45 0 3MB
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ NĂM HỌC 2018-2019 ---------*---------
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN: GIẢI TÍCH MẠCH GVHD: Nguyễn Thanh Phương NHÓM : 04
LỚP : DD18BK02 – A02 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ NĂM HỌC 2018-2019 ---------*---------
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN: GIẢI TÍCH MẠCH GVHD: Nguyễn Thanh Phương
NHÓM : 04 LỚP : DD18BK02 – A02 Danh sách thành viên nhóm : MSSV
Họ và tên
1812412
Phạm Đăng Huy
1812560
Thái Bảo Khang
1810185
Nguyễn Phạm Huyên
Điểm chấm chéo
Ký tên
MỤC LỤC Bài 2 : MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU (DC) A. Mục đích B. Đặc điểm C. Phần thí nghiệm: I. Mạch chia áp. II. Mạch chia dòng. III.
Giải tích mạch DC nhiều nguồn dùng thế nút và mắt lưới.
IV.
Cầu đo Wheatstone một chiều đo điện trở
V.
Kiểm chứng nguyên lý tỉ lệ trên mạch DC
VI.
Kiểm chứng nguyên lý xếp chồng trên mạch DC
VII.
Sơ đồ Thevenin-Norton và nguyên lý truyền công suất cực đại.
VIII.
Sơ đồ Module DC Circuits.
Bài 3 : MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU (AC) A. Mục đích B. Đặc điểm C. Phần thí nghiệm : I. Giá trị thông số mạch thí nghiệm II. Đo trở kháng tụ điện III. Mạch RC nối tiếp IV. Đo trở kháng cuộn dây V. Mạch RL nối tiếp VI. Mạch RLC nối tiếp VII.
Mạch RC song song
VIII.
Mạch RL song song.
IX. Hiệu chỉnh hệ số cos
của nhánh.
X. Sơ đồ Module AC Circuits.
Bài 4 : ĐÁP ỨNG TẦN SỐ VÀ MẠCH CỘNG HƯỞNG. A. Mục đích B. Đặc điểm C. Phần thí nghiệm : I. Giá trị thông số mạch thí nghiệm. II. Mạch cộng hưởng RLC nối tiếp. III.
Mạch cộng hưởng RLC song song.
IV.
Mạch lọc thông thấp RC.
V. Mạch lọc thông cao RL. Bài 5 : QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ MẠCH TUYẾN TÍNH. A. Mục đích B. Đặc điểm C. Phần thí nghiệm I. Thông số mạch thí nghiệm. II. Mạch quá độ cấp I RC. III.
Mạch quá độ cấp I RL.
IV.
Mạch quá độ cấp 2 RC.
Bài 2 : MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU (DC) A. MỤC ĐÍCH: Bài thí nghiệm giúp sinh viên thực hiện các mạch điện cơ bản như mạch chia áp , mạch chia dòng, kiểm chứng các định luật Kirchhoff và khảo sát mạch tương đương Thevenin-Norton trong mạch điện DC. Ngoài ra , bài thí nghiệm còn giúp sinh viên so sánh kết quả giữa tính toán lý thuyết và kết quả thí nghiệm của mạch điện DC một nguồn và nhiều nguồn. B. ĐẶC ĐIỂM: Mạch điện DC chỉ tồn tại các phần tử nguồn và điện trở. Nền tảng của phân tích mạch điện Dc là luật Ohm và các định luật Kirchhoff. Ngoài ra , để tăng hiệu quả của quá trình tính toán mạch DC , người ta có thể dựa trên các phép biến đổi tương đương ( chia áp , chia dòng , biến đổi nguồn,…), phân tích dùng ma trận ( thế nút , dòng mắt lưới ,…) hay dùng các định lý đặc trưng cho mạch tuyến tính ( nguyên lý tỉ lệ , nguyên lý xếp chồng , sơ đồ tương đương Thevenin-Norton…). C. PHẦN THÍ NGHIỆM: I.
Mạch chia áp:
a. Thực hiện mạch chia áp và tính toán áp của từng trở. - Yêu cầu : Lắp mạch chia áp như hình 1.2.1.1. Điều chỉnh nguồn DC để được giá trị điện áp u như trong bảng số liệu. Dùng DC volt kế đo u1 , u2 , u3 và tính toán các giá trị trên theo lý thuyết .Tính toán sai số khi đo.
Hình 1.2.1.1: Mạch chia áp
-
Tính theo lý thuyết :
*Đối với u(V)=5(V).
*Đối với u(V)=12(V):
-
𝑔𝑖á 𝑡𝑟ị đú𝑛𝑔−𝑔𝑖á 𝑡𝑟ị đ𝑜 | Tính sai số: %sai số = || |. 100% 𝑔𝑖á 𝑡𝑟ị đ𝑜
*Đối với u(V) = 5(V).
*Đối với u(V) = 12(V).
Bảng Số Liệu : u(V)
u1 Tính
u2
Đo
%sai số
Tính
u3
Đo
%sai số
Tính
Đo
%sai số
5
0,88
0,8658
1,614%
1,88
1,8567
1,240%
2,24
2,2111
1,291%
12
2,112
2,1007
0,535%
4,512
4,506
0,133%
5,376
5,365
0,205%
b. Kiểm chứng luật Kirchoff về điện áp: -
Theo Kirchoff Voltage Law, ta có u = ∑u = u1+u2+u3. Tính ∑u từ số liệu đo và sai số của nó.
*Khi u(V)=5(V): ∑u = u1+u2+u3 = 0,8658+1,8567+2,2111 = 4,9336(V).
Sai số : *Khi u(V)=12(V): ∑u = u1+u2+u3 = 2,1007+4,506+5,365 = 11,9717(V).
Sai số : Bảng Số Liệu :
u(V)
∑uk
%sai số
5
4,9336
1,328%
12
11,9717
0,236%
c. Thiết kế mạch chia áp DC : 🞡 🞡 -
Thiết kế một mạch DC gồm 2 điện trở R1 và R2 nối tiếp theo yêu cầu ban đầu: R2 có áp vào 5(V) , áp ra 2(V). Dòng trong mạch phải bé hơn 10mA. Mạch thiết kế như sau :
Chọn R1 = 4,7kΩ , R2 = 3,245kΩ . => Kết quả đo áp là u2 = 2,002(V) , dòng trong mạch là 0,629(mA) < 10(mA). d. Ứng dụng mạch chia áp : + Ứng dụng 1 : Đo nội trở Rs .Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.2.1.2.Trước hết chưa nối VR vô mạch , chỉnh máy phát song có tín hiệu trên output là 2Vrms , f = 1kHz. Nối VR vào mạch , tăng dần từ 10Ω cho đến khi áp hiệu dụng trên output là 1Vrms. Theo nguyên lý chia áp , giá trị VR sẽ bằng giá trị Rs.
Hình 1.2.1.2: Mạch đo nội trở máy phát sóng trên hộp TN Giá trị Rs (đo được ) = 51Ω. + Ứng dụng 2: Đo điện trở vào Rin của mạch như hình 1.2.1.3. Đưa tín hiệu output vào CH1 , tín hiệu tại nút a vào CH2 của dao động ký. Chỉnh tăng VR từ giá trị 100Ω. Cho đến khi tín hiệu tại a có biên độ bằng ½ biên độ tại output thì giá trị VR sẽ bằng giá trị Rin của mạch.
Hình 1.2.1.3: Mạch đo điện trở vào Rin của một mạch điện. -
Tính theo giá trị 3 điện trở :
=>
.
Giá trị Rin (đo được ) = 1180Ω Giá trị Rin ( tính theo giá trị 3 điện trở ) = 1,182kΩ = 1182Ω. II.
Mạch chia dòng.
a. Thực hiện mạch chia dòng và tính dòng qua từng trở : - Yêu cầu : Thực hiện mạch chia dòng như hình 1.2.2.1. Thay đổi giá trị u của nguồn như trong bảng số liệu . Dùng Ampe kế đo giá trị I1, I2, I3 và tính toán I2 , I3 theo lý thuyết. Tính toán sai số khi đo.
Hình 1.2.2.1: Mạch chia dòng. I1 = 1,041(mA) (khi u=5V) và I1 = 2,527(mA) (khi u=12V) - Tính theo lý thuyết : *Khi u(V) = 5(V):
*Khi u(V) = 12(V):
- Tính sai số : * Đối với u(V) = 5(V):
* Đối với u(V) = 12(V):
Bảng Số Liệu : u (V)
I1 (mA)
5 12
1,041 2,527
I2(mA)
I3(mA)
Tính toán
Đo được
%sai số
Tính toán
Đo được
%sai số
0,572 1,372
0,562 1,366
1,748% 0,438%
0,48 1,152
0,479 1,156
0,438% 0,348%
b. Kiểm chứng luật Kirchoff về dòng điện : -
Theo Kirchoff Current Law, ta có của nó.
* Khi u(V) = 5(V):
Sai số:
* Khi u(V) = 12(V):
. Tính ∑ Ik từ số liệu đo và sai số
Sai số: Bảng Số Liệu :
u(V) 5 12
I1(mA) 1,052 2,524
∑Ik 1,041 2,522
%sai số 1,046% 0,079%
c. Thiết kế mạch chia dòng DC: - Thiết kế một mạch DC gồm 2 điện trở R1 và R2 mắc song song theo yêu cầu ban đầu : 🞡 Dòng tổng 10 mA. 🞡 R1 là 4,7kΩ và I1=4 mA. - Vẽ mạch thiết kế :
Trị số R2 = 3,17kΩ, đo lại dòng qua R1 = 4mA. d. Chia mạch dùng nhiều điện trở : Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.2.2.2. Đo và tính sai số I1.
Hình 1.2.2.2: Mạch chia dòng nhiều điện trở. I1 tính theo chia dòng :
với
Sai số :
.
.
Bảng Số Liệu : Dòng I đo
Dòng I1 đo
1,467
0,310
III.
Dòng I1 tính theo chia Sai số khi dùng chia dòng dòng cho I 0,3122 0,705%
Giải tích mạch DC nhiều nguồn dùng thế nút và mắt lưới.
+ E1 : Nguồn DC 5V. + E2 : Nguồn DC 12V. Dùng volt kế DMM đo lại E1 , E2. Dùng pp thế nút hoặc dòng mắt lưới tính u trên các trở. Dùng volt kế DMM đo lại các u. Hình 1.2.3: Mạch DC nhiều nguồn
*Tính theo lý thuyết : Chọn UD = 0 => Sử dụng pt điện thế nút : ( =>
)
=>
;
;
;
Bảng số liệu : Điện áp
Giá trị tính
Giá trị đo
% sai số
E1
5V
5V
0%
E2
12V
12V
0%
u1
1,21V
1,1681V
2,659%
u2
3,79
3,765
0,922%
u3
-8,21
-8,214
0,171%
u4
-7
-7,047
0,672%
IV.
Cầu đo Wheatstone một chiều đo điện trở
Là cầu đo điện trở dựa trên nguyên lý cân bằng , dùng đo điện trở giá trị từ 1Ω trở lên bằng cách thực hiện mạch thí nghiệm như hình dưới. Dùng DMM cho chức năng DC volt kế (DCV) có giá trị chỉ thị gần zero nhất là cầu cân bằng. Cầu đo này dùng để đo giá trị điện trở R2 khi chỉnh VR từ giá trị 1kΩ , mỗi lần tăng 100Ω. Ghi lại giá trị VR và giá trị chỉ thị trên DCV theo bảng.
Hình 1.2.4: Mạch đo Wheatstone một chiều Giá trị VR Chỉ số của DCV V.
VRcb - 100Ω
VRcb = 2199Ω
VRcb + 100Ω
33,97mV
0,09mV
-33,15mV
Kiểm chứng nguyên lý tỉ lệ trên mạch DC
Với mạch thí nghiệm như hình 1.2.5 , nguyên lý tỉ lệ được hiểu là điện áp u2 trong mạch tỉ lệ với nguồn tác động lên mạch Ein theo : u2 = K.Ein. Nguồn Ein lấy từ nguồn DC được điều chỉnh trên hộp TN chính. Thay đổi giá trị Ein và đo u2.
Hình 1.2.5: Mạch kiểm chứng nguyên lý tỉ lệ. Ein u2
4V 1,16V
Vẽ đồ thị :
6V 1,7392V
8V 2,3137V
10V 2,8972V
12V 3,483V
VI.
Kiểm chứng nguyên lý xếp chồng trên mạch DC
Hình 1.2.6.1:Mạch chỉ có nguồn E1
Hình 1.2.6.2: Mạch chỉ có nguồn E2
Để kiểm chứng giá trị đo được của u1 trên mạch hình 1.2.3 dựa trên nguyên lý xếp chồng , ta làm như sau : + Chỉ cho tác động lên mạch nguồn E1 = 5V bằng cách thực hiện thí nghiệm như hình 1.2.6.1 và đo u11. + Chỉ cho tác động lên mạch nguồn E2 = 12V bằng cách thực hiện thí nghiệm như hình 1.2.6.2 và đo u12. + Tính u1 theo nguyên lý xếp chô *Tính theo nguyên lý xếp chồng : .
Điện áp
Mạch chỉ có nguồn E1(u11)
Mạch chỉ có nguồn E2(u12)
u1
3,69V
-2,5224V
Giá trị tính theo xếp chồng 1,1676V
Giá trị đo khi có cả 2 nguồn 1,1681V
+ Mở rộng khảo sát nguyên lý xếp chồng trong mạch có cả nguồn DC và AC:
Hình 1.2.6.3: Đo uC khi mạch có cả nguồn DC và AC
% sai số khi dùng xếp chồng 0,043%
Bảng Số liệu : Giá trị uC đo ở chức năng DCV 2,31V
Giá trị uC đo ở chức năng ACV 0,954V
Giải thích : Khi đo ở chức năng DCV , ta chỉ lấy nguồn DC còn nguồn AC = 0 , trở thành dây dẫn . Áp dụng điện thế nút ta có được UA = UC = 2,28V sấp sỉ bằng 2,31V là giá trị đo được. Khi đo ở chức năng ACV , ta thay đổi ngược lại khi đo chức năng DCV. Phức hóa mạch , tính được UA=UC=1,079(V) ( Hiệu dụng ) , sấp sỉ với 0,954V là giá trị đo được. VII.
Sơ đồ Thevenin-Norton và nguyên lý truyền công suất cực đại
Hình 1.2.7.1: Đo Uhm Giá trị đo 8,184
Uhm Giá trị tính 8,194
Giá trị đo 3,217
Hình 1.2.7.2: Đo Inm Ihm Giá trị tính 3,207
Rthevenin Giá trị đo Giá trị tính 2,522 2,555
*Tính theo lý thuyết : ● => Unút giữa = 8,194(V) = Uhm. ● 4,7k.I1 = 5 => I1 = 1,064(mA) , 5,6k.I2 = 12 => I2 = 2,143(mA) => Inm = I1 + I2 = 3,207(mA). ● Rthevenin = Uhm / Inm = (8,294/3,207).103 = 2,555kΩ
Hình 1.2.7.3: Khảo sát công suất max
VR
1kΩ
2kΩ
IVR(mA)
2,31 7 5,36 8
1,80 6 6,52 3
PVR(mW )
2,522k Ω 1,636
3kΩ
4kΩ
5kΩ
6kΩ
7kΩ
8kΩ
9kΩ
1,48
6,750
6,57 1
1,25 4 6,29 0
1,08 9 5,93 0
0,96 3 5,56 4
0,86 3 5,21 3
0,78 2 4,89 2
0,71 4 4,58 8
10k Ω 0,65 8 4,33 0
+ Thực hiện mạch khảo sát công suất cực đại trong mạch có nguồn AC. Chỉnh cho u hiệu dụng bằng 2V , tần số là 5kHz.Thực hiện 10 giá trị của VR từ 1kΩ đến 10kΩ.Đo IVR , tính PVR.
Hình 1.2.7.4 : Cực đại công suất mạch AC Bảng số liệu :
VR
1kΩ
2kΩ
IVR PVR
0,34 0,12
0,28 0,16
2,573k Ω 0,248 0,158
3kΩ
4kΩ
6kΩ
7kΩ
8kΩ
0,19 0,17 0,17 0,15 0,152 0,145 0,145 0,13
0,13 0,12
0,12 0,11 0,119 0,11
VR để PVR max theo lý thuyết = 2,573kΩ Công suất PVR (max) theo lý thuyết = 0,158mW.
VIII.
Sơ đồ Module DC Circuits.
5kΩ
9kΩ
10kΩ 0,1 0,1
Bảng 1.2.1: Danh sách linh kiện trên Module DC Circuits
STT
Tên linh kiện
Giá trị danh định / mô tả
1
Biến trở VR (4 dãy)
1kx10; 100x10; 10x10; 1x10Ω
2
R1,R6
10kΩ
3
R2,R7,R11
2.2kΩ
4
R3,R4,R8,R10
4.7kΩ
5
R5,R9,R12
5.6kΩ
6
C1
0,01μF (103)
7
L1
100mH
D. -
DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM: Hộp thí nghiệm ( hay bộ nguồn DC hai ngõ ra). Các điện trở : 1kΩ, 2.2kΩ,4.7kΩ, 5.6kΩ, 10kΩ. Các tụ điện không phân cực : 105, 104, 473, 223, 103. Biến trở 1kΩ, 10kΩ.
-
Đồng hồ đo vạn năng số (DMM). Dây nối thí nghiệm (có dây nối trên breadboard).
Bài 3: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU (AC) A.
MỤC ĐÍCH: Bài thí nghiệm giúp sinh viên khảo sát các đặc trưng của một mạch điện trong trường hợp
nguồn tác động lên mạch là nguồn điều hòa, hay còn gọi là nguồn xoay chiều (AC). Quá trình thí nghiệm cũng giúp SV hiểu rõ thêm phương pháp biên độ (hay hiệu dụng) phức, cách dựng đồ thị vectơ và tính toán công suất trong mạch điều hòa. B.
ĐẶC ĐIỂM: Phân tích mạch xác lập điều hòa thông qua tính toán trên mạch phức. Ở mạch phức, trở
kháng nhánh Z là số phức, bằng tỉ số biên độ phức áp và dòng trên nhánh. Luật Ohm dạng phức được phát biểu: 𝑈˙ = 𝑍. 𝐼˙ với 𝑍 = |𝑍|∠φ I. Xác định |Z|: Là tỉ số trị biên độ hay trị hiệu dụng của áp và dòng trên nhánh. Trị biên độ có thể đọc nhờ dao động ký và trị hiệu dụng có thể đọc nhờ volt kế xoay chiều. II. Xác định φ: Có nhiều phương pháp, trong bài thí nghiệm này đề nghị dùng dao động ký với hai phương pháp cơ bản: a) So pha trực tiếp: Đưa cả hai tín hiệu (cùng GND) vào hai kênh của dao động ký. Chọn VERT MODE là DUAL hay CHOP. Chỉnh định dao động ký để hiển thị hai tín hiệu trên màn hình như Hình 1.3.0.1.
Dựa vào giá trị của nút Time/div ta đọc giá trị ∆𝑡 và T. Góc lệch pha giữa CHB và CHA xác định theo: φ =
( )×360° ∆𝑡 𝑇
Lưu ý: + Theo hình 1.3.0.1, ta thấy ∆t là dương khi tín hiệu cần xác định góc pha xuất hiện trước tín hiệu chuẩn . + Dao động ký chỉ nhận tín hiệu áp. Do đó khi cần đưa vào tín hiệu dòng thì ta thông qua tín hiệu áp trên điện trở mang dòng điện đó. b) So pha dùng đồ thị Lissajous: Đưa cả hai tín hiệu (cùng GND) vào hai kênh của dao động ký. Chọn VERT MODE là X-Y. Chỉnh định các nút Volt/div của dao động ký để hiển thị trên màn hình như Hình 1.3.0.2.
Hình 1.3.0.2: So pha dùng đồ thị Lissajous Giả sử 𝑋(𝑡) = 𝑎 sin 𝑠𝑖𝑛 (ω𝑡) và 𝑌(𝑡) = 𝑏 sin 𝑠𝑖𝑛 (ω𝑡 + φ) . Ta thấy tại t = 0 thì X = 0 và 𝑌 = 𝑏 sin 𝑠𝑖𝑛 (φ) = 𝑌0 . Do đó:
φ =
( ) 𝑌0 𝑏
Phương pháp này đơn giản nhưng chỉ hữu hiệu ở các giá trị φ≤45°. Nếu các giá trị φ lớn hơn, trị sin(φ) thay đổi rất chậm và độ chính xác sẽ giảm. C. PHẦN THÍ NGHIỆM : I.
Giá trị thông số mạch thí nghiệm: Giá trị thông số của các mạch thí nghiệm trong bài thí nghiệm này được chọn theo bảng
sau đây. Lưu ý giá trị RL = thành phần điện trở trong mô hình nối tiếp của cuộn dây sẽ được xác định trong quá trình thí nghiệm.
Ở đây RL đo được = 300 Ω
Phần tử
Giá trị dùng thí nghiệm
C
0,047 µF (473)
L
100 mH
RL R
1 kΩ
R0
1 kΩ
II.
Đo trở kháng tụ điện:
a)
Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.3.2. Chỉnh máy phát sóng sin để u(t) có biên độ 2 V, tần số 2 kHz. Dùng dao động ký, đo biên độ
áp trên R và trên tụ C. Tính Im = URm/R. Tính |ZC| = Ucm/Im. Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ𝐶 giữa uc(t) và ic(t) (cũng là i(t) bằng cách CH2 INV). Điền vào bảng số liệu với hai giá trị tần số khác nữa. (Lưu ý chỉnh đúng tần số máy phát, kiểm lại với chu kỳ T thông qua việc đọc từ giá trị nút chỉnh Time/div của dao động ký. Giả sử ta chọn Time/div = 100µs thì tín hiệu 2 kHz; 5 kHz và 10 kHz sẽ có chu kỳ lần lượt là 5 ô; 2 ô và 1 ô)
Hình 1.3.2: Đo trở kháng tụ điện Tần số
Um
Ucm
URm
Im
|ZC|
∆𝑡𝐶
φ𝐶
T
2 kHz
2V
2.5V
1.4V
1.4 mA
1785.71
122µs
-88.54
0.5ms
5 kHz
2V
1.6V
2.3V
2.3 mA
695.65
52µs
-92.67
0.2ms
10 kHz
2V
1V
2.6V
2.6 mA
384.61
28µs
-96.92
104µs
Với Im = Urm/R = 1.4V/1000Ω = 0.0014 A = 1.4 mA |ZC| = Ucm / Im = 2.5V / 1.4mA = 1785.714 Ω ϕC = ∆𝑡𝐶/𝑇. 360 với T là chu kỳ, đo ở dao động ký b)
Vẽ đồ thị |ZC| theo ω. Cho biết biểu thức lý thuyết của |ZC| theo ω. ω = 2 π.f ⇨ |𝑍𝑐| = 1/ꙍ. 𝐶 = 1/2π𝑓. 𝐶
c)
Kết luận : vì ω tỉ lệ nghịch với |Zc|
III. Mạch RC nối tiếp: a.
Thực hiện mạch thí nghiệm RC nối tiếp như hình 1.3.3. Chỉnh máy phát sóng sin để u(t) có biên độ 2 V, tần số 2 kHz. Dùng DMM
(Multimeter) đo dòng vào mạch, đo áp vào mạch, áp trên R và áp trên C (Lưu ý: giá trị đọc trên DMM là trị hiệu dụng). Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ giữa u(t) và i(t) (thông qua đọc ∆𝑡). Điền vào bảng số liệu:
Hình 1.3.3: Mạch RC nối tiếp U
UC
UR
I
|Z|
∆𝑡
φ
1,41Vrms
1.25V
0.707V
0.707 mA
2693.2
0.08 ms
-57.6
Dựng đồ thị vectơ điện áp của mạch theo số liệu đo phần a) dùng thước và compa,
b.
chọn pha ban đầu của dòng điện là 0. Từ đồ thị vectơ suy ra φ. So sánh với giá trị φ đo được
trong bảng số liệu. Với ϕ =
−1.25 0.707
≈ − 60. 5°
Tính công suất của mạch RC nối tiếp theo số liệu đo:
c.
CS biểu kiến S 0.707
Hệ số cosφ 0.54
CS tác dụng P 0.379
Công suất biểu kiến S = ½ Um.Im = 0.707 mVA Công suất tác dụng P = S.Cosϕ = 0.379 mW
CS phản kháng Q -0.597
Công suất phản kháng Q = S.Sinϕ = -0.597 mVAr IV. Đo trở kháng cuộn dây: a)
Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.3.4.
Hình 1.3.4: Đo trở kháng cuộn dây Chỉnh máy phát sóng sin để u(t) có biên độ 2 V, tần số lần lượt là 2 kHz, 5 kHz và 10 kHz. Đưa hai tín hiệu uR(t) và uL(t) vào dao động ký. Dùng dao động ký, đo biên độ áp trên R và trên cuộn dây L. 𝑇í𝑛ℎ 𝐼𝑚 =
𝑈𝑅𝑚 𝑅
.
𝑇í𝑛ℎ |𝑍𝐿| =
𝑈𝐿𝑚 𝐼𝑚
.
Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ𝐿 giữa uL(t) và iL(t) (cũng là i(t) bằng cách CH2 INV). Điền vào bảng số liệu. (Lưu ý chỉnh đúng tần số máy phát, kiểm lại với chu kỳ T thông qua việc đọc từ giá trị nút chỉnh Time/div của dao động ký) Tần số
Um
ULm
URm
Im
|ZL|
∆𝑡𝐿
φ𝐿
2 kHz
2V
1.5V
1.1V
1.1 mA
1363.13
0.12ms
86.4
5 kHz
2V
1.9V
0.54V
0.54 mA
3518.52
0.05ms
90
10 kHz
2V
2V
0.35V
0.35 mA
5714.3
0.025ms
90
𝐼𝑚 = 𝑇𝑟ở 𝑘ℎá𝑛𝑔 𝑍𝐿 = b)
𝑈𝑅𝑚 𝑅
𝑈𝐿𝑚 𝐼𝑚
=
=
1.1𝑉 1000
1.5𝑉 0.1𝑚𝐴
= 1. 1 𝑚𝐴
= 1363.63 Ω
Vẽ đồ thị |ZL| theo ω. Cho biết biểu thức lý thuyết của |ZL| theo ω.
ZL = ω.L, đồ thị tuyến tính Kết luận được điều gì khi φ𝐿phụ thuộc ω.
c)
V. Mạch RL nối tiếp: a.
Thực hiện mạch thí nghiệm RL nối tiếp như hình 1.3.5. Chỉnh máy phát sóng sin để u(t) có biên độ 2 V, tần số 2 kHz. Dùng DMM (Multimeter) đo
dòng vào mạch, đo áp vào mạch, áp trên R và áp trên L (Lưu ý: giá trị đọc trên DMM là trị hiệu dụng). Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ giữa u(t) và i(t) (thông qua đọc ∆𝑡). Điền vào bảng số liệu:
Hình 1.3.5: Mạch RL nối tiếp
U
UL
UR
I
|Z|
∆𝑡
φ
1,41Vrms
1.024V
0.735V
0.768 mA
2604.16
0.068 ms
48.96°
|𝑍| =
𝑈𝑚 𝐼
=
2 −3
0.768.10
= 2604. 16 Ω
Kiểm chứng : |Z| = Σ(ZL,R) = ωL + rL + R = 1256.63 + 300 + 1000 = 2556.63 Ω Góc
ϕ
tính
tương −3
tự
thí
ϕ = ∆𝑡. 2π𝑓. 360 = 0. 068. 10 . 2π. 2000. 360 = 48. 96
nghiệm
trước,
Dựng đồ thị vectơ điện áp của mạch theo số liệu đo dùng thước và compa, chọn pha
b.
ban đầu của dòng điện là 0. Từ đồ thị vectơ suy ra φ. So sánh với giá trị φ đo được trong bảng
số liệu.
Ta có định lý cos : ϕ=
(
2
2
2
1.41 +0.735 −1.024 2*0.735*1.41
)≈44. 44°
Thành phần điện trở của cuộn dây: RL = 300 (Ω). Tính công suất của mạch RL nối tiếp theo số liệu đo:
c.
CS biểu kiến S 0.768
Hệ số cosφ 0.66
CS tác dụng P 0.507
CS phản kháng Q 0.579
Công suất biểu kiến S = ½ Um.Im = 0.768 mVA Công suất tác dụng P = S.Cosϕ = 0.507 mW Công suất phản kháng Q = S.Sinϕ = 0.579 mVAr VI. Mạch RLC nối tiếp: a.
Thực hiện mạch thí nghiệm RLC nối tiếp như hình 1.3.6. Chỉnh máy phát sóng sin để u(t) có biên độ 2 V, tần số 2 kHz. Dùng DMM (Multimeter) đo
dòng vào mạch, đo áp vào mạch, áp trên R, trên L và áp trên C (Lưu ý: giá trị đọc trên DMM là trị hiệu dụng). Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ giữa u(t) và i(t) (thông qua đọc ∆𝑡). Điền vào bảng số liệu:
Hình 1.3.6: Mạch RLC nối tiếp
U
UL
1,41Vrms
UC
1.33V
1.726V
UR 0.98V
I
|Z|
1.04 mA
1016.92
∆𝑡
φ
0.04
-28.8
ms Ż =
𝑈𝐿 ∠90+ 𝑈𝐶 ∠−90 + 𝑈𝑅 𝐼∠28.8
= 1016. 915∠4. 16
|Z| = 1016.92 Ω b.
Dựng đồ thị vectơ điện áp của mạch theo số liệu đo dùng thước và compa, chọn
pha ban đầu của dòng điện là 0, giả sử R thuần trở và C thuần dung. Từ đồ thị vectơ suy ra φ. So sánh với giá trị φ đo được trong bảng số liệu.
𝑇𝑎 𝑐ó ϕ(𝑈𝐿, 𝑈𝑟) = arctan 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 ϕ (𝑈𝑐, 𝑈𝑅) = arctan 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛
( ) 𝑍𝐿 𝑟
( ) 𝑈𝑐 𝑈𝑅
= arctan 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛
= arctan 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛
(
(
400π 300
1.726 0.98
)
)
= 76. 57
= 60. 41
2
2
UCR = 𝑈𝑐 + 𝑈𝑅 = 1. 985V đị𝑛ℎ 𝑙ý cos 𝑐𝑜𝑠 𝑐ℎ𝑜 𝑡𝑎 ϕ(𝑈, 𝐼) = 𝑎𝑟𝑐𝑜𝑠 c.
(
2
2
2
𝑈𝑐𝑟 +𝑈 −𝑈𝑙𝑟 2.𝑈𝑐𝑟.𝑈
) = 38.9
Tính công suất của mạch RLC nối tiếp theo số liệu đo: CS biểu kiến S
Hệ số cosφ
1.04 mVA
CS tác dụng P
0.876
0.91 mW
CS phản kháng Q -0.5 mVAr
Công suất biểu kiến S = ½ Um.Im = 1.04 mVA Công suất tác dụng P = S.Cosϕ = 0.91 mW Công suất phản kháng Q = S.Sinϕ = - 0.5 mVAr
d.
Tính công suất P trên từng phần tử của mạch RLC nối tiếp: PL (trên L)
0.162 mW
PC (trên C)
PR (trên R)
0
PL + P C + P R
0.54 mW
0.703 mW 2
Vì cuộn không thuần cảm nên có công suất tác dụng 𝑃𝐿 = ½ . 𝐼𝑚 RL = 0.162 mW 2
Công suất tác dụng trên 𝑅 = ½ 𝑅. 𝐼 = 0. 54 𝑚𝑊 2
Công suất phản kháng trên 𝐿 = ½ ω𝐿. 𝐼 = 0. 679 𝑚𝑉𝐴𝑟 2
Công suất phản kháng trên tụ 𝐶 =− ½
𝐼 ω𝐶
= - 0.915 mVAr
Nguyên lý cân bằng công suất : Do sai số trong quá trình đo và điện trở rỉ của tụ nên P trên từng phần tử gần bằng P phát, mạch cân bằng công suất
VII. Mạch RC song song: a)
Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.3.7.
Hình 1.3.7: Mạch RC song song Chỉnh máy phát sóng sin để uR(t) có biên độ 2 V, tần số 2 kHz. Dùng DMM (Multimeter) đo dòng vào mạch, đo dòng qua trở R và dòng qua tụ C. Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ giữa uR(t) và i(t) bằng cách đưa uR(t) và uR0(t) vào CH1 và CH2. Thực hiện bảng số liệu: I
IR
IC
φ(uR & i)
0.852 mA
0.662 mA
0.525 mA
38.416
UR 1,41Vrms
Góc lệch UR và I là ϕ = arctan 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 b)
𝐼𝑐 𝐼𝑟
= arctan 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛
(
0.525 0.662
)
= 38. 416
Giả sử điện trở là thuần, vẽ đồ thị vectơ dòng cho mạch song song khi chọn pha ban
đầu của áp uR(t) là 0. Từ đồ thị vectơ, viết ra các giá trị dòng, áp phức hiệu dụng (dạng mũ)
trong mạch:
Có =
𝐼𝐶 𝐼𝑅
≈38. 416°
UR = 1,41∠0o (Vrms)
𝐼˙𝑅 = 0.662∠0 mA
𝐼˙𝐶 =
0.525∠90 mA
𝐼˙ = 0.852∠38.416 mA Từ đó tính ra: Trở kháng nhánh song song: ZR//C =
𝑈˙𝑅 𝐼˙
=
1.41∠0 0.852∠38.42
= 1654. 93∠ − 38. 416 Ω
Góc lệch pha giữa uR(t) và i(t) : φ(𝑢𝑅 & 𝑖) = arctan 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛
( ) 𝐼𝑟 𝐼
= 39. 01
Tính công suất của nhánh R//C theo số liệu đo:
d.
CS biểu kiến S 0.6
Hệ số cosφ
CS tác dụng P
0.777
0.466
CS phản kháng Q 0.378
Công suất biểu kiến S = ½ Um.Im = 0.707/0.852 = 0. 6 mVA Công suất tác dụng P = S.Cosϕ = 0.466 mW Công suất phản kháng Q = S.Sinϕ = 0.378 mVAr VIII. Mạch RL song song: a)
Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.3.8 . Chỉnh máy phát sóng sin để uR(t) có biên độ 2 V, tần số 2 kHz. Dùng DMM
(Multimeter) đo dòng vào mạch, đo dòng qua trở R và dòng qua cuộn dây L. Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φgiữa uR(t) và i(t) bằng cách đưa uR(t) và uR0(t) vào CH1 và CH2. Thực hiện bảng số liệu: UR
I
IR
IL
φ(uR & i)
1,41Vrms
0.82 mA
0.631 mA
0.523 mA
-39.65
Hình 1.3.8: Mạch RL song song
Giả sử điện trở là thuần, vẽ đồ thị vectơ dòng cho mạch song song khi chọn pha ban
b)
đầu của áp uR(t) là 0. Từ đồ thị vectơ viết ra các giá trị dòng, áp phức hiệu dụng (dạng mũ) trong mạch: 𝐼˙𝑅 =0.631∠0 mA
U = 1,41∠0o (Vrms)
𝐼˙𝐿 = 0. 523∠ − 90 𝑚𝐴
𝐼˙ = 0.82∠-39.65 mA Từ đó tính ra: Trở kháng nhánh song song: ZR//L =
𝑈˙𝑅 𝐼˙
=
1.41∠0 0.82∠−39.65
= 1719. 5∠39. 65Ω
Góc lệch pha giữa uR(t) và i(t) : φ(uR & i) = arctan(IL/IR) = 39.65
d.
Tính công suất của nhánh R//L theo số liệu đo:
CS biểu kiến S 0.444
Hệ số cosφ
CS tác dụng P
0.77
0.342
Công suất biểu kiến S = ½ Um.Im = 0.707/0.631 = 0. 444 mVA Công suất tác dụng P = S.Cosϕ = 0.342 mW Công suất phản kháng Q = S.Sinϕ = 0.283 mVAr
IX. Hiệu chỉnh hệ số công suất cosφ của nhánh: a) Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.3.9 .
CS phản kháng Q 0.283
Chỉnh máy phát sóng sin để điện áp trên nhánh song song uR(t) luôn có biên độ 2 V, tần số 2 kHz. Dùng DMM (Multimeter) đo dòng vào mạch, đo dòng qua trở R, dòng qua cuộn dây L và dòng qua tụ điện Chc. Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ giữa áp và dòng trên nhánh song song bằng cách đưa uR(t) và uR0(t) vào CH1 và CH2. Từ góc lệch pha này tính hệ số công suất cosφ của nhánh song song. Hoàn thiện bảng số liệu với các giá trị C có trên module. Thực hiện bảng số liệu: Chc
UR
I
IR
IL
IC
φ(uR & i)
cosφ
0
1,41Vrms
0.821
0.662
0.442
0
- 35.72
0.81
C1
1,41Vrms
0.75
0.634
0.48
0.44
- 3.61
0.998
C3
1,41Vrms
0.83
0.668
0.426
0.87
33.6
0.832
C4
1,41Vrms
0.782
0.612
0.44
0.12
- 27.6
0.886
Hình 1.3.9: Hiệu chỉnh hệ số cosφ nhánh b. Với trường hợp Chc = C4: Giả sử điện trở và tụ điện là thuần, vẽ đồ thị vectơ dòng cho mạch song song khi chọn pha ban đầu của áp uR(t) là 0. Từ đồ thị vectơ viết ra các giá trị dòng, áp phức hiệu dụng (dạng mũ) trong mạch:
U = 1,41∠0o (Vrms)
𝐼˙𝑅 =0.612∠0 mA
𝐼˙𝐿 =0.44∠90 mA
𝐼˙𝐶 =0.12∠90 mA
𝐼˙ = 0.782∠-27.6 mA
Từ đó tính ra: Trở kháng nhánh song song: ZR//L//C =𝑈˙𝑅/𝐼˙ = 1803.1∠27.6 Góc lệch pha giữa uR(t) và i(t) : φ(uR & i) = 27.6 c.
Có nhận xét gì về trị hiệu dụng dòng qua nhánh i(t) ở các trường hợp ? ⇨ I(t) có trị hiệu dụng giảm khi C tăng
d.
Trình bày chi tiết quá trình tính giá trị Chc cần thiết để đưa hệ số công suất của nhánh
song song về đơn vị ?
Để chọn tụ bù cho một tải nào đó thì ta cần biết công suất (P) của tải đó và hệ số công suất (Cosφ) của tải đó: Giả sử ta có công suất của tải là P + Hệ số công suất của tải là Cosφ1 → φ1 → tgφ1 (trước khi bù, cosφ1 nhỏ còn tgφ1 lớn) + Hệ số công suất sau khi bù là Cosφ2 → φ2 → tgφ2 (sau khi bù, cosφ2 lớn còn tgφ2 nhỏ)
+ Công suất phản kháng cần bù là Qb = P (tgφ1 – tgφ2). Từ công suất cần bù ta chọn tụ bù cho phù hợp trong bảng catalog của nhà cung cấp tụ bù. Giả sử ta có công suất tải là P = 100 (KW). + Hệ số công suất trước khi bù là cosφ1 = 0.75 → tgφ1 = 0.88 + Hệ số công suất sau khi bù là Cosφ2 = 0.95 → tgφ2 = 0.33 Vậy công suất phản kháng cần bù là Qbù = P (tgφ1 – tgφ2) Qbù = 100(0.88 – 0.33) = 55 (KVAr) Từ số liệu này ta chọn tụ bù trong bảng catalogue của nhà sản xuất giả sử ta có tụ 10KVAr. Để bù đủ cho tải thì ta cần bù 6 tụ 10 KVAr tổng công suất phản kháng là 6×10=60(KVAr).
X. Sơ đồ Module AC Circuits: + Sơ đồ module như Hình 1.3.10, giá trị linh kiện như trong Bảng 1.3.1
Hình 1.3.10: Module AC Circuits
Bảng 1.3.1: Danh sách linh kiện trên Module AC Circuits
STT
Tên linh kiện
Giá trị danh định / mô tả
1
Biến trở VR (4 dãy)
1kx10; 100x10; 10x10; 1x10Ω
2
R1, R2, R7, R8
1k Ω
3
R3, R4
100 Ω
4
R5, R6
470 Ω
5
R9, R10
2.2k Ω
6
C1, C2
0.047µF (473)
7
C3
0.1µF (104)
8
C4
0.01µF (103)
9
L1
100mH
10
L2
10mH
D. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM: -
Hộp thí nghiệm (có máy phát sóng 2MHz).
-
Module AC Circuit .
-
Dao động ký (Oscilloscope) và DMM (Multimeter).
-
Dây nối thí nghiệm (jack banana 2mm).
Bài 4 : ĐÁP ỨNG TẦN SỐ VÀ MẠCH CỘNG HƯỞNG. A.
MỤC ĐÍCH : Bài thí nghiệm giúp sinh viên hiểu được tính chất phụ thuộc tần số của mạch điện thông
qua xác định đáp ứng tần số của mạch, khảo sát các mạch lọc thụ động cơ bản và tìm hiểu hiện tượng cộng hưởng (xem thêm lý thuyết ở chương 2 – giáo trình Mạch Điện I). B.
ĐẶC ĐIỂM : Mạch lọc điện là mạch điện có tính chất cho qua (pass) các tín hiệu ở một khoảng tần số
nào đó và không cho qua (stop) các tín hiệu ở các tần số còn lại. Mạch lọc thụ động được thiết kế từ các phần tử R, L, C và M. Mạch lọc tích cực có sự tham gia của các phần tử nguồn, phổ biến là các phần tử mạch bán dẫn hay OP-AMP. Có 4 loại mạch lọc cơ bản: mạch lọc thông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc thông dải và mạch lọc chắn dải. Khảo sát mạch lọc dựa trên tìm đáp ứng tần số của mạch lọc, thường viết dạng: 𝐻(𝑗ω) =
𝑈˙𝑜𝑢𝑡 𝑈˙𝑖𝑛
= |𝐻(𝑗ω)|∠φ
Tần số cắt (fc) của mạch lọc là tần số mà ở đó |𝐻(𝑗ω)| =
1 2
|𝐻(𝑗ω)|𝑚𝑎𝑥
hay tính theo độ lợi đơn vị dB là -3db so độ lợi tại |𝐻(𝑗ω)|𝑚𝑎𝑥 Cộng hưởng là một hiện tượng đặc trưng của tính chất thay đổi theo tần số của một nhánh mạch điện: áp và dòng sẽ cùng pha tại tần số cộng hưởng. Có hai dạng cộng hưởng cơ bản: cộng hưởng nối tiếp và cộng hưởng song song. Ở mạch cộng hưởng RLC nối tiếp, trị hiệu dụng các điện áp trên các phần tử kháng ở gần cộng hưởng sẽ rất lớn so với điện áp vào của mạch (do đó mạch cộng hưởng nối tiếp còn gọi là cộng hưởng áp). Ở mạch cộng hưởng RLC song song thì dòng điện qua mắc lưới LC ở gần cộng hưởng sẽ rất lớn so với dòng điện cấp cho mạch (do đó mạch cộng hưởng song song còn gọi là cộng hưởng dòng ). Tại tần số cộng hưởng , biên độ tín hiệu ngõ ra sẽ là cực đại. Và khoảng tần số , mà ở đó biên độ hàm truyền đạt áp lớn hơn
1 2
biên độ cực đại , được gọi là băng thông của mạch
cộng hưởng (ký hiệu là BW). Dấu bằng xảy ra tại tần số cắt của mạch cộng hưởng. Có hai giá trị tần số cắt : tần số cắt dưới f1 (hay ω1) bé hơn tần số cộng hưởng và tần số cắt trên f2 (hay
ω2) lớn hơn tần số cộng hưởng (xem thêm các công thức tính tần số cắt theo thông số mạch ở chương 2– giáo trình Mạch Điện I ). Băng thông của mạch cộng hưởng được xác định khi biết tần số cắt : BW = f2 – f1 (Hz) Hay:
BW = ω2 − ω1 (rad/s)
Hệ số phẩm chất Q của mạch cộng hưởng có thể tính bằng công thức : Q = fo /BW
; với fo là tần số cộng hưởng.
(BW và tần số cùng theo thứ nguyên như nhau) C. PHẦN THÍ NGHIỆM : I.
Giá trị thông số mạch thí nghiệm: Giá trị thông số mạch thí nghiệm trong bài thí nghiệm này cho trong bảng sau, trong đó RL
là điện trở nội của cuộn dây trong mô hình nối tiếp. Phần tử R, Rnt
II.
Giá trị danh định 1 kΩ
Rss
2,2 kΩ
C
0,047 µF (473)
L
100 mH
RL
300 Ω
Mạch cộng hưởng RLC nối tiếp: a) Đo tần số cộng hưởng nối tiếp: Thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.4.1. Chỉnh máy phát sóng sin để uin luôn có biên độ
2 V, tần số chỉnh từ 1kHz đến khoảng 10kHz. f0 = 2348.4 Hz
Hình 1.4.1: Mạch cộng hưởng nối tiếp
b)
Vẽ dạng Uout(f) của mạch nối tiếp:
Mạch thí nghiệm như 1.4.1, chỉnh uin biên độ 2V, tần số thay đổi
f (Hz)
100
1k
10k
100k
f0
Uout (V)
0.06
0.7
0.32
0.016
1.4
+ Vẽ đặc tuyến Uout(f).
c)
Đo tần số cắt và băng thông mạch nối tiếp:
+ Từ giá trị f0, giảm từ từ tần số máy phát cho đến khi 𝑈𝑜𝑢𝑡 = f1= 1500 Hz
+ BW = f2 – f1 = 2340 Hz d)
Bảng số liệu mạch nối tiếp:
(Với 𝑅∑ = Rnt + RL)
2
𝑈𝑜𝑢𝑡(𝑓0)
Uout(f1)= 1 V
+ Từ giá trị f0, tăng từ từ tần số máy phát cho đến khi 𝑈𝑜𝑢𝑡 = f2= 3840 Hz
1
1 2
𝑈𝑜𝑢𝑡(𝑓0)
Uout(f2)= 1 V Q = f0/BW= 0.99
Phần
Giá trị
Đại lượng
tử
Tính theo lý
Đo được
% sai số
thuyết
Rnt
1k Ω
f0
2321.5134
2320
0.065%
RL
300 Ω
f1
1507.4
1500
0.49%
L
0.1 H
f2
3576.05
3840
6.87%
C
0.047 µF BW
2069.01
2340
11.6%
𝑅∑
1300 Ω
1.12
0.99
11.6%
Q
𝐿ý 𝑡ℎ𝑢𝑦ế𝑡 – đ𝑜 đạ𝑐 | % 𝑠𝑎𝑖 𝑠ố = || |100% 𝐿ý 𝑡ℎ𝑢𝑦ế𝑡
e) Đo góc lệch pha giữa uout và uin tại các tần số cắt: Góc lệch pha đo được
Góc lệch pha theo lý thuyết
Tại f1
Tại f2
Tại f1
Tại f2
46
-45
49.96
-46.89
Chọn Uin= 2∠0o Tại f1 = 1500 Hz
Tại f2 = 3840 Hz
=> {𝑍𝐿 = 300π𝑗 {𝑍𝐿 = 768π𝑗 Uout =
𝑍𝐶 =− 2257. 5𝑗
=>
𝑍𝐶 =− 881. 8𝑗 2∠0 1300+𝑍𝐿+𝑍𝐶
. 1000
=> {𝑈𝑜𝑢𝑡 1 = 0. 76∠45. 3
III. Mạch cộng hưởng RLC song song: a) Đo tầnsố cộng hưởng song song:
𝑈𝑜𝑢𝑡 2 = 0. 76∠ − 49. 6
Thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.4.2. Chỉnh máy phát sóng sin để uin luôn có biên độ 2 V, tần số chỉnh từ 1kHz đến khoảng 10kHz. f0 = 2235 Hz
Hình 1.4.2: Mạch cộng hưởng song song
b)
Vẽ dạng Uout(f) của mạch song song: Mạch thí nghiệm như 1.4.2, chỉnh uin biên độ 2 V, tần số thay đổi (có thể đọc tần số dùng
dao động ký).
f (Hz)
100
1k
10k
100k
f0
Uout (V)
0.25
0.64
0.34
0.036
1.5
+ Vẽ đặc tuyến Uout(f) .
c)
Đo tần số cắt và băng thông mạch song song:
+ Từ giá trị f0, giảm từ từ tần số máy phát cho đến khi 𝑈𝑜𝑢𝑡 = f1= 1500 Hz
+ BW = f2 – f1 =2450 Hz
2
𝑈𝑜𝑢𝑡(𝑓0)
Uout(f1)= 1.06 V
+ Từ giá trị f0, tăng từ từ tần số máy phát cho đến khi 𝑈𝑜𝑢𝑡 = f2= 3950 Hz
1
1 2
Uout(f2)= 1.06 V
Q = f0/BW= 0.9122
𝑈𝑜𝑢𝑡(𝑓0)
d)
Bảng số liệu mạch song song:
Phần tử
Giá trị
Đại lượng
Tính theo lý thuyết
Đo được
% sai số
Rss
2200Ω
f0
2271.8829
2235
1.65%
RL
300 Ω
f1
1504.6
1500
0.3%
L
100mH
f2
3968.5
3950
0.466%
C
0.047µ𝐹
BW
2463.9
2450
0.564%
𝐺∑
0,264(Mho) Q
0.9221
0.9122
1.07%
(Với 𝐺∑ = dẫn nạp tương đương của mô hình 3 nhánh song song) 𝐿ý 𝑡ℎ𝑢𝑦ế𝑡 – đ𝑜 đạ𝑐 | % 𝑠𝑎𝑖 𝑠ố = || |100% 𝐿ý 𝑡ℎ𝑢𝑦ế𝑡
e) Đo góc lệch pha giữa uout và uin tại các tần số cắt: Góc lệch pha đo được
Góc lệch pha theo lý thuyết
Tại f1
Tại f2
Tại f1
Tại f2
29.94
-48.7
34.36
-56.85
Chọn Uin= 2∠0o Tại f1 = 1500 Hz 𝑍𝐶 =− 2257. 5𝑗 => {𝑍𝐿 = 300π𝑗 {𝑍𝐿 = 790π𝑗 𝑍𝐶 =− 857. 3𝑗 φ.
(
1 300+𝑍𝐿
+
1 𝑍𝐶
+
1 2200
)=
2 2200
=>{φ1 = 0. 99∠ 34. 36 φ2 = 0, 99∠ − 56. 85
IV. Mạch lọc thông thấp RC: + Thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.4.3.
Tại f2 = 3950 Hz =>
fc = 2000Hz + Chỉnh máy phát sóng sin để biên độ Uin có giá trị khoảng 2V, tần số thay đổi từ 100 Hz đến 100 kHz Tần số
100Hz
1kHz
10kHz
100kHz
fc
Uin (V)
2
2
2
2
2
Uout (V)
2
1.9
0.56
0.06
1.41
20log(Uout/Uin)
0
-0.445
-11.05
-30.45
-3.04
φ(deg)
0
14.26
79.2
97.2
+ Vẽ đặc tuyến biên độ logarithm và đặc tuyến pha của mạch lọc.
+ Vẽ đặc tuyến biên độ và pha theo thông số mạch dùng Bode plot.
45
+ Thiết kế bộ lọc thông thấp , dùng mạch R-C, có tần số cắt fc = 1,7 Khz Giá trị R
Uin(V)
Uout (V)
20log(Uout/Uin)
fc đo lại
% sai số
1600
2
1.41
-3.03
1.69
0.588%
V. Mạch lọc thông cao RL: + Thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.4.4.
Hình 1.4.4: Mạch lọc thông cao RL
+ Chỉnh máy phát sóng sin để biên độ Uin có giá trị khoảng 2 V, tần số thay đổi từ 100 Hz đến 100 kHz + fc = 4545.45 Hz
Tần số
100Hz
1kHz
10kHz
100kHz
fc
Uin (V)
2
2
2
2
2
Uout (V)
0.45
0.875
1.75
1.76
1.4
20log(Uout/Uin)
-12.95
-7.18
-1.16
-1.11
-3.1
φ(deg)
14.4o
36
1.09
7.2
57.3
+ Vẽ đặc tuyến biên độ logarithm và đặc tuyến pha của mạch lọc.
+ Vẽ đặc tuyến biên độ và pha theo thông số mạch dùng Bode plot.
+ Thiết kế bộ lọc thông cao , dùng mạch R-L, có tần số cắt fc = 5 Khz Giá trị R
Uin(V)
Uout (V)
20log(Uout/Uin)
fc đo
% sai số
3140
2
1.42
-2.975
5.02
0.4%
D. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM: -
Hộp thí nghiệm và Module bài thí nghiệm số 4.
-
Dao động ký , DMM và cầu đo RLC.
-
Dây nối.
Bài 5 : QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ MẠCH TUYẾN TÍNH A. MỤC ĐÍCH : Bài thí nghiệm giúp sinh viên hiểu được một số đặc tính quá độ ở mạch tuyến tính, gồm các mạch: RC; RL và mạch RLC. Thông qua các đặc tính này, sinh viên có thể kiểm nghiệm được các phương pháp phân tích mạch quá độ đã học ở phần lý thuyết, và hiểu thêm được một số quá trình vật lý xảy ra trong các mạch quá độ thực tế.
B. ĐẶC ĐIỂM : Quá trình quá độ là quá trình xuất hiện khi mạch chuyển từ một chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác (xem thêm lý thuyết về phân tích mạch miền thời gian: chương 6 – giáo trình Mạch Điện II). Thông thường thời gian quá độ rất ngắn nên để quan sát quá trình quá độ người ta có thể sử dụng nguồn kích thích chu kỳ có biên độ biến thiên đột ngột (đóng mở theo chu kỳ đủ lớn cho phép theo dõi được quá trình quá độ diễn ra trong mạch).
C. PHẦN THÍ NGHIỆM : I. Thông số mạch thí nghiệm: Thông số trong các mạch thí nghiệm của bài này cho trong bảng sau, trong đó RL là điện trở trong mô hình nối tiếp của cuộn dây. Phần tử
Giá trị danh định
L
100 mH
RL
300 Ω
C1st
0,047 µF (473)
C2nd
0,1 µF (104)
C3rd
0,01 µF (103)
R0
100 Ω
Rss
2,2 kΩ
II. Mạch quá độ cấp I RC: a) CHỈNH DẠNG SÓNG VÀO MẠCH: Thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.5.1. Dùng dao động ký, quan sát dạng xung vuông từ nguồn xung trên hộp thí nghiệm. Chỉnh máy phát xung vuông lưỡng cực đối xứng (duty cycle = 50), biên độ 2V, tần số 500 Hz (nếu chọn Time/div = 0.5 ms thì chỉnh nút Fre để tín hiệu có chu kỳ là 4 ô). Ghi lại dạng sóng khảo sát quá độ uab(t).
Hình 1.5.1: Chỉnh dạng xung tác động.
b) Quan sát dạng tín hiệu áp trên tụ dùng mạch Hình 1.5.2. Ghi nhận lại dạng sóng uc trên dao động ký ứng với VR1 = 2 kΩ (chọn giá trị cho VR).
Hình 1.5.2: Quan sát dạng áp trên tụ.
c) Quan sát dạng tín hiệu dòng điện qua tụ dùng mạch Hình 1.5.3. Ghi nhận lại dạng sóng ic(t) trên dao động ký ứng với VR1 = 2 kΩ. Lưu ý các giá trị dòng điện tính thông qua áp trên R0.
KIỂM CHỨNG TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT: Giả sử quá trình uab = –2V là xác lập. Tại t = 0, uab thay đổi từ –2V đến 2V: Dùng tích phân kinh điển hay toán tử Laplace, cho biết dạng áp trên tụ và dòng qua tụ ở mạch quá độ cấp I RC khi t > 0 có biểu thức: uc(t) = 2 – 4.e-10132t (V). ic(t) = 2.10-3.e-10132t (A).
Hình 1.5.3: Quan sát dạng dòng điện qua tụ.
d) ĐO HẰNG SỐ THỜI GIAN CỦA MẠCH QUÁ ĐỘ CẤP I RC: Thời hằng của mạch quá độ cấp I RC xác định theo công thức: τc [s] = R[Ω].C[F] Đại lượng này có thể đo được khi dùng mạch thí nghiệm Hình 1.5.2. Thế t = τc vào các biểu thức ở phần c) sẽ cho ta giá trị ic(τc), giúp ta đọc được τc khi dựa vào dạng sóng ic(t) trên màn hình dao động ký (bằng số ô theo chiều ngang và giá trị nút chỉnh Time/div, nhớ chỉnh các biến trở VAR về CAL). Hoàn thành bảng số liệu sau ứng với VR1 = 2 kΩ và VR2 = 4 kΩ. uab ( thay đổi) -2V → 2V
τc tính toán (ms)
ic(τc) (mA)
τc đo được (ms)
VR1
VR2
VR1
VR2
VR1
VR2
0,0987
0,1927
0,7358
0,2836
0,1020
0,1975
III. Mạch quá độ cấp I RL: a) CHỈNH DẠNG SÓNG VÀO MẠCH: Thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.5.4. Dùng dao động ký, quan sát dạng xung vuông từ nguồn xung trên hộp thí nghiệm. Chỉnh máy phát xung vuông lưỡng cực đối xứng (duty cycle = 50), biên độ 2V, tần số 500 Hz (nếu chọn Time/div = 0.5 ms thì chỉnh nút Fre để tín hiệu có chu kỳ là 4 ô). Ghi lại dạng sóng khảo sát quá độ uab(t).
Hình 1.5.4: Chỉnh dạng sóng thí nghiệm.
b) Quan sát dạng tín hiệu áp trên cuộn dây dùng mạch Hình 1.5.5. Ghi nhận lại dạng sóng trên dao động ký ứng với VR3 = 100 Ω.
Hình 1.5.5: Quan sát dạng áp trên cuộn dây.
c) Quan sát dạng tín hiệu dòng điện qua cuộn dây dùng mạch Hình 1.5.6. Ghi nhận lại dạng sóng trên dao động ký ứng với VR3 = 100 Ω.
Hình 1.5.6: Quan sát dạng dòng điện qua cuộn dây.
KIỂM CHỨNG TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT: Giả sử quá trình uab = –2V là xác lập. Tại t = 0, uab thay đổi từ –2V đến 2V: Dùng tích phân kinh điển hay toán tử Laplace, cho biết dạng áp và dòng trên cuộn dây ở mạch quá độ cấp I R-L khi t > 0 có biểu thức: uL(t) = 1,2 + 1,6.e-5000t (V). iL(t) = 4.10-3.(1 – 2e-5000t) (A). d) ĐO HẰNG SỐ THỜI GIAN CỦA MẠCH QUÁ ĐỘ CẤP I RL: Thời hằng của mạch quá độ cấp I RL xác định theo công thức : τL [s] = L[H]/R[Ω] Đại lượng này có thể đo được khi dùng mạch thí nghiệm ở Hình 1.5.6. Thế t = τL vào các biểu thức ở phần c) sẽ cho ta giá trị iL (τL), giúp ta đọc được τL khi dựa vào dạng sóng iL(t) trên màn hình dao động ký (bằng số ô theo chiều ngang và giá trị nút chỉnh Time/div, nhớ chỉnh biến trở VAR về CAL). Hoàn thành bảng số liệu sau ứng với VR3 = 100 Ω và VR4 = 400 Ω. uab ( thay đổi) -2V → 2V
τL tính toán (ms)
iL(τL) (mA)
τL đo được (ms)
VR1
VR2
VR1
VR2
VR1
VR2
1,0000
0,1250
3,9460
–0,2821
0,9886
0,1387
IV. Mạch quá độ cấp II RLC: a) CHỈNH DẠNG SÓNG VÀO MẠCH: Thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.5.7. Dùng dao động ký, quan sát dạng xung vuông từ nguồn xung trên hộp thí nghiệm. Chỉnh máy phát xung vuông lưỡng cực đối xứng (duty cycle = 50), biên độ 2 V, tần số 500 Hz
(nếu chọn Time/div = 0.5 ms thì chỉnh nút Fre để tín hiệu có chu kỳ là 4 ô). Ghi lại dạng sóng khảo sát quá độ uab(t).
Hình 1.5.7: Chỉnh dạng sóng vào mạch.
b) ĐO ĐIỆN TRỞ TỚI HẠN CỦA MẠCH QUÁ ĐỘ CẤP II: Dùng mạch thí nghiệm như trên Hình 1.5.8. Từ giá trị VR = 500 Ω, tăng từ từ VR (mỗi bước 100Ω, chỉnh tinh dùng biến trở 10 Ω) và quan sát tín hiệu uc(t) trên dao động ký cho tới khi đạt chế độ tới hạn. Ghi số liệu.
Hình 1.5.8: Đo điện trở tới hạn.
Hình 1.5.9: Quan sát dạng dòng điện qua tụ.
(Công thức lý thuyết tính điện trở tới hạn là : Rth = 2 𝐿/𝐶 ). Rth tính theo lý thuyết
Rth đo được
% sai số
2917 (Ω)
3000 (Ω)
2,8454 %
c) Quan sát dạng tín hiệu áp trên tụ điện dùng mạch Hình 1.5.8. Quan sát dạng tín hiệu dòng qua tụ điện dùng mạch Hình 1.5.9. Cho biết mạch quá độ đang làm việc ở chế độ nào và ghi nhận lại dạng sóng trên dao động ký ứng với các chế độ đó.
TH1) VR = 500 Ω: ⮚ Mạch quá độ ở chế độ: DAO ĐỘNG. ⮚ Dạng áp trên tụ đo được:
⮚ Dạng dòng qua tụ đo được:
TH2) VR = Rth – 400 Ω: ⮚ Mạch quá độ ở chế độ: TỚI HẠN. ⮚ Dạng áp trên tụ đo được:
⮚ Dạng dòng qua tụ đo được:
TH3) VR = 4 kΩ: ⮚ Mạch quá độ ở chế độ: DAO ĐỘNG. ⮚ Dạng áp trên tụ đo được:
⮚ Dạng dòng qua tụ đo được:
d) KIỂM CHỨNG TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT: Giả sử quá trình uab = –2V là xác lập. Tại t = 0, uab thay đổi từ –2V đến 2V: Dùng tích phân kinh điển hay toán tử Laplace, cho biết dạng điện áp và dòng qua tụ điện ở mạch quá độ cấp II RLC khi t > 0 có biểu thức: TH1) Mạch ở chế độ DAO ĐỘNG: uL(t) = 2 + e-4500t(–1,30.sin13875t – 4,00.cos13875t) (V). iL(t) = 0,03.sin13875t.e-4500t (A). TH2) Mạch ở chế độ TỚI HẠN: uL(t) = 2 – 58344t.e-14586,41t – 4.e-14586,41t (V). iL(t) = 2,74.10-3.e-14586,41t (A). TH3) Mạch ở chế độ DAO ĐỘNG: UL(t) = 2 – 4,67.e-5532,78t + 0,67.e-38469,23t (V). iL(t) = 1,2.10-3.(e-5532,78t – e-38469,23t) (A). e) XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHO CHẾ ĐỘ DAO ĐỘNG: Theo kết quả ở phần d), khi mạch quá độ cấp II ở chế độ dao động, phương trình đặc trưng của mạch có dạng: s2 +
𝑅.𝑠 𝐿
+
1 𝐿.𝐶
= s2 + 2.α.s + ωo2 với nghiệm phức: s1,2 = −
= − α ± jβ. Dòng điện qua tụ có biểu thức: ic(t) = như hình 1.5.10.
𝑅 2𝐿
±j
2 𝑜
𝑅
2
− ( 2𝐿 )
−α𝑡
4𝑒 β𝐿
.sin(βt) và dạng tín hiệu dòng
Hình 1.5.10: Dạng dòng qua tụ chế độ dao động.
Ta có: T =
2π β
𝑇1
-4
= 3,2.10
𝑇2
π
αβ
= 𝑒
= 3,2.
Đọc giá trị T và I1, I2 trên màn hình dao động ký ứng với VR = 500 Ω. Từ đó suy ra α và β. So sánh giá trị tính theo thông số mạch ? Giá trị đo được
Giá trị tính được
α
4652,67
4500,00
β
12666,15
13875,01
f) ĐO R TỚI HẠN CỦA MẠCH QUÁ ĐỘ CẤP II RLC SONG SONG: Dùng mạch thí nghiệm như trên Hình 1.5.11. Từ giá trị VR = 100 Ω, tăng từ từ VR (mỗi bước 100Ω, chỉnh tinh dùng biến trở 10Ω) và quan sát tín hiệu uout(t) của mạch song song trên dao động ký cho tới khi đạt chế độ tới hạn. Ghi số liệu. Cho biết giá trị này tính theo thông số mạch ?
Hình 1.5.11: Đo Rth của mạch cấp II RLC song song.
→ Rth = 3000 Ω.
D. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM: ⮚ ⮚ ⮚ ⮚ ⮚
Hộp thí nghiệm. Module bài thí nghiệm số 5. Dao động ký. DMM và cầu đo RLC. Dây nối.