Báo cáo thí nghiệm giải tích mạch

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH -***** TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ NĂM HỌC 2021-2022 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM GIẢI TÍCH MẠCH GVHD : NGUYỄN THANH PHƯƠNG LỚP : VL15 NHÓM : 08 CÁC THÀNH VIÊN: TP HCM 03/2022 Bài : 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 Kirchhoff khảo sát mạch tương đương Thevenin-Norton mạch điện DC Ngoài , 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 luật Ohm định luật Kirchhoff Ngoài , để tăng 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 ( 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 PHẦN THÍ NGHIỆM: I Mạch chia áp: a Thực mạch chia áp tính tốn áp trở - Yêu cầu : Lắp mạch chia áp hình 1.2.1.1 Điều chỉnh nguồn DC để giá trị điện áp u bảng số liệu Dùng DC volt kế đo u1 , u2 , u3 tính tốn giá trị theo lý thuyết Tính tốn sai số đo Hình 1.2.1.1: Mạch chia áp - Tính theo lý thuyết : *Đối với u(V)=5(V) u  u  u  u.R1 R  u.R R u.R2  5.2, 2k  0,88(V) 2, 2k  4, 7k  5, 6k  5.4, 7k  1,88(V) 2, 2k  4, 7k  5, 6k  5.5, 6k  2, 24(V) 2, 2k  4, 7k  5, 6k R *Đối với u(V)=12(V): u  u  u  u.R1 R  u.R R  u.R R  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, 6k - Tính sai số: %sai số = | 𝑔𝑖á 𝑡𝑟ị đú𝑛𝑔−𝑔𝑖á 𝑡𝑟ị đ𝑜 | 100% 𝑔𝑖á 𝑡𝑟ị đ𝑜 *Đối với u(V) = 5(V) 0,88  0,8762 100%  0, 432% %u1  0,88 1,88 1,8888 100%  0, 468% %u2  1,88 2, 24  2, 2496 100%  0, 429% %u3  2, 24 *Đối với u(V) = 12(V) %u1  2,112  2,106 100%  0, 284% 2,112 4, 512  4, 5394 100%  0, 608% 4, 512 5, 376  5, 406 100%  0, 558% %u3  5, 376 %u2  Bảng Số Liệu : u1 u(V) Đo Tính u2 %sai số Tính Đo u3 %sai số Tính Đo %sai số 0,88 0,8762 0,432% 1,88 1,8888 0,468% 2,24 2,2496 0,429% 12 2,112 2,106 4,512 4,5394 0,608% 5,376 5,406 0,558% 0,284% b Kiểm chứng luật Kirchoff điện áp: - Theo Kirchoff Voltage Law, ta có u = ∑u = u1+u2+u3 Tính ∑u từ số liệu đo sai số *Khi u(V)=5(V): ∑u = u1+u2+u3 = 0,8762 + 1,8888 + 2,2496 = 5,0146 (V) Sai số : %u  u  u 100%   5, 0146 100%  0, 292% u *Khi u(V)=12(V): ∑u = u1+u2+u3 = 2,106 + 4,5394 + 5,406 = 12,0514 (V) Sai số : %u  12 12, 0514 100%  0, 428% 12 Bảng Số Liệu : u(V) ∑uk %sai số 5,0146 0,292% 12 12,0514 0,428% c Thiết kế mạch chia áp DC : - - Thiết kế mạch DC gồm điện trở R1 R2 nối yêu cầu ban đầu: R2 có áp vào 5(V) , áp 2(V) Dịng mạch phải bé 10mA Mạch thiết kế sau : Chọn R1 = 4,7kΩ , R2 = 3,133kΩ => Kết đo áp u2 = 1,9937(V) , dòng mạch 0,636(mA) < 10(mA) d Ứng dụng mạch chia áp : + Ứng dụng : Đo nội trở Rs Thực mạch thí nghiệm hình 1.2.1.2.Trước hết chưa nối VR vô mạch , chỉnh máy phát song có tín hiệu output 2Vrms , f = 1kHz Nối VR vào mạch , tăng dần từ 10Ω áp hiệu dụng output 1Vrms Theo nguyên lý chia áp , giá trị VR bằfng giá trị Rs Hình 1.2.1.2: Mạch đo nội trở máy phát sóng hộp TN Giá trị Rs (đo ) = 50Ω + Ứng dụng 2: Đo điện trở vào Rin mạch hình 1.2.1.3 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 ½ biên độ output giá trị VR giá trị R in mạch Hình 1.2.1.3: Mạch đo điện trở vào Rin mạch điện - Tính theo giá trị điện trở : 1 1    Rin R10 R11 R12 => Rin  R10  1   R11 R12  1,182k    2, 2k 4, 7k 5, 6k 1 Giá trị Rin (đo ) = 1173Ω Giá trị Rin ( tính theo giá trị điện trở ) = 1,182kΩ = 1182Ω II Mạch chia dịng a Thực mạch chia dịng tính dòng qua trở : - Yêu cầu : Thực mạch chia dịng 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 tốn sai số đo Hình 1.2.2.1: Mạch chia dịng I1 = 1,041(mA) (khi u=5V) I1 = 2,527(mA) (khi u=12V) - Tính theo lý thuyết : *Khi u(V) = 5(V):  I1  *Khi u(V) = 12(V):   1, 052(mA) 4, 7k.5, 6k 4, 7k  5, 6k 1, 052 I1.G1 4, I    0, 572(mA) 1 G  4, 7k 5, 6k 2, k  I3  I G 1, 052 5, G  1  4, 7k  0, 480(mA) 5, 6k - Tính sai số : * Đối với u(V) = 5(V): %I2   %I3  0, 572  0, 561 0, 572 0, 48  0, 478 12  2, 524(mA) 4, 7k.5, 6k 2, 2k  4, 7k  5, 6k 2, 524 I G 4, I  1   1, 372(mA) 1  G 4, 7k  5, 6k 2, 524 5,  1,152(mA) I3  I1 G2  G  4, 7k 5, 6k I1  * Đối với u(V) = 12(V): 100%  1, 923% %I2  100%  0, 417% %I3  0, 48 1, 372 1, 363 1, 372 1,152 1,148 100%  0, 656% 100%  0, 347% 1,152 Bảng Số Liệu : u (V) I1 (mA) I2(mA) I3(mA) Tính tốn Đo %sai số Tính tốn Đo %sai số 12 1,039 2,511 0,572 1,372 0,561 1,363 1,923% 0,656% 0,48 1,152 0,478 1,148 0,417% 0,347% b Kiểm chứng luật Kirchoff dòng điện : -  I2  I3 Theo Kirchoff Current Law, ta có I1   Ik Tính ∑ Ik từ số liệu đo sai số * Khi u(V) = 5(V): I  I k  I3  0, 561 0, 478  1, 039(mA) 1, 052 1, 039 100%  1, 236% Sai số: % Ik  I1   Ik 100%  I1 * Khi u(V) = 12(V): Sai số: % Ik  1, 052 I  I k 2,524  2,511  I3  1, 363 1,148  2, 511(mA) 100%  0, 515% 2, 524 Bảng Số Liệu : u(V) 12 I1(mA) 1,052 2,524 ∑Ik 1,039 2,511 %sai số 1,236% 0,515% 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 : Trị số R2 = 3,133kΩ, đo lại dòng qua R1 = 3,8382mA d Chia mạch dùng nhiều điện trở : Thực mạch thí nghiệm hình 1.2.2.2 Đo tính sai số I1 Hình 1.2.2.2: Mạch chia dịng nhiều điện trở I1 tính theo chia dịng : I   1, 479(mA) 2, 2k.4, 7k.5, 6k 2, 2k  4, 7k.5, 6k  2, 2k.5, 6k  2, 2k.4, 7k 1, 479 I.G 5, I    0, 3122(mA) 1 1 G 2, 2k  4, 7k  5, 6k với G3  R12 Sai số : %I  0, 3122  0, 3133 100%  0, 352% 0, 3122 Bảng Số Liệu : Dòng I đo Dòng I1 đo 1,436 0,274 III Dịng I1 tính theo chia dịng 0,3122 Sai số dùng chia dịng cho I 0,352% Giải tích mạch DC nhiều nguồn dùng nút mắt lưới + E1 : Nguồn DC 5V + E2 : Nguồn DC 12V Dùng volt kế DMM đo lại E1 , E2 Dùng pp nút dịng mắt lưới tính u trở Dùng volt kế DMM đo lại u Hình 1.2.3: Mạch DC nhiều nguồn U A U A  U A 12   0 5, 6k *Tính theo lý thuyết : Chọn UD = => Sử dụng pt điện nút : 2, 2k 4, 7k ( U B  5(V), UC  12(V ) ) => UA  3, 79(V ) => U1   3, 79  1, 21(V) ; U2  3, 79(V) ; U3  3, 79 12  8, 21(V ) ; U4  12  7(V ) Bảng số liệu : Điện áp Giá trị tính Giá trị đo % sai số E1 5V 5.059 V 1.180% E2 12V 11.975 V 0.208% u1 1,21V 1,261 V 5.041% u2 3,79 3,770 V 0,528% u3 -8,21 -8,139 V 0,865% u4 -7 -6,892 V 1,543% IV Cầu đo Wheatstone chiều đo điện trở Là cầu đo điện trở dựa nguyên lý cân , 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 Hình 1.2.4: Mạch đo Wheatstone chiều Giá trị VR VRcb - 100Ω VRcb = 2210Ω VRcb + 100Ω Chỉ số DCV 0.0337V -0.0333V 0,0009V 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 : u2 = K.Ein Nguồn Ein lấy từ nguồn DC điều chỉnh hộp TN Thay đổi giá trị Ein đo u2 Hình 1.2.5: Mạch kiểm chứng nguyên lý tỉ lệ Ein 4V 6V 8V 10V 12V u2 1,140V 1,719V 2,335V 2,901V 3,479V Vẽ đồ thị: VI Kiểm chứng nguyên lý xếp chồng mạch DC Hình 1.2.6.1:Mạch có nguồn E1 Hình 1.2.6.2: Mạch có nguồn E2 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 ngun lý xếp chơ *Tính theo ngun lý xếp chồng : U1= U11 + U12 = 3,798 – 2,504 = 1,294 (V) Điện áp Mạch có nguồn E1(u11) Mạch có nguồn E2(u12) u1 3,798V -2,504V Giá trị tính Giá trị đo theo xếp có nguồn chồng 1,294 1,289 % sai số dùng xếp chồng 0,386% + Mở rộng khảo sát nguyên lý xếp chồng mạch có nguồn DC AC: Hình 1.2.6.3: Đo uC mạch có nguồn DC AC Bảng Số liệu : Giá trị uC đo chức DCV 2,34V Giá trị uC đo chức ACV 1,11V Giải thích : Khi đo chức DCV , ta lấy nguồn DC nguồn AC = , trở thành dây dẫn Áp dụng điện nút ta có UA = UC = 2,28V sấp sỉ 2,34V giá trị đo Khi đo chức ACV , ta thay đổi ngược lại đo chức DCV Phức hóa mạch , tính UA=UC=1,079(V) ( Hiệu dụng ) , sấp sỉ với 1,11 V giá trị đo VII Sơ đồ Thevenin-Norton nguyên lý truyền công suất cực đại Hình 1.2.7.1: Đo Uhm Uhm Giá trị đo 8,212 Giá trị tính 8,194 Ihm Giá trị đo 3,152 Hình 1.2.7.2: Đo Inm Giá trị tính 3,207 Rthevenin Giá trị đo 2,605 Giá trị tính 2,555 *Tính theo lý thuyết : ● Unutgiua  Unutgiua 12  0 4, 7k 5, 6k => Unút = 8,194(V) = Uhm ● 4,7k.I1 = => 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).10 = 2,555kΩ Hình 1.2.7.3: Khảo sát cơng suất max VR 1kΩ 2kΩ 2,605kΩ 3kΩ 4kΩ 5kΩ 6kΩ 7kΩ 8kΩ 9kΩ 10kΩ IVR(mA) 2,221 1,780 1,598 1,466 1,204 1,075 0,942 0,852 0,786 0,699 0,642 PVR(mW) 4.933 6,337 6,652 6,447 5.798 5,778 5,324 5,081 4,942 4,397 4,122 + Thực mạch khảo sát cơng suất cực đại mạch có nguồn AC Chỉnh cho u hiệu dụng 2V , tần số 5kHz.Thực 10 giá trị 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 2,573kΩ 3kΩ 4kΩ 5kΩ 6kΩ 7kΩ 8kΩ 9kΩ 10kΩ IVR 0,34 0,28 0,250 0,19 0,17 0,17 0,15 0,13 0,12 0,11 0,1 PVR 0,12 0,16 0,161 0,152 0,145 0,145 0,13 0,12 0,119 0,11 0,1 VR để PVR max theo lý thuyết = 2,573kΩ Công suất PVR (max) theo lý thuyết = 0,158mW VIII Sơ đồ Module DC Circuits Bảng 1.2.1: Danh sách linh kiện Module DC Circuits STT Tên linh kiện Giá trị danh định / mô tả Biến trở VR (4 dãy) 1kx10; 100x10; 10x10; 1x10Ω R1,R6 10kΩ R2,R7,R11 2.2kΩ R3,R4,R8,R10 4.7kΩ R5,R9,R12 5.6kΩ C1 0,01μF (103) L1 100mH D - DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM: Hộp thí nghiệm ( hay 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 số (DMM) Dây nối thí nghiệm (có dây nối breadboard)