Giáo trình Mạch điện | Đại học Bách Khoa Hà Nội

TS NGUYỄN MINH TÂM
GVC.ThS TRẦN TÙNG GIANG -ThS LÊ THỊ THANH HOÀNG GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN Tập 1 TS NGUYỄN MINH TÂM
GVC.ThS TRẦN TÙNG GIANG
ThS LÊ THỊ THANH HOÀNG GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN Tập 1
NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2017 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 Công nghệ kỹ thuật điện điện tử,
Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông, Công nghệ kỹ thuật máy tính,
Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa, Kỹ thuật y sinh là môn
học cơ sở 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 được giảng dạy cho sinh viên ngành Công
nghệ kỹ thuật điện điện tử, Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông,
Công nghệ kỹ thuật máy tính, Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động
hóa, Kỹ thuật y sinh trong nhiều năm qua, có khối lượng 04 tín chỉ, được
soạn thảo theo hướng tiếp 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 điện cung cấp cho sinh viên các kiến thức về hai
định luật Kirchhoff 1, 2; Các phương pháp phân tích mạch: biến đổi
tương đương, phương pháp điện thế nút, phương pháp dòng mắt lưới;
Các định lý về mạch: định lý Thevenin-Norton, định lý cân bằng công
suất, định lý xếp chồng; Áp dụng số phức để giải bài toán xác lập điều
hòa; Mạch hỗ cảm, mạch chứa khuếch đại thuật toán, mạch ba pha đối
xứng, mạch ba pha không đối xứng và mạng hai cửa.
Giáo trình này gồm những chương sau:
Chương 1: Những khái niệm cơ bản về mạch điện
Chương 2: Các phương pháp phân tích mạch
Chương 3: Mạch xác lập điều hòa
Chương 4: Mạch điện ba pha Chương 5: Mạng hai cửa
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, đã cố gắng biên soạn và chỉnh sửa nhưng chắc không thể tránh 3
những thiếu sót, rất mong những sự đóng góp ý kiến của các đồng nghiệp và của các em sinh viên.
- Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về:
Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM
Email: tamnm@hcmute.edu.vn, giangtt@hcmute.edu.vn, hoangltt@hcmute.edu.vn Nhóm tác giả 4 MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................... 3
MỤC LỤC ................................................................................................. 5
Chương 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN .............. 9
1.1. MẠCH ĐIỆN ...................................................................................... 9
1.2. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO QUÁ TRÌNH
NĂNG LƯỢNG TRONG MẠCH ĐIỆN ................................................ 12
1.2.1. Dòng điện ....................................................................................... 12
1.2.2. Điện áp ........................................................................................... 12
1.2.3. Công suất ....................................................................................... 13
1.2.4. Năng lượng tích lũy trong cuộn dây .............................................. 14
1.2.5. Năng lượng tích lũy trong tụ điện .................................................. 14
1.3. CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN ............................... 15
1.3.1. Điện trở .......................................................................................... 15
1.3.2. Điện cảm ........................................................................................ 15
1.3.3. Điện dung ....................................................................................... 16
1.3.4. Nguồn điện ..................................................................................... 17
1.4. CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN .......................... 19
1.4.1. Định luật Ohm ............................................................................... 19
1.4.2. Định luật Kirchhoff 1 ..................................................................... 20
1.4.3. Định luật Kirchhoff 2 ..................................................................... 21
1.5. BIẾN ĐỔI TƯƠNG ĐƯƠNG MẠCH ............................................. 27
1.5.1. Biến đổi tương đương điện trở mắc nối tiếp .................................. 27
1.5.2. Biến đổi tương đương điện trở mắc song song .............................. 28
1.5.3. Mạch chia dòng điện (định lý chia dòng điện) .............................. 28
1.5.4. Mạch chia áp (cầu phân thế) .......................................................... 28
1.5.5. Biến đổi tương đương điện trở mắc hình sao sang tam
giác: Y  ∆ .............................................................................................. 31 5
1.5.6. Biến đổi tương đương điện trở mắc hình tam giác sang
hình sao: ∆ Y ........................................................................................ 31
1.5.7. Biến đổi tương đương nguồn sức điện động mắc nối tiếp ............. 32
1.5.8. Biến đổi tương đương nguồn dòng mắc song song ....................... 32
1.5.9. Biến đổi tương đương nguồn ......................................................... 33
Bài tập chương 1 ...................................................................................... 40
Chương 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH .................. 59
2.1. PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN THẾ NÚT .................................................. 59
2.2. PHƯƠNG PHÁP DÒNG MẮT LƯỚI (DÒNG ĐIỆN
MẠCH VÒNG) ....................................................................................... 68
2.3. ĐỊNH LÝ THEVENIN NORTON ................................................... 71
2.3.1. Định lý Thevenin ........................................................................... 72
2.3.2. Định lý Norton ............................................................................... 77
2.3.3. Truyền công suất cực đại ............................................................... 80
2.4. NGUYÊN LÝ XẾP CHỒNG ........................................................... 86
Bài tập chương 2 ...................................................................................... 95
Chương 3. MẠCH XÁC LẬP ĐIỀU HÒA ........................................ 137
3.1. QUÁ TRÌNH ĐIỀU HÒA .............................................................. 137
3.1.1. Chu kỳ, tần số, tần số góc ............................................................ 138
3.1.2. Trị số tức thời của dòng điện ....................................................... 138
3.1.3. Biểu diễn góc lệch pha  giữa điện áp và dòng điện ................... 139
3.1.4. Trị số hiệu dụng của dòng điện .................................................... 141
3.2. BIỂU DIỄN CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐIỀU HÒA BẰNG SỐ
PHỨC ........................................................................................................... 141
3.2.1. Định nghĩa và cách biểu diễn số phức ......................................... 141
3.2.2. Đổi từ dạng đại số sang dạng mũ ................................................. 142
3.2.3. Đổi từ dạng mũ sang dạng đại số ................................................. 143
3.2.4. Một số phép tính đối với số phức ................................................ 143
3.3. QUAN HỆ DÒNG ÁP TRÊN CÁC PHẦN TỬ R, L, C,
TRỞ KHÁNG VÀ DẪN NẠP .............................................................. 144 6
3.3.1. Mạch điện xoay chiều thuần trở R ............................................... 144
3.3.2. Mạch điện xoay chiều thuần cảm ................................................ 145
3.3.3. Mạch điện xoay chiều thuần dung ............................................... 147
3.3.4. Mạch điện xoay chiều gồm R - L - C mắc nối tiếp ...................... 148
3.4. CÔNG SUẤT .................................................................................. 152
3.4.1. Công suất tức thời ........................................................................ 152
3.4.2. Công suất tác dụng ....................................................................... 153
3.4.3. Công suất phản kháng .................................................................. 154
3.4.4. Công suất tiêu thụ và công suất phản kháng trên điện trở R .......... 154
3.4.5. Công suất tác dụng và công suất phản kháng trên cuộn dây.......... 155
3.4.6. Công suất tác dụng và công suất phản kháng trên tụ điện ........... 156
3.4.7. Công suất biểu kiến S .................................................................. 157
3.4.8. Phương pháp giải bài toán xoay chiều ......................................... 157
3.4.9. Phối hợp trở kháng giữa tải và nguồn .......................................... 158
3.4.10. Cộng hưởng ............................................................................... 158
3.5. MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN (OP-AMP) ..................... 159
3.6. HỖ CẢM ........................................................................................ 162
Bài tập chương 3 .................................................................................... 179
Chương 4. MẠCH ĐIỆN BA PHA ..................................................... 233
4.1. KHÁI NIỆM CHUNG .................................................................... 233
4.2. CÁCH NỐI MẠCH BA PHA ......................................................... 235
4.2.1. Cách nối hình sao đối xứng (Y) ................................................... 235
4.2.2. Cách nối tam giác đối xứng (∆) ................................................... 236
4.3. CÔNG SUẤT MẠCH BA PHA ..................................................... 237
4.3.1. Công suất tác dụng ....................................................................... 237
4.3.2. Công suất phản kháng .................................................................. 238
4.3.3. Công suất biểu kiến ..................................................................... 238
4.4. CÁCH GIẢI MẠCH ĐIỆN BA PHA ĐỐI XỨNG ........................ 238
4.4.1. Tải nối hình Y đối xứng ............................................................... 238 7
4.4.2. Tải nối tam giác đối xứng ............................................................ 239
4.5. CÁCH GIẢI MẠCH ĐIỆN BA PHA KHÔNG ĐỐI XỨNG ........ 241
4.5.1. Tải nối hình Y, có dây trung tính tổng trở Z0 .............................. 241
4.5.2. Tải nối hình Y, tổng trở dây trung tính Z0 = 0 ............................. 242
4.5.3. Tải nối hình  không đối xứng .................................................... 243
Bài tập chương 4 .................................................................................... 255
Chương 5. MẠNG HAI CỬA ............................................................. 267
5.1. KHÁI NIỆM ................................................................................... 267
5.2. CÁC HỆ PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI: Z, Y, H, A .............. 267
5.2.1. Hệ phương trình trạng thái dạng Z .............................................. 267
5.2.2. Phương pháp xác định các thông số Z ......................................... 268
5.2.3. Hệ phương trình trạng thái dạng Y .............................................. 270
5.2.4. Hệ phương trình trạng thái dạng H .............................................. 272
5.2.5. Hệ phương trình trạng thái dạng A .............................................. 273
5.3. PHÂN LOẠI MẠNG HAI CỬA .................................................... 275
5.3.1. Mạng hai cửa tương hỗ ................................................................ 275
5.3.2. Mạng hai cửa đối xứng ................................................................ 275
5.4. CÁC THÔNG SỐ LÀM VIỆC ....................................................... 276
5.4.1. Trở kháng vào sơ cấp ZV1 ............................................................ 276
5.4.2. Trở kháng vào thứ cấp ZV2 .......................................................... 276
5.4.3. Trở kháng vào ngắn mạch đầu ra ................................................. 277
5.4.4. Trở kháng vào hở mạch đầu ra Z1h .............................................. 278
5.4.5. Trở kháng sóng của mạch hai cửa (ZC) ........................................ 279
5.4.6. Hệ số truyền đạt sóng .................................................................. 279
5.5. LỌC ĐIỆN ...................................................................................... 280
Bài tập chương 5 .................................................................................... 288
Đáp số .................................................................................................... 302
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 318 8 Chương I
NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠCH ĐIỆN Mục tiêu
Sau khi đọc chương này, sinh viên có thể:
- Có khả năng mô tả và nhận diện mạch điện và các phần tử cơ
bản của mạch điện.
- Có khả năng áp dụng định luật Kirchoff, biến đổi tương đương,
để giải mạch điện.
- Tính toán được công suất nguồn, công suất tiêu tán, cân bằng
công suất của một mạch điện.
A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT VÀ VÍ DỤ 1.1 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.
- Mạch điện được ghép từ nhiều phần tử nhỏ riêng lẻ, mỗi phần tử
có một chức năng nhất định. Mạch điện có hai loại phần tử chính, là nguồn và tải.
- Nguồn là các phần tử dùng để cung cấp năng lượng điện hoặc tín
hiệu điện cho mạch. Ví dụ: máy phát điện, ăc quy, pin, cảm biến…
- Tải là các phần tử nhận năng lượng điện hay tín hiệu điện và
chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác. Ví dụ: động cơ điện, lò
điện, bóng đèn điện…
- Ngoài ra, trong mạch còn có một số phần tử khác, như phần tử
dây nối dùng để nối nguồn và tải, phần tử biến đổi điện áp và dòng điện,
phần tử làm khuếch đại tín hiệu trong mạch điện, v.v.
Mạch điện có thể có cấu trúc rất đơn giản được biểu diễn thực tế
như sơ đồ dưới đây: gồm các bóng đèn mắc song song, nguồn điện, ổ
cắm, dây dẫn… được ghép nối tiếp hoặc song song tạo thành một mạch kín. 9
Sơ đồ một mạch điện đơn giản
 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 3 nhánh trở lên.
 Vòng (mạch vòng, mắt lưới): là một lối đi khép kín qua các nhánh. Ví dụ 1.1: R1 R A 2 E R 1 3 E2 B
Hình 1.1 Mạch điện có ba nhánh, hai nút A, B và ba vòng
 Ví dụ như trong Hình 1.1 ta thấy có tất cả 3 nhánh, nhánh 1 gồm
phần tử điện trở R1 mắc nối tiếp nguồn E1, nhánh 2 gồm phần tử điện trở
R2 nối tiếp nguồn E2 và nhánh 3 gồm phần tử điện trở R3. Trong mạch
điện này có 2 nút là nút A và B và có 3 vòng, vòng 1 qua các nhánh
(1,3,1), vòng 2 qua các nhánh (2,3,2) và vòng 3 qua các nhánh (1,2,1). 10
Ví dụ 1.2: Cho mạch điện như Hình 1.2. Hãy cho biết mạch điện
trên có bao nhiêu nhánh, bao nhiêu nút và bao nhiêu vòng? R1 A R2 E1 R E2 6 R4 B R5 D C R3 Hình 1.2 Giải
Mạch điện trên gồm có:  Sáu nhánh:
+ Nhánh 1: gồm phần tử R1 mắc nối tiếp với nguồn E1
+ Nhánh 2: gồm phần tử R2 mắc nối tiếp nguồn E2
+ Nhánh 3: gồm phần tử R3
+ Nhánh 4: gồm phần tử R4
+ Nhánh 5: gồm phần tử R5
+ Nhánh 6: gồm phần tử R6
 Bốn nút (4 đỉnh): A, B, C, D  Bảy vòng:
+ Vòng 1: qua các nhánh (1, 6, 4, 1)
+ Vòng 2: qua các nhánh (2, 5, 6, 2)
+ Vòng 3: qua các nhánh (1, 2, 3)
+ Vòng 4: qua các nhánh (1, 2, 4, 5)
+ Vòng 5: qua các nhánh (4, 5, 3)
+ Vòng 6: qua các nhánh (1, 6, 5, 3, 1)
+ Vòng 7: qua các nhánh (2, 6, 4, 3, 2) 11
1.2 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO QUÁ TRÌNH NĂNG
LƯỢNG TRONG MẠCH ĐIỆN 1.2.1 Dòng điện Khái niệm
Dòng điện là dòng các điện tích chuyển dời có hướng dưới tác
dụng của điện trường.
Quy ước: Chiều dòng điện hướng từ cực dương về cực âm của
nguồn hoặc từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp.
Cường độ dòng điện I là đại lượng đặc trưng cho độ lớn của dòng
điện. Cường độ dòng điện được tính bằng lượng điện tích chạy qua tiết
diện thẳng của vật dẫn trong một đơn vị thời gian. dq i  (1.1) dt
Đơn vị của dòng điện là ampe (A).
Bản chất dòng điện trong các môi trường
Trong kim loại: Lớp ngoài cùng của nguyên tử kim loại có rất ít
electron, chúng liên kết rất yếu với các hạt nhân và dễ bật ra thành các
electron tự do. Dưới tác dụng của điện trường các electron tự do này sẽ
chuyển động có hướng tạo thành dòng điện.
Trong dung dịch: Các chất hòa tan trong nước sẽ phân ly thành các
ion dương tự do và các ion âm tự do. Dưới tác dụng của điện trường các
ion tự do này sẽ chuyển động có hướng tạo nên dòng điện.
Trong chất khí: Khi có tác nhân bên ngoài (bức xạ lửa, nhiệt…) tác
động, các phần tử chất khí bị ion hóa tạo thành các ion tự do. Dưới tác
dụng của điện trường chúng sẽ chuyển động tạo thành dòng điện. 1.2.2 Điện áp R i
Điện áp là đại lượng đặc trưng cho
khả năng tích lũy năng lượng của điện u
trường. Trong mạch điện, tại các điểm
đều có một điện thế  nhất định. Hiệu
Hình 1.3 Điện áp và dòng
điện thế giữa hai điểm gọi là điện áp U.
điện trên điện trở Ta có: U = φ AB A – φB (1.2) 12 Trong đó: A:
điện thế tại điểm A;  đ B: iện thế tại điểm B; UAB:
hiệu điện thế giữa A và B.
Quy ước: Chiều điện áp là chiều từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp.
Đơn vị điện áp là vôn (V). Ký hiệu: U, u(t). 1.2.3 Công suất
Công suất P là đại lượng đặc trưng cho khả năng thu và phát năng
lượng điện trường của đòng điện. Công suất được định nghĩa là tích số
của dòng điện và điện áp:
 Công suất tức thời p = u.i (W)
Trong đó p là công suất tức thời.
 Nếu dòng điện và điện áp cùng chiều thì dòng điện sinh công
dương P > 0 (phần tử đó hấp thụ năng lượng).
 Nếu dòng điện và điện áp ngược chiều thì dòng điện sinh công
âm P < 0 (phần tử đó phát năng lượng).
 Công suất tác dụng còn gọi là công suất trung bình hay công suất tiêu thụ 1 T P  . p dt  T 0
Đơn vị công suất là watt (W). Đối với mạch điện xoay chiều,
công thức tính công suất tác dụng như sau: P = UIcosφ (1.3) Trong đó: U: điện áp hiệu dụng; I: dòng điện hiệu dụng;
cos: hệ số công suất, với  = u - i (u là góc pha đầu của
điện áp và  là góc pha đầ i u của dòng điện).
Công suất tiêu thụ trên điện trở P = RI2 13
1.2.4 Năng lượng tích lũy trong cuộn dây
Khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây thì sẽ sinh ra từ thông Φ. Ta có: Φ = L.i (1.4)
Từ thông biến thiến qua cuộn dây sinh ra dòng điện cũng biến thiên theo thời gian, ta có: d di d  L mà  u (1.5) dt dt dt
Công suất truyền đến cuộn cảm được xác định theo công thức:  di  p = ui = L i   (1.6)  dt 
Năng lượng tích trữ trong cuộn cảm: t t t t  di  1 1 2 2 w (t)  pdt uidt  L idt  L idi  Li (t)  Li ()     (1.7) L    dt  2 2     gọi i(-) = 0 ta có 1 w (t) 2  Li (t) L (J) (1.8) 2
1.2.5 Năng lượng tích lũy trong tụ điện
Điện áp giữa hai đầu tụ điện phụ thuộc bởi sự phân chia điện tích
giữa hai bản tụ điện. Khi có dòng điện chạy qua tụ điện thì sẽ sinh ra một điện tích q. Ta có: q = c.u (1.9)
Những điện tích này có lực điện tác động chúng đó là điện trường, dq du dq ta có:  C mà  i (1.10) dt dt dt
Công suất dự trữ trong một tụ điện cho bởi t t  du  w (t)  uidt  u C dt   C    dt    t 1 t 2
 udu  C u (t)  (1.11)  2  14
từ u(-) = 0, chúng ta có thể viết 1 2 w (t)  Cu (t)J (1.12) c 2
Từ kết quả này chúng ta thấy rằng WC(t)  0. Do đó từ (1.12) tụ
điện là phần tử thụ động của mạch. Do đó điện tích trên tụ điện (1.9) và (1.12) mang lại 1 q 2 t ( ) w t ( )  J C 2 C (1.13)
1.3 CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN 1.3.1 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 uR Hình 1.4 uR = Ri Điện dẫn: g 1 g =
; Đơn vị: mho hoặc Siemen (S). R 1.3.2 Điện cảm
Điện cảm là đại lượng đặc trưng cho khả năng tạo nên từ trường
của phần tử mạch điện.
Cuộn cảm hay cuộn dây là một phần tử thụ động trong mạch điện,
được chế tạo nhằm lưu trữ năng lượng dưới dạng năng lượng từ trường.
Cuộn dây được ứng dụng trong nhiều mạch điện khác nhau, từ mạch điện
tử đến các hệ thống điện. Cuộn dây có trong các mạch nguồn, máy biến
áp, mạch thu vô tuyến, TV, radar và các động cơ điện.
Ký hiệu: L; Đơn vị: Henry (H); mH=10-3H 15 L i u L Hình 1.5
Theo tính chất cuộn dây ta có: di u  L 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 thì điện áp giữa hai đầu cuộn
dây bằng 0. Khi đó cuộn dây được xem như bị nối tắt. 1.3.3 Điện dung
Đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường.
Tụ điện là phần tử thụ động, được thiết kế nhằm mục đích lưu trữ
năng lượng dưới dạng năng lượng điện trường. Cũng như điện trở, tụ
điện là loại linh kiện phổ biến thường gặp nhất trong các mạch điện. Tụ
điện được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều loại mạch, từ mạch điện tử,
mạch truyền thông, trong các loại máy tính cũng như trong hệ thống điện.
Lấy ví dụ, tụ điện là một bộ phận quan trọng trong bộ thu sóng vô tuyến
của radio, hoặc là đóng vai trò là phần tử nhớ động trong các hệ thống máy tính.
Ký hiệu: C; Đơn vị: Farad (F) i C uC Hình 1.6
1µF = 10-6F; 1nF = 10-9F; 1pF = 10-12F
Khi cho dòng điện đi qua tụ điện thì sẽ sinh ra điện tích q;
u: điện áp đặt giữa hai đầu bản cực của tụ điện, theo tính chất tụ 1 điện ta có: u  C idt c
Lưu ý: Trong mạch điện một chiều thì dòng điện qua hai đầu tụ
điện bằng 0. Khi đó tụ điện được xem như bị hở mạch. 16 1.3.4 Nguồn điện
1.3.4.1 Nguồn 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.
 Nguồn áp một chiều Ký hiệu: E E Hình 1.7
E: 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 1.8
Ví dụ: u(t) = 10 cos2t
Mang dấu “+” và “ –” là vì tại thời điểm gốc thì t = 0.
 Nguồn dòng độc lập Ký hiệu: J Hình 1.9
J: giá trị của nguồn dòng, đơn vị (A);
↑: chỉ chiều của dòng điện. 17
1.3.4.2 Nguồn phụ thuộc
 Nguồn áp phụ thuộc áp
Ký hiệu: VCVS (Voltage Control Voltage Source) u1  u1 u2 Hình 1.10 u α α 2 = u1; : không có thứ nguyên
 Nguồn dòng phụ thuộc áp
Ký hiệu: VCCS (Voltage Controlled Current Source) i2 u1 gu1 u2 Hình 1.11 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 1.12 i   2 = - i1; : không có thứ nguyên.
 Nguồn áp phụ thuộc dòng
Ký hiệu: CCVS (Current Controlled Voltage Source) 18 i1 ri1(V) u2 Hình 1.13 u2 = r.i1; r: đơn vị đo là ohm.
1.4 CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN
1.4.1 Định luật Ohm
Các loại vật liệu nói chung đều có một đặc tính vật lý là có khả
năng cản trở dòng điện chạy qua nó. Đặc tính này được biểu diễn bằng
một đại lượng gọi là “điện trở”. Điện trở được ký hiệu bằng chữ R, đơn
vị đo điện trở là Ohm, thường ký hiệu là Ω. R i uR
Khi cho dòng điện đi qua điện trở R, u là điện áp đặt giữa hai đầu R.
Theo định luật Ohm ta có: uR = i. R.
Ví dụ 1.3: Một bàn ủi điện tiêu thụ dòng điện 2(A) khi hoạt động
với điện áp 120(V). Xác định điện trở của bàn ủi. Giải u 120
Từ định luật Ohm ta tính được: R    60 Ω i 2
Ví dụ 1.4: Cho mạch điện như Hình 1.14. Xác định dòng điện i chạy
qua mạch, điện dẫn G của mạch và công suất p tiêu tán trên điện trở. i + DC 30V 5kΩ U _ Hình 1.14 19 Giải
Áp dụng định luật Ohm ta tính được dòng điện trong mạch: U 30 i    10 . 6 3 ( ) A  ( 6 ) mA 3 R 10 . 5
Điện dẫn g là nghịch đảo của điện trở R. Do đó: 1 1 g    , 0 10 . 2 3 (S)  , 0 ( 2 mS ) 3 R 10 . 5
Để tính toán công suất tiêu tán trên điện trở ta có thể sử dụng nhiều
công thức khác nhau như:
P = u.i = 30.6.10-3 = 180.10-3 (W) = 180 (mW)
P = i2R = (6.10-3)2.5.10-3 = 180.10-3 (W) = 180 (mW)
P = u2.g = (30)2.0,2.10-3 = 180.10-3 (W) = 180 (mW)
Ví dụ 1.5: Một nguồn điện hình sin có biểu thức điện áp tức thời
u(t) = 20 sinπt được nối vào hai đầu điện trở R = 5 (kΩ). Xác định biểu
thức dòng điện tức thời qua điện trở. Giải
Định luật Ohm có thể áp dụng cho mạch điện xoay chiều thuần trở. Ta có: u 20sin t  i    10 . 4 3 sin t  (A) = 4sinπt (mA) 3 R 10 . 5
1.4.2 Định luật Kirchhoff 1 (định luật K1) (định luật dòng, định luật nút)
Bản thân định luật Ohm không cung cấp đủ công cụ để có thể phân
tích một mạch điện. Tuy nhiên khi sử dụng định luật Ohm kết hợp với hai
định luật Kirchhoff về mạch điện, ta sẽ giải được nhiều dạng mạch điện khác nhau.
Định luật K1 dựa trên quy luật bảo toàn điện tích, theo đó tổng đại
số các điện tích nằm trong một hệ kín là không thay đổi. Định luật K1
được phát biểu như sau:
Tổng đại số của các dòng điện đi vào một nút (hay một biên khép kín) thì bằng 0. 20