Báo cáo thí nghiệm bài 5 quá trình quá độ mạch tuyến tính

HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI 5: Q TRÌNH Q ĐỘ MẠCH TUYẾN TÍNH Trang 2 A.. MỤC ĐÍCH: Bài thí nghiệm giúp sinh viên hiểu được một số đặc tính quá độ ở mạch

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI 5: QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ MẠCH TUYẾN TÍNH Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thanh Phương Lớp: VL08 Nhóm: 01 STT Họ và tên MSSV 1 Lê Đinh Hoàng 2011227 2 Nguyễn Đức Chiến 2012729 TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 3 NĂM 2022 A MỤC ĐÍCH: Bài thí nghiệm giúp sinh viên hiểu được một số đặc tính quá độ ở mạch tuyến tính, gồm các mạch: R-C; R-L và mạch R-L-C Thông qua các đặc tính này, sinh viên có thể kiểm nghiệm được các phương pháp phân tích mạch quá độ đã học ở phần lý thuyết và hiểu thêm được một số quá trình vật lý xảy ra trong các mạch quá độ thực tế B ĐẶC ĐIỂM: Quá trình quá độ là quá trình xuất hiện khi mạch chuyển từ một chế độ xác lập này sang chế độ xác lập khác (xem thêm lý thuyết về phân tích mạch miền thời gian: chương 6 – giáo tình Mạch Điện II) Thông thường thời gian quá độ rất ngắn nên để quan sát quá trình quá độ người ta có thể sử dụng nguồn kích thích chu kỳ có biên độ biến thiên đột ngột (đóng mở theo chu kỳ đủ lớn cho phép theo dõi được quá trình quá độ diễn ra trong mạch) C PHẦN THÍ NGHIỆM: I GIÁ TRỊ THÔNG SỐ MẠCH THÍ NGHIỆM: Giá trị thông số mạch thí nghiệm trong bài thí nghiệm này cho trong bảng sau, trong đó RL là điện trở nội của cuộn dây Phần tử Giá trị danh định L 100 mH RL 300 Ω C1st 0.047 μF 0.1 μF C2nd 0.01 μF C3rd 100 Ω R0 2.2 kΩ Rss II MẠCH QUÁ ĐỘ CẤP I RC: a) Chỉnh dạng sóng vào mạch: Hình 1.5.1: Chỉnh dạng xung tác động Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.5.1 Dùng dao động ký, quan sát dạng xung vuông từ nguồn xung trên hộp thí nghiệm Chỉnh máy phát xung vuông lưỡng cực đối xứng (duty cycle = 50), biên độ 2V, tần số 500 Hz (nếu chọn Time/div = 0.5 ms thì chỉnh nút Fre để tín hiệu có chu kỳ là 4 ô) Ghi lại dạng sóng khảo sát quá độ uab(t) • Dạng sóng vuông của ngõ vào b) Quan sát dạng tín hiệu áp trên tụ dùng mạch hình 1.5.2 Ghi nhận lại dạng sóng uc trên dao động ký ứng với VR1 = 2 kΩ (chọn giá trị cho VR) Hình 1.5.2: Quan sát dạng áp trên tụ • Dạng sóng uC trên dao động ký ứng với VR1 = 2kΩ: c) Quan sát dạng tín hiệu dòng điện qua tụ dùng mạch hình 1.5.3 Ghi nhận lại dạng sóng iC(t) trên dao động ký với VR1 = 2 kΩ Lưu ý các giá trị dòng điện tính thông qua áp trên R0 • Dạng sóng iC trên dao động ký ứng với VR1 = 2kΩ: • Kiểm chứng tính toán lý thuyết: Giả sử quá trình uab = -2V là xác lập Tại t=0, uab thay đổi từ -2V đến 2V: dùng tích phân kinh điển hay toán tử Laplace, cho biết dạng điện áp trên tụ và dòng qua tụ ở mạch quá độ cấp I RC khi t > 0 có biểu thức: • + Xét mạch khi t < 0: Vậy khi đó uc(0-) = uC = E = -2V + Xét mạch khi t > 0 ta có: 𝑈𝑐(𝑥𝑙) = 2𝑉 • Đại số hóa sơ đồ Rnt = R + 𝑹𝟎 = 2000 + 100 = 2100 Ohm  Phương trình đặc trưng: pC + 𝟏 = 𝟎 => p = − 𝟏 = = − 𝟏 𝑹𝒏𝒕 𝑹𝒏𝒕×𝑪 𝟐𝟏𝟎𝟎×𝟎.𝟎𝟒𝟕𝝁 ≈ −𝟏𝟎𝟒  𝑈𝑐(𝑡𝑑) = 𝐾𝑒−𝟏𝟎𝟒𝒕 • Vậy khi t > 0 thì 𝑈𝑐 = 2 + 𝐾𝑒−𝟏𝟎𝟒𝒕 Ta có 𝑈𝑐(0+) = 𝑈𝑐(0−) = −2𝑉  𝑈𝑐(0+) = 2 + 𝐾 = −2 => 𝐾 = −4  𝑈𝑐(𝑡) = 2 -4𝑒−𝟏𝟎𝟒𝒕 (V) Mà 𝑖𝑐(𝑡) = 𝐶 𝑑𝑈𝑐(𝑡) 𝑑𝑡 = 𝟎 𝟎𝟒𝟕𝝁(40000𝑒−𝟏𝟎𝟒𝒕) = 1.88𝑒−𝟏𝟎𝟒𝒕 𝑚𝐴 d) Đo hằng số thời gian (thời hằng) của mạch quá độ cấp I RC: - Thời hằng của mạch quá độ cấp I RC xác định theo công thức: τc1[s] = R[Ω].C[F] - Đại lượng này có thể đo được khi dùng mạch thí nghiệm hình 1.5.2 Thế t= τc vào các biểu thức ở phần c) sẽ cho ta giá trị ic(τc), giúp ta đọc được τc khi dựa vào dạng sóng ic(t) trên màn hình dao động ký (bằng số ô theo chiều ngang và giá trị nút chỉnh Time/div, nhớ chỉnh các biến trở VAR về CAL) Hình 1.5.3: Quan sát dạng dòng điện qua tụ Hoàn thành bảng số liệu ứng với VR1 = 2 kΩ và VR2 = 4 kΩ • τc1[s] = R[Ω].C[F] = 2100×0.047𝜇 = 98.7 𝜇s • τc2[s] = R[Ω].C[F] = 4100×0.047𝜇 = 192.7 𝜇s • uab (thay đổi) τc tính toán ic (τc) τc đo được (𝜇s) (mA) (ms) VR1 VR2 VR1 VR2 VR1 VR2 Từ -2V → 2V 98.7 192.7 0.7007 0.2737 0.1 0.19 III MẠCH QUÁ ĐỘ CẤP I RL: a) Chỉnh dạng sóng vào mạch: Hình 1.5.4: Chỉnh dạng sóng thí nghiệm Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.5.4 Dùng dao động ký, quan sát dạng xung vuông từ nguồn xung trên hộp thí nghiệm Chỉnh máy phát xung vuông lưỡng cực đối xứng (duty cycle = 50), biên độ 2V, tần số 500 Hz (nếu chọn Time/div = 0.5 ms thì chỉnh nút Fre để tín hiệu có chu kỳ là 4 ô) Ghi lại dạng sóng khảo sát quá độ uab(t) • Dạng sóng vuông của ngõ vào b) Quan sát dạng tín hiệu áp trên cuộn dây dùng mạch hình 1.5.5 Ghi nhận lại dạng sóng trên dao động ký ứng với VR3 = 100 Ω Hình 1.5.5: Quan sát dạng áp trên cuộn dây • Dạng sóng uL trên dao động ký ứng với VR3 = 100Ω: c) Quan sát dạng tín hiệu dòng điện qua cuộn dây dùng mạch hình 1.5.6 Ghi nhận lại dạng sóng iL(t) trên dao động ký với VR3 = 100 Ω Hình 1.5.6: Quan sát dạng dòng điện qua cuộn dây • Dạng sóng iL trên dao động ký ứng với VR3 = 100Ω: • Kiểm chứng tính toán lý thuyết: Giả sử quá trình uab = -2V là xác lập Tại t = 0, uab thay đổi từ -2V đến 2V: dùng tích phân kinh điển hay toán tử Laplace, cho biết dạng điện áp và dòng trên cuộn dây ở mạch quá độ cấp I RL khi t > 0 có biểu thức: • Mạch: + Xét mạch khi t < 0: Khi đó mạch sẽ tương đương với: Vậy khi đó iL(0-) = iL = −2 = −2 = −4 (𝑚𝐴) 𝑅+𝑅0+𝑅𝐿 100+100+300 + Xét mạch khi t > 0 ta có: 𝟐 𝒊𝑳(𝒙𝒍) = 𝟏𝟎𝟎 + 𝟏𝟎𝟎 + 𝟑𝟎𝟎 = 𝟒𝒎𝑨 + Đại số hóa sơ đồ + Phương trình đặc trưng: 𝑹 + 𝑹𝟎 + 𝑹𝑳 + 𝒑𝑳 = 0 => p = − 𝑹 + 𝑹𝟎+𝑹𝑳 = − 𝟏𝟎𝟎+𝟏𝟎𝟎+𝟑𝟎𝟎 = −𝟓𝟎𝟎𝟎 𝑳 𝟏𝟎𝟎𝒎 + Khi t> 0 : 𝒊𝑳 = 𝟒 × 𝟏𝟎−𝟑 + 𝑲𝒆−𝟓𝟎𝟎𝟎𝒕 Ta có 𝒊𝑳(𝟎+) = 𝒊𝑳(𝟎−) = −𝟒𝒎𝑨 Mà 𝒊𝑳(𝟎+) = 𝟒 × 𝟏𝟎−𝟑 + 𝑲 = −𝟒 × 𝟏𝟎−𝟑 => 𝑲 = −𝟖 × 𝟏𝟎−𝟑 Vậy 𝒊𝑳(𝒕) = 𝟒 − 𝟖𝒆−𝟓𝟎𝟎𝟎𝒕 𝒎𝑨 𝒖𝑳(𝒕) =L𝒅𝒊𝑳(𝒕) 𝒅𝒕 = 𝟎 𝟏(𝟒𝟎𝟎𝟎𝟎𝒆−𝟓𝟎𝟎𝟎𝒕) = 𝟒𝒆−𝟓𝟎𝟎𝟎𝒕 𝑽 d) Đo hằng số thời gian (thời hằng) của mạch quá độ cấp I RL: - Thời hằng của mạch quá độ cấp I RL xác định theo công thức: τL[s] = L[H]/R[Ω] Đại lượng này có thể đo được khi dùng mạch thí nghiệm hình 1.5.6 Thế t= τL vào các biểu thức ở phần c) sẽ cho ta giá trị iL(τL), giúp ta đọc được τL khi dựa vào dạng sóng iL(t) trên màn hình dao động ký (bằng số ô theo chiều ngang và giá trị nút chỉnh Time/div, nhớ chỉnh các biến trở VAR về CAL) Hoàn thành bảng số liệu ứng với VR3 = 100 Ω và VR4 = 400 Ω • τL1[s] = L[H]/R[Ω] = 0.1/500 = 0.2 ms • τL2[s] = L[H]/R[Ω] = 0.1/800 = 0.125 ms • 𝒊𝑳(τ1) = 𝟒 − 𝟖𝒆−𝟓𝟎𝟎𝟎τ1 𝒎𝑨 = 𝟒 − 𝟖𝒆−𝟓𝟎𝟎𝟎×0.2m = 𝟏 𝟎𝟓𝟕 𝒎𝑨 • 𝒊𝑳(τ2) = 𝟒 − 𝟖𝒆−𝟓𝟎𝟎𝟎τ2 𝒎𝑨 = 𝟒 − 𝟖𝒆−𝟓𝟎𝟎𝟎×0.125m = −𝟎 𝟐𝟖𝟐 𝒎𝑨 uab τL tính toán iL (τL) τL đo được (thay đổi) (ms) (mA) (ms) VR3 VR4 VR3 VR4 VR3 VR4 Từ -2V → 2V 0.2 0.125 1.0570 -0.282 0.2 0.15 IV MẠCH QUÁ ĐỘ CẤP II RLC: a) Chỉnh dạng sóng vào mạch: Hình 1.5.7: Chỉnh dạng sóng vào mạch Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.5.7 Dùng dao động ký, quan sát dạng xung vuông từ nguồn xung trên hộp thí nghiệm Chỉnh máy phát xung vuông lưỡng cực đối xứng (duty cycle = 50), biên độ 2V, tần số 500 Hz (nếu chọn Time/div = 0.5 ms thì chỉnh nút Fre để tín hiệu có chu kỳ là 4 ô) Ghi lại dạng sóng khảo sát quá độ uab(t) • Dạng sóng vuông của ngõ vào b) Đo điện trở tới hạn của mạch quá độ cấp II: Hình 1.5.8: Đo điện trở tới hạn - Dùng mạch thí nghiệm như trên hình 1.5.8 Từ giá trị VR = 500 Ω, tăng từ từ VR (mỗi bước 100 Ω, chỉnh tinh dùng biến trở 10 Ω) và quan sát tín hiệu uc(t) trên dao động ký cho tới khi đạt chế độ tới hạn Ghi số liệu - Công thức lý thuyết tính điện trở tới hạn là: Rth = 2√𝐿𝐶 = 2√0.047.10−6 0.1 = 2917.2998 (Ω) Rth tính theo lý thuyết Rth đo được % Sai số 2917.2998 2900 0.0059% • Tín hiệu uc(t) trên dao động ký khi đạt chế độ tới hạn c) Quan sát dạng tín hiệu áp trên tụ điện dùng mạch hình 1.5.8 Quan sát dạng tín hiệu dòng qua tụ điện dùng mạch hình 1.5.9 Cho biết mạch quá độ đang làm việc ở chế độ nào và ghi nhận lại dạng sóng trên dao động ký ứng với các chế độ đó Hình 1.5.9: Quan sát dạng dòng điện qua tụ i VR = 500 Ω + Mạch quá độ ở chế độ: Dao động + Dạng áp trên tụ đo được: + Dạng dòng qua tụ đo được: ii VR = Rth - 400 Ω = 2380 + Mạch quá độ ở chế độ: Tới hạn + Dạng áp trên tụ đo được: + Dạng dòng qua tụ đo được: iii VR = 4 kΩ + Mạch quá độ ở chế độ: Không dao động + Dạng áp trên tụ đo được: + Dạng dòng qua tụ đo được: d) Kiểm chứng tính toán lý thuyết: Giả sử quá trình uab = -2V là xác lập Tại t=0, uab thay đổi từ -2V đến 2V: Dùng tích phân kinh điển hay toán tử Laplace, cho biết dạng điện áp và dòng qua tụ điện ở mạch quá độ cấp II RLC khi t > 0 có biểu thức: Mạch: • Xét mạch Khi t < 0 ta có: uC(0-) = uC = E = -2 (V) iL(0-) = iL = 0 (A) • Xét mạch khi t > 0 ta có: