Giáo trình về mạch điện

IV. Phân loại và các chế độ làm việc của mạch điện 1. Theo loại dòng điện trong mạch người ta phân ra: Mạch điện một chiều. Mạch điện xoay chiều. 2. Theo thông số R, L, C Mạch điện tuyến tính Tất cả các phần tử của mạch điện tuyến tính là phần tử tuyến tính, nghĩa là các thông số R, L, Ctrong mạch là hằng số, không phụ thuộc vào dòng điện i và điện áp u đặt lên chúng. Mạch điện phi tuyến Trong mạch điện các thông số R, L, C của phần tử phi tuyến phụ thuộc vào dòng điện i và điện áp u đặt lên chúng. 3. Theo quá trình năng lượng trong mạch điện

Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Ch−¬ng mạch điện xoay chiều hình sin pha Mục tiêu: Các khái niệm Các phơng pháp phân tích mạch điện Đ1-1 Những khái niệm mạch điện I Mạch điện, kết cấu hình học mạch điện Mạch điện Mạch điện tập hợp thiết bị điện nối với dây dẫn tạo thành mạch kín có dòng điện chạy qua Mạch điện thờng có phần tử: nguồn điện, phụ tải, dây dẫn Hình 1- ví dụ mạch điện - Nguồn điện: Nguồn điện thiết bị biến đổi dạng lợng khác thành điện - Tải: Tải thiết bị tiêu thụ điện biến đổi điện thành dạng lợng khác nh năng, nhiệt năng, quang - Dây dẫn: Dây dẫn làm kim loại dây dẫn A (đồng,nhôm ) dùng để truyền tải điện từ nguồn đến tải a b Kết cấu hình học mạch điện MF ĐC - Nhánh: Nhánh đoạn mạch c có phần tử ghép nối tiếp có dòng điện chạy từ đầu nhành đến B H1-1 cuối nhánh - Nút; Nút điểm gặp từ ba nhánh trở lên - Vòng: Vòng lối khép kín qua nhánh Mạch điện hình 1- cã: nh¸nh 1, 2, 3; nót A, B vòng a, b, c Vòng độc lập vòng có nhánh cha tham gia vào mạch điện II Các đại lợng đặc trng trình lợng mạch điện Đặc trng cho trình lợng nhánh phần tử mạch điện hai đại lợng dòng điện(i) điện áp(u) Dòng điện - Là dòng điện tích chuyển dời có hớng điện trờng Lê Bá Tứ 2008 http://www.ebook.edu.vn Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com - TrÞ sè dòng điện tốc độ biến thiên lợng ®iƯn tÝch q qua tiÕt dq diƯn ngang cđa vËt dÉn: i = (1- 1) dt - ChiỊu cđa dßng điện quy ớc chiều chuyển động điện tích dơng điện trờng Điện áp(hiệu điện thế) Tại điểm mạch điện có điện Hiệu điện hai điểm gọi điện áp Nh điện áp hai điểm A B lµ: (1 - 2) UAB = VA - VB ChiỊu điện áp quy ớc chiều từ điểm có điện thÕ cao uAB ®Õn ®iĨm cã ®iƯn thÕ thÊp A i B Chiều dơng dòng điện điện áp Đối với mạch điện đơn giản, theo cực nguồn i dễ dàng xác định đợc chiều dòng điện điện áp + u nhánh Ví dụ mạch điện hình 1-2 u Tuy nhiên mạch điện phức tạp, dễ dàng xác định đợc chiều dòng điện điện áp H1-2 nhánh, đặc biệt mạch điện xoay chiều Vì giải mạch điện, ta tuỳ ý chọn chiều dòng điện điện áp nhánh gọi chiều dơng Trên sở chiều đà chọn, thiết lập hệ phơng trình Kiêchop giải hệ phơng trình này, dòng điện(hoặc điện áp) thời điểm có trị số dơng, chiều dòng điện (hoặc điện áp) nhánh trùng với chiều đà chọn, ngợc lại, dòng điện (điện áp) có trị số âm, chiều chúng ngợc với chiều đà chọn III Các thông số mạch điện Mạch điện gồm nhiều thiết bị điện Khi làm việc, nhiều tợng điện từ (hiện tợng biến đổi tích phóng lợng) xảy thiết bị điện mạch điện Đặc trng cho tợng thông số: sức điện động e, điện trở R, điện cảm L, điện dung C hỗ cảm M Khi tính toán, mạch điện thực đợc thay mô hình mạch bao gồm: nguồn điện e, điện trở R, điện cảm L, điện dung C e u(t) hỗ cảm M, chúng đợc nối với dây dẫn Nguồn điện áp u(t) Nguồn điện áp đặc trng cho khả tạo nên trì H1-3 Lê Bá Tứ 2008 http://www.ebook.edu.vn Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com điện áp cực nguồn Nguồn điện điện áp biểu diễn sức điện động e(t) (Hình 1-3) ChiỊu e(t) tõ ®iĨm ®iƯn thÕ thÊp ®Õn ®iĨm điện cao, chiều điện áp đầu cực nguồn ngợc với chiều sức điện động e Điện áp đầu cực u(t) sức điện động nguồn tải: u(t) = - e(t) (1- 3) Điện trở R Điện trở R thông số đặc trng cho trình tiêu thụ điện biến đổi điện sang dạng lợng khác nh nhiệt năng, quang năng, (1- 4) Quan hệ dòng điện điện áp điện trở là: uR = R.i uR- điện áp rơi điện trở, tính (V) Điện trở đo (ôm) Công suất điện trở tiêu thụ: p = Ri2 (W) (1- 5) Điện cảm L Điện cảm L thông số đặc trng cho tợng tích phóng lợng từ trờng mạch điện W (1- 6) Điện cảm cuộn dây là: L = = i i Trong i dòng điện chạy cuộn dây, W số vòng, = W từ thông móc vòng qua cuộn dây Ldi Sức điện động tự cảm cuộn dây: e L = (1-7a) dt Quan hệ dòng điện điện áp cuộn dây: di u L = e L = L (1-7b) dt uL đợc gọi điện áp rơi điện cảm I2 (1-7c) Năng lợng từ trờng cuộn dây: Wtt = L Đơn vị điện cảm H (Henry) Điện dung C Điện dung C đặc trng cho tợng tích phóng lợng điện trờng mạch điện q (1-8a) Điện dung C đợc tính là: C = uC Trong đó: uC điện áp đặt vào tụ điện, q điện tích tụ điện Quan hệ dòng điện điện áp điện dung C là: Lê Bá Tứ 2008 http://www.ebook.edu.vn Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com du dq dCu C = =C C (1-8b) dt dt dt (1-8c) Hc viÕt: u C = idt C Nếu thời điểm t = mà tụ điện đà có tích điện điện áp tụ là: 1t u C = idt + u C (0 ) (1-8d) C0 uC đợc gọi điện áp rơi điện dung C U2 (1-8e) Năng lợng điện trờng tụ điện: WE = C C Đơn vị điện dung F (Fara) Hổ cảm Hiện tợng hổ cảm tợng xuất từ trờng cuộn dây dòng điện biến thiên cuộn dây khác sinh i= 11 i2 u1 - + + u2 * * + i1 M i1 ψ21 u1 L1 - a) i2 + L2 u2 - b) M i1 + * u1 L1 - * M i1 i2 + L2 u2 + - - c) * i2 + L2 u2 u1 L1 * - d) Hình 1.4 Hai cuộn dây ghép hổ cảm Trên hình 1.4a từ thông móc vòng với cuộn dây L1 gồm thành phần: 1= 11+12 (1-9) Trong 11 móc vòng lấy cuộn dây L1 dòng điện i1 sinh ra.12 móc vòng lấy cuộn dây L1 dòng điện i2 sinh Tơng tự, từ thông móc vòng lấy cuộn dây là: Lê Bá Tứ 2008 http://www.ebook.edu.vn Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com 2= 21+ 22 (1-10) Trờng hợp môi trờng tuyÕn tÝnh, ta cã: ψ11= L1i1 ψ12= ± M12i2 (1-11) 22= L2i2 21= M21i1 (1-12) Trong L1và L1 hệ số tự cảm cuộn dây 2; M12= M21= M hệ số hổ cảm giửa cuộn dây Thay 1-11, 1-12 vào 1-9 1-10 ta đợc: 1= L1i Mi2; 2= L2i ± Mi1 ViƯc chän + hc dÊu - tr−íc M phụ thuộc vào chiều quấn cuộn dây chiều dòng điện i1 i2 Nếu cực tính u i đợc chọn 1- 4a, theo định luật cảm ứng điện từ, ta có: Đơn vị hổ cảm Henry.Ký hiệu hổ cảm nh hình 1-4b dùng dấu * để đánh dấu cực tính cuộn dây Nếu dòng điện i1 i2 vào cực tính 11và 12 chiều Cực tính cuộn dây phụ thuộc vào chiều quấn dây vị vị trí đặt cuộn dây Qui tắc xác định dấu : Nếu i có chiều vào dầu có * uM có dấu +, i có chiều uM có dấu - Ví dụ: Trên hình 1- 4b lµ: M i1 + * * u1 L1 i2 + L2 u2 - b) Trên hình 1- 4c M i1 + * u1 L1 Trên hình 1- 4d là: Lê Bá Tứ 2008 * i2 + L2 u2 - c) http://www.ebook.edu.vn Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com M i1 + * + L2 u2 u1 L1 - i2 * - d) M« hình mạch điện Mô hình mạch điện sơ đồ thay mạch điện,có kết cấu hình học trình lợng giống nh mạch điện thực, phần tử mạch điện thực đà đợc thay thông số lý tởng R, L, C, M, e tơng ứng Hình 1-5 sơ đồ thay A mạch điện thực Ld Rd e L hình 1- 4, máy Rđ phát điện đợc thay thÕ M ⊗ §C Lf R b»ng e nèi tiÕp víi Lf vµ Rf C Ld R d Rf; đờng dây đợc thay B H1- Rd Ld; bóng H1-5 đèn đợc thay Rđ; động đợc thay R, L, C Mô hình mạch điện đợc sử dụng thuận lợi việc nghiên cứu tính toán mạch điện thiết bị điện IV Phân loại chế độ làm việc mạch điện Theo loại dòng điện mạch ngời ta phân ra: - Mạch điện chiều - Mạch điện xoay chiều Theo thông số R, L, C - Mạch điện tuyến tính Tất phần tử mạch điện tuyến tính phần tử tuyến tính, nghĩa thông số R, L, Ctrong mạch số, không phụ thuộc vào dòng điện i điện áp u đặt lên chúng - Mạch điện phi tuyến Trong mạch điện thông số R, L, C phần tử phi tuyến phụ thuộc vào dòng điện i điện áp u đặt lên chúng Theo trình lợng mạch điện Lê Bá Tø 2008 http://www.ebook.edu.vn Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com a Chế độ xác lập Chế độ xác lập trình, dới tác động nguồn, dòng điện điện áp nhánh đạt trạng thái ổn định chế độ xác lập, dòng điện, điện áp nhánh biến thiên theo quy luật biến thiên nguồn điện b Chế độ độ Chế độ độ trình chuyển tiếp từ chế độ xác lập sang chế độ xác lập khác Chế độ độ xảy sau đóng cắt thay đổi thông số mạch có chứa L, C Thời gian độ thờng ngắn chế độ i độ, dòng điện điện áp biến thiên theo quy luật khác với quy luật biến thiên chế độ xác lập Trên hình 1- vẽ quy luật biến thiên dòng điện đóng mạch R - L vào điện áp không đổi, dòng điện i biến thiên nh doạn t đờng cong Sau thời gian t, trình độ kết thúc, H1-6 mạch thiết lập chế độ xác lập (đoạn vẽ dòng điện i chế độ xác lập) Hai toán mạch điện Khi nghiên cứu mạch điện có toán phân tích mạch tổng hợp mạch Bài toán phân tích mạch toán cho thông số kết cấu mạch điện, cần tính dòng, áp công suất nhánh Bài toán tổng hợp mạch toán ngợc lại, cần phải thành lập mạch điện với thông số kết cấu thích hợp, để đạt yêu cầu định trớc dòng, áp lợng Trong tài liệu chủ yếu xét toán phân tích mạch điện tuyến tính chế độ xác lập i1 i3 V Hai định luật Kiếchốp e1 e2 i2 L3 a b R3 Định luật Kiếchốp hai định luật L1 R2 R1 để nghiên cứu, tính toán mạch điện C3 Định luật Kiếchốp H1-7 Tổng đại số dòng điện nút không: i = (1-9) Quy ớc dòng điện tới nút mang dấu dơng, dòng điện rời khỏi nút mang dấu âm Định luật Kiếchốp Lê B¸ Tø 2008 http://www.ebook.edu.vn Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Trong vòng kín, theo chiều tuỳ ý, tổng đại số điện áp rơi tổng trở, tổng đại số sức điện động vòng ấy, sức điện động dòng điện có chiều chiều đi, lấy dấu dơng, ngợc lại mang dấu âm Ví dụ: Đối với vòng a hình 1-7, định luật Kiếchốp viÕt: R 1i1 + L1 di1 − R 2i = e1 − e dt Khi nghiªn cøu mạch điện chế độ độ, hai định luật Kiếchốp đợc viết giá trị tức thời Khi nghiên cứu mạch điện hình sin chế độ xác lập, dòng điện điện áp đợc biểu diễn véctơ số phức, định luật Kiếchốp viết dới dạng véctơ số phức n r n r n r (1-10) ∑ Ik = vµ ∑ U k = ∑ E k k =1 k =1 k =1 Đ1-2 Dòng điện hình sin Dòng điện xoay chiều hình sin dòng điện có trị số chiều biến đổi theo hàm sin thời gian Dòng điện hình sin đợc dùng rộng rÃi u điểm kỹ thuật kinh tế I Các đại lợng đặc trng cho dòng điện hình sin Biểu thức khái niệm Trị số dòng điện hình sin thời điểm t gọi trị số tức thời đợc biểu diễn công thøc: y i = Imsin(ωt+ϕi) (1-11) r U Trong ®ã: + i trị số tức thời dòng điện u + Im trị số cực đại (biên độ) dòng điện o x i r Để phân biệt, trị số tức thời viết chữ in thờng: i, u, e, I p Trị số cực đại viết ch÷ in hoa: Im, Um, Em; H1-8 + (ωt + i): góc pha (gọi tắt pha) dòng điện Pha xác định trị số chiều dòng điện thời điểm t Lê Bá Tứ 2008 http://www.ebook.edu.vn Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com + i, u: pha đầu dòng điện ®iƯn ¸p ë thêi ®iĨm t = 0, phơ thc vào chọn tọa độ thời gian Pha đầu không, âm dơng Trên hình - vẽ cho trờng hợp u > i < + tốc độ góc dòng điện hình sin, đơn vị rad/s + T chu kỳ dòng điện hình sin, khoảng thời gian ngắn để dòng điện lặp lại trị số chiều, khoảng thời gian T góc pha biến thiên lợng là: T = , f số chu kỳ dòng điện giây + Tần số f: f = = T Đơn vị tần số Hz (Héc) Giữa tần số f tần số góc có quan hệ: = 2f Tần số dòng điện xoay chiều c«ng nghiƯp: f = 50Hz; ω = 314 rad/s + Góc lệch pha đại lợng hiệu số pha đầu chúng Góc lệch pha điện áp dòng điện thờng ký hiệu , đợc ®Þnh nghÜa nh− sau: ϕ = ϕu - ϕ i (1- 12) Góc phụ thuộc vào thông số cđa m¹ch tgϕ =X/ R u u i u i o t H1-9a o t H1-9b o t i H1-9c > điện áp vợt trớc dòng điện (hình 1-9a) < điện áp chậm sau dòng điện (hình 1-9b) = điệp áp trùng pha dòng ®iƯn (h×nh 1-9c) NÕu biĨu thøc tøc thêi cđa ®iƯn áp u là: u = Umsint, dòng điện tức thêi lµ: i = Imsin(ωt - ϕ) (1- 13) Trị số hiệu dụng dòng điện hình sin mạch điện xoay chiều hình sin, để tính lợng khoảng thời gian giá trị tức thời phức tạp không cần thiết Đối với dòng điện biến đổi có chu kỳ, để tính lọng cần tính giá trị trung bình mét chu kú VÝ dơ, tÝnh c«ng st tác dụng P dòng điện Lê Bá Tứ 2008 http://www.ebook.edu.vn Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com qua điện trở R, cần tính trị số công suất trung bình mà điện trở tiêu thụ thêi gian mét chu kú T: 1T 1T P = ∫ Ri dt = R ∫ i dt = RI (1-14) T0 T0 Trong ®ã: 1T I= i dt T0 (1-15) Trị số I đợc gọi trị số hiệu dụng dòng điện biến đổi Nó đợc dùng để đánh giá, tính toán trình lợng dòng điện biến thiên có chu kỳ Im Tơng tự, trị số hiệu dụng điện áp sức điện động là: U E U= m ; E= m 2 BiÓu thøc trÞ sè tøc thêi viÕt theo trÞ sè hiƯu dơng nh sau: Đối với dòng điện hình sin trị số hiƯu dơng lµ: I = (1-16) (1-17) i = I 2sin (ωt + ϕi ) u = U 2sin (ωt + ϕ u ) Trong thùc tÕ, nãi trÞ số dòng điện 10A, điện áp 220V ta hiểu trị số hiệu dụng Dòng điện điện áp ghi dụng cụ thiết bị, trị số hiệu dụng Các dụng cụ đo, đo giá trị hiệu dụng II Biểu diễn đại lơng hình sin (đlhs) véctơ quay Định nghĩa Véc tơ quay véc tơ có gốc gốc toạ độ quay ngợc chiều kim đồng hồ với vận tốc không đổi.Toạ độ véc tơ quay biến đổi hình sin Néi dung biĨu diƠn VÐc t¬ quay biĨu diƠn đại lợng hình sin có độ lớn tỷ lệ với trị số hiệu dụng đlhs tạo với trục Ox góc pha đầu đại lợng r ứng dụng Biểu điễn đlhs véc tơ quay để cộng, trừ đại lợng hình sin tính chất tần số, tơng ứng với việc cộng, trừ véctơ biểu diễn chúng đồ thị r Trên hình 1-10, véc tơ I biểu diễn dòng điện Lê Bá Tứ 2008 http://www.ebook.edu.vn U O r U1 ϕ2 H1-10 x r I1 10 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Đó đèn neon gồm anốt 10 catốt có hình số từ đến Khi có điện áp anốt catốt catốt sáng lên số xuất Ưu điểm thị có độ sáng rõ, nhng tiêu thụ công suất lớn, điện áp cao Hiện không dùng b Chỉ thị diốt phát quang tinh thể lỏng (hình 8-12) Điốt phát quang chất bán dẫn phát sáng đặt vào điện áp chiều, tinh thể lỏng dới tác dụng điện ¸p sÏ chun pha tõ tr¹ng th¸i st sang trạng thái mờ ta nhìn thấy màu sắc đằng sau Tinh thể lỏng tiêu thụ công suất nhỏ (0,1 àA thanh) điốt phát quang 10mA Hiện tinh thể lỏng đợc sử dụng nhiều dới dạng vi mạch Đ8- Đo dòng điện điện áp Trong đại lợng điện, dòng điện điện áp hai đại lợng có quan hệ chặt chẽ với Đo dòng điện Để đo dòng điện ta mắc nối tiếp ampemét với mạch điện cần đo Để đo dòng ®iƯn mét chiỊu cã thĨ dïng c¸c ampemÐt tõ ®iƯn điện từ Để mở rộng thang đo với dòng ®iƯn mét chiỊu ng−êi ta dïng ®iƯn trë s¬n RS nối song song với cấu đo (hình 8-15) W/2 I3 I4 I1 I2 2I Icc W/2 A I Rs Is R4 R2 R3 R1 W/2 I W/2 A H8-16 H8-15 H8-17 Rs R s + R cc Trong ®ã: I dòng điện cần do, Rcc điện trở cấu đo R + R cc I =n= s Nếu muốn mở rộng thang đo n lần tức là: IA Rs Dòng điện qua cấu đo là: I A = I R cc n −1 H×nh 8-15 sơ đồ sơn dụng cụ từ điện có nhiều thang đo Để đo dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp dùng ampemét điện từ hay điện động Với dòng điện xoay chiều ngời ta dùng máy biến dòng để mở rộng thang đo Ampemet điện từ nhiều thang đo đợc chế tạo cách chia cuộn Suy điện trở sơn Rs là: R s = Năm 2008 http://www.ebook.edu.vn 132 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com dây tĩnh thành nhiều phần thay đổi cách nối để có thang đo khác nhau.(hình 8-17) Để đo dòng điện xoay chiều dụng cụ từ điện ngời ta phải chỉnh lu dòng điện xoay chiều thành chiều Để đo dòng điện DC nhỏ dùng àA điện tử Hình 8-18 sơ đồ nguyên lý àA điện E tử K E R1 R2 Dòng cần ®o ®−a vµo cùc B I Eo cđa T lµ I® I R®c R®c Ro NÕu hƯ sè Ro trun đạt Ict T T biết T Ict Re T Ict dòng định Rb mức Rb2 Rb1 cấu đo, àA Iđ Iđ H8-18a đo đợc dòng H8-18b D điện là: Iđ = Ict / T Đo điện áp Để đo U ngời ta dùng vonmet mắc song song với mạch cần đo Muốn kết đo xác, điện trở vonmet phải lớn Để mở rộng thang đo ngời ta dùng điện trở phụ mắc nối tiếp với cấu đo (hình 8-19) Giả sử cấu đo có điện áp định mức (Ucc), điện áp làm cho kim chØ hÕt thang ®o, V I Rp muèn më réng thang đo m lần nghĩa U/Ucc = m H8-19 th×: R p U − U cc = = m − hay lµ Rp = Rcc (m - 1) G R cc U cc EN Ex Trong đó: Rcc điện trở cấu Khi cần đo ®iƯn ¸p lín (cì kV) ng−êi ta dïng m¸y K UK RN biến điện áp để hạ điện áp cao xuống điện áp thấp Để nâng cao độ xác phép đo, ngời Ip RK ECC ta tiến hành đo phơng pháp bù, so sánh Rđc điện áp cần đo Ux với điện áp mẫu đà biết Uk có H8-20 độ xác cao (hình 8-20) Độ chênh lệch điện áp : U = Ux - Uk đợc phát cấu không Năm 2008 http://www.ebook.edu.vn 133 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Để đo U có tần số lớn, dùng vônmet điện tử Điện áp cần đo đợc chỉnh lu đa vào khuyếch đại chiều (hình 8-21) Đầu khuyếch đại chiều cấu từ điện Ưu điểm vonmet điện tử có độ nhạy cao, điện trở vào lớn đạt tới 100 M công suất tiêu thụ ít, khoảng tần số làm việc rộng, dễ dàng điều H8-21 chỉnh mở rộng thang đo Đ8-5 Đo thông số mạch điện Đo điện trở A a Phơng pháp Volmet Ampemet I RX Để đo điện trở ta dùng Ampemet đo dòng V điện I Volmet đo điện áp U R Điện trở cần đo: H8-22 U RX Rx = A I I Trên hình 8-22 có: Rx + Ra = U/I, ®iƯn trë Ampemet H8-23 V Ra g©y sai sè cđa phép đo, điện trở cần đo nhỏ ảnh hởng điện trở Ampemet Ra lớn, sơ đồ dùng để đo điện trở trung bình lớn Trên hình 8-23 có: àA R p I U.R v U U = + ®ã: R x = I= RX Rx Rv IR v − U I − E U Rv H8-24 §iƯn trë Volmet Rv gây sai số phép đo, điện trở cần đo nhỏ điện trở Volmet Rv ảnh hởng sơ đồ dùng để đo điện trở nhỏ b Ôm mét (hình - 24) Nếu điện áp U không đổi điện trở tỷ lệ nghịch với dòng điện I, biết dòng điện suy điện trở Hình 8-24 sơ đồ nguyên lý ômmét Dòng điện: Năm 2008 http://www.ebook.edu.vn 134 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com I= E = f (R x ) R p + R cc + R x Rp điện trở phụ để điều chỉnh vị trí không, Rcc điện trở cấu từ điện c Mêgômmét Là dụng cụ đo điện trở lớn Trong mêgômmét cấu đo lôgômét từ điện, nguồn điện máy phát ®iƯn mét chiỊu quay tay cã ®iƯn ¸p tõ 500V đến 1000V (hình 8-25) U Trên hình 8-25 dòng ®iÖn I1 = rp1 + r1 + R x I2 = U rp2 + r2 Trong r1, r2 điện trở cuộn dây phần động rp1 , rp2 điện trở phụ để điều chỉnh rp1 rp2 Góc quay mêgômmét tỷ lệ với tỷ số hai dòng điện nghĩa là: I rp2 + r2 α = f ⎜⎜ ⎟⎟ = f ⎜ ⎜ ⎝ I ⎠ ⎝ rp1 + r1 + R x Rx + - ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ H8-25 d Cầu điện trở Để đo điện trở xác dùng phơng pháp so sánh với điện trở mẫu cầu điện trở Hình 8-26 sơ ®å cđa cÇu ®o ®iƯn trë, ®iƯn trë cÇn ®o Rx nhánh cầu, điện trở mẫu R2, R3, R1 điều chỉnh đợc Nguồn cung cấp E nối vào đờng chéo cầu, đờng chéo không Điều chỉnh điện trở để điện kế không, cầu cân nên: I1 = I ; I = I R1 R2 I2 Nªn R I1 = R I vµ R I = R I = R x I I1 R3 I R X I4 Chia c¸c biĨu thøc cho ta đợc: R R Rx R3 = hay lµ R x = E R R1 R1 Trong cầu đo, thờng tỷ số R2/R1 chọn H8-26 1, 10, 100 Khi đo điện trở nhỏ, ảnh hởng điện trở dây nối điện trở tiếp xúc đáng kể, để loại bỏ ảnh hởng ngời ta thờng dùng cầu kép Đo tổng trở Năm 2008 http://www.ebook.edu.vn 135 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Tæng trở mạch điện Z = R + jX đo gián tiếp Ampemet, Volmet oátmét, đo trực tiếp cầu đo tổng trở Trong cách đo gián tiếp ta có biểu thức tính to¸n: U P C X rX Z = ; R = ; X = Z2 − R I I R2 Để đo xác, ta dùng cầu đo xoay I G chiều Khi cầu cân quan hệ tổng trở nhánh tơng tự cầu đo điện trở R4 C r3 e a Cầu đo điện dung C ~ Trên hình 8-27 cầu đo điện dung tụ H8-27 điện có tổn hao Ýt Tơ gåm ®iƯn dung Cx nèi tiÕp víi rx Các điện trở mẫu R2, R4, điện dung mẫu C3 đợc nối nối tiếp với điện trở r3 để tính chất với Cx rx Khi cầu cân bằng: Z1 Z = Z Z3 đây: Z1 = rx + 1 ; Z = R ; Z3 = r3 + ; Z4 = R jωC x jωC R2 R vµ C x = C R4 R2 §èi víi tơ ®iƯn cã tỉn hao lín Cx ®−ỵc xem nh− nèi song song víi rx ; Ta cã: Z1 = Z2 = R ; + j ωC x rx Suy ra: rx = r3 Z3 = R2 ; Z4 = R + jωC r3 Khi cầu cân có: R2 R4 = 1 + jωC x + jω C rx r3 R R Tõ ®ã suy ra: C x = C ; rx = r3 R2 R4 rx LX G I R3 R4 e C4 ~ H8-28 b CÇu đo điện cảm Để đo điện cảm Lx cuộn dây dùng cầu xoay chiều hình 8-28 Ta có: Z1 = rx + jωL x Z2 = r2 ; Z = r3 ; Z = Năm 2008 r4 + jωC r4 http://www.ebook.edu.vn 136 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Cầu cân khi: Suy ra: rx = r2 §8-6 (rx + jωL x )r4 + jωC r4 = r2 r3 r3 ; L x = C r2 r3 r4 I Đo công suất điện Oátmét pha kiểu điện động U W Z Rp Hình 8-29 sơ đồ nguyên lý oátmét pha kiểu điện động Cuộn dây dòng điện đợc nối tiếp với phụ tải H8-29 cần đo Cuộn dây điện áp đợc nối song song với mạch cần đo Góc quay cấu điện động tỷ lệ với công suất tác dụng P = UIcos Đo công suất tác dụng mạch ba pha Để đo công suất mạch ba phaYo ta A dùng Wmet mắc nh− h×nh 8-30 W PA = U A I A cosϕ A B PB = U B I B cosϕ B PC = U C I C cosϕ C W C P3pha = PA + PB + PC W O Có thể dùng Wmet nối nh hình 8-29 để H8-30 đo công suất mạch ba pha ba dây, ®ã Wmet thø nhÊt ®o c«ng suÊt r r W1 = U AC I A cos U AC IA Wmet thứ hai đo công suất W r r A W2 = U BC I B cos U BC IB B Trong ®ã: r r r C U AC = U A − U C r r r H8-31 U BC = U B − U C VËy tæng sè chØ cđa Wmet lµ: r r r r r r r r r r r r r W1 + W2 = U A − U C IA + U B − U C IB = U A IA + U B IB − U C IA + IB r r r V× IA + IB = − IC nªn ta cã: ( ) ( ( ) ) ( ) ( ) W1 + W2 = U A I A cosϕ A + U B I B cosϕ B + U C I C cosϕ C = P3 pha Năm 2008 http://www.ebook.edu.vn 137 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Đo công suất phản kháng mạch ba pha Để đo công suất phản kháng mạch ba pha đối xứng ta dùng oát met mắc nh hình 8-30 Wmet pha có dòng điện IA điện áp dây UBC Chỉ số cđa Wmet sÏ lµ: ( ) r r Q 3pha W = U BC I A cos U BC IA = U d I d sinϕ = Do ®ã công suất phản kháng mạch ba pha là: Q 3pha = 3P A B C H8-30 §8-7 §o lờng đại lợng không điện Những khái niệm chung Các đại lợng không điện nh nhiệt độ, vận tốc, gia tóc, ứng suất đo đợc cách xác phép đo lờng điện Ưu điểm phơng pháp đo có độ xác cao, đo tự động, đo từ xa tự ghi kết Sơ đồ khối dụng cụ đo đại lợng không điện có khâu chủ yếu sau đây: (hình 8-31) - Chuyển đổi đo lờng: để biến đổi đại lợng không điện thành tín hiệu điện - Các khâu trung gian nhằm khuyếch đại tín hiệu, bù ảnh hởng nhiệt độ hay tần số - Cơ cấu đo lờng ®Çu nh− Volmet, ®iƯn thÕ kÕ th−êng cã thang chia theo đại lợng không điện Đại lợng không điện Chuyển đổi Mạch đo Cơ cấu đo H8-31 Sau ta giới thiệu sơ lợc số chuyển đổi mạch đo số đại lợng không điện Các chuyển đổi đo lờng Chuyển đổi đo lờng có nhiệm vụ biến đại lợng không điện cần đo thành đại lợng điện Theo nguyên lý tác động chuyển đổi đo lờng có loại: - Chuyển đổi điện trở - Chuyển đổi điện từ Năm 2008 138 http://www.ebook.edu.vn Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com - Chun ®ỉi tÜnh ®iƯn - Chun ®ỉi ®iƯn tử - Chuyển đổi hoá điện a Chuyển đổi nhiệt điện Trong chuyển đổi nhiệt điện, biến thiên cđa nhiƯt ®é dÉn tíi sù xt hiƯn søc ®iƯn động cảm ứng cặp nhiệt điện, hay dẫn tới thay đổi trị số nhiệt điện trở Thiết bị cặp nhiệt điện Quá trình đo liên hệ chặt chẽ với môi trờng xung quanh, diện tích trao ®ỉi nhiƯt, tèc ®é chun ®éng cđa m«i trng, nång độ môi truờng dẫn điện chuyển đổi nhiệt điện dùng đo nhiệt độ mà dùng để đo ẩm độ, tốc độ, di chuyển b Chuyển đổi điện trở Biến trở (hình 8-32) ví dụ đơn giản chuyển đổi A l §iƯn trë cđa biÕn trë: R x = R x R E l Trong đó: - R ®iƯn trë toµn bé cđa biÕn trë H8-32 - l chiều dài toàn biến trở - lx khoảng di chuyển chạy tính từ đầu biến trở Biến trở loại dùng để đo di chuyển thẳng Nếu chÕ t¹o biÕn trë quay quanh trơc cã thĨ dïng ®Ĩ ®o di chun gãc c Chun ®ỉi nh¹y víi lực căng Cấu tạo gồm miếng giấy mỏng làm đế, dán sợi dây mảnh hình lợc (hình 8-33) constantan nicrom Mặt chuyển đổi lại dán lớp giấy mỏng để bảo vệ Chuyển đổi đợc dán lên chi tiết cần đo biến dạng, cho dây lợc theo chiều biến dạng R H8-33 = K Sự biến thiên ®iƯn trë chun ®ỉi: R E Trong ®ã: K lµ độ nhạy chuyển đổi, ứng suất tác dụng lên chuyển đổi, E môđun đàn hồi d Chuyển đổi điện từ Là chuyển đổi đại lợng không H8-34 điện (thờng di chuyển thẳng hay quay) dẫn đến thay đổi điện cảm, hỗ cảm xuất sức điện động cảm ứng cuộn dây Hình 8-34 vẽ nguyên lý số chuyển đổi điện từ Sự di chuyển phần động mạch từ làm thay đổi điện cảm cuộn dây e Chuyển đổi điện dung Năm 2008 http://www.ebook.edu.vn 139 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com εS d Trong đó: số điện môi; S điện tích cực; d khoảng cách cực Sự thay đổi khoảng cách hai điện cực, góc quay hay chiều dày điện môi dẫn tới biến thiên điện dung tụ điện Một số mạch đo lờng lợng không điện R3 E R1 G a Đo ứng suất R2 Để đo ứng suất điểm ngời ta dán chuyển đổi nhạy với lực căng CĐ KĐ H8-35 nhánh cầu (hình 8-35) Sự biến thiên mV điện áp đờng chéo cầu đợc khuyếch đại đa vào cấu đo R3 b Đo nhiệt độ R4 Ta dùng chuyển đổi nhiệt ngẫu Rb R1 E T nhiệt điện trở Hình 8-36 sơ đồ nguyên lý thiết bị đo nhiệt độ nhiệt ngẫu R2 R5 Mạch đo phơng pháp bù Dòng điện H8-36 làm việc xác định xác pin mẫu E điện trở mẫu Điện dung tụ điện: C = Đ 8-8 dao động ký I Công dụng dao động ký Dao động ký đợc sử dụng nghiên cứu khoa học, dạy học, y học, sản xuất Trong dạy học dao động ký đợc dùng thí nghiệm: - Để nghiên cứu so sánh dạng sóng điện - Đo thông số dòng điện mạch điện - Để chỉnh sửa máy điện điện tử - Để tổng hợp dao động điện - Để phát dòng điện nhỏ II Cấu tạo cđa dao ®éng ký èng phãng tia ®iƯn tư (hình 8-37) ống phóng tia điện tử gồm ống thuỷ tinh có độ chân không cao (10-6 mHg), có phần thân đèn cổ đèn Cổ đèn có dạng hình trụ bên đặt Năm 2008 http://www.ebook.edu.vn 140 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com c¸c điện cực.Thân đèn có dạng hình nón cụt Phần đáy đèn hình M bên phủ lớp phát quang Các điện cực - Sợi đốt FF để đốt nóng Ka tốt - Ka tốt để phát xạ điện tử bị đốt nóng - A1, A2 anốt có điện áp dơng Katốt, A1 có điện áp hàng trăm vôn, A2 có điện áp hàng nghìn vôn có nhiệm vụ hội tụ, hút e phía hình tăng tốc chùm điện tử - Lới G đặt K A1 có điện áp âm K Có nhiệm vụ khống chế số điện tử bay phía hình QX K K§X K§Y K G A1 A2 X1 Y1 F F X2 Y2 R1 R2 R3 M H8-37 - Các chiết áp R1, R2, + R3 lần lợt nối với G, A1, A2 để điều chỉnh điện áp đặt vào cực - Các cực Y1, Y2 đặt nằm ngang Điện áp đặt vào Y1, Y2 làm tia ®iƯn tư chun ®éng däc theo trơc Y TÝn hiệu cần nghiên cứu đặt vào hai cực - Hai cực X1, X2 đặt thẳng đứng, Điện áp đặt vào X1X2 làm tia điện tử lệch theo phơng ngang (x) x A at Độ nhạy ống phóng điện tử Nếu đặt u = U vào hai Y1Y2, hình chùm tia điện tử bị lệch khoảng y theo phơng đứng, tỷ số ay= y/U gọi độ nhạy theo chiều dọc ống phóng điện tử, đơn vị độ chia/vôn(div/vol) Năm 2008 B tt http://www.ebook.edu.vn tn t H8-38 Tq 141 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Nếu đặt u = U vào hai X1X2 hình vạch sáng lệch theo phơng ngang độ dài x, tỷ số ax= x/ U gọi độ nhạy theo chiều ngang ống phóng điện tử Độ nhạy đợc định nghĩa: ay= U/y; ax= U/x đơn vị vôn / độ chia Các khuyếch đại KĐY KĐX Các tín hiệu đa vào Y X thờng có trị số nhỏ, điện áp cần để làm lệch tia điện tử tới hàng chục vôn, hàng trăm vôn, nên tín hiệu trớc đa đến cực X, Y phải đợc khuyếch đại Các khuyếch đại KĐY KĐX có hệ số khuyếch đại byvà bx Để điều chỉnh hệ số KĐ bxvà by ngời ta đa mặt máy núm điều chỉnh gồm hai núm chỉnh thô chỉnh tinh có đơn vị vôn/vạch mV/div Bé ph¸t tÝn hiƯu qt QX Bé ph¸t tÝn hiƯu qt QX t¹o tÝn hiƯu d¹ng ux= at hình 8-2, gọi tạo tín hiệu quét.Tín hiệu quét đợc đa vào X, để kéo tia ®iƯn tư theo ph−¬ng x Bé ngn cung cÊp lợng cho mạch cao áp cho A nốt III Tổng hợp hai dao động vuông góc + Nếu đa tín hiệu u1 = Um1sint vào Y1Y2 hình quan sát thấy vạch sáng thẳng đứng, độ dài vạch sáng tỉ lệ với biên độ Um1 u1 Giả sử độ dài vạch sáng 2y0 y0 = Ky.Um1 Ky hệ số truyền kênh Y, phụ thuộc vào KĐY độ nhạy theo chiều dọc ống phóng điện tử Ky= by.ay by độ nhạy KĐY ay độ nhạy ống phóng điện tử + Nếu đa vào X1X2 điện áp u2 = Um2sin (t +) hình quan sát thấy vạch sáng nằm ngang độ dài 2x0 = 2Kx.Um2 Um2 biên độ u2, Kx = bx.ax độ nhậy dao động ký theo chiều ngang gọi hệ số truyền kênh X, bx độ nhạy KĐX + Nếu đồng thời đa tín hiệu u1 u2 vào Y X tia điện tử tham gia đồng thời dao động, chuyển động tia điện tử chuyển động tổng hợp dao động vuông góc (vì Y, X đặt vuông góc) x = Kx u2= x0sinωt ; y = Ky u1= y0sin(ωt +ϕ).Víi y0 = Ky Um1 ; x0 = Kx Um2 Lóc nµy tia điện tử chuyển động theo phơng trình: Năm 2008 http://www.ebook.edu.vn 142 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com ( y xy x ) + ( )2 − cos ϕ = sin ϕ x0 y0 y0 x (1) Phơng trình (1) phơng trình đờng đờng elíp, dạng elip phụ thuộc vào gãc ϕ - Khi ϕ = vµ ϕ = hình đờng thẳng - Khi = /2 elip vuông - Khi = /2 x0 = y0 đờng tròn - Khi elíp xiên + Nếu đặt ux = at có dạng H8-39 vào X1X2, chấm sáng hình M dịch chuyển ngang quét từ trái sang phải với vận tốc không đổi, đạt độ lệch cực đại nhanh chóng trở lại vị trí ban đầu Quá trình tiếp diễn tuần hoàn với chu kì quét Tqvà tần số quét là: fq = 1/Tq (Hz) Nếu đặt đồng thời vào Y1Y2 điện áp uy = Umysin.t tia điện tử chuyển động theo theo phơng trình y = Umysin(.x/Kxa) ux Vì : x = Kx.ux = Kx.at ⇔ t =x/ (Kxa) th× y = Umysin.x/(Kxa) Chùm tia điện tử vẽ hình tín hiệu y = y( x) đồng dạng tín hiệu uy = Umysinωt A at B tt tn t H8-39 Tq Kết luận: cho vào hai Y tín hiệu uy= sint vào X tín hiệu xx = at hình xuất dạng tín hiệu đặt vào Y Bộ phận tạo tín hiệu ux= at có dạng nh hình H8-39 gäi lµ bé phËn qt tÝn hiƯu.TÝn hiƯu ux = at gọi tín hiệu quét, đoạn OA đờng quét thuận, AB đờng quét ngợc Gọi chu kì tín hiệu cần nghiên cứu T chu kì tín hiệu quét Tqthì: - Nếu T = Tq hình quan sát đợc chu kì dao ®éng cđa uy - NÕu nT = Tq(víi n∈N) hình quan sát đợc n chu kỳ uy - NÕu Tq = nT vµ n ∉ N hình có đờng chuyển động phức tạp Năm 2008 http://www.ebook.edu.vn 143 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Để điều chỉnh Tq mặt máy có núm Time/ div, điều chỉnh thô tinh, hai núm gọi núm đồng bộ, hay núm chỉnh thời gian t, có đơn vị ms /div IV Dao động ký tia (hình 8- 40) V Đo đạc dao động ký tia Đo U + Đóng K xuống (ấn nút X-Y) để nối hai X với KĐX + Dùng tín hiệu chuẩn xác định gía trị điện áp cho độ chia trục y - Đa điện áp chuẩn Uc vào Y(vào CH1), điều chỉnh KĐY để điện áp tín hiệu chuẩn có vạch sáng dài tơng ứng yo độ chia Giá trị độ chia: uo =2Uc/yo ví dụ uo = 2ì1/ yo Giữ nguyên núm KĐY QX K KĐX KĐY1 Y11 K G A1 A2 Y21 X1 Y22 Y21 - X2 + K§Y K1 G1 A11 A21 Y21 Y22 X1 X2 K2 G2 A12 A22 Y21 Y22 H8.40b - Dao ®éng ký tia - Đa điện áp Ux cần đo vào CH1, hình xuất vệt sáng độ dài y giá trị Umx là: Umx= uoy/2 (vôn) Năm 2008 http://www.ebook.edu.vn 144 Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Đo f (hình 8-41) + Xác định thời gian chuẩn tc - Nối đất CH1 điều chỉnh để vạch sáng trùng với ox Sau đặt CH1 vị trí AC - Đa tín hiệu chuẩn có tần số fc vào CH1 dao động ký - Điều chỉnh núm Time/div để Tc chiÕm xo ®é chia, thêi gian cho mét ®é chia là: tc=Tc/xo (s/độ chia) ux uc t t O O TC Tx H8- 41 - Giữ nguyên núm Time/div, đa tín hiệu có tần số cần đo vào CH1, gi¶ sư chu kú cđa tÝn hiƯu chiÕm x độ chia : Tx =x ì tc (s), : fx =1/Tx (Hz) Đo Mắc mạch điện RLC nối tiếp vào điện áp u nh hình vẽ Giả sử đo độ lệch pha uR=U01sint Rovà uAB =U02sin(t+) - Đa tín hiệu uAB vào CH1, uR vào CH2 Điều chỉnh núm KĐY Time/div để hình ảnh nh hình H8- 42 Tính góc lệch pha theo c«ng thøc: B C C A u 0a ϕ= 360 0b i - NÕu ®o b»ng ®−êng Elíp : = arctg L Ro - Đo đoạn 0a 0b tính theo số vạch A , A trục ngắn, B trục dài B b o a t H8-42 §o tỉng trë Zx - ấn K để nối X với KĐX(nối CH2 với hai X1X2), mắc mạch nh hình 8-43 - Điều chỉnh hệ số truyền kênh Kx = Ky + Cách Đa vào kênh điện áp UAB vặn núm KĐY cho hai vệt sáng trùng khít nhau, nh ta đà làm cho hƯ sè trun kªnh cđa cưa b»ng Năm 2008 145 http://www.ebook.edu.vn Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com + C¸ch A Y1 - Thay Zx = RX - Đa vào CH1 CH2 tín hiệu UAB điều chỉnh núm Volt/div u ~ đờng thẳng nghiêng góc 45o, nh cửa CH1 CH2 đà hệ số truyền kênh Điều chỉnh núm dịch chuyển hình ảnh để hình đối xứng qua Zx X2 X1 C Ro B Y2 H8-43 - Giữ nguyên núm, đặt Ubc vµo Y1 Y2 (CH1) vµ Uba vµo X1 X2 (CH2) Ta đợc hình elíp nh hình - Nếu Zx= Rx hình vệt sáng đờng thẳng, điều chỉnh R0 cho vệt sáng hình nghiêng góc 450 Ro=RX - Nếu Zx=XL hình a elip vuông Điều chỉnh R0 điều C chỉnh tần số máy phát âm tần cho L đến hình đờng tròn U ~ b ZL= R0 Ro Tính gần L áp dụng công thức L=Ro ta đợc c H8- 44 L=Ro/ = Ro/2f (H) a - Nếu Zx=Xc, đo tơng tự nh đo XL, hình thu đợc đờng C L tròn Xc= Ro vµ C ≈ 1/2πfRo (F) U ~ b - Nếu Zx đoạn mạch nh hình Ro H8- 44, H8- 45 Điều chỉnh tần số U1 elíp thành đờng thẳng c H8-45 ta có mạch RLC trạng thái cộng hởng, đọc đợc tần số cộng hởng mạch máy phát âm tần Năm 2008 http://www.ebook.edu.vn 146