêu của ch ơng 1  Biết các ứng dụng của kỹ thu t điện tử  Biết và có thể sử dụng định nghĩa điện áp, dòng điện  Biết và có thể sử dụng định nghĩa của công suất (power) và năng l ợng (energy)  Sử dụng passive sign convention (PSC) để tính công suất của một thành phần cơ bản trong mạch đ ợc cho bởi dòng điện và điện áp. 9 Tổng quan về mạch điện   Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông liên quan đến các hệ th ng phát, truyền và đo các tín hiệu điện. Tín hiệu: các hàm của một hay nhiều biến độc l p.  Tín hiệu điện: Tín hiệu điện áp & Tín hiệu dòng điện  Kỹ thuật điện và điện tử   Kết hợp các mô hình hiện t ợng tự nhiên của nhà v t lý với các công cụ toán học  V n dụng các mô hình này để tạo ra các hệ th ng gi ng với thực tế nhất Hệ thống điện và điện tử: hệ th ng truyền thông (communication), máy tính (computer), điều khiển (control), điện (power) và hệ th ng xử lý tín hiệu (signal processing systems) 10 Hệ th ng truyền thông  Hệ th ng truyền thông: hệ th ng điện phát, truyền và phân ph i thông tin  Thiết bị truyền hình (Television equipment): camera, máy phát (transmitter), máy thu (receiver)  Kính viễn vọng vô tuyến (radio telescope): khám phá vũ trụ  Hệ th ng vệ tinh (satellite system)  Hệ th ng radar: sử dụng để điều ph i các chuyến bay.  Hệ th ng điện thoại. 11 Communication Systems Communication Systems Hệ th ng máy tính  Thông tin xử lý: - Từ xử lý từ (word processing) đến các phép tính toán học (mathematical computations)  Kích cỡ và công suất: - Máy tính b túi, máy tính cá nhân đến siêu máy tính (supercomputers) 14 Hệ th ng điều khiển  Điều tiết, kiểm soát quá trình  Ví dụ: - - - Điều khiển nhiệt độ, áp suất, t c độ luồng chảy trong ng dầu. Trộn nhiên liệu ậ không khí trong động cơ ôtô phun nhiên liệu Hệ th ng tự động dẫn đ ờng và tự động hạ cánh, giúp máy bay cất cánh và hạ cánh. 15 Hệ th ng điện  Tạo và phân phối năng lượng điện.  Tạo năng lượng điện: - Hạt nhân - Thủy điện - Nhiệt (dầu, ga, than đá…)  Phân phối điện - Hệ th ng đ ờng dây điện 16 Hệ th ng xử lý tín hiệu ng dụng Phân tích phổ Trích đặc tính Phát hiện tín Phân tích hiệu ớc l ợng tín hiệu Kiểm chứng tín Measures hiệu Nh n dạng tín hiệu Bộ lọc tương tự/số ng dụng Loại b nhiễu Tách nhiễu xuyên kênh Nén Mã hóa Tổng hợp Processed 17 Signal Processing Systems APPLICATIONS Spectrum analysis Feature extraction Signal detection Signal estimation Signal verification Signal recognition Signal modeling Analysis Measures APPLICATIONS Noise removal Interference separation Signal compression Analog/Digital Signal coding Signal synthesis Filter Spectrum shaping Processed Hệ th ng xử lý tín hiệu  Hệ th ng xử lý ảnh (image processing system)    An ninh, bảo m t Dự báo thời tiết CT scan Interactive Systems  Interaction takes place among the engineering disciplines involved in designing & operating them  Communication engineers use computer to control sys  Computers contain control systems  Control systems contain computers  Power systems require extensive communication sys   A signal-processing system may involve communication links, computers & control systems Examples: Commercial airplanes, robots Mạch điện Tất cả đều có: mạch điện và điện tử 21 Mạch điện  Một mạch điện là một mô hình toán học xấp xỉ trạng thái một hệ th ng điện trong thực tế  Ví dụ: c quy ôtô 22 Mạch điện là gì?    Mục tiêu c a lý thuyết hệ thống điện:  Phân tích hệ th ng điện  Xác định/giải thích/so sánh chỉ tiêu và hiệu suất hệ th ng  Yêu cầu mô hình toán học  mạch điện Mô hình toán học cung cấp:  Nền tảng quan trọng  Cách thiết kế và điều hành hệ th ng Nói về mạch điện  mô hình ! 23 Phân tích mạch  Khái niệm:   Mô hình toán học th ờng đ ợc dùng cho hệ th ng điện gọi là mô hình mạch - circuit model Các thành phần mạch lý t ởng cơ bản (Ideal basic circuit components):  Chỉ có hai đầu cực (terminal), sử dụng để kết n i với các thành phần khác trong mạch Đ ợc biểu diễn toán học theo dòng (current) i / áp (voltage) v Không thể bị chia nh thành các thành phần khác. i     Biểu diễn thông dụng: Thành phần xác định bởi quan hệ toán học giữa v & i 1 v 2 24 Điện áp và dòng điện Hệ thống nước: - - ng mang n ớc Hệ thống điện - Dây mang điện Dòng chảy qua ng tạo bởi chênh lệch áp suất - Dòng điện qua dây gây bởi độ chênh lệch điện áp N ớc chảy từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp - Điện chạy từ nơi có điện áp cao đến nơi có điện áp thấp Luồng gì trong điện học? Điện tích (electric charge)! Làm thế nào để đo luồng? dùng dòng điện 25 Current   In most circuits what moves are electrons, which have a negative charge. The movement of negative charge in one direction corresponds to the flow of positive current in the opposite direction. (The reason for this is that Ben Franklin had to pick a direction for current flow. He had no idea what actually moved. He guessed wrong.) The rate of charge flow is the electric current dq i dt - i = the current in amperes (A) - q = the charge in coulombs (C) - t = the time in seconds (s) 1C 1A  1s Dòng điện   Trong hầu hết các mạch điện, electron (có điện tích âm) dịch chuyển. Sự dịch chuyển của điện tích âm theo một chiều t ơng ứng với dòng điện theo chiều ng ợc lại. Dòng điện: t c độ của luồng điện tích. dq i dt - i = dòng điện (A) - q = điện tích (C) - t = thời gian (s) 1C 1A  1s 27 Điện áp  Năng l ợng trên một đơn vị điện tích tạo bởi khoảng cách giữa các điện tích d ơng và âm. dw v dq - v = điện áp (V) - w = năng l ợng (J) - q = điện tích (C) Điện áp đ ợc đo giữa hai điểm, một điểm điện áp cao (+) và một điểm điện áp thấp (-). Biết điểm nào là điểm điện áp cao và điểm nào có điện áp thấp đó gọi là cực tính (polarity). Th ờng dùng chữ cái và con s ở bên d ới để biểu diễn các điểm. 28 Bài t p 1.3  Công thức d ới đây biểu diễn giá trị dòng điện qua 2 cực. Tìm giá trị tổng điện tích (đơn vị: micro-coulombs) t0 0, i   5000t (A), t  0 20e 29 Ass. Pro. 1.4  The expression for the charge entering the uper terminal is given in the equation. Find the maximum value of the current entering the terminal if a = 0.03679s-1 1  t 1  at q  2    2 e (C) a a a  Bài t p 1.4  Công thức d ới đây biểu diễn giá trị điện tích qua 2 cực. Tìm giá trị cực đại của dòng điện nếu a = 0.03679s-1 1  t 1  at q  2    2 e (C ) a a a  33 Tính toán công suất   Công suất là t c độ tiêu t n hay hấp thụ năng l ợng theo thời gian Công suất, p, là sự thay đổi năng l ợng theo thời gian. dw p dt - p = công suất - watts (w) - w = năng l ợng - joules (J) - t = thời gian - seconds (s)  Áp dụng quy t c dây chuyền (Chain rule):  L u ý: Công suất có thể đ ợc hấp thụ (absorbed) tại hai cực đầu cu i hay là phân ph i (delivered) từ nó. dw dw dq p   v.i dt dq dt 34 Power and Energy    Often, the useful output signal of the electrical system is non-electrical  output of an image processing system?  output of a telephony system?  output of a light lamping? Often, the useful output signal of the electrical system is expressed in terms of power and energy Also, all practical devices have limitations on the amount of power that they can handle  Voltage and current calculation are not sufficient Passive sign convention  Việc thiết l p chuẩn cho điện áp, chiều dòng, dấu của dòng và điện áp là rất hữu ích  Cực tính của điện áp đ ợc biểu thị bởi dấu cộng/trừ.  Chiều dòng điện biểu diễn bởi dấu mũi tên đặt kề dòng điện  Điện áp giảm (drop) từ ắ1” đến ắ2” i v  1 2 Passive sign convention:  Nếu dòng chạy theo chiều giảm áp, sử dụng dấu cộng trong bất kỳ biểu thức nào liên quan đến dòng và áp. Ng ợc lại, sử dụng dấu trừ 36 PSC và ví dụ 37 Ví dụ 1 ( c quy xe ôtô)  Điện trở hấp thụ hay phân ph i công suất?  Định lu t Ohm: i = v/R = 12V/3Ω = 4A 38 Ví dụ 2: c quy xe ôtô  c quy của xe nào bị h ng? 30A   1. Mô hình hệ th ng th t bằng mô hình mạch. 2. Tính công suất. 39 Ví dụ 2: c quy xe ôtô  c quy của xe nào bị h ng? A   30A B Ta có, i=30A Xe nào bị h ng c quy? Tại vA : p=12V30A=360W Hấp thụ công suất  ắc quy bị hỏng Tại vB : p=12V(-30A)= - 360W Phát công suất 40 Bài t p 1.6  Dòng điện chạy qua 2 cực đ ợc cho nh công thức d ới đây. Giả sử điện áp tại 2 cực t ơng ứng với dòng điện đư cho. Tìm tổng năng l ợng qua 2 cực. i v 1 2 t0 0, i   5000t ( A), t  0 20e t0 0, v   5000t (kV ), t  0 10e 41