0 ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH KS CLC VIỆT – PHÁP BÁO CÁO THÍ NGHIỆM 4 KHẢO SÁT MẠCH RLC Ở CHẾ ĐỘ TỰ DO (QUÁ ĐỘ) GVHD TS Nguyễn Thanh Nam Nhóm thí nghiệm P01 01 Tên MSSV Phân c.
0 ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CHƯƠNG TRÌNH KS CLC VIỆT – PHÁP BÁO CÁO THÍ NGHIỆM 4: KHẢO SÁT MẠCH RLC Ở CHẾ ĐỘ TỰ DO (Q ĐỘ) GVHD: TS Nguyễn Thanh Nam Nhóm thí nghiệm P01_01: Tên Khưu Long Duy Lê Sơn Hải MSSV 1912881 1910154 Phân cơng Tính tốn soạn báo cáo Kiểm tra lại PHIẾU ĐIỂM DANH KẾT THÚC MÔN HỌC ONLINE MỤC LỤC Trang Phiếu điểm danh .1 Chọn giá trị làm thí nghiệm .3 A Mục thí nghiệm TN04 - A 1-2 Giải phương trình vi phân Nguồn xung vuông .6 B Mục thí nghiệm TN04 – B Chọn giá trị làm thí nghiệm .7 Các sơ đồ nguyên lý linh kiện 7-8 Hiển thị tín hiệu oscillo a Đồ thị chế độ tới hạn b Đồ thị chế độ tắt dần với 𝑅 = 2.2𝑅𝑐 10 c Đồ thị chế độ tắt dần với 𝑄 ≈ .11 d Đồ thị chế độ tắt dần với 𝑄 ≈ 1.5 12 C Mục thí nghiệm TN04 – C 14 Đo chu kỳ dao động riêng: a Đo chu kỳ dao động riêng câu 3c 14 b Đo chu kỳ dao động riêng câu 3d 15 Đo độ suy giảm logarithm: a Đo độ suy giảm logarithm câu 3c 16 b Đo độ suy giảm logarithm câu 3d 17 D Ghi .19 ĐIỆN – GIẢI TÍCH MẠCH (EE2032) THÍ NGHIỆM 3: KHẢO SÁT MẠCH RLC Ở CHẾ ĐỘ TỰ DO (QUÁ ĐỘ) Chọn giá trị làm thí nghiệm: Hai mã số sinh viên 1912881 1910154 881>154 Suy ta chọn giá trị tương ứng A=8 B=8 C=1 X=1 Y=5 Z=4 A Mục thí nghiệm TN04 – A : Khảo sát mặt lý thuyết: Quá trình độ mạch điện trình chuyển từ trạng thái xác lập sang trạng thái xác lập khác mạch điện Quá trình q độ xảy có thay đổi đột ngột (đóng ngắt mạch) cấu trúc mạch điện quán tính Nguyên nhân phần tử quán tính (L C) tích lũy lượng có độ diễn có phân bố lại lượng mạch 4 Khảo sát mạch ta có: 𝑖=𝐶 𝑑𝑢 𝑑𝑡 𝑢𝐿 = 𝐿 Sử dụng định luật Kirchhoff cho vòng: 𝑑𝑖 𝑑𝑡 𝑅𝑖 + 𝑢𝐿 + 𝑢 = 𝑒(𝑡) 𝑑𝑖 + 𝑢 = 𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 𝑑𝑢 𝑑 𝑢 ↔ 𝑅𝐶 + 𝐿𝐶 + 𝑢 = 𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝑑 𝑢 𝜔0 𝑑𝑢 ↔ 2+ + 𝜔0 𝑢 = 𝜔0 𝑒 ( 𝑡 ) (1) 𝑑𝑡 𝑄 𝑑𝑡 Với 𝜔0 = tần số riêng mạch; 𝑅 = 𝑅0 + 𝑟0 ↔ 𝑅𝑖 + 𝐿 √𝐿𝐶 𝐿 𝑅𝑐 = 2√ : điện trở tới hạn 𝐶 𝐿 𝑅 𝐶 𝑄 = √ : hệ số phẩm chất Giải phương trình vi phân (1): - Với t=0 => u(t) = => - Tại t > 0, đặt 𝑑𝑢 𝑑𝑢 𝑑𝑡 =0 = 𝑟 ta có phương trình đặc trưng: 𝜔0 (∗) 𝑟 + 𝑟 + 𝜔0 = 𝑄 => ∆= 𝜔0 ( − 4) 𝑄 Trường hợp : ∆ > (𝑄 < ) 𝑑𝑡 Phương trình đặc trưng có nghiệm thực âm 𝑟1 , 𝑟2 : 𝜔0 𝑟1 = − (1 + √1 − 4𝑄 ) 2𝑄 𝜔0 𝑟2 = − (1 − √1 − 4𝑄 ) 2𝑄 Nghiệm riêng : 𝑢𝑟 = 𝑒(𝑡) Suy nghiệm tổng quát: 𝑢(𝑡) = 𝑒(𝑡) + 𝑘1 𝑒 𝑟1 𝑡 + 𝑘2 𝑒 𝑟2 𝑡 Với sơ kiện: 𝑢(0) = ; Vậy 𝑢(𝑡) = 𝑒(𝑡) + 𝐸 Ta thấy |𝑟2 | > |𝑟1 | 𝑑𝑢 (0) = 𝐸 + 𝑘1 + 𝑘2 = { 𝑘1 𝑟1 + 𝑘2 𝑟2 = 𝑟 𝑘1 = 𝐸 𝑟1 −𝑟2 { 𝑟 𝑘2 = 𝐸 𝑑𝑡 𝑟2 𝑟1 −𝑟2 𝑒 𝑟1 𝑡 + 𝑟2 −𝑟1 𝑟 𝐸 𝑒 𝑟2 𝑡 𝑟2 −𝑟1 nên thời gian đặc trưng mạch : 𝜏= 2𝑄 = |𝑟2 | 𝜔0 (1 − √1 − 4𝑄 ) Đây chế độ không dao động Trường hợp 2: ∆ = (𝑄 = ) Phương trình đặc trưng (*) có nghiệm kép : 𝑟 = −𝜔0 Nghiệm tổng quát: 𝑢(𝑡) = 𝑒(𝑡) + (𝑘1 + 𝑘2 𝑡)𝑒 −𝜔0 𝑡 Với sơ kiện: 𝑢(0) = ; 𝑑𝑢 𝑑𝑡 (0) = Ta có: 𝐸 + 𝑘1 = 𝑘2 − 𝑘1 𝜔0 = 𝑘 = −𝐸 { 𝑘2 = −𝐸𝜔0 { Suy ra: 𝑢(𝑡) = 𝐸 − 𝐸(1 + 𝜔0 𝑡)𝑒 −𝜔0 𝑡 Thời gian đặc trưng mạch 𝜏= 𝜔0 Đây chế độ tới hạn Trường hợp 3: : ∆ < (𝑄 > ) Phương trình đặc trưng có nghiệm phức liên hợp dạng 𝛼 ± 𝛽𝑖 , ta có nghiệm : 𝑢(𝑡) = 𝑒 𝛼𝑡 (𝐶1 cos(𝛽𝑡) + 𝐶2 cos(𝛽𝑡)) Ngiệm riêng có dạng: 𝑢𝑟 = 𝑒(𝑡) Suy nghiệm tổng quát là: 𝑢(𝑡) = 𝑒 𝛼𝑡 (𝐶1 cos(𝛽𝑡) + 𝐶2 sin(𝛽𝑡)) + 𝑒(𝑡) Từ sơ kiện : 𝑢(0) = ; 𝑑𝑢 𝑑𝑡 (0) = ; 𝑒(0) = 𝐸 ; 𝑑𝑒 𝑑𝑡 (0 ) = 𝐶 +𝐸 =0 { 𝛽𝐶2 + 𝛼𝐶1 = 𝐶1 = −𝐸 𝐸𝛼 { 𝐶2 = 𝛽 𝐸 𝛼 Đặt 𝑘 = √𝛽 + 𝛼 𝑡𝑎𝑛𝜑 = − 𝛽 𝛽 Suy 𝑢(𝑡) = 𝑒(𝑡) + 𝑘𝑒 𝛼𝑡 𝑐𝑜𝑠(𝛽𝑡 + 𝜑) Thời gian đặc trưng : 2𝑄 𝜏= 𝜔0 Đây chế độ dao động Nguồn xung vng: - Ta chọn xung vng thay khóa K, sử dụng khóa K trước thời điểm đóng khóa K tụ có điện tích Khi đóng khóa K ta cần phải xét thêm phân bố lượng tụ (𝑢𝐶 (0+ ) ≠ 0) Khi chọn nguồn xung vng thời điểm 𝑒(𝑡) = 0, phần tử nguồn xem dây dẫn làm cho 𝑢𝐶 = Bài toán khảo sát trở nên đơn giản - Điều kiện ràng buộc: Nguồn xung vng phải có chu kì đủ lớn (nửa chu kỳ xung vng phải lớn 5𝜏) để quan sát trọn vẹn trình độ đồ thị (Từ Emax xuống Emin ngược lại ) B Mục thí nghiệm TN04 – B : Chọn giá trị làm thí nghiệm: - Ta chọn nguồn: 𝐸𝑚 = (𝐴 + 𝐵 + 𝐶 ) = + + = 17𝑉 Cuộn cảm có giá trị TN3-A: 𝐿 = 92.5 𝑚𝐻 𝑟 = 8Ω Chọn hộp tụ giá trị điện trở 𝐶 > (𝑋 + 𝑌 + 𝑍) × 𝑛𝐹 𝐶 > (1 + + 4) × => 𝐶 = 51 𝑛𝐹 - Tính trị tới hạn lý thuyết điện trở: 𝐿 92.5 × 10−3 √ 𝑅𝐶 = 2√ = = 2693.5 Ω 𝐶 51 × 10−9 Giá trị để định hướng đặt trước giá trị R hộp điện trở (biến thiên quanh giá trị này) Các sơ đồ mạch thí nghiệm cách đo đạc : Sơ đồ linh kiện: Nguồn xung vuông Em=17V, f= R L=92.5 mH C = 51 nF Hiển thị tín hiệu oscillo: Các đồ thị dùng phần mềm multisim để mô mạch: a Mạch trạng thái tới hạn : (𝑄 = 2) Chọn giá trị điện trở 𝑅 = 𝑅𝐶 = 2694 Ω Thời gian đặc trưng mạch: 𝜏0 = = √𝐿𝐶 = √92.5 × 10−3 × 51 × 10−9 𝜔0 = 6.87 × 10−5 (𝑠) Suy tần số f xung vuông 𝑇𝑥 = 𝑓𝑥 > 20𝜏0 𝑓𝑥 = 400 (𝐻𝑧) V CH1 ms CH2 5V 5V 1ms Q=0.5 ĐỒ THỊ HIỂN THỊ HAI TRẠNG THÁI e(t) VÀ uC(t) Ở CHẾ ĐỘ TỚI HẠN NHÓM P01 – (ngày 14/11/2021) 10 b Khảo sát mạch trạng thái tắt dần (𝑅𝑎 ≈ 2.2𝑅𝐶 ) : Chọn giá trị điện trở 𝑅 ≈ 2.2𝑅𝐶 ≈ 5925.7Ω Hệ số phẩm chất mạch: 𝐿 92.5 × 10−3 √ 𝑄= √ = = 0.2273 𝑅 𝐶 5925.7 51 × 10−9 Thời gian đặc trưng mạch : 2𝑄 2𝑄√𝐿𝐶 𝜏= = 𝜔0 (1 − √1 − 4𝑄2 ) (1 − √1 − 4𝑄2 ) = × 0.2273√92.5 × 10−3 × 51 × 10−9 (1 − √1 − × 0.22732 ) = 2.86 × 10−4 (s) Tần số xung vuông chọn câu a (𝑓𝑥 = 400 (𝐻𝑧)) Ta vẽ đồ thị: V CH1 CH2 ms 5V 5V 1ms Q < 0.5 ĐỒ THỊ HIỂN THỊ HAI TRẠNG THÁI e(t) VÀ uC(t) Ở CHẾ ĐỘ TẮT DẦN VỚI R=5925 Ω NHÓM P01 – (ngày 14/11/2021) 11 c Quan sát chế độ tắt dần 𝑄 ≈ 1: Chọn tần số nguồn câu a) 𝑓 = 400 (𝐻𝑧) Do 𝑄 ≈ nên ta tìm giá trị 𝑅𝜔1 : 𝑅𝜔1 𝐿 92.5 × 10−3 = √ =√ ≈ 1346 (Ω) 𝑄 𝐶 51 × 10−9 Thời gian đặc trưng mạch: 𝜏𝜔1 = 2𝑄 = 2𝑄√𝐿𝐶 = × × √92.5 × 10−3 × 51 × 10−9 𝜔0 = 1.37 × 10−4 (𝑠) Giải phương trình đặc trưng (∗): 𝑟2 + 𝜔0 𝑄 𝑟 + 𝜔0 = => 𝑟 = −7279 ± 12608𝑗 Suy 𝛼 = −7279 𝜔 = 12608 Ta có đồ thị : V uC(t) e(t) ms 10V 10V 1ms Q=1 ĐỒ THỊ HIỂN THỊ HAI TRẠNG THÁI e(t) VÀ uC(t) Ở CHẾ ĐỘ DAO ĐỘNG VỚI R=1346 Ω NHÓM P01 – (ngày 15/11/2021) 12 d Quan sát chế độ tắt dần 𝑄 = 1.5 Do 𝑄 = 1.5 nên ta tìm giá trị 𝑅𝜔1 : 𝑅𝜔2 𝐿 92.5 × 10−3 √ = √ = ≈ 897 (Ω) 𝑄 𝐶 1.5 51 × 10−9 Thời gian đặc trưng mạch: 𝜏𝜔2 = 2𝑄 = 2𝑄√𝐿𝐶 = × 1.5 × √92.5 × 10−3 × 51 × 10−9 𝜔0 = 2.06 × 10−4 (𝑠) Tăng chu kỳ lên 1.5 lần ta xung vng có tần số 𝑓 ≈ 266.67 𝐻𝑧 ta lấy 𝑓 = 265 𝐻𝑧 để vẽ mô phần mềm Giải phương trình đặc trưng (∗): 𝑟2 + 𝜔0 𝑟 + 𝜔0 = 𝑄 => 𝑟 = −4853 ± 13726𝑗 Suy 𝛼 = −4853 𝜔 = 13726 Ta đồ thị V Q = 1.5 uC(t) ms e(t) 10V 10V 1ms ĐỒ THỊ HIỂN THỊ HAI TRẠNG THÁI e(t) VÀ uC(t) Ở CHẾ ĐỘ DAO ĐỘNG VỚI R=897 Ω NHÓM P01 – (ngày 15/11/2021) 13 e Quan sát đồ thị giảm thêm tần số giá trị R (làm thêm): Để quan sát nhiều chu kỳ độ ta thử giảm tần số 𝑓 = 200 𝐻𝑧 điện trở 500Ω Ta thu đồ thị: u(t) e(t) 10V 10V 1ms ĐỒ THỊ HIỂN THỊ HAI TRẠNG THÁI e(t) VÀ uC(t) Ở CHẾ ĐỘ DAO ĐỘNG VỚI R=500 Ω NHÓM P01 – (ngày 15/11/2021) - Hệ số đặc trưng mạch : 𝐿 𝑅 𝐶 500 𝑄= √ = √ 92.5×10−3 51×10−9 = 2.69 14 C MỤC THÍ NGHIỆM TN04 – D : Đo chu kỳ dao động riêng : a Đo chu kỳ dao động riêng chế độ dao động với 𝑅 = 1346Ω e(t) u(t) 10V 10V 1ms ĐỒ THỊ ĐO CHU KÌ DAO ĐỘNG RIÊNG Ở CHẾ ĐỘ DAO ĐỘNG VỚI R=1346 Ω NHÓM P01 – (ngày 16/11/2021) - - Chọn chế độ cursors máy đo (phím 19), chọn kênh đo dọc để đo thời gian Sau ta đọc giá trị ∆𝑡 hình, từ suy chu kỳ dao động riêng 𝑇𝑝 = ∆𝑡 ≈ 498.71 µ𝑠 Để đo xác ta giảm thang đo thời gian để đồ thị phóng to, ta xác định xác điểm đặt vị trí trỏ Giải thích cách đo ước lượng độ dài đồ thị: Lấy chiều ngang ô thang đo 1cm ứng với 1𝑚𝑠 = 1000µ𝑠, ta đo độ dài hai vị trí trỏ ∆𝑥1 ≈ 0.5 (cm) Từ suy cơng thức tính giá trị ∆𝑡1 : 𝑇𝑝1 = ∆𝑡1 = ∆𝑥1 1000 0.5×1000 = = 500 (µs) 1 15 - So sánh với giá trị lý thuyết: 𝑇𝑝01 = 2𝜋 √𝐿𝐶 √1 − 4𝑄 = 2𝜋√92.5 × 10−3 × 51 × 10−9 ì 12 498.32 (à) Sai số so với thực nghiệm: 𝑇𝑝01 − 𝑇𝑝1 498.32 − 500 | |=| | ≈ 0.3% 𝑇𝑝01 498.32 b Đo chu kỳ dao động riêng chế độ dao động với 𝑅 = 897Ω Đồ thị đo chu kỳ dao động riêng chế độ dao động với 𝑅 = 897Ω u(t) e(t) 10V 10V 1ms ĐỒ THỊ ĐO CHU KÌ DAO ĐỘNG RIÊNG Ở CHẾ ĐỘ DAO ĐỘNG VỚI R=897 Ω NHÓM P01 – (ngày 16/11/2021) - Chọn trỏ dọc câu a) ta đọc giá trị máy đo: ∆𝑡 = 𝑇𝑝 ≈ 477.82 µ𝑠 - Giải thích cách tính ∆𝑡2 đo độ dài đồ thị: Lấy chiều ngang ô đồ thị cm ứng với thang đo 1𝑚𝑠 = 1000µ𝑠, ta đo độ dài hai vị trí trỏ ∆𝑥2 ≈ 0.47 (cm) Từ suy cơng thức tính giá trị ∆𝑡2 : 𝑇𝑝2 = = 1000 0.47ì1000 = = 470 (às) 1 16 So sánh với giá trị lý thuyết : 𝑇𝑝02 = 2𝜋√𝐿𝐶 √1 − 4𝑄 = 2𝜋√92.5 × 10−3 × 51 × 10−9 √1 − ì 1.52 457.7 (à) Sai s so vi thực nghiệm : 𝑇𝑝02 − 𝑇𝑝2 457.7 − 470 | |=| | ≈ 2.67% 𝑇𝑝02 457.7 Đo độ suy giảm logarithm: a Đo độ suy giảm logarithm chế độ dao động với 𝑅 = 1346Ω (TN4-3c) 5V 5V 1ms ĐỒ THỊ ĐO ĐỘ SUY GIẢM LOGARITHM Ở CHẾ ĐỘ DAO ĐỘNG VỚI R=1346 Ω NHÓM P01 – (ngày 16/11/2021) - Bật chế độ cursors (phím 19), chỉnh trỏ ngang để đo biên độ hai chu kỳ liên tiếp : + Con trỏ đo giá trị 𝑈1 = 23.19𝑉 + Con trỏ đo giá trị 𝑈2 = 17.286 𝑉 + Với 𝐸𝑚 = 17 𝑉 Suy công thức độ suy giảm logarithm: 17 𝑈1 − 𝐸𝑚 23.19 − 17 ) = ln ( ) = 3.075 𝑈2 − 𝐸𝑚 17.286 − 17 - Áp dụng công thức : 𝛿1 = ln ( 𝜋 𝛿1 = => 𝑄1 = √( ) + 𝛿1 √𝑄 − 𝜋 𝜋 𝑄1 = √( ) + = 1.137 3.075 Mà 𝛼 = − 𝛼1 = − 𝜔0 2𝑄 √𝐿𝐶×2𝑄1 =− √92.5×10−3 ×51×10−9 ×2×1.137 = −6402.56 - So sánh với giá trị lý thuyết tính TN04 – c : 𝛼 = −7279 Sai số so với lý thuyết tính 𝛼 − 𝛼1 7279 − 6402.56 ∆𝛼 = | |=| | ≈ 12% 𝛼 7279 Sai số lớn biên độ chu kỳ thứ hai nhỏ, nên vị trí ta đặt trỏ chưa xác b Đo độ suy giảm logarithm chế độ dao động với 𝑅 = 897Ω (TN4-3d): ĐỒ THỊ ĐO ĐỘ SUY GIẢM LOGARITHM Ở CHẾ ĐỘ DAO ĐỘNG VỚI R=897 Ω NHÓM P01 – (ngày 16/11/2021) 18 - Vẫn để oscillo chế độ trỏ, đặt trỏ ngang tiếp xúc điểm cao hai chu kỳ dao động liên tiếp + Con trỏ đo giá trị 𝑈1 = 29.181𝑉 + Con trỏ đo giá trị 𝑈2 = 18.667𝑉 + Với 𝐸𝑚 = 17𝑉 Suy độ suy giảm logarithm : 𝛿2 = ln ( 𝑈1 − 𝐸𝑚 29.181 − 17 ) = ln ( ) = 1.99 𝑈2 − 𝐸𝑚 18.667 − 17 - Tương tự câu a) ta tính Q2: 𝜋 𝑄2 = √( ) + 𝛿2 𝑄2 = √( - Suy giá trị 𝛼2 : 𝛼2 = − =− 𝜋 ) + = 1.656 1.99 √92.5 × 10−3 × 51 × 10−9 × × 1.656 √𝐿𝐶 × 2𝑄2 = −4395.96 - So sánh với giá trị tính lý thuyết TN04 – d (𝛼 = −4853): Sai số so với lý thuyết tính tốn : ∆𝛼 = | D 𝛼 − 𝛼2 4853 − 4395.96 |=| | ≈ 9.4% 𝛼 4853 GHI CHÚ: Các đồ thị báo cáo sử dụng phần mềm multisim để mô xuất đồ thị Trang web truy cập: multisim.com Đồ thị báo cáo không theo mẫu grid 10 ô x ô, cắt hình ảnh từ phần mềm để dễ quan sát Giải phương trình vi phân có tham khảo sách “Mạch điện (Phạm Thị Cư)” nguồn Internet ... nghiệm TN0 4 – A : Khảo sát mặt lý thuyết: Quá trình độ mạch điện trình chuyển từ trạng thái xác lập sang trạng thái xác lập khác mạch điện Quá trình độ xảy có thay đổi đột ngột (đóng ngắt mạch) ... 3c 16 b Đo độ suy giảm logarithm câu 3d 17 D Ghi .19 ĐIỆN – GIẢI TÍCH MẠCH (EE2032) THÍ NGHIỆM 3: KHẢO SÁT MẠCH RLC Ở CHẾ ĐỘ TỰ DO (QUÁ ĐỘ) Chọn giá trị làm thí nghiệm: Hai mã... đột ngột (đóng ngắt mạch) cấu trúc mạch điện quán tính Nguyên nhân phần tử quán tính (L C) tích lũy lượng có q độ diễn có phân bố lại lượng mạch 4 Khảo sát mạch ta có: