BÁO cáo THÍ NGHIỆM GIẢI TÍCH MẠCH bài 2 MẠCH điện một CHIỀU (DC)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO THÍ NGHIỆM GIẢI TÍCH MẠCH GVHD: Nguyễn Thanh Phương Nhóm: VL26 Tổ: Danh sách thành viên: Họ tên MSSV Võ Tuấn Hòa 2013256 Nguyễn Trọng Nhân 2010477 TPHCM, ngày 16, tháng 3, năm 2022 Bài 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU (DC) A - Mục đích thí nghiệm: Thực mạch điện mạch chia áp, mạch chia dòng, kiểm chứng định luật Kirchhoff khảo sát mạch tương đương Thevein-Norton mạch điện DC So sánh kết tính tốn lý thuyết kết thí nghiệm mạch điện DC nguồn nhiều nguồn B - Đặc điểm: Mạch điện DC tồn phần tử nguồn điện trở Nền tảng phân tích mạch điện DC luật Ohm luật Kirchhoff Ngoài ra, để tăng tính hiệu q trình tính tốn mạch DC, người ta dựa phép biến đổi tương đương (chia áp, chia dòng, biến đổi nguồn,…), phân tích dùng ma trận (thế nút, dịng mắt lưới, ) hay dùng định lý đặc trưng cho mạch tuyến tính (nguyên lý tỉ lệ, nguyên lý xếp chồng, sơ đồ tương đương Thevenin-Norton,…) C - Thí nghiệm: 1/ Mạch chia áp: 1.1 / Mạch chia áp: + Yêu cầu: Lắp mạch chia áp hình Điều chỉnh nguồn DC để thay đổi giá trị điện áp u bảng số liệu Dùng DC volt kế (hoặc chức DCV VOM hay DMM) đo điện áp u1, u2, u3 tính tốn giá trị theo lý thuyết Tính tốn sai số đo u(V) u1 u2 u3 Tính Đo %sai số Tính Đo %sai số Tính Đo %sai số 0.88 0.8862 0.7045 1.88 1.9024 1.1915 2.24 2.2547 0.6563 12 2.112 2.0970 0.7102 4.512 4.5047 0.1618 5.376 5.339 giá trị − giá trị đo| giá trị 100% %sai số = | + Theo lý thuyết: - u = 5V: 𝑢1 = 𝑢 𝑅1 ∑𝑅 =5 2.2×103 2.2×103+4.7×103+5.6×103 = 0.88(𝑉) Tương tự: 𝑢2 = 1.88(𝑉); 𝑢3 = 2.24(𝑉) - u = 12V: 𝑢1 = 𝑢 𝑅1 ∑𝑅 = 12 2.2×103 2.2×103+4.7×103+5.6×103 = 2.112(𝑉) Tương tự: 𝑢2 = 4.512(𝑉); 𝑢3 = 5.376(𝑉) + Tính sai số: - u = 5V: %u1 = |0.88−0.8862| x100% = 0.7045% 0.88 Tương tự: %u2 = 1.1915%; %u3 = 0.6563% - u = 12V: %u1 = |2.112−2.0970| x100% = 0.7102% 2.112 Tương tự: %u2 = 0.1618%; %u3 = 0.6882% 1.2 / Kiểm chứng định luật Krichhoff điện áp: Theo định luật Kirchhoff điện áp mạch DC thì: u = ∑ uk = u1 + u2 + u3 u(V) Σuk %sai số 5.0433 0.866 12 11.9407 0.4942 0.6882 u−∑ uk %sai số = | u | 100% + u = 5V: ∑ 𝑢𝑘 = 𝑢1 + 𝑢2 + 𝑢3 = 0.8862 + 1.9024 + 2.2547 = 5.0433 (𝑉) 𝑢−∑ 𝑢𝑘 %𝑢 =| 𝑢 5−5.0433 | × 100% = | | × 100% = 0.866% + u = 12V: ∑ 𝑢𝑘 = 𝑢1 + 𝑢2 + 𝑢3 = 2.0970 + 4.5047 + 5.339 = 11.9407 (𝑉) 𝑢−∑ 𝑢𝑘 𝑢 | %𝑢 =| 12−11.9407 | 12 × 100% = | × 100% = 0.4942% 1.3 / Thiết kế mạch chia áp DC: gồm hai điện trở R1 (có giá trị điện trở cho) R2 thỏa: + Áp vào mạch 5V, áp R2 2V + Dòng mạch phải bé 10mA + Mạch thiết kế: 𝑅2 𝑢2 = 𝑅1+𝑅2 = 2𝑉 → 𝑅1 = 𝑅2 Ta có: { 𝑢 𝑖= < 10𝑚𝐴 → 𝑅1 + 𝑅2 > 500𝛺 ∑ 𝑅 Nếu chọn R1 = 10 kΩ => R2 = 6.6667 kΩ Kết đo áp mạch thiết kế: Áp = 2.0212 V 1.4/ Ứng dụng mạch chia áp: + Ứng dụng 1: Đo nội trở máy phát sóng hộp TN Chỉnh máy phát sóng có tín hiệu output 2Vrms, tần số 1kHz Nối VR vào mạch, chọn giá trị ban đầu 10Ω, tăng dần VR cho áp hiệu dụng output 1Vrms Ta thấy theo nguyên lý chia áp, giá trị VR giá trị Rs Giá trị RS (đo được) = 51Ω + Ứng dụng 2: Đo điện trở vào Rin mạch gồm ba điện trở R10, R11, R12 mắc song song Đưa tín hiệu output vào CH1, tín hiệu nút a vào CH2 dao động ký Chỉnh tăng VR từ giá trị 100Ω Cho đến tín hiệu a có biên độ 1/2 biên độ output giá trị VR giá trị Rin mạch Giá trị Rin (đo được) = 1.2kΩ Giá trị Rin (tính theo giá trị điện trở) 𝑅𝑖𝑛 = 1 𝑅10 + 𝑅11 + 𝑅12 → 𝑅𝑖𝑛 = 1 + 𝑅10 +𝑅11 𝑅12 ⟹ 𝑅𝑖𝑛 = 1 + + ≈ 1.1822 𝑘𝛺 4.7×103 2.2×103 5.6×103 2/ Mạch chia dòng: 2.1 / Mạch chia dòng: Thực mạch chia dịng hình Thay đổi giá trị u nguồn bảng số liệu Dùng ampe kế đo giá trị I1, I2, I3 tính tốn I2, I3 theo lý thuyết Tính tốn sai số đo u(V) I1 (mA) I2 (mA) Tính Đo I3 (mA) %sai số tốn Tính Đo %sai số tốn 1.0427 0.5717 0.5772 0.9620 0.4798 0.4844 0.9587 12 2.5082 1.3720 1.3662 0.4227 1.1515 1.1461 0.4690 + Tính tốn: - u = 5V: 𝐼1 = 𝑢 𝑅𝑡đ = 2.2 × 103 + 4.7 × 10 1.0514 × 𝐼 = 𝐼 𝑅2 + ≈ 1.0514 𝑚𝐴 5.6 × 103 4.7 × 103 ≈ 0.5717 𝑚𝐴 1 1 3+ ∑ 𝑅 4.7 × 10 5.6 × 103 1 1.0514 × 𝐼 = 𝐼 𝑅3 ≈ 0.4798 𝑚𝐴 = 5.6 × 103 1 1 3+ ∑ 𝑅 4.7 × 10 5.6 × 103 - u = 12V: = 𝐼1 = 𝑢 𝑅𝑡đ 12 = 2.2 × 103 + 4.7 × 10 2.5235 × 𝐼 = 𝐼 𝑅2 + ≈ 2.5235 𝑚𝐴 5.6 × 103 4.7 × 103 ≈ 1.3720 𝑚𝐴 1 1 3+ ∑ 𝑅 4.7 × 10 5.6 × 103 1 2.5235 × 𝐼 = 𝐼 𝑅3 ≈ 1.1515 𝑚𝐴 = 5.6 × 10 1 1 3+ ∑ 𝑅 4.7 × 10 5.6 × 103 = + Sai số: - u = 5V: % 𝐼2 = | % 𝐼3 = | - u = 12V: 0.5717 − 0.5772 0.5717 0.4798 − 0.4844 0.4798 | × 100% ≈ 0.9620% | × 100% ≈ 0.9587% 1.3720 − 1.3662 | × 100% ≈ 0.4227% 1.3720 1.1515 − 1.1461 | × 100% ≈ 0.4690% % 𝐼3 = | 1.1515 2.2 / Kiểm chứng định luật Kirchhoff dòng điện: % 𝐼2 = | Theo định luật Kirchhoff dòng điện mạch DC ta có: I1 = ∑ Ik = I2 + I3 u(V) I1 (mA) ΣIk %sai số 1.0514 1.0616 0.9701 12 2.5235 2.5123 0.4438 I1−∑ Ik %sai số = | I1 | 100% + u = 5V: ∑ 𝐼𝑘 = 𝐼2 + 𝐼3 = 0.5772 + 0.4844 = 1.0616 𝑚𝐴 %𝐼 =| 𝐼 −∑ 𝐼 𝑘 𝐼1 | × 100% = | 1.0514−1.0616 1.0514 | × 100% ≈ 0.9701% + u = 12V: ∑ 𝐼𝑘 = 𝐼2 + 𝐼3 = 1.3662 + 1.1461 = 2.5123 𝑚𝐴 %𝐼 =| 𝐼 −∑ 𝐼 𝑘 𝐼1 | × 100% = | 2.5235−2.5123 2.5235 | × 100% ≈ 0.4438% 2.3 / Thiết kế mạch chia dòng DC: gồm hai điện trở R1 R2 nối song song + Dòng tổng 10mA + R1 = 4.7kΩ dịng qua 4mA + Mạch thiết kế: 𝐼 = 𝐼1 + 𝐼2 = 10𝑚𝐴 Ta có: { 𝐼1 = 4𝑚𝐴 →{ 𝐼1 = 4𝑚𝐴 𝐼2 = 6𝑚𝐴 = 𝑅1 𝑅1+𝑅2 → 𝑅2 = 3.1333 𝑘𝛺 Đo lại dòng qua R1 3.8298mA 2.4 / Chia dòng dùng nhiều điện trở: Dịng I đo 1.4920mA + Tính tốn: Dịng I1 đo 0.3154mA Dịng I1 tính theo Sai số dùng chia dòng chia dòng cho I1 0.3121mA 1.0574 𝑈 𝐼= = 𝑅 ≈ 1.4783 𝑚𝐴 2.2 × 103 + 𝑡đ 𝐼1 = 1 + + 4.7 × 103 5.6 × 103 2.2 × 103 1.4783 × 𝐼× 5.6 × 103 𝑅12 = ≈ 0.3121 𝑚𝐴 1 1 ∑ 𝑅 4.7 × 103 + 5.6 × 103 + 2.2 × 103 + Sai số: % 𝐼1 = |0.3121 − 0.3154 0.3121 | × 100% ≈ 1.0574% 3/ Giải tích mạch DC nhiều nguồn dùng nút mắt lưới: + E1: nguồn DC 5V + E2: nguồn DC 12V + Dùng volt kế DC hay DMM đo lại E1, E2 Dùng phương pháp nút dịng mắc lưới tính u trở Dùng volt kế DC hay DMM đo lại u Điện áp Giá trị tính Giá trị đo %sai số E1 5 E2 12 12 u1 1.2088 1.2102 0.1158 u2 3.7908 3.7911 0.007914 u3 -8.2090 -8.2941 1.03667 u4 -7 -7.0735 1.0500 + Tính tốn: Hệ phương trình dịng mắc lưới: 𝐼𝑚𝑙1(10𝑘 + 4.7𝑘 + 5.6𝑘) − 𝐼𝑚𝑙2(4.7𝑘) − 𝐼𝑚𝑙3(5.6𝑘) = { −𝐼𝑚𝑙1(4.7𝑘) + 𝐼𝑚𝑙2(4.7𝑘 + 2.2𝑘) − 𝐼𝑚𝑙3(2.2𝑘) = −𝐼𝑚𝑙1(5.6𝑘) − 𝐼𝑚𝑙2(2.2𝑘) + 𝐼𝑚𝑙3(5.6𝑘 + 2.2𝑘) = −12 ⟹ 𝐼𝑚𝑙1 = −0.7 (𝑚𝐴); 𝐼𝑚𝑙2 ≈ −0.4428 (𝑚𝐴); 𝐼𝑚𝑙3 ≈ −2.1659 (𝑚𝐴) ⟹ 𝑢1 = 4.7 × 103 × (𝐼𝑚𝑙2 − 𝐼𝑚𝑙1) ≈ 1.2088 (𝑉) 𝑢2 = 2.2 × 103 × (𝐼𝑚𝑙2 − 𝐼𝑚𝑙3) ≈ 3.7908 (𝑉) 𝑢3 = 5.6 × 10 × (𝐼𝑚𝑙3 𝗅 − 𝐼𝑚𝑙1 ) ≈ −8.2090 (𝑉) 𝑢4 = 10 × 103 × (𝐼𝑚𝑙1) = −7 (𝑉) + Sai số: %𝑢1 = | 1.2088 − 1.2102 | × 100% ≈ 0.1158% 1.2088 Tương tự: %u2 = 0.007914%; %u3 = 1.03667%; %u4 = 1.05% 4/ Cầu đo Wheatsone chiều đo điện trở: Là cầu đo điện trở dựa nguyên lý cân bằng, dùng đo điện trở giá trị từ 1Ω trở lên cách thực mạch thí nghiệm hình Dùng DMM cho chức DC volt kế (DCV) có giá trị thị gần zero cầu cân Cầu đo dùng để đo giá trị điện trở R2 chỉnh VR từ giá trị 1kΩ, lần tăng 100Ω Do R1 = R6 = 10kΩ nên giá trị VRcb giá trị đo R2 cầu đo Wheatstone Gọi giá trị R2 cho Module thí nghiệm giá trị danh định, cho biết sai số cầu đo: Giá trị VR VRcb - 100Ω VRcb =2.205kΩ VRcb + 100Ω Chỉ số DCV 0.0434 0.0087 -0.0251 R2−VRcb 2.2−2.205 R2 2.2 %sai số = | | 100% = | | 100% = 0.2272% 5/ Kiểm chứng nguyên lý tỷ lệ mạch DC: Với mạch thí nghiệm hình, nguyên lý tỉ lệ hiểu điện áp u2 mạch tỉ lệ với nguồn tác động lên mạch Ein theo : u2 = K.Ein Nguồn Ein lấy từ nguồn DC điều chỉnh hộp TN Thay đổi giá trị Ein đo u2 Ein 4V 6V 8V 10V 12V u2 1.150V 1.734V 2,324V 2,910V 3,491V + Đồ thị: 3.491 3.5 2.910 2.324 u2 2.5 1.734 1.5 1.15 0.5 0 10 Ein 6/ Kiểm chứng nguyên lý xếp chồng mạch DC: + Mạch có nguồn E1: 12 14 + Mạch có nguồn E2: Để kiểm chứng giá trị đo u1 mạch dựa nguyên lý xếp chồng ta làm sau: + Chỉ cho tác động lên mạch nguồn E1 = 5V cách thực thí nghiệm đo u11 + Chỉ cho tác động lên mạch nguồn E2 = 12V cách thực thí nghiệm đo u12 + Tính u1 theo nguyên lý xếp chồng Xác định sai số dùng xếp chồng Điện áp u1 Mạch có Mạch có Giá trị tính Giá trị đo %sai số nguồn E1 nguồn E2 theo xếp có hai dùng xếp (u11) (u12) chồng nguồn chồng 3.792 -2.523 1.269 1.2102 4.6336 - Tính tốn: Theo nguyên lý xếp chồng, ta có: 𝑢1 = 𝑢11 + 𝑢12 = 1.269 𝑉 - Sai số: 1.269 − 1.2102 | × 100% ≈ 4.6336% %𝑢1 = | 1.269 + Mở rộng khảo sát nguyên lý xếp chồng mạch có nguồn DC AC: - Máy phát sóng có hiệu dụng, tần số , nguồn DC: - Đo áp tụ uc(t) dùng DMM hai chức năng: DCV ACV Giá trị uc đo chức DCV Giá trị uc đo chức ACV 2.293V 0.855V Giải thích: - Khi đo chức DCV, ta lấy nguồn DC nguồn AC = 0, trở thành dây dẫn Áp dụng điện nút ta có UA = UC = 2.2816 V xấp xỉ 2.293 V 4.7 𝑢𝐶 = 𝐸1 × ≈ 2.2816 𝑉 4.7 + 5.6 => Kết tính khơng q chênh lệch với thực nghiệm => Phù hợp với lý thuyết - Khi đo chức ACV, ta thay đổi ngược lại đo chức DCV Phức hóa mạch, tính UA=UC= 0.848 Vrms, xấp xỉ với 0,855 V 𝑍𝑐 = −𝑗 𝜔𝐶 = −𝑗 2𝜋 × 5000 × 0.01 × 10−6 𝑅 𝑍𝑐 𝑍𝑅//𝐶 = 𝑅+𝑍 = 5.6 × (−𝑗3.1831) 5.6 − 𝑗3.1831 ≈ −𝑗3.1831 𝑘𝛺 = 1.3675 − 𝑗2.4058 𝑘𝛺 𝑍 = 𝑍𝑅//𝐶 + 𝑅5.6𝑘 = 4.7 + (1.3675 − 𝑗2.4058) = 6.0675 − 𝑗2.4058 𝑘𝛺 𝑍𝑅//𝐶 𝑢𝐶 = 𝑢 × 𝑍 =2× 1.3675 − 𝑗2.4058 6.0675 − 𝑗2.4058 ≈ 0.6612 − 𝑗0.5308 𝑉 => |uC| ≈ 0.848 V => Kết tính khơng q chênh lệch với thực nghiệm => Phù hợp với lý thuyết 7/ Sơ đồ Thevenin-Norton nguyên lý truyền công suất cực đại: + Đo Uhm: Tính theo lý thuyết: KVL vịng (I): 𝑈ℎ𝑚 = − 4.7𝑘𝐼1 KVL vòng (II): 𝑈ℎ𝑚 = 12 − 5.6𝑘𝐼2 𝐼1 + 𝐼2 = → Uhm = 8.1942 V + Đo Inm: Tính theo lý thuyết: 𝐸1 = 4.7𝑘𝐼1 = 5𝑉 𝐸2 = 5.6𝑘𝐼2 = 12𝑉 𝐼1 + 𝐼2 = 𝐼𝑛𝑚 → Inm = 3.2067 mA => R thevenin Uhm(V) = Uhm Inm = 8.1942V 3.2067mA = 2.5553 kΩ Inm(mA) Rthevenin(kΩ) Giá trị đo Giá trị tính Giá trị đo Giá trị tính Giá trị đo Giá trị tính 8.240 8.1942 3.0802 3.2067 2.675 2.5553 + Khảo sát công suất max: Thay đổi khoảng 10 giá trị biến trở VR từ 1kΩ đến 10kΩ (trong có giá trị RThevenin) Đo dịng IVR qua VR Tính cơng suất điện trở VR theo dịng qua VR IVR 1kΩ 2kΩ 2.675kΩ 3kΩ 4kΩ 5kΩ 6kΩ 7kΩ 8kΩ 2.3245 1.8103 1.6367 1.4812 1.251 1.0879 0.965 0.8656 0.7802 5.4033 6.5544 7.1658 6.5819 9kΩ 10kΩ 0.723 0.66 (mA) PVR 6.26 5.915 5.587 5.245 4.8697 4.7057 4.356 (mW) 𝑷𝑽𝑹 = 𝑽𝑹 𝑰𝑽𝑹 𝟐 PVR (max đo dược) = 7.1658 mW ứng với VR=Rthevenin PVR (max theo lý thuyết): 𝑃𝑉𝑅 𝑚𝑎𝑥 ⟺ 𝑉𝑅 = 𝑅𝑡ℎ = 2.5553 𝑘𝛺 ⟹ 𝐼𝑉𝑅 = 𝑈ℎ𝑚 𝑉𝑅 + 𝑅𝑡ℎ = 8.1942 2.5553 + 2.5553 ≈ 1.6034 𝑚𝐴 𝑃𝑉𝑅 (𝑚𝑎𝑥 𝑡ℎ𝑒𝑜 𝑙ý 𝑡ℎ𝑢𝑦ế𝑡) = 1.60342 × 2.5553 ≈ 6.5694 𝑚𝑊 + Khảo sát công suất cực đại mạch có nguồn AC: Máy phát sóng: u = 2V, f = 5kHz Thực khoảng 10 giá trị biến trở VR từ 1kΩ đến 10kΩ Đo dòng hiệu dụng IVR qua VR dùng DMM Tính cơng suất điện trở VR theo dịng hiệu dụng qua VR 1kΩ 2kΩ 2.573kΩ 3kΩ 4kΩ 5kΩ 6kΩ 7kΩ 8kΩ 9kΩ 10kΩ 0.33 0.29 0.248 0.2 0.13 0.126 0.12 0.11 PVR(mW) 0.11 0.17 0.1582 0.12 0.13 0.14 0.12 0.118 0.127 0.1296 0.121 IVR(mA) 𝑷𝑽𝑹 = 𝑽𝑹 𝑰𝑽𝑹 0.18 0.17 0.14 𝟐 VR để PVR max theo lý thuyết = 2.573 kΩ Công suất PVR (max theo lý thuyết) = 0.1582 mW 8/ Sơ đồ Module DC Circuits: + Sơ đồ Module: + Danh sách linh kiện Module DC Circuits: D - Dụng cụ thí nghiệm: - Hộp thí nghiệm (hay nguồn DC hai ngõ ra) - Các điện trở: kΩ; 2.2 kΩ; 4.7 kΩ; 5.6 kΩ; 10 kΩ - Các tụ điện không phân cực: 105, 104, 473, 223, 103 - Biến trở kΩ; 10 kΩ - Đồng hồ đo vạn số (DMM) - Dây nối thí nghiệm (có dây nối breadboard) 𝐶 ... 2. 2? ?2. 205 R2 2. 2 %sai số = | | 100% = | | 100% = 0 .22 72% 5/ Kiểm chứng nguyên lý tỷ lệ mạch DC: Với mạch thí nghiệm hình, nguyên lý tỉ lệ hiểu điện áp u2 mạch tỉ lệ với nguồn tác động lên mạch. . .Bài 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU (DC) A - Mục đích thí nghiệm: Thực mạch điện mạch chia áp, mạch chia dòng, kiểm chứng định luật Kirchhoff khảo sát mạch tương đương Thevein-Norton mạch điện DC... 5.6