Giáo trình Lý thuyết mạch (Mới)
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
LÝ THUYẾT MẠCH
(Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa)
Lưu hành nội bộ
HÀ NỘI - 2006
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
LÝ THUYẾT MẠCH
Biên soạn :
ThS. NGUYỄN QUỐC DINH
LỜI GIỚI THIỆU
Lý thuyết mạch là một trong số các môn cơ sở của kỹ thuật điện tử, viễn thông, tự động
hoá, nhằm cung cấp cho sinh viên khả năng nghiên cứu các mạch tương tự, đồng thời nó là
cơ sở lý thuyết để phân tích các mạch số. Với ý nghĩa là một môn học nghiên cứu các hệ
thống tạo và biến đổi tín hiệu, nội dung cơ sở lý thuyết mạch (basic circuits theory) chủ yếu
đi sâu vào các phương pháp biểu diễn, phân tích, tính toán và tổng hợp các hệ thống điện tạo
và biến đổi tín hiệu dựa trên mô hình các các thông số & các phần tử hợp thành điển hình.
Tập bài giảng này chủ yếu đề cập tới lý thuyết các phương pháp biểu diễn và phân tích
mạch kinh điển, dựa trên các loại phần tử mạch tương tự, tuyến tính có thông số tập trung, cụ
thể là:
- Các phần tử & mạng hai cực: Hai cực thụ động, có hoặc không có quán tính như phần
tử thuần trở, thuần dung, thuần cảm và các mạch cộng hưởng; hai cực tích cực như các nguồn
điện áp & nguồn dòng điện lý tưởng.
-Các phần tử & mạng bốn cực: Bốn cực tương hỗ thụ động chứa RLC hoặc biến áp lý
tưởng; bốn cực tích cực như các nguồn phụ thuộc (nguồn có điều khiển), transistor, mạch
khuếch đại thuật toán...
Công cụ nghiên cứu lý thuyết mạch là những công cụ toán học như phương trình vi
phân, phương trình ma trận, phép biến đổi Laplace, biến đổi Fourier... Các công cụ, khái
niệm & định luật vật lý.
Mỗi chương của tập bài giảng này gồm bốn phần: Phần giới thiệu nêu các vấn đề chủ
yếu của chương, phần nội dung đề cập một cách chi tiết các vấn đề đó cùng với các thí dụ
minh họa, phần tổng hợp nội dung hệ thống hóa những điểm chủ yếu, và phần cuối cùng đưa
ra các câu hỏi và bài tập rèn luyện kỹ năng. Chương I đề cập đến các khái niệm, các thông số
cơ bản của lý thuyết mạch, đồng thời giúp sinh viên có một cách nhìn tổng quan những vấn
đề mà môn học này quan tâm. Chương II nghiên cứu mối quan hệ giữa các thông số trạng
thái của mạch điện, các định luật và các phương pháp cơ bản phân tích mạch điện. Chương
III đi sâu vào nghiên cứu phương pháp phân tích các quá trình quá độ trong mạch. Chương
IV trình bày các cách biểu diễn hàm mạch và phương pháp vẽ đặc tuyến tần số của hàm
mạch. Chương V đề cập tới lý thuyết mạng bốn cực và ứng dụng trong nghiên cứu một số hệ
thống. Cuối cùng là một số phụ lục, các thuật ngữ viết tắt và tài liệu tham khảo cho công việc
biên soạn.
Mặc dù có rất nhiều cố gắng nhưng cũng không thể tránh khỏi những sai sót. Xin chân
thành cảm ơn các ý kiến đóng góp của bạn đọc và đồng nghiệp.
Người biên soạn
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
AC
(Alternating Current) chế độ dòng xoay chiều.
ADC (Analog Digital Converter) bộ chuyển đổi tương tự -số.
DC
FT
(Direct Current) chế độ dòng một chiều.
(Fourier transform) biến đổi Fourier
KĐTT Bộ khuếch đại thuật toán.
LT (Laplace transform) biến đổi Laplace.
M4C Mạng bốn cực.
NIC (Negative Impedance Converter) bộ biến đổi trở kháng âm.
Chương 1: Các khái niệm và nguyên lý cơ bản của lý thuyết mạch
CHƯƠNG 1
CÁC KHÁI NIỆM VÀ NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA LÝ
THUYẾT MẠCH
GIỚI THIỆU
Chương này đề cập đến các khái niệm, các thông số và các nguyên lý cơ bản nhất của lý
thuyết mạch truyền thống. Đồng thời, đưa ra cách nhìn tổng quan những vấn đề mà môn học này
quan tâm cùng với các phương pháp và các loại công cụ cần thiết để tiếp cận và giải quyết các vấn
đề đó. Cụ thể là:
•
•
•
•
•
Thảo luận quan điểm hệ thống về các mạch điện xử lý tín hiệu.
Thảo luận các loại thông số tác động và thụ động của mạch dưới góc độ năng lượng.
Cách chuyển mô hình mạch điện từ miền thời gian sang miền tần số và ngược lại.
Các thông số của mạch trong miền tần số.
Ứng dụng miền tần số trong phân tích mạch, so sánh với việc phân tích mạch trong miền
thời gian.
NỘI DUNG
1.1 KHÁI NIỆM TÍN HIỆU VÀ MẠCH ĐIỆN
Tín hiệu
Tín hiệu là dạng biểu hiện vật lý của thông tin. Thí dụ, một trong những biểu hiện vật lý của
các tín hiệu tiếng nói (speech), âm nhạc (music), hoặc hình ảnh (image) có thể là điện áp và dòng
điện trong các mạch điện. Về mặt toán học, tín hiệu được biểu diễn chính xác hoặc gần đúng bởi
hàm của các biến độc lập.
Xét dưới góc độ thời gian, mặc dù trong các tài liệu là không giống nhau, nhưng trong tài
liệu này chúng ta sẽ thống nhất về mặt định nghĩa cho một số loại tín hiệu chủ yếu liên quan đến
hai khái niệm liên tục và rời rạc.
Tín hiệu liên tục
Khái niệm tín hiệu liên tục là cách gọi thông thường của loại tín hiệu liên tục về mặt thời
gian. Nó còn được gọi là tín hiệu tương tự. Một tín hiệu x(t) được gọi là liên tục về mặt thời gian
khi miền xác định của biến thời gian t là liên tục.
Hình 1.1 mô tả một số dạng tín hiệu liên tục về mặt thời gian, trong đó: Hình 1.1a mô tả
một tín hiệu bất kỳ; tín hiệu tiếng nói là một thí dụ điển hình về dạng tín hiệu này. Hình 1.1b mô
tả dạng tín hiệu điều hòa. Hình 1.1c mô tả một dãy xung chữ nhật tuần hoàn. Hình 1.1d mô tả tín
hiệu dạng hàm bước nhảy đơn vị, ký hiệu là u(t) hoặc 1(t):
1,
t ≥ 0
t < 0
⎧
u(t) =
(1.1)
⎨
⎩
0,
5
Chương 1: Các khái niệm và nguyên lý cơ bản của lý thuyết mạch
Còn hình 1.1e mô tả tín hiệu dạng hàm xung đơn vị, còn gọi hàm delta. Hàm này có phân
bố Dirac và ký hiệu là δ(t):
δ (t) = 0,
t ≠ 0
+∞
và
δ(t)dt =1
(1.2)
∫
−∞
Cần lưu ý rằng, về mặt biên độ, tín hiệu liên tục về mặt thời gian chưa chắc đã nhận các giá
trị liên tục. Nếu biên độ của loại tín hiệu này là liên tục tại mọi thời điểm, thì tín hiệu đó mới là tín
hiệu liên tục thực sự.
t
t
t
(b)
(c)
(a)
u(t)
δ(t)
1
t
0
0
t
(e)
(d)
Hình 1.1
Một số dạng tín hiệu liên tục theo thời gian
Tín hiệu rời rạc
Về mặt toán học, tín hiệu rời rạc là một hàm trong đó biến thời gian chỉ nhận các giá trị rời
rạc. Thông thường, loại tín hiệu rời rạc đơn giản nhất chỉ được định nghĩa các giá trị tại các điểm
thời gian rời rạc t =n.Ts, trong đó n nguyên; do đó trong các tài liệu, tín hiệu rời rạc x(nTs) thường
được ký hiệu là x(n). Hình 1.2a mô tả dạng một tín hiệu rời rạc về mặt thời gian.
-1
0
1
2
3
4
n
1
2
3
4
-1
0
n
Hình 1.2b
Minh họa tín hiệu số nhị phân
Hình 1.2a
Minh họa tín hiệu rời rạc
Tín hiệu số
6
Chương 1: Các khái niệm và nguyên lý cơ bản của lý thuyết mạch
Tín hiệu số là loại tín hiệu rời rạc chỉ nhận các giá trị trong một tập hữu hạn xác định. Nếu
tập giá trị của tín hiệu số chỉ là hai giá trị (0 hoặc 1) thì tín hiệu đó chính là tín hiệu số nhị phân.
Hình 1.2b là một thí dụ minh họa cho trường hợp này.
Sự lấy mẫu
Lấy mẫu là thuật ngữ để chỉ quá trình rời rạc hóa tín hiệu liên tục. Nói cách khác, đây là quá
trình chuyển đổi tín hiệu liên tục s(t) thành tín hiệu rời rạc s(n) tương ứng. Ta gọi s(n) là phiên
bản được mẫu hóa từ tín hiệu gốc s(t).
Nếu s(n) quan hệ với tín hiệu gốc s(t) theo biểu thức:
s(n) = s(t) t=nT
s
thì người ta gọi đây là quá trình lấy mẫu đều, trong đó Ts được gọi là bước lấy mẫu hay chu kỳ lấy
mẫu. Có thể mô hình hóa quá trình lấy mẫu này thành bộ lấy mẫu như hình 1.3. Trong đó, phần tử
hạt nhân là một chuyển mạch hoạt động đóng/ngắt theo chu kỳ Ts.
n
t
Phiên bản được mẫu hóa s(n)
Tín hiệu gốc s(t)
Ts
Hình 1.3
Mô hình hóa quá trình lấy mẫu
Chuyển đổi AD/DA
Chuyển đổi AD là quá trình số hóa tín hiệu liên tục. Nói cách khác, đây là quá trình chuyển
đổi tín hiệu liên tục s(t) thành tín hiệu số tương ứng. Thông thường, trong các hệ thống điện tử,
quá trình này bao gồm ba công đoạn: Trước tiên là công đoạn rời rạc hóa tín hiệu về mặt thời
gian. Kế tiếp là công đoạn làm tròn các giá trị đã lấy mẫu thành các giá trị mới thuộc một tập hữu
hạn; công đoạn này còn gọi là công đoạn lượng tử hóa. Cuối cùng, tùy thuộc vào hệ thống số
được sử dụng mà các giá trị đã được lượng tử hóa sẽ được mã hóa tương thích với thiết bị xử lý
và môi trường truyền dẫn.
Ngược lại quá trình chuyển đổi AD là quá trình chuyển đổi DA. Đây là quá trình phục hồi
tín hiệu liên tục s(t) từ tín hiệu số tương ứng.
Xử lý tín hiệu
Xử lý tín hiệu là một khái niệm rộng để chỉ các quá trình biến đổi, phân tích, tổng hợp tín
hiệu nhằm đưa ra các thông tin phục vụ cho các mục đích khác nhau. Các hệ thống khuếch đại và
7
Chương 1: Các khái niệm và nguyên lý cơ bản của lý thuyết mạch
chọn lọc tín hiệu; Các hệ thống điều chế và giải điều chế tín hiệu; các hệ thống phân tích, nhận
dạng và tổng hợp thông tin phục vụ các lĩnh vực an ninh-quốc phòng, chẩn đoán bệnh, dự báo thời
tiết hoặc động đất... là những thí dụ điển hình về xử lý tín hiệu.
Mạch điện
C
Sự tạo ra, tiếp thu và xử lý tín hiệu là những
quá trình phức tạp xảy ra trong các thiết bị & hệ
+E
thống khác nhau. Việc phân tích trực tiếp các thiết
R
Uv
-
+
Ura
bị và hệ thống điện thường gặp một số khó khăn
nhất định. Vì vậy, về mặt lý thuyết, các hệ thống
điện thường được biểu diễn thông qua một mô hình
thay thế.
-E
0
Hình 1.4
Trên quan điểm hệ thống, mạch điện là mô
hình toán học chính xác hoặc gần đúng của một hệ
thống điện, nhằm thực hiện một toán tử nào đó lên
Mạch tích phân
các tác động ở đầu vào, nhằm tạo ra các đáp ứng mong muốn ở đầu ra. Mô hình đó thường được
đặc trưng bởi một hệ phương trình mô tả mối quan hệ giữa các tín hiệu xuất hiện bên trong hệ
thống. Trong miền thời gian, các hệ thống mạch liên tục được đặc trưng bởi một hệ phương trình
vi tích phân, còn các hệ thống mạch rời rạc được đặc trưng bởi một hệ phương trình sai phân.
Về mặt vật lý, mạch điện là một mô hình tương đương biểu diển sự kết nối các thông số và
các phần tử của hệ thống theo một trật tự logic nhất định nhằm tạo và biến đổi tín hiệu. Mô hình
đó phải phản ánh chính xác nhất & cho phép phân tích được các hiện tượng vật lý xảy ra, đồng
thời là cơ sở để tính toán & thiết kế hệ thống. Thí dụ hình 1.4 là mô hình một mạch điện liên tục
u = k u dt
thực hiện toán tử tích phân, trong đó mối quan hệ vào/ra thỏa mãn đẳng thức:
.
ra
v
∫
Hình 1.5 là một trong những mô hình tương đương của biến áp thường. Trong mô hình
tương đương của phần tử này có sự có mặt của các thông
M
số điện trở R, điện cảm L và hỗ cảm M. Những thông số
R1
R2
*
*
đó đặc trưng cho những tính chất vật lý khác nhau cùng
tồn tại trên phần tử này và sự phát huy tác dụng của chúng
phụ thuộc vào các điều kiện làm việc khác nhau.
U1
U2
L1
L2
Cần phân biệt sự khác nhau của hai khái niệm phần
tử và thông số. Phần tử (trong tài liệu này) là mô hình vật
lý của các vật liệu linh kiện cụ thể như dây dẫn, tụ điện,
cuộn dây, biến áp, diode, transistor... Thông số là đại
lượng vật lý đặc trưng cho tính chất của phần tử. Một phần
Hình 1.5
Một mô hình tương
đương của biến áp
thường
tử có thể có nhiều thông số. Về mặt điện, vẽ mạch tương đương của các phần tử có nghĩa là biểu
diễn các tính chất về điện của phần tử đó thông qua các thông số e, i, r, C, L, M, Z, Y ... nối với
nhau theo một cách nào đó. Cuối cùng để biểu diễn cách đấu nối tiếp nhiều thông số người ta vẽ
các ký hiệu của chúng đầu nọ nối với đầu kia tạo thành một chuỗi liên tiếp, còn trong cách đấu nối
song song thì các cặp đầu tương ứng được nối với nhau. Trong sơ đồ mạch điện các đoạn liền nét
nối các ký hiệu thông số đặc trưng cho các dây nối có tính chất dẫn điện lý tưởng.
8
Chương 1: Các khái niệm và nguyên lý cơ bản của lý thuyết mạch
Cũng nên lưu ý, về mặt hình thức, sơ đồ mạch điện trong lý thuyết mạch khác với sơ đồ chi
tiết của một thiết bị. Sơ đồ mạch điện (trong lý thuyết mạch) là một phương tiện lý thuyết cho
phép biểu diễn và phân tích hệ thống thông qua các thông số và các phần tử hợp thành, còn sơ đồ
chi tiết của thết bị là một phương tiện kỹ thuật biểu diễn sự ghép nối các linh kiện của thiết bị
thông qua các ký hiệu của các linh kiện đó.
Mạch tương tự & mạch rời rạc
Xét trên phương diện xử lý tín hiệu thì các hệ thống mạch là mô hình tạo và biến đổi tín
hiệu chủ yếu thông qua ba con đường, đó là:
- Xử lý tín hiệu bằng mạch tương tự (analog circuits).
- Xử lý tín hiệu bằng mạch rời rạc (discrete circuits).
- Xử lý tín hiệu bằng mạch số (digital circuits), gọi là xử lý số tín hiệu.
Như vậy, cách thức xử lý tín hiệu sẽ qui định tính chất và kết cấu của các hệ thống mạch.
Trên hình 1.6 là sự phân loại mạch điện xử lý tín hiệu liên tục.
Tín hiệu liên tục
xa(t)
x’a(t)
Mạch tương tự
tín hiệu rời rạc
Mạch rời rạc
Mạch lấy
mẫu
Mạch khôi
phục
Mạch số
ADC
DAC
tín hiệu số
Hình 1.6
Các hệ thống mạch điện xử lý tín hiệu liên tục
Ghi chú: ADC - Analog to Digital Converter: mạch chuyển đổi tương tự - số. DAC - Digital
to Analog Converter: mạch chuyển đổi số - tương tự.
Mạch có thông số tập trung & mạch có thông số phân bố
Một hệ thống mạch được cấu thành từ phần lớn các phần tử mạch tuyến tính & không tuyến
tính. Trong đó, mạch tuyến tính lại được chia thành mạch có thông số phân bố (như dây dẫn, ống
dẫn sóng, dụng cụ phát năng lượng...) và mạch có thông số tập trung.
Ở dải tần số thấp, khi kích thước của các phần tử cũng như khoảng cách vật lý từ phần tử
này tới các phần tử lân cận là rất nhỏ so với bước sóng của tín hiệu, các mạch điện được phân tích
như tập hợp các thông số tập trung. Lúc này khái niệm dòng dịch trong hệ phương trình Maxwell
9
Chương 1: Các khái niệm và nguyên lý cơ bản của lý thuyết mạch
là không đáng kể so với dòng dẫn (dòng chuyển động có hướng của các điện tích trong dây dẫn và
các phần tử mạch, quy ước chảy trên tải từ điểm có điện thế cao đến điểm có điện thế thấp),
những biến thiên của từ trường và điện trường trong không gian có thể bỏ qua được.
Ở tần số rất cao, kích thước của các phần tử cũng như khoảng cách vật lý từ phần tử này tới
các phần tử lân cận có thể so sánh với bước sóng của tín hiệu truyền lan, các mạch điện được xem
như có thông số phân bố. Lúc này năng lượng từ trường tích trữ được liên kết với điện cảm phân
bố trong cấu trúc, năng lượng điện trường tích trữ được liên kết với điện dung phân bố, và sự tổn
hao năng lượng được liên kết với điện trở phân bố trong cấu trúc. Lúc này khái niệm dòng dịch
(những biến thiên của từ trường và điện trường phân bố trong không gian) trở nên có ý nghĩa.
Nhiều trường hợp các vi mạch được coi là có các tham số phân bố dù nó làm việc ở dải tần thấp vì
giới hạn kích thước của nó.
Các trạng thái hoạt động của mạch
Khi mạch ở trạng thái làm việc cân bằng & ổn định, ta nói rằng mạch đang ở Trạng thái xác
lập. Khi trong mạch xảy ra đột biến, thường gặp khi đóng/ngắt mạch hoặc nguồn tác động có
dạng xung, trong mạch sẽ xảy ra quá trình thiết lập lại sự cân bằng mới, lúc này mạch ở Trạng
thái quá độ.
R2
R1
Xét mạch điện như hình 1.7. nguồn tác
động là một chiều hoặc điều hòa. Ban đầu khóa
K hở, mạch ở trạng thái xác lập (ổn định). Khi
khóa K đóng, trong mạch sẽ xảy ra quá trình
quá độ để thiết lập lại trạng thái xác lập mới.
Quá trình quá độ là nhanh hay chậm tùy thuộc
vào các thông số nội tại của mạch.
K
C
R3
e(t)
Hình 1.7
Mạch điện có khóa đóng ngắt
Các bài toán mạch
Có hai lớp bài toán về mạch điện: phân
tích và tổng hợp mạch. Phân tích mạch có thể hiểu ở hai góc độ, với một kết cấu hệ thống sẵn có
thì:
+ Các quá trình năng lượng trong mạch, quan hệ điện áp & dòng điện trên các phần tử xảy
ra như thế nào? Nguyên lý hoạt động của mạch ra sao? Đây là các vấn đề của lý thuyết mạch
thuần tuý.
+ Ứng với mỗi tác động ở đầu vào, chúng ta cần phải xác định đáp ứng ra của hệ thống
trong miền thời gian cũng như trong miền tần số là gì? Quá trình biến đổi tín hiệu khi đi qua mạch
ra sao?
Ngược lại, tổng hợp mạch là chúng ta phải xác định kết cấu hệ thống sao cho ứng với mỗi
tác động ở đầu vào sẽ tương ứng với một đáp ứng mong muốn ở đầu ra thỏa mãn các yêu cầu về
kinh tế và kỹ thuật. Chú ý rằng phân tích mạch là bài toán đơn trị, còn tổng hợp mạch là bài toán
đa trị.
1.2 CÁC THÔNG SỐ TÁC ĐỘNG VÀ THỤ ĐỘNG CỦA MẠCH
10
Chương 1: Các khái niệm và nguyên lý cơ bản của lý thuyết mạch
Như phần trên đã nêu, để biểu diễn hệ thống phải xác định được các thông số của nó. Có hai
loại thông số cơ bản là thông số tác động và thông số thụ động.
i(t)
Xét dưới góc độ năng lượng, một phần tử (hình 1.8), nếu
dòng điện trong phần tử là i(t) và điện áp trên nó là u(t) thì công
Phần tử
u(t)
suất tức thời trên phần tử tại thời điểm t là:
. Trong
p(t) = u(t).i(t)
khoảng thời gian T = t2 – t1, năng lượng có trên phần tử là:
t 2
.
WT = p(t)dt
∫
Hình 1.8
t1
+ Nếu u(t) và i(t) ngược chiều thì p(t) có giá trị âm, thì tại thời điểm t phần tử cung cấp
năng lượng, nghĩa là nó có chứa các thông số tác động (thông số tạo nguồn).
+ Nếu u(t) và i(t) cùng chiều thì p(t) có giá trị dương, tức tại thời điểm t phần tử nhận năng
lượng. Lượng năng lượng nhận được đó có thể được tích luỹ tồn tại dưới dạng năng lượng điện
trường hay năng lượng từ trường, mà cũng có thể bị tiêu tán dưới dạng nhiệt hoặc dạng bức xạ
điện từ. Đặc trưng cho sự tiêu tán và tích luỹ năng lượng đó là các thông số thụ động của phần tử.
1.2.1 Các thông số thụ động cuả mạch điện
-Xét về mặt phản ứng của phần tử khi chịu tác động kích thích, các thông số thụ động đặc trưng
cho phản ứng thụ động của phần tử đối với tác động kích thích của nguồn và thể hiện qua mối
quan hệ giữa điện áp và dòng điện chạy trong nó. Người ta
r
phân các thông số thụ động này thành hai loại thông số quán
tính và thông số không quán tính.
r
i(t)
a. Thông số không quán tính (điện trở):
Thông số không quán tính đặc trưng cho tính chất của phần tử
khi điện áp và dòng điện trên nó tỉ lệ trực tiếp với nhau. Nó
được gọi là điện trở (r), thường có hai kiểu kí hiệu như hình 1.9
và thỏa mãn đẳng thức:
u(t)
Hình 1.9
Kí hiệu điện trở
u(t) = r.i(t)
1
hay
i(t) = u(t) = g.u(t)
(1.3)
r
1
r có thứ nguyên vôn/ampe, đo bằng đơn vị ôm (Ω). Thông số g= gọi là điện dẫn, có thứ nguyên
r
1/Ω, đơn vị là Simen(S).
Về mặt thời gian, dòng điện và điện áp trên phần tử thuần trở là trùng pha nên năng lượng nhận
được trên phần tử thuần trở là luôn luôn dương, r đặc trưng cho sự tiêu tán năng lượng dưới dạng
nhiệt.
b. Các thông số quán tính:
Các thông số quán tính trong mạch gồm có điện dung, điện
cảm và hỗ cảm.
i(t)
C
11
u(t)
Hình 1.10
Kí hiệu điện dung
Chương 1: Các khái niệm và nguyên lý cơ bản của lý thuyết mạch
- Thông số điện dung (C):
Điện dung là thông số đặc trưng cho tính chất của phần tử khi dòng điện trong nó tỉ lệ với tốc độ
biến thiên của điện áp, có thứ nguyên ampe.giây/vôn, đo bằng đơn vị fara (F), kí hiệu như hình
1.10 và được xác định theo công thức:
du(t)
i(t) = C
(1.4)
(1.5)
dt
1
q(t)
hay
u(t) =
i(t)dt =
∫
C
C
trong đó q(t) = i(t)dt là điện tích tích luỹ được trên phần tử ở thời điểm t.
∫
và năng lượng tích luỹ trên C:
du
1
WE = p(t)dt = C. .u(t).dt = Cu2
(1.6)
∫
∫
dt
2
Xét về mặt năng lượng, thông số C đặc trưng cho sự tích luỹ năng lượng điện trường, thông số
này không gây đột biến điện áp trên phần tử và thuộc loại thông số quán tính . Xét về mặt thời
gian điện áp trên phần tử thuần dung chậm pha so với dòng
L
i(t)
điện là π/2.
- Thông số điện cảm (L):
u(t)
Điện cảm đặc trưng cho tính chất của phần tử khi điện áp
trên nó tỉ lệ với tốc độ biến thiên của dòng điện, có thứ
nguyên vôn x giây/ampe, đo bằng đơn vị hery(H), kí hiệu
như hình 1.11 và được xác định theo công thức:
Hình 1.11
Kí hiệu điện cảm
di(t)
u(t) = L
dt
(1.7)
(1.8)
1
hay
i(t) =
u(t)dt
∫
L
và năng lượng tích luỹ trên L:
di
1
WH = L i(t)dt = Li2
(1.9)
∫
dt
2
Xét về mặt năng lượng, thông số L đặc trưng cho sự tích luỹ năng lượng từ trường, thông số này
không gây đột biến dòng điện trên phần tử và thuộc loại
i1
i2
M
thông số quán tính. Xét về mặt thời gian, điện áp trên
phần tử thuần cảm nhanh pha so với dòng điện là π/2.
u1
u2
-Thông số hỗ cảm (M):
L1
L2
Hỗ cảm là thông số có cùng bản chất vật lý với điện cảm,
nhưng nó đặc trưng cho sự ảnh hưởng qua lại của hai phần
Hình 1.12
Hai cuộn dây có ghép hỗ cảm
12
Chương 1: Các khái niệm và nguyên lý cơ bản của lý thuyết mạch
tử đặt gần nhau khi có dòng điện chạy trong chúng, nối hoặc không nối về điện. Ví dụ như trên
hình 1.12 ta thấy dòng điện i1 chạy trong phần tử điện cảm thứ nhất sẽ gây ra trên phần tử thứ hai
một điện áp hỗ cảm là:
di
1
u
= M
(1.10)
21
dt
Ngược lại, dòng điện i2 chạy trong phần tử điện cảm thứ hai sẽ gây ra trên phần tử thứ nhất một
điện áp hỗ cảm là:
di
2
u
= M
(1.11)
12
dt
Như vậy do tác dụng đồng thời của các thông số điện cảm và hỗ cảm, trên mỗi phần tử sẽ có
tương ứng một điện áp tự cảm và một điện áp hỗ cảm. Tổng hợp ta có hệ phương trình:
di
di
1
2
u = L
± M
(1.12)
(1.13)
1
1
dt
dt
di
di
1
2
u = ±M
+ L
2
2
dt
dt
trong đó M = k L1L2 (k là hệ số ghép, thường có giá trị nhỏ hơn 1). Nếu các dòng điện cùng
chảy vào hoặc cùng chảy ra khỏi các đầu cùng tên thì điện áp hỗ cảm lấy dấu ‘+’, nếu ngược lại
lấy dấu ‘-’. Trong các sơ đồ, các đầu cùng tên thường được ký hiệu bằng các dấu *.
c. Thông số cuả các phần tử mắc nối tiếp và song song:
Trong trường hợp có một số các phần tử cùng loại mắc nối tiếp hoặc song song với nhau thì các
thông số được tính theo các công thức ghi trong bảng 1.1.
Cách mắc
nối tiếp
Thông số điện trở
r =
Thông số điện cảm
Thông số điện dung
1
1
r
L =
L
k
∑
∑
k
=
∑
k
k
C
Ck
k
song song
1
1
1
1
C =
C
k
∑
=
=
∑
∑
k
r
rk
L
Lk
k
k
Bảng 1.1: Thông số cuả các phần tử mắc nối tiếp và song song
1.2.2 Các thông số tác động cuả mạch điện
Thông số tác động còn gọi là thông số tạo nguồn, nó đặc trưng cho phần tử có khả năng tự nó
(hoặc khi nó được kích thích bởi các tác nhân không điện bên ngoài) có thể tạo ra và cung cấp
năng lượng điện tác động tới các cấu kiện khác của mạch, phần tử đó gọi là nguồn điện. Thông số
tác động đặc trưng cho nguồn có thể là:
13
Chương 1: Các khái niệm và nguyên lý cơ bản của lý thuyết mạch
+ Sức điện động của nguồn (eng): một đại lượng vật lý có giá trị là điện áp hở mạch của nguồn, đo
bằng đơn vị “vôn” và được ký hiệu là V.
+ Dòng điện nguồn (ing): một đại lượng vật lý có giá trị là dòng điện ngắn mạch của nguồn, đo
bằng đơn vị “ampe” và được ký hiệu là A.
1.2.3 Mô hình nguồn điện
Sự xác định các thông số tạo nguồn dẫn đến sự phân loại nguồn tác động thành hai loại sau:
+ Nguồn điện áp, bao gồm nguồn áp độc lập & nguồn áp phụ thuộc (tức là nguồn áp có điều
khiển).
+ Nguồn dòng điện, bao gồm nguồn dòng độc lập & nguồn dòng phụ thuộc (tức là nguồn dòng có
điều khiển).
Nguồn điện lý tưởng là không có tổn hao năng lượng. Nhưng trong thực tế phải tính đến tổn hao,
có nghĩa là còn phải tính đến sự tồn tại nội trở trong của nguồn (Rng).
Trong tài liệu này, qui ước chiều dương sức điện động của nguồn ngược lại với chiều dương dòng
điện chạy trong nguồn.
a. Nguồn độc lập
•
Nguồn áp độc lập: ký hiệu nguồn áp độc lập có hai kiểu như hình 1.13.
Ri
Ri
Ri
a
-
-
eng
eng
Rt
Eng
b
Hình 1.13
Hình 1.14
Nguồn áp độc lập
Nguồn áp nối với tải
Bây giờ ta xét điện áp mà nguồn này cung cấp cho mạch ngoài (hình 1.14):
Eng
Uab =
Rt
(1.14)
Ri + Rt
(công thức phân áp trên các phần tử mắc nối tiếp)
Như vậy ta thấy rằng trong trường hợp nguồn áp lý tưởng, tức nội trở nguồn bằng không, điện áp
mà nguồn cung cấp cho mạch ngoài sẽ không phụ thuộc vào tải.
•
Nguồn dòng độc lập: ký hiệu nguồn dòng độc lập có hai kiểu như hình 1.15.
Iab
a
Ing
Ing
Ri
Rt
Ing
Ri
Ri
14
b
Hình 1.15
Hình 1.16
Chương 1: Các khái niệm và nguyên lý cơ bản của lý thuyết mạch
Bây giờ ta xét dòng điện mà nguồn này cung cấp cho mạch ngoài (hình 1.16):
Ing
Iab
=
Ri
(1.15)
Ri + Rt
(công thức phân dòng trên các phần tử mắc song song)
Như vậy ta thấy rằng trong trường hợp nguồn dòng lý tưởng, tức nội trở nguồn bằng vô hạn, dòng
điện mà nguồn cung cấp cho mạch ngoài sẽ không phụ thuộc vào tải.
Trong các ứng dụng cụ thể, các nguồn tác động có thể được ký hiệu một cách rõ ràng hơn như
nguồn một chiều, nguồn xoay chiều, nguồn xung... Cũng cần chú ý rằng, trừ trường hợp nguồn lý
tưởng, nguồn áp có thể chuyển đổi thành nguồn dòng và ngược lại. Bạn đọc hoàn toàn có thể tự
minh chứng điều này.
R2
I1
I2
b. Nguồn phụ thuộc
U1
U2
R1
Eng
Nguồn phụ thuộc còn được gọi là nguồn có điều
khiển và nó được phân thành các loại sau:
+ Nguồn áp được điều khiển bằng áp (A-A),
biểu diễn trong hình 1.17. Trong đó Sức điện
động của nguồn Eng liên hệ với điện áp điều
khiển U1 theo công thức:
Nguồn A-A
Hình 1.17
Eng =kU1
( k là hệ số tỷ lệ )
Trong trường hợp lý tưởng thì R1=∞, R2=0 và khi
(1.16)
R2
I1
I2
đó I1=0, U2 =Eng = KU1.
U1
U2
R1
Eng
+ Nguồn áp được điều khiển bằng dòng (A-D),
biểu diễn trong hình 1.18. Trong đó suất điện
động của nguồn Eng liên hệ với dòng điện điều
khiển I1 theo công thức:
Nguồn A-D
Hình 1.18
Eng =rI1
(1.17)
( r là hệ số tỷ lệ )
Trong trường hợp lý tưởng thì R1=0, R2=0, khi
đó U1 =0 và U2 =Eng = rI1.
I1
I2
U1
U2
R1
Ing
R2
15
Nguồn D-A
Hình 1.19
Chương 1: Các khái niệm và nguyên lý cơ bản của lý thuyết mạch
+ Nguồn dòng được điều khiển bằng áp (D-A), biểu diễn trong hình 1.19. Trong đó dòng điện
nguồn Ing liên hệ với điện áp điều khiển U1 theo công thức:
Ing =gU1
(1.18)
( g là hệ số tỷ lệ )
Trong trường hợp lý tưởng thì R1=∞, R2=∞ và khi
I1
I2
đó I1=0, ⏐I2⏐ =Ing = gU1.
U1
+ Nguồn dòng được điều khiển bằng dòng (D-D),
biểu diễn trong hình 1.20. Trong đó dòng điện
nguồn Ing liên hệ với dòng điều khiển I1 theo công
thức:
U2
R1
Ing
R2
Nguồn D-D
Hình 1.20
Ing =αI1
(1.19)
( α là hệ số tỷ lệ )
Trong trường hợp lý tưởng thì R1=0, R2=∞ và khi đó U1 =0, ⏐I2⏐ =Ing =αI1.
Zra
P
I2
ΔU
P
+
A
Zvao
Ura
I1
A.(UP –UN)
N
Ura
-
N
(b)
(a)
Hình 1.21
Ký hiệu và mô hình tương đương của KĐTT
-Trong thực tế thường quy các phần tử tích cực về các loại nguồn có điều khiển. Thí dụ, phần tử
khuếch đại thuật toán, ký hiệu và mô hình tương đương của nó được mô tả thành nguồn áp được
điều khiển bằng áp như hình 1.21, trong đó A là hệ số khuếch đại vòng hở của phần tử này. Còn
với transistor, ở miền tín hiệu nhỏ và tần số thấp, người ta hay dùng sơ đồ tương đương vật lý
như hình 1.22. Trong sơ đồ này có nguồn dòng phụ thuộc αIE . Các điện trở trên sơ đồ là các điện
trở vi phân của các thành phần dòng xoay chiều có biên độ nhỏ đảm bảo đoạn làm việc tuyến
tính, và được xác định bởi hệ đặc tuyến vào/ ra của transistor.
αIE
rE
I1=IE
I2=-IC
C
E
E
C
rC
U2
U1
rB
B
B
16
Hình 1.22: Mô hình tương đương vật lý của transistor
Chương 1: Các khái niệm và nguyên lý cơ bản của lý thuyết mạch
Tương tự như các nguồn độc lập, các loại nguồn có điều khiển cũng có thể chuyển đổi lẫn nhau.
Khi phân tích mạch điện trên máy tính, thường sử dụng dạng nguồn D-A làm chuẩn. Vì vậy
những loại nguồn còn lại khi cần phải chuyển về dạng D-A theo yêu cầu.
1.3 BIỂU DIỄN MẠCH TRONG MIỀN TẦN SỐ
Trong các phương pháp phân tích mạch điện, có một phương pháp rất có hiệu quả dựa trên cách
biểu diễn phức, vì vậy trước khi bước vào phần này sinh viên cần nắm chắc các kiến thức toán về
số phức.
x(t)
1.3.1 Cách biểu diễn phức các tác động điều hoà
Xm
Theo lý thuyết chuỗi và tích phân Fourier, các tín hiệu ngẫu
nhiên theo thời gian và hữu hạn về biên độ đều có thể phân tích
t
thành các các thành phần dao động điều hoà. Bởi vậy việc phân
tích sự hoạt động của mạch, đặc biệt là mạch tuyến tính, dưới
tác động bất kỳ, có thể được quy về việc phân tích phản ứng
của mạch dưới các tác động điều hòa.
Hình 1.23
Ở một góc độ khác, xuất phát từ công thức của nhà toán học
Euler:
exp(jϕ) = cosϕ + jsinϕ
(1.20)
bất kỳ một dao động điều hoà x(t) trong miền thời gian với biên độ Xm , tần số góc
2π
ω=
[rad / s], và pha đầu là ϕ0[rad] (hình 1.23), đều có thể biểu diễn dưới dạng phức trong miền
T
tần số:
G
G
X = Xm .exp( jωt +ϕ0 ) = X m .exp( jωt)
(1.21)
trong đó biên độ phức của x(t) được định nghĩa:
G
Xm = Xm .exp( jϕ0 )
(1.22)
G
Thí dụ, một nguồn sức điện động điều hoà có biểu diễn phức E =Emexp[j(ωt + ϕu)], thì biểu thức
thời gian của nó sẽ là:
G
e(t) =Emsin(ωt + ϕu) ⇔ Im[ E ]
G
hoặc
e(t) =Emcos(ωt + ϕu) ⇔ Re[ E ]
Việc phân tích nguồn tác động thành các thành phần điều hoà và biểu diễn chúng dưới dạng phức
làm cho sự tính toán các thông số trong mạch điện trở nên thuận lợi dựa trên các phép toán về số
phức. Đặc biệt khi các nguồn tác động là điều hòa có cùng tần số, thì thành phần exp(jωt) trở nên
17
Chương 1: Các khái niệm và nguyên lý cơ bản của lý thuyết mạch
không còn cần thiết phải viết trong các biểu thức tính toán nữa, lúc này biên độ phức hoàn toàn
đặc trưng cho các thành phần dòng và áp trong mạch.
1.3.2 Trở kháng và dẫn nạp
Bây giờ hãy nói đến định luật ôm tổng quát viết dưới dạng phức:
G
G
U = Z.I
(1.23)
(1.24)
G
G
G
1
hay
I = U = Y.U
Z
trong đó Z chính là một toán tử có nhiệm vụ biến đổi dòng điện phức thành điện áp phức và gọi là
1
trở kháng của mạch, đơn vị đo bằng ôm (Ω), còn Y = là một toán tử có nhiệm vụ biến đổi điện
Z
áp phức thành dòng điện phức và gọi là dẫn nạp của mạch, đơn vị đo bằng Siemen (S). Chúng
được biểu diễn dưới dạng phức:
Z =R + jX = Z exp( j argZ) = Z exp( jϕZ )
(1.25)
(1.26)
Y =G + jB = Y exp( j argY) = Y exp( jϕY )
trong đó R là điện trở, X là điện kháng, G là điện dẫn và B là điện nạp.
Mặt khác:
G
U exp[ j(ωt + ϕ )]
U
I
U
m
u
m
m
G
Z =
=
=
=
exp[ j(ϕ − ϕ )]
(1.27)
(1.28)
u
i
I
I exp[ j(ωt + ϕ )]
m
i
m
G
I exp[j( ωt + ϕ )]
I
I
m
m
i
m
Y = G =
exp[j( ϕ − ϕ )]
u
i
U
exp[j( ωt + ϕ )]
U
U
u
Như vậy, từ các biểu thức trên ta có thể rút ra:
U
X
2
2
m
Z = R + X =
;
ϕ = arg Z = arctg = ϕ − ϕ
(1.29)
(1.30)
Z
u
i
I
R
m
I
2
2
m
B
G
và: Y = G + B =
;
ϕ Y = arg Y = arctg
= ϕ − ϕ = −ϕ Z
u
i
U
m
Sau đây ta xét trở kháng và dẫn nạp của các phần tử lý tưởng tương ứng với các tham số thụ động:
-Đối với phần tử thuần trở:
G
G
G
U = Z .I = r.I
r
r
vậy
Zr =r
và Yr =1/r
(1.31)
-Đối với phần tử thuần dung:
18
Chương 1: Các khái niệm và nguyên lý cơ bản của lý thuyết mạch
G
G
G
G
1
1
1
1
U =
Idt =
I exp[j(ωt + ϕ)]dt =
I exp[j(ωt + ϕ)] =
I = Z I
C
∫
∫
C
m
m
C
C
jωC
jωC
1
vậy
Z =
= − j X
(1.32)
c
C
jωC
YC = jωC =jBC
(1.33)
(1.34)
1
trong đó
;
BC = ωC
XC
=
ωC
-Đối với phần tử thuần cảm:
G
d I exp[ j(ωt + ϕ)]
G
G
G
{
}
di
dt
m
U = L
= L
= jωLI exp[ j(ωt + ϕ)] = jωLI = Z I
L
m
L
dt
vậy
ZL = jωL = jXL
(1.35)
(1.36)
1
Y =
= − j B
L
jωL
L
1
trong đó
XL =ωL ;
B =
(1.37)
L
ωL
Như vậy nhờ có cách biểu diễn phức, ta đã thay thế các phép lấy đạo hàm bằng toán tử nhân p,
còn phép lấy tích phân được thay thế bằng toán tử nhân 1/p (trong trường hợp cụ thể này thì
p=jω). Tổng quát hơn, với p là một biến nằm trên mặt phẳng phức, sẽ được đề cập chi tiết trong
các chương sau.
Z1
Z2
Zn
-Trở kháng tương đương của nhiều phần tử:
+Trường hợp mắc nối tiếp (hình 1.24):
a
b
Hình 1.24
U = I.Z = I
Z
k
∑
ab
ab
k
vậy
Z =
Z
(1.38)
Y1
∑
ab
k
k
Y2
a
+Trường hợp mắc song song (hình 1.25):
Yn
I = U.Y =
U Y = U
Y
∑
∑
ab
ab
k
k
k
k
k
Hình 1.25
vậy
Y =
Y
(1.39)
∑
ab
k
k
Trở kháng và dẫn nạp của các phần tử mắc nối tiếp và song song cho trong bảng 1.2.
Cách mắc
Trở kháng
Dẫn nạp
19
Chương 1: Các khái niệm và nguyên lý cơ bản của lý thuyết mạch
nối tiếp
1
1
Z =
Z
k
∑
td
=
∑
k
Y
Yk
k
td
song song
1
1
Y =
Y
∑
td
k
=
∑
k
Ztd
Zk
k
Bảng 1.2: Trở kháng và dẫn nạp của các phần tử mắc nối tiếp và song song .
1.3.3 Đặc trưng của mạch điện trong miền tần số
Khi phức hóa mạch điện sang miền tần số, tất cả các thông số của mạch đều được phức hóa. Mạch
được đặc trưng bởi dòng điện phức, điện áp phức và các thành phần trở kháng hay dẫn nạp tương
ứng với các thông số thụ động của mạch.
Ý nghĩa của việc phức hóa mạch điện liên tục trong miền thời gian (còn gọi là mạch điện truyền
thống) chính là chuyển các hệ phương trình vi tích phân thành hệ phương trình đại số (trong miền
tần số).
1.4 CÁC YẾU TỐ HÌNH HỌC CỦA MẠCH
Một khi mạch tương đương của một hệ thống đã được xây dựng, việc phân tích nó được tiến hành
dựa trên một số các định luật cơ bản và các định luật này lại đưọc xây dựng theo các yếu tố hình
học của sơ đồ mạch. Đây là những khái niệm mang tính chất hình học, tạo cơ sở cho việc phân
tích mạch được thuận tiện, chúng bao gồm:
+ Nhánh: là phần mạch gồm các phần tử mắc nối tiếp trong đó có cùng một dòng điện chảy từ
một đầu tới đầu còn lại của nhánh.
+ Nút: là giao điểm của các nhánh mạch.
+ Cây: là phần mạch bao gồm một số nhánh đi qua toàn bộ các nút, nhưng không tạo thành vòng
kín. Xét một cây cụ thể, nhánh thuộc cây đang xét gọi là nhánh cây và nhánh không thuộc cây gọi
là nhánh bù cây.
+ Vòng: bao gồm các nhánh và các nút tạo thành một vòng khép kín. Vòng cơ bản (ứng với một
cây) là vòng chỉ chứa một nhánh bù cây. Nếu mạch điện có số nhánh Nnh, số nút Nn, ứng với một
cây có số nhánh bù cây là Nb và số vòng cơ bản là Nv thì ta có:
Nb = NV = Nnh - Nn + 1
(1.40)
V3
Z6
Z6
Z2
Z4
Z2
Z4
B
B
C
C
A
A
Z5
Z5
Z3
Z1
Z3
Z1
O
O
20
V1
V4
V2
Hình 1.26
Tải về để xem bản đầy đủ
204 trang
23520
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Lý thuyết mạch (Mới)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_ly_thuyet_mach_moi.pdf
