Linh kiện điện tử

μ α β γ ω π
https://vi.wikipedia.org/wiki/Alpha

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ ĐIỆN HỌC

1.1 NGUỒN GỐC CỦA DÒNG ĐIỆN
1. Cấu tạo của vật chất
Vật chất được cấu tạo bởi các nguyên tử. Có thể xem nguyên tử là phần tử nhỏ nhất của đơn chất, còn phân tử là phần tử nhỏ nhất của hợp chất.
Khi khảo sát cấu tạo của nguyên tử, người ta thấy mỗi nguyên tử gồm có nhân ở giữa mang điện tích dương và có một hay nhiều electron quay xung quanh nhân.
Mỗi electron mang một điện tích là: e=-1,6x10^-19 Coulomb.

Xét về điện tích thì vật chất sẽ ở một trong ba trạng thái:
- Bình thường số lượng điện tích dương trong nhân bằng số lượng điện tích âm của các điện tử bao quanh, người ta nói nguyên tử trung hòa về điện.
- Nếu nguyên tử bị mất bớt electron thì lượng điện tích dương trong nhân lớn hơn điện tích âm của các electron bao quanh, nguyên tử trở thanh ion dương.
- Ngược lại, nếu nguyên tử thêm electron thì lượng điện dương trong nhân nhỏ hơn lượng điện tích âm của các electron bao quanh, nguyên tử trở thành ion âm.

Thí dụ: Nguyên tử Hydro (H) có một electron.
Nguyên tử Cacbon (C) có 6 electron.
Nguyên tử Silic (Si) có 14 electron.

Các nguyên tử bao quanh nhân được sắp xếp trên các lớp tứ tự từ trong ra ngoài ký hiệu là: K,L,M,N,O,P và Q. Số electron tối đa trên mỗi lớp được tính theo công thức là 2n², trong đó n là số thứ tự của lớp đó.

Thí dụ:
Lớp K la lớp thứ nhất có số electron tối đa là 2x1² = 2e-.
Lớp L là lớp thứ 2 có: 2x2² = 8e-.
Lớp M là lớp thứ 3 có: 2x3² = 18e-.

2. Định luật Coulomb
Qua khảo sát lực tác dụng tương hỗ giữa các vật mang điện tích người ta nhận thấy:
- Hai vật mang điện tích cùng dấu (Cùng dấu âm hay dấu dương) sẽ đẩy nhau, hai vật mang điện tích trái dấu thì hút nhau.
- Lực đẩy hay lực hút tỷ lệ với tích số hai điện tích và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách:
F = k(q1q2/d²)
Cùng dương: Đẩy           Cùng âm: Đẩy
      <-(+) (+) ->                   <-(-) (-)->
Âm Dương; Dương Âm
->(+) (-)<-
Trong đó: F: Lực, đơn vị là Newton (N)
q1;q2: Điện tích, đơn vị là Coulomb (C)
d: Khoảng cách, đơn vị mét (m)
k: Hằng số tùy thuộc môi trường.

3. Electron tự do
Theo định luật Coulomb thì hạt nhân electron trong mỗi nguyên tử có điện tích trái dấu nên hút nhau.
Electron tự do là khái niệm để chỉ các electron thoát ly ra khỏi lực hút của nhân do electron đó bị tác dụng bởi một lực hút khác mạnh hơn.
Người ta nhận thấy ở các nguyên tử mà những electron ở lớp ngoài cùng có số lượng đạt gần đủ số tối đa (theo công thức 2n²) thì nguyên tử đó có khuynh hướng nhận thêm electron để đủ số tối đa. Ngược lại, ở các nguyên tử mà lớp ngoài cùng có số lượng electron rất ít thì các electron này sẽ dễ thoát ly ra khỏi lực hút của nhân và trở thành electron tự do.

4. Dòng electron và dòng điện quy ước.
Một vật dẫn điện (như đồng, nhôm) là vật mà cấu tạo nguyên tử ở lớp ngoài có rất ít electron nên dễ trở thành electron tự do. Khi nối vào 2 cực âm dương của nguồn điện (Hình 1.3) thì sẽ có một hiện tượng vật lý xảy ra như sau:
- Electron tự do trong vật dẫn điện sẽ chịu tác dụng bởi lực hút - từ cực dương của nguồn điện tạo thành một luồng electron chạy theo chiều từ đầu có điện tích âm sang đầu có điện tích dương trong vật dẫn điện. Lúc này, sẽ có electron từ cực âm của nguồn điện chạy thế chỗ tạo nên dòng chạy theo chiều ngược với dòng electron, tức là dòng điện sẽ đi theo chiều từ đầu có điện tích dương sang đầu có điện tích âm trong vẫn dẫn điện (Hình 1.3).
Hình 1.3: Chiều của dòng electron và dòng điện quy ước.

1.2 DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU (DC: Direct Current)
Dòng điện một chiều là dòng điện có chiều và trị số không thay đổi theo thời gian.
1. Cường độ dòng điện (I: Intensity)
Như đã biết, dòng điện là do dòng electron tự do chạy theo cùng một hướng trong vật dẫn điện do lực hút của vật mang điện tích dương và lực đẩy của vật mang điện tích âm.
Người ta định nghĩa: cường độ dòng điện mạnh hay yếu tùy thuộc vào lượng electron di chuyển trong một đơn vị thời gian, hay nói cách khác dòng điện có cường độ là tỷ số giữa điện tích Q của lượng electron di chuyển và thời gian t.
Ta có công thức: I=Q/t
trong đó: Q: điện tích (Coulomb - C)
t: thời gian (Giây - s)
Đơn vị của cường độ dòng điện I là ampere (A) và theo công thức trên thì 1 ampere là cường độ dòng điện có điện tích là 1 Coulomb chạy qua vật dẫn điện trong một giây (s).
Điện tích của một electron là e=-1,6x10^-19 Coulomb. Để có một Coulomb thì số lượng electron khoảng 6x10^18e (tức là khoảng 6 tỷ tỷ electron).
Trong các mạch điện tử thì cường độ dòng điện 1A là một giá trị số khá lớn nên thường người ta dùng ước số của ampere là:
- miliampere viết tắt là mA.
1 mA = 10^-3 A.
- microampere viết tắt là μA.
1 uA = 10^-6A.

2. Điện áp (U: Voltage)
Dòng điện phát sinh do có các electron tự do di chuyển. Electron tự do mang điện tích nên dòng điện phát sinh là do điện tích di chuyển. Điện tích di chuyển khi có lực hút và đẩy của hai vật mang điện tích trái dấu tạo thành lực ép bắt điện tích di chuyển theo một chiều nhất định.
Điện áp là đại lượng để chỉ sức em của các vật mang điện tích tác động lên vật dẫn điện để tạo ra dòng điện.
Đơn vị của điện áp là volt (V).
Bội số của vôn là kilovolt (kV).
1kV = 1000V = 10³V
Ước số của volt là milivolt (mV) và microvolt (uV)
1mV = 10^-3 V
1uV = 10^-6 V.

3. Nguồn điện một chiều
Nguồn điện một chiều có ký hiệu như hình 1.4.
Các loại nguồn một chiều thông dụng là PIN và Ắc quy.
Khi sử dụng nguồn một chiều phải biết hai thông số của nguồn là điện áp và điện lượng. Điện lượng ký hiệu là Q có đơn vị là Ampere-giờ (Viết tắt là Ah). Điện lượng Q để chỉ dung lượng điện đã nạp và chứa trong nguồn, thời gian sử dụng sẽ tùy thuộc vào cường độ dòng điện tiêu thụ và được tính theo công thức:
t=Q/I
Q: Điện lượng (Ah)
I: Cường độ (A)
t: Thời gian (giờ -h).
Thí dụ: Nguồn điện một chiều có điện lượng là 50Ah, nếu dòng điện tiêu thụ là I=1A thì thời gian sử dụng tối đa là:
t=Q/I=50/1=50h (50 giờ).
Theo lý thuyết, nếu dòng tiêu thụ là 10A thì thời gian sử dụng là 10A thì thời gian sử dụng là 5 giờ hay nếu dòng điện tiêu thụ là 50A thì thời gian sử dụng là 1 giờ.
Thực tế thì khi dòng điện tiêu thụ lớn qua điện trở nội của nguồn sẽ sinh ra nhiệt lớn làm hư nguồn trước khi đạt thời gian sử dụng theo công thức trên.
Để tránh hư nguồn thì phải giới hạn dòng điện tiêu thụ ở mức: I<=Q(Ah)/10h

a) Pin
Có nhiều loại Pin nhưng có hai loại Pin thông dụng là Pin khô và Pin nickel-cadmium (Ni-Cd).
Pin khô có 3 cỡ thường được gọi là Pin đại, Pin trung và Pin tiểu.
Đây là loại Pin không nạp lại được:
Pin đại ký hiệu: R20 UM-1 size D có U = 1,5V và Q = 4Ah.
Pin trung ký hiệu: R14 size C có U = 1,5V và Q = 2,5Ah.
Pin tiểu ký hiệu: R6 C size AA có U = 1,5V và Q = 0,5Ah.
Như vậy, kích thước lớn hay nhỏ tùy thuộc vào điện lượng được chứa trong nguồn.
Pin Nickel-Cadmium là loại Pin nạp lại được nhiều lần, Pin Ni-Cd có điện áp là 1,2V còn điện lượng cũng tùy thuộc kích thước lớn hay nhỏ.

b) Ắc quy: (accu)
Có hai loại ắc quy là ắc quy chì và ắc quy kiềm.
Ắc quy chì có các điện cực là những tấm chì nhúng trong dung dịch acid Sulfuric (H2SO4). Ắc quy kiềm có điện cực là sắt và kền nhúng trong dung dịch Potat-Hidrocid (KOH).
Mỗi đơn vị ắc quy (Mỗi hộc) có điện áp là 2V. Bình ắc quy thường gồm nhiều hộc ghép nối tiếp nhau nên các bình ắc quy có điện áp từ 6V-12V-24V. Điện lượng của ắc quy cũng tùy vào kích thước lớn nhỏ và được ghi rõ trên ắc quy để tiện việc sử dụng.
Ắc quy là loại nguồn có thể nạp điện lại nhiều lần nhưng tuổi thọ của bình ắc quy khoảng 1 - 2 năm tùy thuộc vào cách sử dụng và chất lượng bình tốt xấu.
Để tránh hư bình ắc quy cũng cần giới hạn dòng điện nạp và dòng điện tiêu thụ theo công thức:
I<=Q(Ah)/10h

4. Các cách ghép nguồn điện một chiều.
Để có nhưng nguồn một chiều điện áp cao hay điện lượng lớn thì có thể ghép các nguồn một chiều lại với nhau. Nên chọn các nguồn một chiều có cùng điện áp U và điện lượng Q để ghép sẽ tiện cho việc tính toán và sử dụng.

a) Ghép nối tiếp (Tăng điện áp)
Nguồn một chiều ghép nối tiếp có ký hiệu như hình 1.5.
Hình 1.5: Nguồn một chiều ghép nối tiếp
Nếu mỗi nguồn có điện áp là 1,5V và điện lượng là 4Ah thì nguồn một chiều tương đương sẽ  có điện áp là:
U = 1,5V x 3 = 4,5 V và điện lượng Q vẫn là 4Ah.

b) Ghép song song (Tăng điện lượng)
Hình 1.6: Nguồn một chiều ghép song song.
Nguồn một chiều ghép song song có ký hiệu như hình 1.6.
Nếu mỗi nguồn có điện áp 1,5V và điện lượng là 4,5Ah thì nguồn một chiều tương đương có điện áp là 1,5V và điện lượng Q là:
Q = 4,5Ah x 3 = 13,5Ah.
Như vậy: Khi ghép nguồn nối tiếp thì sẽ chỉ tăng được điện áp, khi ghép nguồn song song thì sẽ tăng được điện lượng tức là tăng khả năng cung cấp dòng điện. Muốn vừa tăng được điện áp, vừa tăng cả điện lượng thì phải kết hợp hai cách ghép nối tiếp - song song gọi là hỗn hợp.

c) Ghép hỗn hợp (Tăng cả điện áp và tăng cả điện lượng)
Hình 1.7: Nguồn một chiều ghép hỗn hợp
Với cách ghép hỗn hợp như hình vẽ thì nguồn tương đương bây giờ có điện áp U = 4,5V và điện lượng Q = 13,5Ah.

1.3 CÔNG VÀ CÔNG SUẤT CỦA DÒNG ĐIỆN MỘT CHIỀU
1. Công
Năng lượng điện có thể chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác như:
- Bàn ủi, bếp điện, ... đổi điện năng thành nhiệt năng.
- Bóng đèn, Tivi, ... đổi điện năng thành quang năng.
- Động cơ, ... đổi điện năng thành công năng.
- Bình điện giải, ... đổi điện năng thành hóa năng.
Ta nói dòng điện có thể thực hiện được công và công của dòng điện tỷ lệ theo điện áp, cường độ và thời gian sử dụng.
Công được tính theo công thức:
W = U.I.t
W: Công, đơn vị là Joule (J)
U: Điện áp, đơn vị là Volt (V)
I: Cường độ, đơn vị là Ampere (A)
t: Thời gian, đơn vị là giây (s).
Công còn có nghĩa là điện năng tiêu thụ có đơn vị tính là Watt-giây ký hiệu là Ws.
Trong thực tế Watt-giây là trị số rất nhỏ nên người ta thường dùng đơn vị lớn hơn là Watt-giờ (Wh) hay kilowatt - giờ (kWh).
1Wh = 1W x 3600s = 3600Ws.
1kWh = 1000W x 3600s = 3.600.000Ws.

2. Công suất
Công suất là công do dòng điện sinh ra trong một đơn vị thời gian là 1 giây.
Công suất được tính theo công thức:
P = W/t = U.I.t/t = U.I
Suy ra: P = U.I
P: Công suất (W)
U: Điện áp (V)
I: Dòng điện (A).
Đơn vị của công suất là Watt viết tắt là W.
Từ công thức tính công suất ta có thể suy ra công thức tính điện áp và dòng điện như sau:
U = P/I và I = P/U.
Thí dụ: Một phụ tải có công suất P = 500W, sử dụng nguồn điện áp U = 100V thì dòng điện tiêu th�� là:
I = P/U = 500/100 = 5A
Một phụ tải có dòng điện tiêu thụ là 4A, sử dụng nguồn điện áp là 12V thì công suất tiêu thụ là:
P = U.I = 12.4 = 48W

1.4 DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU (AC: Alternating Current)
Dòng điện xoay chiều là loại năng lượng được sử dụng phổ biến nhất so với các loại năng lượng khác vì nó có nhiều ưu điểm như: dễ tạo ra, rẻ tiền và dễ truyền đi xa, ...
Dòng điện xoay chiều khảo sát ở đây là loại dòng điện xoay chiều hình sin có tần số là 50 chu kỳ dùng trong sinh hoạt và sản xuất công nghiệp, thường được gọi là dòng điện xoay chiều công nghiệp.

1. Máy phát điện xoay chiều:
Máy phát điện xoay chiều gồm có hai phần:
- Phần cảm là phần đứng yên được gắn dính với vỏ máy. Phần cảm gồm có hai cực từ Nam (N) và cực từ Bắc (B) tạo ra từ trường (vector) B.
- Phần ứng là một cuộn dây quay đều trong từ trường của phần cảm, cuộn dây được quấn trên một lõi thép có xẻ rãnh dọc theo trục.
Hình 1.8: Cấu tạo của máy phát.
Phần cảm có thể là một nam chân vĩnh cửu hay một nam châm điện. Hệ thống từ cực được chế tạo sao cho trị số từ trường B phân bố theo quy luật hình sin trên mặt cực giữa các khe hở của phần cảm và phần ứng, nghĩa là khung dây của phần ứng ở vị trí bất kỳ trong khe hở thì từ cảm có giá trị là: B = Bm.sinα (Bm: từ trường cực đại).
Khi máy phát điện làm việc, lõi thép mang khung dây quay với tốc độ là ω (Omega), mỗi cạnh của khung dây nằm trên mặt phần ứng sẽ quay với tốc độ v và sinh ra một sức điện động là:
ed = B.l.v
ed = Bm.l.v.sinα
ed = Bm.l.v.sinωt
ed: Sức điện động của một đoạn.
B: từ cảm nhận được.
l: chiều dài khung dây.
v: vận tốc.
α: ở thời điểm t, α = ωt.
Vì khung dây có hai cạnh nằm trên mặt phần ứng nên mỗi vòng dây của khung có sức điện động là:
ev = 2.ed = 2.Bm.l.v.sinωt
Nếu khung dây của phần ứng có N vòng dây thì sức điện động của cả khung là:
e = N.ev = 2.Bm.l.v.sinωt
Gọi chung các hằng số 2.Bm.l.v.N là sức điện động cực đại Em thì ta có công thức tính sức điện động của máy phát là:
e=Em.sinωt
Như vậy, giữa hai đầu khung dây phần ứng ta lấy ra được một sức điện động e biến thiên theo quy luật hình sin.
Sức điện động là đại lượng để chỉ điện áp do nguồn điện phát ra, phân biết với điện áp tiêu thụ trên tải. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp sức điện động cũng được gọi là điện áp và ký hiệu là u và Um thay cho e và Em.

Hình 1.9: Đường biểu diễn của dòng điện xoay chiều.

2. Biên độ của dòng điện xoay chiều
Biên độ là một khái niệm chung để chỉ trị số điện áp hay cường độ của dòng điện xoay chiều. Có 4 loại biên độ là:

a) Biên độ tức thời:
u(t) = Um.sinωt
hay u(t) = um.sin2πf
Um: Điện áp cực đại (V)
ω = vận tốc góc (rad/s)
ω = 2πf
f: Tần số.

b) Biên độ đỉnh: (peak: đỉnh)
Xét đường biểu diễn của dòng điện xoay chiều, ở thời điểm T/4, 3T/4 thì điện áp có giá trị cực đại +Um và giá trị cực tiểu -Um.
Hai giá trị này còn được gọi là biên độ đỉnh của dòng điện xoay chiều (hình 1.10). Biên độ đỉnh viết tắt là Up (peak: đỉnh).
Ta có: Up = Um.

c) Biên độ trung bình:
Dòng điện xoay chiều hình sin có hai bán kỳ âm và bán kỳ dương đối xứng nhau về điện áp, bằng nhau về thời gian nên có biên độ trung bình bằng 0V. Do đó người ta chỉ tính điện áp trung bình trong một bán kỳ.
Công thức tính điện áp trung bình: U(trung bình) = 1/(T/2) Đạo hàm(T/2 -> 0) u(t)dt
Ta tính được: (công thức)
Hình 1.11: Biên độ trung bình.

d) Biên độ hiệu dụng:
Biên độ hiệu dụng là đại lượng để chỉ hiệu quả sử dụng của dòng điện xoay chiều so với dòng điện một chiều về hiệu ứng nhiệt.
Điện áp hiệu dụng của dòng điện xoay chiều là điện áp của dòng điện một chiều tương đương sinh ra cùng một năng lượng nhiệt khi chạy qua cùng một loại tải trong cùng một thời gian.
Điện áp hiệu dụng được viết tắt là U như điện áp một chiều.
Công thức tính điện áp hiệu dụng là U = căn bậc 2( 1/T. Đạo hàm (T->0) u²(t)dt
Tính ra được: U = Up/ căn bậc 2(2) = 0,707Up.

Được đăng vào

Viết bình luận