Giáo trình Kỹ thuật điện - Điện tử ô tô - Nghề: Cơ khí ô tô
CỤC HÀNG HẢI VIỆT NAM
TRƯỜNG CAO ĐĂNG HÀNG HẢI I
GIÁO TRÌNH
MÔN HỌC: KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN
TỬ Ô TÔ
NGHỀ: CƠ KHÍ Ô TÔ
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
Ban hành kèm theo Quyết định số ...... QĐ/ ngày .....tháng......năm....của..)
Hải Phòng, năm 2018
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được
phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
2
LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình “Kỹ thuật điện-điện tử ô tô” được biên soạn trên cơ sở đề cương
chi tiết môn học “Kỹ thuật điện-điện tử ô tô” dùng cho sinh viên các chuyên ngành
cơ khí ô tô Trường Cao đẳng Hàng Hải I.
Giáo trình cung cấp các kiến thức cơ bản về mạch điện, dòng điện điện áp
hình sin trong mạch điện, các khái niệm về điện từ, phân tích mạch điện ứng dụng
có các phần tử cơ bản. Giáo trình này có thể làm tài liệu cho giảng viên giảng dạy,
học sinh - sinh viên các trường kỹ thuật. Nội dung giáo trình môn học gồm 8
chương:
Chương 1: Khái niệm chung về mạch điện
Chương 2: Điện từ
Chương 3: Dòng điện hình sin
Chương 4: Hướng dẫn sử dụng đồng hồ đo vạn năng
Chương 5: Tính chất và mạch ứng dụng của điện trở
Chương 6: Tính chất và mạch ứng dụng của tụ điện
Chương 7: Tính chất và mạch ứng dụng của cuộn dây
Chương 8: Linh kiện điện tử bán dẫn
Tác giả bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến tập thể các thầy, cô giáo khoa
Điện - Điện tử trường Cao đẳng Hàng hải I đã động viên và đóng góp nhiều ý kiến
cho giáo trình này. Trong quá trình biên soạn giáo trình không thể tránh khỏi
những sai sót. Rất mong các thầy, cô giáo, bạn đọc đóng góp ý kiến để giáo trình
được hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về địa chỉ Khoa Điện - Điện tử
Trường Cao đẳng Hàng Hải I, số 498 Đà Nẵng - Đông Hải I - Hải An - Hải
Phòng.
Hải Phòng, ngày …. tháng …. năm 2019
Tham gia biên soạn
Chủ biên: Lê Trung Dũng
3
MỤC LỤC
Chương 1: Khái niệm chung về mạch điện........................................................................ 10
1.1. Các phần tử, cấu trúc của mạch điện .......................................................................... 10
1.1.1. Các phần tử của mạch điện ....................................................................................... 10
1.1.2. Cấu trúc của mạch điện ................................................................................................ 13
1.2. Các đại lượng cơ bản của mạch điện........................................................................... 14
1.2.1. Dòng điện i(t) ............................................................................................................... 14
1.2.2. Điện áp u(t)................................................................................................................... 14
1.2.3. Công suất p(t) ............................................................................................................... 15
1.3. Hai định luật Kirchhoff................................................................................................. 15
1.3.1. Định luật Luật Kirhof 1 ................................................................................................ 16
1.3.2. Định luật Kirhof 2 ........................................................................................................ 16
1.3.3. Số phương trình độc lập theo các luật Kirhof ......................................................... 16
CHƯƠNG 2: ĐIỆN TỪ........................................................................................................ 18
2.1. Những khái niệm chung về từ trường ......................................................................... 18
2.2. Cường độ từ cảm, từ trường, từ thông........................................................................ 21
2.2.1. Cường độ từ cảm .......................................................................................................... 21
2.2.3. Từ thông ...................................................................................................................... 23
2.3. Nguyên lý máy phát điện xoay chiều ........................................................................... 24
2.3.1. Sơ đồ cấu tạo ................................................................................................................ 24
2.3.2. Nguyên lý làm việc....................................................................................................... 24
CHƯƠNG 3: DÒNG ĐIỆN HÌNH SIN ................................................................................. 27
3.1. Khái niệm chung về dòng điện hình sin ...................................................................... 27
3.2. Trị hiệu dụng của dũng điện và điện áp...................................................................... 28
3.2.1. Trị hiệu dụng ................................................................................................................ 28
3.2.2. Điện áp.......................................................................................................................... 30
3.3. Biểu diễn hình sin bằng vector, giải một số mạch đơn giản ...................................... 30
3.3.1. Biểu diễn hình sin bằng vector ..................................................................................... 30
3.3.2. Một số bài giảng mạch điện đơn giản .......................................................................... 31
3.4. Đo công suất, hệ số công suất ....................................................................................... 32
3.4.1. Đo công suất................................................................................................................. 32
3.4.2. Hệ số công suất............................................................................................................. 34
4.1. Hướng dẫn sử dụng đồng hồ kim................................................................................. 36
4.2. Hướng dẫn sử dụng đồng hồ số.................................................................................... 40
4.3. Hướng dẫn sử dụng máy hiện sóng.............................................................................. 42
5.1. Khái niệm ....................................................................................................................... 46
2.2. Tính chất của điện trở................................................................................................... 49
5.3. Mạch ứng dụng điện trở ............................................................................................... 49
4
6.1. Khái niệm ....................................................................................................................... 52
6.2. Tính chất của tụ điện..................................................................................................... 53
6.3. Mạch ứng dụng .............................................................................................................. 58
7.1. Khái niệm ....................................................................................................................... 61
7.2. Tính chất của cuộn dây ................................................................................................. 61
7.3. Mạch ứng dụng .............................................................................................................. 64
CHƯƠNG 8: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ BÁN DẪN.............................................................. 68
8.1. Khái niệm chất bán dẫn................................................................................................ 68
8.2.1. Tiếp giáp P - N và Cấu tạo của Diode bán dẫn........................................................ 69
8.2.1. Phân cực thuận cho Diode ......................................................................................... 70
8.2.3. Phân cực ngược cho Diode......................................................................................... 71
8.3.1. Cấu tạo của Transistor.................................................................................................. 71
8.3.2. Nguyên tắc hoạt động của Transistor....................................................................... 72
8.4. Mạch ứng dụng .............................................................................................................. 73
CHƯƠNG 9: MẠCH TÍCH HỢP (IC)............................................................................... 77
9.1. Khái niệm ....................................................................................................................... 77
9.1.1. Khái niệm cơ bản về hệ đếm ........................................................................................ 77
9.1.2. Các hệ đếm thông dụng ................................................................................................ 78
9.2. Các tín hiệu Analog và Digital...................................................................................... 79
9.3. Mạch logic ...................................................................................................................... 80
9.3.1. Phần tử NOT................................................................................................................. 80
9.4. Mạch ứng dụng .............................................................................................................. 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................................................87
5
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Nguồn áp, nguồn dòng ....................................................................................................... 10
Hình 1.2. Điện trở............................................................................................................................... 11
Hình 1.3. Cuộn cảm............................................................................................................................ 11
Hình 1.4. Tụ điện................................................................................................................................ 12
Hình 1.6. Cấu trúc mạch điện............................................................................................................. 14
Hình 1.7. Dòng điện và điện áp.......................................................................................................... 14
Hình 1.8. Sơ đồ mạch điện cơ bản...................................................................................................... 15
Hình 1.9. Dòng điện tại nút ................................................................................................................ 16
Hình 2.1. Thanh nam châm tác dụng lên kim nam châm .................................................................. 18
Hình 2.2. Tác dụng của dòng điện lên kim nam châm....................................................................... 19
Hình 2.3. Đường sức từ ...................................................................................................................... 19
Hình 2.4. Xác định chiều đường sức từ trường của dây dẫn thẳng .................................................... 20
mang dòng điện .................................................................................................................................. 20
Hình 2.5. Từ trường của dòng điện trong vòng dây ........................................................................... 21
Hình 2.6. Từ trường của dòng điện trong ống dây ............................................................................. 21
Hình 2.7. Đường sức từ trường .......................................................................................................... 22
Hình 2.8. Từ thông ............................................................................................................................. 23
Hình 2.9. Nguyên tắc cấu tạo và cách tạo ra s.đ.đ xoay chiều hình sin.............................................. 24
Hình 2.10. Máy phát điện có 2p = 4................................................................................................... 26
Hình 3.1. Dòng điện hình sin.............................................................................................................. 27
Hình 3.2. Xác định trị hiệu dụng bằng hình học................................................................................. 29
Hình 3.3. Biễu diễn dòng điện hình sin.............................................................................................. 31
H×nh 3.4. Tính tổng và hiệu dòng điện hình sin ................................................................................. 32
Hình 3.5. tam giác công suất .............................................................................................................. 33
Hình 3.6. Truyền công suất ................................................................................................................ 34
Hình 3.7. Nâng cao hệ số công suất ................................................................................................... 35
Hình 4.1. Kết cấu mặt ngoài của VOM .............................................................................................. 36
Hình 4.2. Đo điện trở.......................................................................................................................... 37
Hình 4.3. Đo điện áp một chiều.......................................................................................................... 38
Hình 4.4. Đo dòng điện một chiều...................................................................................................... 39
Hình 4.5. Kiểm tra thông mạch .......................................................................................................... 39
Hình 4.6. Kiểm tra chạm vỏ ............................................................................................................... 39
kim quay mạnh, 1 lần kim không quay là điốt còn tốt. ...................................................................... 39
Hình 4.7. Kiểm tra xác định cực tính diot .......................................................................................... 40
Hình 4.8. Kiểm tra tụ điện.................................................................................................................. 40
Hình 4.9. Hình ảnh đồng hồ số........................................................................................................... 41
Hình 4.10. Thanh đo không có giảm áp ............................................................................................. 43
Hình 4.12. Cấu tạo màn hình dao động kí.......................................................................................... 44
Hình 4.13. Mặt trước của dao động kí................................................................................................ 44
Hình 4.14. Tín hiệu trên màn hình dao động kí.................................................................................. 45
Hình 5.3. Điện trở 4 vòng màu........................................................................................................... 47
Hinh 5.4. Điện trở 5 vòng màu........................................................................................................... 48
Hình 5.9. Phân cực bóng bán dẫn....................................................................................................... 51
Hình 5.10. Mạch dao động ................................................................................................................. 51
Hình 6.1. Cấu tạo tụ gốm Cấu tạo tụ hoá ........................................................................................... 52
Hình 6.4. Tính chất phóng nạp của tụ điện......................................................................................... 53
Hình 6.5. Giá trị của tụ điện ............................................................................................................... 54
6
Hình 6.6. Trị số tụ giấy, tụ gốm ......................................................................................................... 55
Hình 6.7. Tụ không phân cực ............................................................................................................. 55
Hình 6.8. Tụ phân cực ........................................................................................................................ 56
Hình 6.9. Tụ xoay............................................................................................................................... 56
Hình 6.10. Đo kiểm tra tụ gốm........................................................................................................... 57
Hình 6.11. Đo kiểm tra tụ hóa ............................................................................................................ 58
Hình 6.12. Cách mắc tụ điện .............................................................................................................. 59
Hình 6.13. Tụ hoá trong mạch lọc nguồn........................................................................................... 60
Hình 6.14. Tụ trong mạch dao động đa hài ........................................................................................ 60
Hình 7.1. Hình ảnh cuộn dây.............................................................................................................. 61
Hình 7.2. Kí hiệu cuộn dây................................................................................................................. 61
Hình 7.3. Cảm kháng của cuộn dây với dòng điện xoay chiều .......................................................... 62
Hình 7.3. Tính nạp xả của cuộn dây................................................................................................... 63
Hình 7.4. Cấu tạo và hoạt động của Loa ( Speaker ).......................................................................... 64
Hình 7.6. Rơ le ................................................................................................................................... 65
Hình 7.7. Ký hiệu của biến áp ........................................................................................................... 66
Hình 7.8. Biến áp nguồn, biến áp nguồn hình xuyến ......................................................................... 66
Hình 7.9. Biến áp xung, cao áp........................................................................................................... 67
Hình 8.4. Mối tiếp xúc P - N .............................................................................................................. 70
Hình 8.5. Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn........................................................................... 70
Hình 8.6. Phân cực thuận cho Diode.................................................................................................. 70
Hình 8.7. Phân cực ngược cho Diode................................................................................................. 71
Hình 8.8. Cấu tạo Transistor............................................................................................................... 71
Hình 8.9. Nguyên lý hoạt động của transistor.................................................................................... 72
Hình 8.10. Hình dáng và ứng dụng Diode Zener ( Dz ).................................................................... 73
Hình 8.11. Ký hiệu và hoạt động của Photo Diode............................................................................ 74
Hình 8.12. Diode phát quang LED.................................................................................................... 74
Hình 8.13. Diode biến dung ............................................................................................................... 75
Hình 8.15. Diode nắm điện................................................................................................................. 75
Hình 9.1. Ký hiệu phần tử NOT. ........................................................................................................ 80
Hình 9.2. a) Bảng trạng thái, b) giản đồ thời gian phần tử NOT...................................................... 80
Hình 9.3. Ký hiệu logic AND............................................................................................................ 81
Hình 9.4. Bảng trạng thái và giản đồ thời gian phần tử AND............................................................ 81
Hình 9.5. Ký hiệu phần tử OR............................................................................................................ 81
Hình 9.6. Bảng trạng thái và giản đồ thời gian phần tử OR............................................................... 82
Hình 9.7. Ký hiệu phần tử NAND...................................................................................................... 82
Hình 9.8. Bảng trạng thái và giản đồ thời gian phần tử NAND......................................................... 82
Hình 9.9. Ký hiệu phần tử NOR......................................................................................................... 83
Hình 9.10. Bảng trạng thái và giản đồ thời gian phần tử NOR .......................................................... 83
Hình 9.11. Hiển thị của LED 7 thanh từ 0 - 9 .................................................................................... 83
Hình 9.12. Sơ đồ logic chuyển mã BCD. LED 7 thanh...................................................................... 84
Hình 9.13. Sơ đồ mạch chuyển mã BCD. Decimal............................................................................ 85
7
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC
Tên môn học: KỸ THUẬT ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Ô TÔ
Mã môn học: MH 11
Thời gian thực hiện môn học: 30 giờ (Lý thuyết : 28 giờ, Thực hành, thí nghiệm,
thảo luận, bài tập: 0 giờ, Kiểm tra: 02 giờ)
Vị trí, tính chất của môn học:
- Vị trí:
+ Kỹ thuật Điện-Điện tử Ô tô được bố trí trong năm thứ nhất song song với
một số môn cơ sở khác.
+ Kỹ thuật Điện-Điện tử Ô tô là môn cơ sở chung của các chuyên ngành cơ
khí ô tô.
+ Môn học có thể bố trí trước hoặc sau các môn cơ sở khác và trước các mô
đun nghề.
- Tính chất: Môn học nghiên cứu các phần tử của mạch điện, các kiến thức cơ bản
về mạch điện, dòng điện điện áp hình sin trong mạch điện, các khái niệm về điện
từ, phân tích mạch điện ứng dụng có các phần tử cơ bản.
- Ý nghĩa và vai trò của môn học: Đây là môn học cơ sở ngành, cung cấp
cho người học các kiến thức về mạch điện, điện tử.
Mục tiêu môn học:
- Kiến thức
+ Trình bày được cấu tạo chung của mạch điện.
+ Trình bày được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tự
thụ động và linh kiện điện tự bán dẫn và các ứng dụng trên ô tô.
+ Vẽ và giải thích được các phần tử điện-điện tử của sơ đồ các mạch điện cơ
bản trên ô tô.
- Kỹ năng:
+ Đọc, hiểu các tài liệu chuyên nghề ô tô.
+ Phân tích, giải thích và lập luận giải quyết các vấn đề về kỹ thuật ô tô.
+ Làm việc theo nhóm, giao tiếp và khả năng đọc hiểu các tài liệu kỹ thuật.
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện tính tỉ mỉ, cẩn thận trong quá
trình xác định hình dáng, tính năng và các đặc điểm kết cấu của tàu thủy.
Nội dung giáo trình môn học gồm 8 chương:
Chương 1: Khái niệm chung về mạch điện
8
Chương 2: Điện từ
Chương 3: Dòng điện hình sin
Chương 4: Hướng dẫn sử dụng đồng hồ đo vạn năng
Chương 5: Tính chất và mạch ứng dụng của điện trở
Chương 6: Tính chất và mạch ứng dụng của tụ điện
Chương 7: Tính chất và mạch ứng dụng của cuộn dây
Chương 8: Linh kiện điện tử bán dẫn
9
CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ MẠCH ĐIỆN
Giới thiệu:
Mạch điện là một tập hợp các thiết bị điện nối với nhau bằng các dây dẫn tạo
thành những vòng kín trong có dòng điện có thể chạy qua. Mạch điện được đặc
trưng bởi các phần tử và các thông số cơ bản của mạch điện.
Mục tiêu:
- Nhận biết được kết cấu của một mạch điện, các phần tử của mạch điện.
- Vận dụng được các định luật cơ bản của mạch điện để thành lập phương
trình cho mạch điện.
Nội dung chính:
1.1. Các phần tử, cấu trúc của mạch điện
1.1.1. Các phần tử của mạch điện
Định nghĩa về mạch điện:
Mạch điện là tập hợp các thiết bị điện nối ghép với nhau bằng các dây dẫn
tạo thành những vòng kín trong đó các quá trình truyền đạt năng lượng điện từ
được thực hiện nhờ sự phân bố dòng và áp trên các nhánh
e(t)
b
Nguồn điện:
- Nguồn điện áp u(t) hay nguồn sđđ e(t):
a
a
u(t
Là thông số của mạch điện, nó đặc trưng cho khả
năng sinh ra và duy trì điện áp biến thiên theo một
quy luật nhất định ở hai đầu cực của thiết bị tạo
nguồn không phụ thuộc vào mạch ngoài,
J(t)
b
a
b
u(t
Hình 1.1. Nguồn áp, nguồn
tuỳ theo mạch ngoài mà dòng điện trong mạch
có giá trị khác nhau. Chiều dương sđđ ngược chiều với điện áp, còn chiều dương
dòng điện chạy trong nguồn phụ thuộc vào chế độ làm việc của nguồn (khi nguồn
phát năng lượng thì chiều dòng điện đi từ điện thế thấp đến điện thế cao còn khi
nguồn nhận năng lượng thì chiều dòng điện ngược lại), Ký hiệu nguồn áp như hình
1.1 a và ta có:
e(t) = - u(t)
Công suất nguồn được tính:
p(t) = e(t)i(t)
(1-1)
(1-2)
10
- Nguồn dòng điện j(t): Là thông số của mạch điện, nó đặc trưng cho khả
năng sinh ra và duy trì ở mạch ngoài một dòng điện không phụ thuộc vào mạch
ngoài, tuỳ thuộc vào mạch ngoài mà điện áp trên hai cực của nguồn có giá trị khác
nhau (giải thích khái niệm về mạch ngoài và u(t) thay đổi theo mạch ngoài).
Ký hiệu nguồn dòng như hình 1.1 b. Với ký hiệu như vậy ta có công suất nguồn
phát ra:
p(t) = u(t)j(t)
(1-3)
Chú ý: Theo các định nghĩa trên ta đễ dàng thấy rằng nguồn áp có tổng trở trong
bằng không còn nguồn dòng có tổng trở trong bằng vô cùng.
- Điện trở R: Là thông số đặc trưng riêng cho hiện tương tiêu tán trong một
nhánh, trên sơ đồ điện trở R được ký hiệu như hình 1.2, chiều dòng điện và điện áp
luôn luôn trùng nhau, theo biểu thức định luật Ôm ta có:
R
i
ur = Rir
Hoặc ir = gur
(1-4a)
(1-4b)
UR
Hình 1.2. Điện trở
Với g = 1/Rgọi là điện trở dẫn, đơn vi là Simen [S]
Nếu R = const được gọi là điện trở tuyến tính, còn nếu r const thì r là điện trở phi
tuyến.
- Công suất tiêu tán trên phẩn tử r luôn luôn lớn hơn 0:
Pr = uir = Ri2 = gu2
(1-5)
- Điện cảm L
- Khái niệm về điện cảm L: Khi cho dòng điện chạy qua một cuộn dây có số
vòng W thì ở vùng lân cận cuộn dây có một từ trường được thể hiện bằng một
thông lượng = W móc vòng qua cuộn dây (hình 1-3a) và tích luỹ một năng
lượng từ trường WM nào đó vào không gian bao quanh, khi dòng điện i tăng thì từ
thông cũng tăng. Theo định luật Lenx-Farađay ta có điện áp trên cuộn dây là:
d
dt
uL eL
(1-6)
Vì từ thông là hàm của dòng điện nên ta có thể viết:
i
diL
iL dt
diL
dt
uL
L
(1-7)
u
w
diL
Trong đó
L(iL ) gọi là điện cảm của cuộn dây
a)
L
iL
a
b
b)
11
uL
có đơn vị là Henry (H) được ký hiệu như hình 1.3b.
Trường hợp tổng quát nó là một hàm của dòng điện,
nếu L = const thì L được gọi là điện cảm tuyến tính,
còn khi L const thì L được gọi là điện cảm phi tuyến.
Điện cảm L là thông số nói lên phản ứng của từ thông dưới tác dụng của dòng điện
kích thích. Nó bằng lượng tăng của từ thông xuyên qua cuộn dây cuộn dây và cho
biết phản ứng của từ thông dưới tác dụng của dòng điện kích thích. Nó bằng lượng
tăng của từ thông xuyên qua cuộn dây khi dòng điện kích thích tăng thêm một
lượng chuẩn là 1 A
Về mặt năng lượng: Điện cảm L cũng nói lên khả năng tích lũy năng lượng từ
trường vào không gian quanh cuộn dây.
di
PM uLiL L L iL L
dt
di2L
2dt
Thật vậy, từ biểu thức tính công xuất
(1-8)
Vi phân năng lượng điện từ tích thêm vào không gian quanh cuộn dây bằng
1
dWM
di2L
dWM PMdt Ldi2L L 2
(1-9)
2
Vậy điện cảm L bằng hai lần lượng tăng năng lượng từ trường tích lũy vào
không gian quanh cuộn dây khi bình phương dòng điện tăng thêm một lượng
chuẩn là 1 A2
- Điện dung C của tụ điện
Khi đặt một điện áp u vào hai bản cực của tụ điện thì trên các bản cực của tụ
sẽ tích những điện tích q trái dấu (hình 1-6a), trong không gian giữa hai bản cực sẽ
có một điện trường và tích chứa một năng lượng điện WE, khi đện áp u tăng thì
lượng điện tích q cũng tăng, theo định lý dòng điện chuyển dịch của Măc Xoen ta
có dòng điện chạy qua tụ là:
dq
iC
(1-10)
C
i
dt
Vì q là hàm của điện áp uC nên
UC
q duC
uC dt
duC
dt
iC
C
(1-11)
Hình 1.4. Tụ điện
12
q
uC
Trong đó C(u)
gọi là điện dung của tụ điện, đơn vị là Fara (F), Ký hiệu như
hình 1-6b. Trường hợp tổng quát C(u) là hàm của điện áp C = const thì C được gọi
là điện dung tuyến tính, còn khi C const thì C được gọi là điện dung phi tuyến
C là một thông số nói lên phản ứng nạp điện của tụ dưới dưới tác dụng của điện áp
kích thích. Nó bằng lượng tăng điện tích trên các bản cực của tụ điện khi điện áp
trên nó tăng một lượng chuẩn là 1V
Về mặt năng lượng: Điện dung C nói lên khả năng tích luỹ năng lượng điện trường
vào không gian giữa hai bản cực của tụ điện
dWE
C 2
(1-12)
dt
Vậy điện dung C bằng 2 lần lượng tăng năng lượng điện trường tích luỹ vào trong
không gian giã hai bản cực của tụ điện khi bình phương điện áp tăng lên một lưởng
chuẩn là 1V2.
1.1.2. Cấu trúc của mạch điện
Để hiểu rõ về kết cấu hình học của mạch điện ta xét hai sơ đồ hình 1-5 và
hình 1-6 tương đương nhau về kết cấu hình học.
+ Nhánh: Là tập hợp các phần tử nối tiếp với nhau trong đó có cùng một
dòng điện chạy qua (mạch điện giữa 2 nút). Ví dụ: ở hình 1-5 ta có: PQ, QABC là
các nhánh; còn CD không phải là nhánh (vì không chứa phần tử nào có thể xem
điểm Cvà điểm Đ trùng nhau như hình 1-6)
+ Nút: Là điểm nối từ ba nhánh trở lên. Ví dụ: Q, P là các nút, C và D là
một nút (không phải là 2 nút vì đoạn CD không phải là một nhánh)
+ Mạch vòng: Là tập hợp các nhánh nối thành một vòng kín. Ví dụ: ABCQ,
ABCDPQA
+ Mắt lưới: Là một mạch vòng không bao một nhánh nào cả. Ví dụ: ABCQ
là mắt lưới, ABCDPQA không phải là mắt lưới vì nó có bao nhánh CQ
+ Cây: Là một phần mạch điện gồm các nhánh gọi là cành nối dủ các nút
nhưng không tạo thành một mạch vòng nào cả (một mạch điện có thể vẽ được
nhiều dạng cây). Ví dụ: Đường nét đậm ở hình 1-5 (chú ý: CD không phải là một
cành vì nó không phải là một nhánh)
13
+ Bù cây: Là những nhánh còn lại của mạch điện nối với cây để tạo thành
Q
Q
P
F
P
F
A
A
Q
Q
P
F
P
F
A
A
a)
b)
b)
B
B
C
D
C
D
E
E
E
a)
Hình 1.5. Cấu trúc các thành phần của mạch điện
B
C
Hình 1-6
mạch điện (nhánh bù cây phụ thuộc vào cây). Ví dụ: Đường nét mảnh ở hình 1-5
1.2. Các đại lượng cơ bản của mạch điện
1.2.1. Dòng điện i(t)
Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích cơ bản dưới tác
dụng của điện trường, có trị số bằng tốc độ biến thiên của điện tích qua tiết diện
thẳng của dây dẫn
Hình 1.6. Cấu trúc mạch
dq
i =
(A)
(1-11)
dt
Chiều dương của dòng điện trên các nhánh chọn tuỳ ý và được ký hiệu như hình
1.7. Nếu quy ước dòng điện chạy từ a đến b là dương thì dòng điện chạy từ b về a
sẽ là âm
1.2.2. Điện áp u(t)
p(t)
i(t)
a
b
u(t)
Hình 1.7. Dòng điện và điện áp
Điện áp giữa hai điểm bất kỳ là hiệu điện thế giữa hai điểm đó. Ví dụ: Điện áp
giữa hai điểm a và b là:
uab = a - b (V)
(1-12)
Quy ước chiều dương của điện áp là đi từ điểm có điện thế cao tới điểm có điện thế
thấp, nhưng trong thực tế chiều dương của điện áp được chọn tuỳ ý, nếu uab = a -
b 0 thì uba = b - a 0 (thông thường chiều dương của điện áp được chọn cùng
chiều với dòng điện).
14
1.2.3. Công suất p(t)
Công suất suất điện từ hay còn gọi là công suất tiếp nhận năng lượng p(t)
được định nghĩa:
P(t) = U(t)i(t)
(1-13)
Nó có thể dương hoặc âm tuỳ thuộc vào chiều quy ước của dòng điện và điện áp
trong nhánh. Nếu điện áp u và dòng điện i trên một nhánh trùng nhau thì khi p = ui
0 ta nói nhánh ấy thu năng lương (đóng vai trò phụ tải), còn khi p = ui 0 ta nói
nhánh đó phát ra năng lượng (đóng vai trò nguồn điện), còn nếu chọn chiều u
ngược với i ta có kết luận ngược lại
Đối với một mạch điện có m nhánh thì bộ số uk(t), ik(t) cũng đặc trưng cho
quá trình năng lượng trong mạch và công xuất tiếp nhận năng lượng của mạch điện
được tính:
p = u1i1 + u2i2 +... + umim
(1-14)
Chú ý: trên sơ đồ đã có chiều của u và i nên chiều của p không cần vẽ
1.3. Hai định luật Kirchhoff
Để mô tả và phân tích các hiện tượng năng lượng trong thiết bị điện (hoặc
mạch điện) ta dùng sơ đồ mạch điện. Sơ đồ mạch điện là một sơ đồ gồm các phần
tử e, j, r, L, C, để cụ thể hoá những hiện tượng năng lượng điện được ghép nối lại
theo kết cấu của thiết bị điện (hoặc mạch điện). Nó mô tả được hình dáng kết cấu
và quá trình năng lượng trong thiết bị điện (hoặc mạch điện).
Với cách biểu diễn như vậy số nhánh, số nút của sơ đồ sẽ giống hệt của thiết bị
điện (hoặc mạch điện), tiện lợi cho việc thiết lập các phương trình và tính toán các
thông số trạng thái như u, i, p … trong mạch.
Ví dụ: Hình 1.8a là một mạch điện bao gồm máy phát điện xoay chiều cung cấp
điện cho 2 bóng đèn sợi đốt và một bóng huỳnh quang. Hình 1.8b là sơ đồ mạch
của hệ thống, trong đó:
- Máy phát được biểu diễn bởi sức điện động e, điện trở r1, điện cảm L1.
- Bóng đèn huỳnh quang được biểu diễn bởi điện trở r4 và điện cảm L4.
L1
L4
r4
Máy
phát
điện
r3
Ống
huỳnh
quang
r1
x
x
e
r2
Đèn sợi
đối
a)
b)
Hình 1.8. Sơ đồ mạch điện cơ bản
15
- Các bóng đèn sợi đốt được biểu diễn bởi các điện trở r2, r3.
1.3.1. Định luật Luật Kirchhoff 1
Phát biểu: Tổng đại số các dòng điện ở một nút
i1
bằng 0, hoặc tổng các dòng điện đi vào nút bằng
i3
tổng các dòng điển đi ra khỏi nút
i2
n
A
ik = 0
(1.15)
Nót
k1
Hình 1.9. Dòng điện tại nút
Với quy ước nếu dòng đi vào nút lấy dấu
(+) thì dòng đi ra khỏi nút lấy dấu (-) hoặc
ngược lại.Ví dụ: Tại nút A ở hình 1.9
-i1 + i2 - i3 = 0 i1 + i3 = i2
Ý nghĩa:
- Về vật lý: Luật Kirchhoff 1 nói lên tính liên tục của dòng điện (tại một nút không
có ứ đọng điện tích).
- Về hình học: Luật Kirchhoff 1 khẳng định sự tồn tại kết cấu nút trong mạch
điện.
1.3.2. Định luật Kirchhoff 2
Phát biểu: Đi theo một vòng kín bất kỳ có chiều tuỳ chọn tổng đại số các sụt áp
trên các phần tử R, L, C bằng tổng đại số các sức điện động trong vòng đó.
m
m
dik
dt
1
(rkik Lk
ek
C i dt)
(1.16)
Vßng
Vßng
k
k1
k1
Ý nghĩa:
- Về vật lý: Luật Kirchhoff 2 nói lên tính chất thế của mạch điện (đi theo
một vòng khép kín độ tăng điện thế bằng không).
- Về hình học: Luật Kirchhoff 2 khẳng định sự tồn tại yếu tố vòng trong kết
cấu mạch.
1.3.3. Số phương trình độc lập theo các luật Kirchhoff
Phương trình độc lập là phương trình không thể suy ra từ những phương
trình đã viết. Một hệ phương trình chỉ giải được khi nó có số phương trình độc lập
bằng số ẩn. Bởi vậy khi giải bài toán lý thuyết mạch ta cần phải biết số phương
16
trình độc lập là bao nhiêu và cách viết phương trình kirchhoff 1 và 2 sao cho độc
lập
Điều kiện đủ để một phương trình độc lập với mhững phương trình đã viết
trước nó là ít nhất có chứa thêm một ẩn số mới chưa có trong các phương trình
trước
a) Số phương trình độc lập theo các luật Kirchhoff 1
Nếu gọi số nút của mạch điện là N, thì số Số phương trình độc lập theo các
luật Kirhof 1 là: K1 = N-1
Chứng minh: nếu ta viết số phương trình K1= N thì mỗi dòng điện ik điều có
mặt trong hai phương trình cho hai nút do đó tổng hai vế của N phương trình đều
Nót N
bằng không
VÕ tr¸i ptK Nót NVÕ ph¶i ptK 0
1
1
Nót 1
Nót 1
Nót N-1
Suy ra:
Vế trái nút N pt K1= -
Vế phải nút N pt K1=-
VÕ tr¸i ptK
1
Nót 1
Nót N-1
Hoặc:
VÕ ph¶i ptK
1
Nót 1
Nghĩa là phương trình của nút thứ N được suy ra từ N-1 phương trình K1 đã viết
b) Số phương trình độc lập theo luật Kirchhoff 2
Nếu gọi số nhánh của mạch điện là M thì số phương trình độc lập theo các
luật Kirhof 1 là: K2 = M - ( N-1)
Chứng minh: Theo điều kiện đủ của một phương trình độc lập thì khi viết
phương trình Kirchhoff 2 cho một vòng mới thì vòng đó phải chứa thêm ít nhất
một nhánh mới chưa tham gia vào các vòng đã chọn. Vậy số phương trình độc lập
theo luật Kirchhoff 2 đúng bằng số nhánh của bù cây nghĩa là: K2 = M - ( N-1)
trong đó N-1 là số nhánh của cây.
Yêu cầu về đánh giá kết quả học tập của chương
- Đánh giá về kiến thức: Tự luận
- Đánh giá bằng kỹ năng: Bài tập
17
CHƯƠNG 2: ĐIỆN TỪ
Giới thiệu:
Nghiên cứu từ trường, các định luật, các tham của từ trường là cơ sở để phân
tích giải thích các hiện tượng, từ đó thiết kế các thiết bị điện - điện tử công nghiệp.
Mục tiêu:
- Trình bày được các khái niệm về từ trường, các đại lượng của từ trường.
- Trình bày được sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy phát điện
xoay chiều;
- Tuân thủ nội quy, có thái độ làm việc nghiêm túc trong học tập.
Nội dung chính:
2.1. Những khái niệm chung về từ trường
Từ trường
Từ trường là một dạng đặc biệt của vật chất, có biểu hiện đặc trưng là tác
dụng lực điện từ lên kim nam châm hay dây dẫn mang dòng điện đặt trong nó. Để
kiểm tra sự tồn tại của từ trường, người ta thường dùng kim nam châm. Đó là một
thanh nam châm nhỏ; đặt trên một mũi nhọn làm trục và kim quay tự do quanh trục
đó. Bình thường, một đầu kim chỉ gần đúng phương bắc địa lý và được gọi là cực
bắc, ký hiệu là N, cực kia là cực nam, ký hiệu là S. Như vậy trái đất đã tác dụng
một lực điện từ nên kim nam châm, nên có một từ trường, gọi là điện từ trường.
Hình 2.1. Thanh nam châm tác dụng lên kim nam châm
Đưa một thanh nam châm vĩnh cửu N-S lại gần kim nam châm (hình 2.1),
kim sẽ lệch khỏi vị trí ban đầu, đến vị trí mới sao cho cực S của kim gần cực N của
thanh, hay ngược lại. Như vậy các cực cùng tên đẩy nhau và các cực khác tên hút
nhau. Lực hút đẩy của các kim và thanh nam châm đó là lực điện từ.
Thay thanh nam châm bằng dây dẫn có dòng điện đưa lại gần kim nam
châm, kim cũng bị lệch khỏi vị trí ban đầu. Đổi chiều dòng điện thì kim nam châm
quay đi nửa vòng tròn. Thay kim nam châm bởi mọt dây dẫn khác mang dòng điện,
hai dây dẫn sẽ hút hoạc đẩy nhau. Như vậy xung quanh dây dẫn mang dòng điện
18
có một từ trường, mà biểu hiện của nó là tác dụng lực điện từ lên kim nam châm
hay dây dẫn mang dòng điện khác.
Hình 2.2. Tác dụng của dòng điện lên kim nam châm
a. Khi chưa có dòng điện; b. Khi có dòng điện; c. Khi dòng điện đổi chiều
Thực nghiệm chứng tỏ rằng xung quanh dây dẫn có dòng điện, hay xung
quanh các điện tích chuyển động luôn luôn tồn tại một từ trường và ngược lại. Từ
trường của nam châm vĩnh cửu cũng như kim nam châm là kết quả của dòng điện
phân tử, do chuyển động tự quay và quay quanh quĩ đạo của các điện tử trong
nguyên tử, phân tử tạo ra. Từ trường và dòng điện là hai khái niệm không thể tách rời
nhau.
Đặctrưngcủatừtrườnglàcảm ứngtừkýhiệulà đơnvịcủacảmứngtừlàT(Tesla).
Quy ước : Hướng của từ trường tại một điểm là hướng Nam - Bắc của kim
nam châm cân bằng tại điểm đó.
Đường sức từ trường
Điện từ trường được biểu diễn bằng đường sức từ. Đường sức từ là đường
cong vẽ trong từ trường mà tiếp tuyến tại mỗi điểm của nó trùng với kim nam châm
đặt tại điểm đó. Chiều của đường sức từ là chiều từ cực nam đến cực bắc của kim nam
châm (hình 2.3).
Hình 2.3. Đường sức từ
Tính chất :
- Qua mỗi điểm trong không gian chỉ vẽ được một đường sức từ.
- Các đường sức từ là những đường cong khép kín hoặc vô hạn ở 2 đầu.
19
- Chiều của đường sức từ tuân theo những quy tắc xác định ( quy tắc nắm
tay phải , quy tắc đinh ốc…).
- Quy ước: Vẽ các đường cảm ứng từ sao cho chỗ nào từ trường mạnh thì
các đường sức dày và chỗ nào từ trường yếu thì các đường sức từ thưa.
Từ trường của dòng điện trong dây dẫn thẳng
Cho một cuộn dây thẳng xuyên thẳng góc qua một tấm bìa và rắc một ít mạt
sắt mỏng lên tấm bìa (hình 2.4). Cho dòng điện chạy qua dây và gõ nhẹ lên tấm
bìa để hiện lên từ phổ của dòng điện. Ta thấy đường sức từ bao quanh dây dẫn
thẳng là những đường tròn đồng tâm, tâm là điểm giao của trục dây dẫn với tấm bìa.
Để xác định chiều đường sức từ ta áp dụng quy tắc vặn nút chai: nếu chiều
dòng điện trùng với chều tiến của cái mở nút chai thì chiều quay của cái mở nút
chai xác định cho ta chiều từ trường ởmỗi điểm (hình 2.4a).
Ta cũng có thể sử dụng quy tắc bàn tay phải (hình 2.4b): Ngón tay cái hướng
theo chiều dòng điện, bốn ngón tay còn lại chỉ hướng đường sức từ trường.
Hình 2.4. Xác định chiều đường sức từ trường của dây dẫn thẳng
mang dòng điện
Từ trường của dòng điện trong vòng dây
Uốn một dây dẫn thành vòng tròn, dây xuyên qua một tấm bìa chứa tâm của
vòng dây.Mặt phẳng của tấm bìa ấy vuông góc với mặt phẳng của vòng tròn (hình
2.5). Rắc mạt sắt lên tấm bìa, cho dòng điện qua vòng dây, rồi gõ nhẹ lên tấm bìa.
Từ thông thu được cho thấy các đường sức là những đường cong. Ở gần dây dẫn
đường sức có thể là những đường tròn, tâm là trục dây dẫn. Các đường sức ở
xa.dây dẫn là những đường cong, càng gần tâm vòng dây đường sức càng ít cong.
Đường sức đi qua tâm vòng dây là đường thẳng.
Để xác định xác định chiều đường sức dùng quy tắc mở nút chai: nếu chiều
quay của cái mở nút chai trùng với chiều dòng điện thì chiều tiến của cái mở nút
chai là chiều đường sức từ trường.
20
Tải về để xem bản đầy đủ
87 trang
26/03/2022
7380
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật điện - Điện tử ô tô - Nghề: Cơ khí ô tô", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_ky_thuat_dien_dien_tu_o_to_nghe_co_khi_o_to.pdf
