Lý thuyết mạch DC cơ bản

Mối quan hệ điện áp và dòng điện

Điện là một dạng năng lượng là kết quả của sự tồn tại và chuyển động của các hạt tích điện được gọi là electron. Khi sự tích tụ các electron tạo ra sự khác biệt về năng lượng điện thế giữa hai điểm, chúng ta có điện áp (trong phương trình, điện áp được ký hiệu bằng V). Nếu hai điểm này được kết nối bằng vật liệu dẫn điện, các electron sẽ tự nhiên di chuyển từ điện áp thấp hơn đến điện áp cao hơn; chuyển động này được gọi là dòng điện, được biểu thị bằng I.

Điện là một dạng năng lượng đặc biệt đã giúp chúng ta có được vô số các thiết bị hữu ích như ngày nay. Nếu ngồi suy nghĩ chúng ta có thể hoàn toàn bị ấn tượng bởi vì mọi thứ công nghệ hiện đại như ngày nay chỉ bắt đầu từ hai sợi dây đồng.

So sánh điện áp và dòng điện

	Dòng	Áp
Biểu tượng	I	V
Mối quan hệ	Dòng điện không thể chạy nếu không có điện áp	Điện áp có thể tồn tại mà không cần dòng điện
Được đo bằng	Ampe kế	Vôn kế
Đơn vị	A hoặc amps hoặc amperage	V hoặc volt hoặc điện áp
Đơn vị SI	1 ampe =1 culông/giây	1 vôn = 1 jun/culông (V=W/C)
Lĩnh vực	Từ	Điện
Nối tải song song	Dòng điện trên các tải bằng nhau	Điện áp trên các tải bằng nhau
Nối tải nối tiếp	Dòng điện bị chia nhỏ	Điện áp bị chia nhỏ

Công suất trong các thiết bị điện tử và cách tính

Trong thuật ngữ khoa học, công suất được đề cập như là tốc độ chuyển năng lượng. Tương tự như vậy công suất trong thiết bị điện là tốc độ điện được truyền đi. Đơn vị là watts (W), trong đó một watt bằng với sự truyền một jun (J) năng lượng trong một giây (s).

Công suất điện tính bằng watt bằng điện áp volt nhân với dòng điện trong ampe.

Công suất = điện áp × dòng điện

Các đơn vị volt (V) được định nghĩa là jun trên mỗi culông, tức là, nó truyền năng lượng (jun) trên mỗi culông điện tích. Ampe (A) là culông mỗi giây, tức là, có bao nhiêu culông điện tích vượt qua một điểm nhất định trong một giây. Chúng ta có thể sử dụng thông tin này để xác nhận rằng thiết bị cho điện năng phù hợp với công thức được đưa ra ở trên:

Ở phía bên phải của phương trình, hai “culông” bị triệt tiêu và chúng ta còn lại với jun mỗi giây.

Khi chúng ta phân tích các mạch điện, chúng ta thường thảo luận về năng lượng bằng cách sử dụng thuật ngữ “tiêu tan” hoặc “tiêu thụ” thay vì “chuyển giao”. Điều này nhấn mạnh thực tế là công suất rời khỏi hệ thống điện hoặc được sử dụng bởi một thành phần điện. Chúng tôi không nói “chuyển giao” bởi vì, nói chung, trạng thái cuối cùng hoặc vị trí của năng lượng không quan trọng.

Ví dụ, nếu điện áp trên điện trở là 5V và dòng điện qua điện trở là 0.5A, điện trở đang truyền 2.5W công suất (dưới dạng nhiệt) đến môi trường xung quanh. Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, chúng ta không có ý định chuyển năng lượng. Chúng ta chỉ đơn giản là muốn thiết kế một mạch chức năng, và do đó, chúng ta nghĩ về việc mất bao nhiêu năng lượng (tức là tiêu tan) hoặc sử dụng (tức là tiêu thụ).

Hai loại điện áp phổ biến: Một chiều và xoay chiều

Có hai cách phổ biến để truyền năng lượng điện: dòng diện một chiều và dòng điện xoay chiều.

Dòng điện một chiều (DC) có thể tăng hoặc giảm theo mọi cách, nhưng độ lớn của các thay đổi thường nhỏ so với giá trị trung bình. Tuy nhiên, đặc điểm cơ bản nhất của dòng điện một chiều như sau: nó không thường xuyên thay đổi hướng. Điều này trái ngược với dòng điện xoay chiều (AC), thường xuyên thay đổi hướng và được sử dụng trên toàn thế giới để phân phối điện.

Các thuật ngữ “DC” và “AC” đã trở thành tính từ thường được sử dụng để mô tả điện áp. Điều này có thể hơi khó hiểu lúc đầu: điện áp dòng điện một chiều hoặc điện áp dòng điện xoay chiều là gì? Đây không phải là thuật ngữ tốt nhất, nhưng nó là thuật ngữ tiêu chuẩn. Điện áp DC là điện áp tạo ra, hoặc sẽ tạo ra dòng điện DC và điện áp AC tạo ra hoặc sẽ tạo ra dòng điện AC và điều này đưa ra một vấn đề thuật ngữ khác. “DC” và “AC” đôi khi được gắn vào từ “dòng diện”, mặc dù những cụm từ này có nghĩa là “dòng điện một chiều” và “dòng điện xoay chiều”. Điểm mấu chốt là “DC” và “AC” không còn tương đương chính xác cho “dòng điện một chiều” và “dòng điện xoay chiều”; DC đề cập một cách chung chung đến các đại lượng không thường xuyên thay đổi cực hoặc có tần số rất thấp và AC đề cập một cách chung chung đến các đại lượng thường xuyên thay đổi cực ở tần số không “rất thấp” trong bối cảnh của một hệ thống nhất định.

Bây giờ, chúng ta sẽ tập trung vào các mạch DC. Mạch AC phức tạp hơn một chút và sẽ được thảo luận sau trong chương này.

Ký hiệu điện áp

Điện áp DC là gì?

Có lẽ nguồn điện áp DC quen thuộc nhất là pin. Pin là một thiết bị chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện; nó cung cấp một điện áp không thay đổi nhanh chóng hoặc đảo ngược cực, nhưng điện áp giảm dần khi pin được xả.

Điện áp DC có thể được đo bằng vôn kế hoặc (phổ biến hơn) một thiết bị đa chức năng được gọi là đồng hồ vạn năng (viết tắt, trong đó D là viết tắt của kỹ thuật số). Đồng hồ vạn năng có thể đo, trong số những thứ khác, điện áp, dòng điện và điện trở.

Hình 1. Một phép đo điện áp được hiển thị trên màn hình kỹ thuật số của đồng hồ vạn năng.

Vôn kế cung cấp cách đơn giản nhất để xác định giá trị chính xác của điện áp DC, mặc dù trong một số trường hợp, nó không truyền tải được thông tin quan trọng vì nó không thể hiển thị rõ ràng các biến thể nhanh chóng. Đây là một cân nhắc quan trọng ngày nay bởi vì nhiều điện áp DC được tạo ra bằng cách chuyển đổi các bộ điều chỉnh dẫn đến các biến thể tần số cao được gọi là gợn sóng.

Dòng điện DC là gì?

Khi điện áp DC có mặt giữa hai thiết bị đầu cuối và một dây hoặc phần tử điện trở được kết nối với các thiết bị đầu cuối, dòng điện DC sẽ chảy. Yếu tố điện trở phổ biến nhất là điện trở; chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về bộ phận này trong bài tiếp theo. Bóng đèn sợi đốt cũng là một yếu tố điện trở.

Dòng điện có thể được đo bằng thiết bị được gọi là ampe kế (hoặc chức năng ampe kế của đồng hồ vạn năng), nhưng dòng đo kém thuận tiện hơn so với đo điện áp. Các đầu dò của vôn kế chỉ đơn giản là được đặt tiếp xúc với hai bề mặt dẫn điện (tức là không sửa đổi mạch), trong khi các đầu dò của ampe kế phải được đưa vào đường dẫn dòng điện:

Hình 2. Mạch này sử dụng một công tắc để thiết lập một đường dẫn hiện tại trong quá trình hoạt động bình thường và phá vỡ đường dẫn hiện tại khi một ampe kế hoặc phải được chèn vào.

Dòng chảy dòng điện thông thường so với dòng điện tử

Điều rất quan trọng là phải hiểu sự khác biệt giữa dòng điện thông thường và dòng điện tử. Các electron có điện tích âm, và do đó, chúng di chuyển từ điện áp thấp hơn sang điện áp cao hơn. Tuy nhiên, trong Hình 2, mũi tên chỉ ra rằng dòng điện đang chảy từ thiết bị đầu cuối pin dương đến thiết bị đầu cuối pin âm – nói cách khác, từ điện áp cao hơn đến điện áp thấp hơn.

Dòng điện thông thường ban đầu dựa trên giả định rằng điện có liên quan đến sự chuyển động của các hạt tích điện dương. Bây giờ chúng ta biết rằng điều này là không chính xác, nhưng trong bối cảnh phân tích mạch, mô hình dòng điện thông thường không chính xác. Nó hoàn toàn hợp lệ bởi vì khi được áp dụng nhất quán, nó luôn tạo ra kết quả chính xác. Hơn nữa, nó có lợi thế là tạo ra tình huống trực quan trong đó dòng điện chảy từ điện áp cao hơn đến điện áp thấp hơn, giống như chất lỏng chảy từ áp suất cao hơn đến áp suất thấp hơn và nước rơi từ độ cao cao hơn xuống độ cao thấp hơn.

Trong thế giới kỹ thuật điện, các mạch được thảo luận và phân tích bằng dòng điện thông thường, không phải dòng điện tử.

Cách đo dòng điện DC

Chúng ta hãy xem trường hợp đơn giản của pin cung cấp năng lượng cho hai bóng đèn có sức đề kháng không đồng đều.

Hình 3. Một mạch cơ bản bao gồm pin 3V và hai yếu tố điện trở.

Khi dòng điện chảy qua bóng đèn, điện trở của sợi gây mất điện áp tỷ lệ thuận với điện trở và lượng dòng điện. Chúng tôi gọi đây là tăng áp bóng đèn hoặc là điện áp của bóng sụt áp.

Hình 4. Vôn kế được sử dụng để đo điện áp trên bóng đèn.

Chúng ta thấy rằng điện áp trên bóng đèn A là 2V và điện áp trên bóng đèn B là 1V.

Tiếp theo, chúng ta sẽ đo dòng điện.

Hình 5. Một ampe kế được chèn sao cho dòng điện chảy qua các bóng đèn chảy vào một đầu dò, thông qua mạch đo hiện tại của thiết bị và ra đầu dò khác.

Giả sử chúng ta đo 1A. Bây giờ chúng tôi đã thực hiện các phép đo mà chúng tôi cần để xác định sự tiêu tan năng lượng của bóng đèn.

Tính toán công suất DC

Để tính toán công suất tiêu tan của mỗi bóng đèn, chúng tôi chèn các giá trị đo được vào công thức được đưa ra ở trên.

Nếu chúng ta muốn biết công suất bị tiêu tan bởi toàn bộ mạch, chúng ta sẽ thêm vào sự tiêu tan năng lượng của các thành phần riêng lẻ:

Hoặc, chúng ta có thể nhân dòng điện được cung cấp từ pin với điện áp của pin:

Hãy theo dõi, bởi vì trên trang tiếp theo, chúng tôi sẽ giới thiệu định luật Ohm, thể hiện mối quan hệ cơ bản giữa dòng điện, điện áp và điện trở.