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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO THÍ NGHIỆM GIẢI TÍCH MẠCH LỚP: L18 – NHÓM – HK 221 MSSV Họ tên 2111412 Phan Kế Vĩnh Hưng Điểm chấm chéo Thành viên 03 – Ngày nộp: GV hướng dẫn: Nguyễn Thanh Phương Ký tên BÀI 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU (DC) A MỤC ĐÍCH: Bài thí nghiệm giúp sinh viên thực mạch điện mạch chia áp, mạch chia dòng, kiểm chứng định luật Kirchoff khảo sát mạch tương đương Thevenin-Norton mạch điện DC Ngoài ra, thí nghiệm cịn giúp sinh viên 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 định luật Ohm định luật Kirchoff Ngoài ra, để tăng hiệu trình tính tốn mạch DC, người ta dựa phép biến đổi tương đương (chia áp, chia dịng, biến đổi nguồn…), phân tích dùng ma trận (thế nút, dòng mắc 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 PHẦN THÍ NGHIỆM: I Mạch chia áp: a) Thực mạch chia áp Hình 1.2.1.1 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 u 1, u2, u3 điện trở điền vào cột “Đo” Từ điện áp u ta xác định u1 , u2 , u3 điện trở điền vào cột “Tính” Xác định sai số theo cơng thức: giá trị % sai số = | đúng−giátrị đo 100 % | Giá trị = giá trị tính theo lý thuyết hay giá trị nhận từ thiết bị giátrị chỉnh định thiết bị đo có độ xác cao.đúng - Tính theo lý thuyết: *Đối với u(V) = (V) u.R u1= ΣR u.R u2= ΣR u R u3= ΣR = 2,2k = 0,88(V ) 2,2k + 4,7k +5,6k = 4,7k = 1,88(V ) 2,2k + 4,7k +5,6k = 5,6k = 2,24(V ) 2,2k + 4,7k +5,6 k * Đối với u(V) = 12(V): u.R u1= ΣR u.R u2= ΣR u R u3= ΣR = 12 2,2k = 2,112( V ) 2,2k + 4,7k +5,6k = 12 4,7k = 4,512(V ) 2,2k + 4,7k +5,6k = 12 5,6k = 5,376(V ) 2,2k + 4,7k +5,6 k - Tính sai số: *Đối với u(V) = (V) *Đối với u(V) = 12 (V) %u1 = | |0,88−0,8809 100 %=0,102 % 0,88 %u1 = | %u2 = |1,88−1,884 | 1,88 %u2 = | %u3 = | 2,24−2,2574 2,24 100 %=0,213 % | 2,112−2,1106 | 100 %=0,067 % 2,112 4,512−4,5128 | 4,512 %u3 = 5,376−5,4070 | 100 %=0,777 % 5,376 100 %=0,018 % | 100 %=0,573 % Ta có bảng số liệu: u(V) Tính u1 Đo 0,88 0,8809 12 2,112 2,1106 % sai số 0,102 % 0,067 % Tính u2 Đo 1,88 1,884 4,512 4,5128 % sai số 0,213 % 0.018 % Tính 2,24 u3 Đo % sai số 2,2574 0,777% 5,376 5,4070 0,573% b) Kiểm chứng định luật Kirchoff điện áp Theo định luật Kirchoff điện áp mạch DC ta có: u = Σ uk = u1 + u2 + u Tính Σuk từ số liệu đo phần b) điền vào bảng số liệu: *Khi u(V) = 5(V): u = Σuk = u1 + u2 + u3 = 0,8809+1,884+2,2574 = 5,0223(V) −5,02223 | %u = 100 %=0,446 % | * Khi u(V)=12(V): ∑u = u1+u2+u3 = 2,1106+4,5128+5,4070 = 12,0304(V) 2−12,0304| %u = 100 %=0,253 % | 12 Bảng số liệu: u(V) 12 Σ uk % sai số 0,446% 0,253% 5,0223 12,0304 c) Thiết kế mạch chia áp DC: - Thiết kế mạch DC gồm điện trở R R nối yêu cầu ban đầu: R2 có áp vào 5(V), áp 2(V) Dòng mạch phải bé 10mA - Mạch thiết kế sau: Chọn R1 = 10 kΩ, R2 = 6,6 kΩ => Kết đo áp 5,0262 (V), dòng mạch 0,303 (mA) < 10 (mA) II Mạch chia dòng: a) Thực mạch chia dòng hình 1.2.2.1 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 sai số đo I1 = 1,0514(mA) (khi u=5V) I1 = 2,5235(mA) (khi u=12V) - Tính lý thuyết: *Đối với u(V) = (V) I 1= =1,0514( mA) 4,7 k 5,6k 2,2k + 4,7k +5,6k 4,7 I 2= =0,572(mA) ΣG = 1 + 4,7k 5,6k I G 1,0514 5.6 I 3= =0,480(mA) ΣG = 1 + 4,7k 5,6 k I G 1,0514 * Đối với u(V) = 12(V): I 1= 12 =2,5235(mA) 4,7 k 5,6k 2,2k + 4,7k +5,6k 4,7 I 2= ΣG = =1,372(mA) 1 + 4,7k 5,6k I G 2,5235 4,6 I 3= =1,1515( mA) ΣG = 1 + 4,7k 5,6 k I G 2,5235 - Tính sai số: *Đối với u(V) = (V) %I2 = | |0,572−0,5798 100 %=1,364 % 0,572 %I3 = | |0,4798−0,47413 100 %=1,182 % 0,4798 *Đối với u(V) = 12 (V) %I2 = | |1,372−1,366 100 %=0,437 % 1,372 %I3 = | |1,1515−1,442 100 %=0,634 % 1,1515 u(V) 12 I1(mA) 1,0514 2,5235 I2(mA) Tính tốn 0,572 1,372 Đo 0,5798 1,366 I3(mA) %sai số Tính tốn 1,364% 0,4798 0,437% 1,1515 Đo %sai số 0,47413 1,182% 1,1442 0,634% b) Kiểm chứng Định luật Kirchoff dòng điện: Theo định luật Kirchoff dòng điện mạch DC ta có: I1 = Σ Ik = I2 + I3 Tính Σuk từ số liệu đo phần b) điền vào bảng số liệu: *Khi u(V) = 5(V): Σ Ik = I2 + I3 = 0,572+0,4798 = 1,0518(mA) % Σ Ik = | |1,0514−1,0518 100 %=0,038 % 1,0514 *Khi u(V)=12(V): ΣIk = I2 + I3 = 1,366+1,1442 = 2,5102(mA) % Σ Ik = | |2,5235−2,5102 100 %=0,527 % 2,5235 Bảng số liệu: u(V) 12 Σ Ik 1,0518 2,5102 % sai số 0,038% 0,572% c) Thiết kế mạch chia dòng DC: Thiết kế mạch DC gồm điện trở R1 R2 mắc song song theo yêu cầu ban đầu : Dòng tổng 10 mA R1 4,7kΩ I1=4 mA - Vẽ mạch thiết kế : 3,13kΩ => R2 = 3,13 kΩ * Đo lại dòng qua R1 là: 4,012 mA III Giải tích mạch DC nhiều nguồn dùng nút mắc lưới: Thực mạch thí nghiệm Hình 1.2.3: Với: E1 = nguồn áp DC có giá trị 5V hộp thí nghiệm hay nguồn DC E2 = nguồn áp DC có giá trị 12 V hộp thí nghiệm hay nguồn DC Dùng volt kế DC hay DMM đo lại nguồn E1 E2 ghi vào bảng số liệu Tính điện áp điện trở dùng phương pháp nút hay dịng mắc lưới - Tính theo lý thuyết: B A D C Chọn UD = => Sử dụng pt điện nút: U A U −5,028 U −12,041 + A + A =0 2,2k 4,7k 5,6k (UB = 5,028(V), UC = 12,041(V)) => UA = 3,807(V) => U1 = 5,028-3,807=1,221 (V); U2 = 3,807 (V); U3 = 3,807 -12 = -8,193(V); U4 = 5,028 -12,041 = -7,013(V) Điện áp E1 E2 U1 U2 U3 U4 Giá trị tính(V) 5,028 12,041 1,221 3,807 -8,193 -7,013 Giá trị đo(V) 5,028 12,041 1,2297 3,7984 -8,242 -7,014 % sai số 0 0,7125% 0,2258% 0,5981% 0,0143% IV Cầu đo Wheatstone 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 Ghi lại giá trị VR giá trị thị DCV theo bảng Giá trị VR Chỉ sổ DCV VRcb - 100 Ω 0,0344 VRcb = 2200 Ω 0,0002 VRcb +100 Ω -0,0334 V Kiểm chứng nguyên lý tỉ lệ mạch DC Với mạch thí nghiệm hình 1.2.5, nguyên lý tỉ lệ hiểu điện áp u2 mạch tỉ lệ với nguồn tác động lên mạch Ein theo : uin = K.Ein Nguồn Ein lấy từ nguồn DC điều chỉnh hộp TN Thay đổi giá trị Ein đo u2 Ein u2 -Vẽ đồ thị: 4V 1,1753 6V 1,7701 8V 2,313 10V 2,9301 12V 3,5058 VI Kiểm chứng nguyên lý xếp chồng mạch DC Để kiểm chứng giá trị đo u1 mạch hình 1.2.3 dựa nguyên lý xếp chồng, ta làm sau : + Chỉ cho tác động lên mạch nguồn E1 = 5V cách thực thí nghiệm hình 1.2.6.1 đo u11 + Chỉ cho tác động lên mạch nguồn E2 = 12V cách thực thí nghiệm hình 1.2.6.2 đo u12 + Tính u1 theo nguyên lý xếp chồng *Tính theo nguyên lý xếp chồng: U1 = U11 + U12 = 3,7518 – 2,5256 = 1,4992 (V) Điện áp u1 Mạch có nguồn E1 (u11) 3,7518V Mạch có nguồn E2(u12) -2,5256V Giá trị tính theo xếp chồng 1,4992V Giá trị đo có nguồn 1,501V % sai số dùng xếp chồng 0,12% - Mở rộng ngun lí xếp chồng mạch có nguồn DC AC: Giá trị uC đo chức DCV Giá trị uC đo chức ACV 2,31V 0,954V *Giải thích: - Khi chức DCV, ta thấy nguồn DC AC = 0, trở thành dây dẫn Áp dụng điện nút ta có UA = UC = 2,28V xấp xỉ 2,31V giá trị đo - Khi đo chức ACV, ta thay đổi ngược lại đo chức DCV Phức hố mạch, tính UA = UC = 1,079V, xấp xỉ với 0,954V giá trị đo VII Sơ đồ Theveni – Norton nguyên lý truyền cơng suất cực đại *Tính theo lý thuyết: U nutgiua−5 + U 4,7 k nutgiua −12 5,6k = => Unút = 8,194(V) = Uhm 4,7k x I1 = => I1 = 1,064 (mA); 5,6k.I2= 12 => I2 = 2,143 (mA) => Inm = I1 + I2 =3,207(mA) Rtheverin = U hm/ I nm= (8,194/3,207) 10 = 2,555 k Ω Uhm (V) Giá trị đo 8,22 Giá trị tính 8,194 Inm (mA) Giá trị đo 3,12 Giá trị tính 3,207 Rthevenin (kΩ) Giá trị đo 2,635 Giá trị tính 2,555 VR IVR(mA) kΩ 2,2732 kΩ 1,787 kΩ 1,471 kΩ 1,2521 kΩ 1,0888 kΩ 0,9641 kΩ 0,8648 kΩ 0,7839 kΩ 0,7168 10 kΩ 0,6602 PVR(mW ) 5,1674 6,386 6,492 6,2710 5,9274 5,5769 5,2351 4,9160 4,6242 4,3586 VIII Sơ đồ Module DC Circuits: Dùng cho Bài TN Mạch + Sơ đồ module Hình 1.2.8, giá trị linh kiện Bảng 1.2.1 STT Tên linh kiện Giá trị danh định / mô tả Biến trở VR (4 daõy) 1kx10; 100x10; 10x10; 1x10 R1, R6 10k R2, R7, R11 2.2k R3, R4, R8, R10 4.7k R5, R9, R12 5.6k C1 0.01µF (103) L1 100mH D DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM: - Hộp thí nghiệm (hay nguồn DC hai ngõ ra) - Các điện trở : k, 2.2kΩ, 4.7kΩ, 5.6kΩ, 10kΩ - Các tụ điện không phân cực: 105, 104, 473, 223, 103 - Biến trở k, 10kΩ - Đồng hồ đo vạn số (DMM) - Dây nối thí nghiệm (có dây nối breadboard)  ... |0,88−0,8809 100 %=0,1 02 % 0,88 %u1 = | %u2 = |1,88−1,884 | 1,88 %u2 = | %u3 = | 2, 24? ?2, 2574 2, 24 100 %=0 ,21 3 % | 2, 1 12? ? ?2, 1106 | 100 %=0,067 % 2, 1 12 4,5 12? ??4,5 128 | 4,5 12 %u3 = 5,376−5,4070 |... *Khi u(V)= 12( V): ΣIk = I2 + I3 = 1,366+1,14 42 = 2, 51 02( mA) % Σ Ik = | |2, 523 5? ?2, 51 02 100 %=0, 527 % 2, 523 5 Bảng số liệu: u(V) 12 Σ Ik 1,0518 2, 51 02 % sai số 0,038% 0,5 72% c) Thiết kế mạch chia... 5, 022 3(V) −5, 022 23 | %u = 100 %=0,446 % | * Khi u(V)= 12( V): ∑u = u1+u2+u3 = 2, 1106+4,5 128 +5,4070 = 12, 0304(V) 2? ?? 12, 0304| %u = 100 %=0 ,25 3 % | 12 Bảng số liệu: u(V) 12 Σ uk % sai số 0,446% 0 ,25 3%