MỤC ĐÍCH: Bài thí nghiệm giúp sinh viên thực hiện các mạch điện cơ bản như mạch chia áp, mạch chia dòng, kiểm chứng các luật Kirchhoff và khảo sát mạch tương đương Thevenin-Norton trong
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ -❖ - BÁO CÁO THÍ NGHIỆM GIẢI TÍCH MẠCH BÀI 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU (DC) BÀI 3: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU (AC) Nhóm lớp: VL12_Tổ: Họ và tên sinh viên MSSV Điểm chấm chéo Ký tên Ngô Đức Phú 2014138 2011767 Võ Hoàng Yến Nhi 1912467 Nguyễn Thùy Vương TP.Hồ Chí Minh, 9 tháng 3 năm 2022 MỤC LỤC BÀI 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU (DC) 1 A MỤC ĐÍCH: .1 B ĐẶC ĐIỂM: 1 C PHẦN THÍ NGHIỆM: 1 I Mạch chia áp: 1 II Mạch chia dòng: 5 III Giải tích mạch DC nhiều nguồn dùng thế nút và mắc lưới: 7 IV Cầu đo Wheatstone một chiều đo điện trở: 8 V Kiểm chứng nguyên lý xếp chồng trên mạch DC: 10 VII Sơ đồ Thevenin-Norton và nguyên lý truyền công suất cực đại: 13 BÀI 3: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU (AC) .17 A MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM: 17 B PHẦN THÍ NGHIỆM .17 I Đo trở kháng tụ điện 17 II Mạch RC nối tiếp 18 III Đo trở kháng cuộn dây 20 IV Mạch RL nối tiếp 21 V Mạch RLC nối tiếp .23 BÀI 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU (DC) A MỤC ĐÍCH: Bài thí nghiệm giúp sinh viên thực hiện các mạch điện cơ bản như mạch chia áp, mạch chia dòng, kiểm chứng các luật Kirchhoff và khảo sát mạch tương đương Thevenin- Norton trong mạch điện DC Ngoài ra, bài thí nghiệm còn giúp sinh viên so sánh kết quả giữa tính toán lý thuyết và kết quả thí nghiệm của mạch điện DC một nguồn và nhiều nguồn B ĐẶC ĐIỂM: Mạch điện DC chỉ tồn tại các phần tử nguồn và điện trở Nền tảng của phân tích mạch điện DC là luật Ohm và các luật Kirchhoff Ngoài ra, để tăng hiệu quả của quá trình tính toán mạch DC, người ta có thể dựa trên các phép biến đổi tương đương ( chia áp, chia dòng, biến đổi nguồn … ), phân tích dùng ma trận (thế nút, dòng mắc lưới … ) hay dùng các định lý đặc trưng cho mạch tuyến tính (nguyên lý tỉ lệ, nguyên lý xếp chồng, sơ đồ tương đương TheveninNorton … ) C PHẦN THÍ NGHIỆM: I Mạch chia áp: a) Thực hiện mạch chia áp như Hình 1.2.1.1 Điều chỉnh nguồn DC để thay đổi giá trị điện áp u như trong bảng số liệu Dùng DC volt kế ( hoặc chức năng DCV của VOM hay DMM ) đo điện áp u1, u2, u3 trên các điện trở điền vào cột “Đo” Từ điện áp u ta xác định u1, u2, u3 theo công thức mạch chia áp và điền vào cột “Tính” Xác định sai số theo công thức : % 𝑠𝑎𝑖 𝑠ố = |𝑔𝑖 𝑡𝑟ị đú𝑛𝑔 − 𝑔𝑖 𝑡𝑟ị đ𝑜| 100% 𝑔𝑖 𝑡𝑟ị đú𝑛𝑔 Giá trị đúng là giá trị tính theo lý thuyết hay giá trị nhận được từ các thiết bị chỉnh định hoặc thiết bị đo có độ chính xác cao Trang | 1 Ta có bảng số liệu: u(V) u1 u2 u3 Tính Đo %sai Tính Đo %sai Tính Đo %sai số số số 5 0.88 0.8754 0.5227 1.88 1.8719 0.4309 2.24 2.2358 0.1875 12 2.112 2.124 0.5682 4.512 4.5429 0.6848 5.376 5.4258 0.9263 Hình 1.2.1.1: Mạch chia áp *Tính theo lí thuyết: - TH: u(v)=5V Trang | 2 -TH: u(v)=12V b) Kiểm chứng luật Kirchhoff về điện áp Theo luật Kirchhoff về điện áp đối với mạch DC ta có: u = ∑ 𝑢𝑘 = u1 + u2 + u3 Tính ∑ 𝑢𝑘 từ sốliệu đo ở phần b) và điền vào bảng số liệu: u (V) ∑ 𝑢𝑘 %sai số 4.9831 5 12.0927 0.338 12 0.7725 Ở đây, % sai số = |𝑢−∑ 𝑢𝑘| 100% 𝑢 c) Thiết kế một mạch chia áp DC gồm hai điện trở R1 (có giá trị trong 4 điện trở đã cho) và R2 thỏa : + Áp vào mạch 5 V, áp ra trên R2 là 2 V + Dòng trong mạch phải bé hơn 10 mA + Vẽ mạch thiết kế và cho biết các trị số: R1 =2.2K (Ω), R2 = 1.4661K (Ω) Và kết quả đo áp ra trên mạch thiết kế: Áp ra = 1.9873 Trang | 3 d) Ứng dụng mạch chia áp: + Ứng dụng 1: Đo nội trở của nguồn Rs của máy phát sóng Thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.2.1.2 Sơ đồ tương đương máy phát sóng gồm có nguồn áp nối tiếp nội trở Rs Trước tiên, chưa nối VR vào mạch và chỉnh máy phát sóng có tín hiệu trên output là 2Vrms, tần số 1kHz Nối VR vào mạch, chọn giá trị ban đầu là 10 , tăng dần VR sao cho áp hiệu dụng trên output là 1Vrms Ta thấy theo nguyên lý chia áp, giá trị VR khi đó sẽ bằng giá trị của Rs Hình 1.2.1.2: Mạch đo nội trở máy phát sóng trên hộp TN Giá trị Rs (đo được) = 56𝛀 + Ứng dụng 2: Đo điện trở vào Rin của một mạch gồm ba điện trở R10, R11, R12 mắc song song Thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.2.1.3 Đưa tín hiệu output vào CH1, tín hiệu tại nút a vào CH2 của dao động ký Chỉnh tăng VR từ giá trị 100 Cho đến khi tín hiệu tại a có biên độ bằng ½ biên độ tại output thì giá trị VR sẽ bằng giá trị Rin của mạch Hình 1.2.1.3: Mạch đo điện trở vào Rin của một mạch điện Giá trị Rin (đo được) = 1.2 𝑲𝛀 Giá trị Rin (tính theo giá trị ba điện trở) = 1.18K𝛀 Trang | 4 II Mạch chia dòng: a) Thực hiện mạch chia dòng như Hình 1.2.2.1 Thay đổi giá trị u như trong bảng, đo dòng tổng I1 và các dòng rẽ I2 , I3 (dùng amper kế mắc nối tiếp các điện trở hoặc thông qua đo áp trên các điện trở này theo giá trị điện trở đo của chúng) và ghi số liệu vào cột “đo được” Từ giá trị I1 ta tính I2 và I3 theo công thức mạch chia dòng và ghi kết quả vào cột “tính toán” Tính sai số Hình 1.2.2.1: Mạch chia dòng Ta có bảng số liệu: u I2 (mA) I2 I3 (mA) (V) (mA) Tính Đo %sai Tính Đo %sai Tính Đo %sai số số toán được toán được số toán được 0.4798 0.4828 0.6253 0.8571 1.1515 1.1698 1.5892 5 1.0514 1.0590 0.7228 0.5717 0.5766 1.8222 12 2.5235 2.5662 1.6921 1.3720 1.3970 *Tính theo lí thuyết -TH u(v)=5V Trang | 5 -TH: u(v)=12V b) Kiểm chứng luật Kirchhoff về dòng điện Theo luật Kirchhoff về dòng điện đối với mạch DC ta có: I1 = ∑ 𝐼𝑘= I2 + I3 Tính ∑Ik từ sốliệu đo ở phần a) và điền vào bảng số liệu: u (V) I1 (mA) ∑ 𝐼𝑘 %sai số 5 1.0514 1.0594 0.7609 1.7159 12 2.5235 2.5668 Ở đây, % sai số = |𝐼1−∑ 𝐼𝑘| 100% 𝐼1 c) Thiết kế một mạch chia dòng DC gồm hai điện trở R1 và R2 nối song song thỏa : + Dòng tổng là 10 mA + R1 = 4.7 (kΩ) và dòng qua nó là 4 mA + Vẽ mạch thiết kế và cho biết trị số R2 = 3.133 (KΩ) Thực hiện mạch đã thiết kế Đo lại dòng qua R1 là : 3.9272K Trang | 6 d) Chia dòng dùng nhiều điện trở: thực hiện mạch thí nghiệm như trên Hình 1.2.2.2 Điền bảng số liệu: Dòng I đo Dòng I1 Dòng I1 tính theo Sai số khi dùng đo chia dòng chia dòng cho I1 1.4851 0.3145 0.3121 0.7690 Hình 1.2.2.2: Mạch chia dòng nhiều điện trở *Tính 𝑰𝟏(lí thuyết) theo chia dịng III Giải tích mạch DC nhiều nguồn dùng thế nút và mắc lưới: Thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.2.3 Hình 1.2.3: Mạch DC nhiều nguồn Với: E1 = nguồn áp DC có giá trị 5 V trên hộp thí nghiệm hay bộ nguồn DC E2 = nguồn áp DC có giá trị 12 V trên hộp thí nghiệm hay bộ nguồn DC Trang | 7 Dùng volt kế DC hay DMM đo lại giá trị các nguồn E1 và E2 và ghi vào cả 2 cột “giá trị tính” và cột “giá trị đo” Tính điện áp trên các điện trở dùng phương pháp thế nút hay dòng mắc lưới và ghi vào cột “giá trị tính” Đo điện áp trên các điện trở dùng volt kế DC hay DMM và ghi vào cột “giá trị đo” Hãy hoàn thành bảng số liệu: Điện áp Giá trị tính Giá trị đo % sai số E1 5 12 0 E2 12 5 0 u1 1.2091 1.1934 1.2985 u2 3.7909 3.7992 0.2189 u3 -8.2091 -8.2957 1.0550 u4 -7 -7.099 1.4143 *Tính theo lí thuyết IV Cầu đo Wheatstone một chiều đo điện trở: Là cầu đo điện trở dựa trên nguyên lý cân bằng, dùng đo điện trở giá trị từ 1 trở lên bằng cách thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.2.4 Dùng DMM cho chức năng DC volt kế (DCV) có giá trị chỉ thị gần zero nhất là cầu cân bằng Cầu đo này Trang | 8 dùng để đo giá trị điện trở R2 khi chỉnh VR từ giá trị 1k, mỗi lần tăng 100 Ghi lại giá trị VR và giá trị chỉ thị trên DCV theo bảng sau (VRcb là giá trị VR lúc cầu cân bằng): Giá trị VR VRcb – 100 VRcb = 2200 VRcb + 100 Chỉ số của 0.0403 0.0062 -0.027 DCV Do R1 = R6 = 10k nên giá trị VRcb là giá trị đo được của R2 bằng cầu đo Wheatstone Gọi giá trị R2 cho trên Module thí nghiệm là giá trị danh định, cho biết sai số của cầu đo: % sai số = |𝑅2−𝑉𝑅𝑐𝑏| 100%=0% 𝑅2 Hình 1.2.4: Cầu đo Wheatstone một chiều III Kiểm chứng nguyên lý tỉ lệ trên mạch DC: Với mạch thí nghiệm như Hình 1.2.5, nguyên lý tỉ lệ được hiểu là điện áp u2 trong mạch tỉ lệ với nguồn tác động lên mạch Ein theo : u2 = K.Ein Nguồn Ein lấy từ nguồn DC điều chỉnh được trên hộp TN chính Thay đổi giá trị Ein, đo u2 và lập bảng số liệu: Ein 4V 6V 8V 10V 12V u2(Đ𝑜) 1.1728 1.7336 2.3541 2.9107 3.4982 u2(lí thuyết) 1.1636 1.7336 2.3541 2.9107 3.4982 Trang | 9 Vẽ đồ thị: u2 trên trục y, Ein trên trục x Hình 1.2.5: Mạch kiểm chứng nguyên lý tỉ lệ *Kiểm chứng nguyn lí tỉ lệ: V Kiểm chứng nguyên lý xếp chồng trên mạch DC: Để kiểm chứng giá trị đo được của u1 trên mạch Hình 1.2.3 dựa trên nguyên lý xếp chồng ta làm như sau: Trang | 10 + Chỉ cho tác động lên mạch nguồn E1 = 5V bằng cách thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.2.6.1 Dùng DC volt kế hay DMM đo u11 và ghi tương ứng vào cột “ Mạch chỉ có nguồn E1” *Tính theo lí thuyết khi chỉ cĩ nguồn E1 tác động Hình 1.2.6.1: Mạch chỉ có nguồn E1 Hình 1.2.6.2: Mạch chỉ có nguồn E2 + Chỉ cho tác động lên mạch nguồn E2 = 12V bằng cách thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.2.6.2 Dùng DC volt kế hay DMM đo u12 và ghi tương ứng vào cột “ Mạch chỉ có nguồn E2” *Tính theo lí thuyết khi chỉ cĩ nguồn E2 tác động Trang | 11 + Tính u1 dùng nguyên lý xếp chồng và ghi vào cột “giá trị tính theo xếp chồng” Xác định sai số khi dùng xếp chồng Ta có bảng số liệu: Điện Mạch chỉ Mạch Giá trị Giá trị đo % sai số áp có nguồn chỉ có tính theo khi có cả khi dùng E1(u11) nguồn xếp chồng hai nguồn xếp chồng u1(LT) E2 (u12) u1(Đo) 3.7423 -2.5333 1.2090 1.2091 0.0083 3.7383 -2.5333 1.205 1.1929 1.0041 + Mở rộng khảo sát nguyên lý xếp chồng trong mạch có cả nguồn DC và AC như Hình 1.2.6.3 Chỉnh máy phát sóng có u = 2 V hiệu dụng (kiểm tra dùng DMM), tần số 5 kHz, nguồn DC: E1 = 5V Đo áp trên tụ uc(t) dùng DMM ở lần lượt hai chức năng : DCV và ACV Giải thích từng kết quả đo được Hình 1.2.6.3: Đo uc khi mạch có cả nguồn DC và AC Giá trị uc đo ở chức năng Giá trị uc đo ở chức năng DCV ACV 2.275 0.8375 Trang | 12 *Kiểm chứng lí thuyết cho từng trường hợp Giải thích: - Ở chế độ DC tụ điện cĩ tc dụng như hở mạch nn giữa 2 cực của tụ điện sẽ có rơi áp - Ở chế độ AC tụ điện cĩ tc dụng nhưu một dy dẫn nên rơi áp giữa 2 cực tụ điện rất nhỏ VII Sơ đồ Thevenin-Norton và nguyên lý truyền công suất cực đại: + Khảo sát mạch thí nghiệm như Hình 1.2.3 + Lấy điện trở 2,2k khỏi mạch Hở mạch vị trí 2,2k để đo Uhm (Hình 1.2.7.1) Ngắn mạch vị trí 2.2 k để đo Inm (Hình 1.2.7.2) Điện trở tương đương Thevenin Rthevenin xác định theo số liệu đo: Rthevenin = Uhm / Inm Lập bảng với “Giá trị tính” dựa trên thông số mạch Vẽ sơ đồ tương đương Thevenin và Norton cho mạch Hình 1.2.3 + Trang | 13 + Kiểm chứng mạch theo lí thuyết Uhm Inm Rthevenin Giá trị Giá trị Giá trị Giá trị Giá trị Giá trị đo tính đo tính đo tính 8.2602 8.1941 3.2485 3.2067 2.5428 2.553 + Thực hiện mạch như Hình 1.2.7.3 Thay đổi khoảng 10 giá trị của biến trở VR từ 1kΩ đến 10kΩ (trong đó có giá trị bằng Rthevenin) Đo dòng IVR qua VR Tính công suất trên điện trở VR theo dòng qua nó: PVR = VR.I2VR Lập bảng số liệu Cho biết giá trị cực đại của công suất trên VR đo được và giá trị cực đại theo lý thuyết Hình 1.2.7.1: Đo Uhm Trang | 14 Hình 1.2.7.2: Đo Inm Hình 1.2.7.3: Khảo sát công suất max VR 1kΩ 2kΩ 2.5428 3kΩ 4kΩ 5kΩ kΩ IVR 2.342 1.832 1.503 1.2757 1.107 (mA) 6 4 1.6330 0 9 PVR 6.781 6.5096 (mW) 5.487 6.715 6.777 6.137 VR 8 4 2 0 10kΩ 2 IVR (mA) 8kΩ 0.6678 PVR (mW) 6kΩ 7kΩ 0.7940 9kΩ 4.4596 0.9793 0.8768 5.0435 0.7258 5.7542 5.3814 4.7411 - PVR(max đo được) = 6.7812 mW - PVR(max theo lý thuyết) = 6.569 mW + Thực hiện mạch khảo sát công suất cực đại trong mạch có nguồn AC như Hình 1.2.7.4 Chỉnh máy phát sóng có trị hiệu dụng của u là 2 V, tần số 5 kHz Thực hiện khoảng 10 giá trị của biến trở VR từ 1kΩ đến 10kΩ Đo dòng hiệu dụng IVR qua VR dùng DMM Tính công suất trên điện trở VR theo dòng hiệu dụng qua nó: PVR = VR.I2VR Lập bảng số liệu Cho biết giá trị cực đại của công suất trên VR đo được và giá trị cực đại theo lý thuyết Hình 1.2.7.4: Cực đại công suất mạch AC Trang | 15 VR 1kΩ 2kΩ 2635.5480 3kΩ 4kΩ 5kΩ Ω IVR (mA) 0.3394 0.2733 0.2253 0.1907 0.1648 PVR (mW) 0.1152 0.1494 0.2409 0.1523 0.1455 0.1358 0.1529 VR 6kΩ 7kΩ 8kΩ 9kΩ 10kΩ IVR (mA) 0.1448 0.1290 0.1164 0.1060 0.0973 PVR (mW) 0.1258 0.1165 0.1084 0.1011 0.0947 - VR để PVR max theo lý thuyết = 2635.5480 (Ω) - Công suất PVR(max) theo lý thuyết = 0.1529 𝑚𝑊 Trang | 16 BÀI 3: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU (AC) A MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM: Bài thí nghiệm giúp sinh viên khảo sát các đặc trưng của một mạch điện trong trường hợp nguồn tác động lên mạch là nguồn điều hòa, hay còn gọi là nguồn xoay chiều (AC) Quá trình thí nghiệm cũng giúp SV hiểu rõ thêm phương pháp biên độ (hay hiệu dụng) phức, cách dựng đồ thị vectơ và tính toán công suất trong mạch điều hòa B PHẦN THÍ NGHIỆM I Đo trở kháng tụ điện 1 Mạch thí nghiệm Hình 1.3.2: Đo trở kháng tụ điện 2 Bảng số liệu Tần số Um(V) UCm (V) URm (V) Im (mA) |ZC|(kΩ) tC C (°) 2kHz 2.52 1.6 0.92 0.92 1.739 140𝜇𝑠 100.8 5kHz 2.64 1.12 1.52 1.52 0.736 56𝜇𝑠 100.8 10kHz 2.224 1.68 1.68 0.323 26𝜇𝑠 93.6 0.544 3 Công thức và tính toán Um = URm + UCm, Im = URm , ZC = UCm , φ = ∆t 360° R Im T Vẽ đồ thị |𝑍𝐶| theo 𝜔 Cho biết biểu thức lý thuyết của |𝑍𝐶| theo 𝜔 1 1 |ZC| = |C ω| => ZC ≈ f Trang | 17 |Z_C|(kΩ) 2 Đồ thị |Z_C| theo 1/f đồ thị |Z_C| theo 1/f 1.8 1.6 0.5, 1.739 1.4 1.2 0.2, 0.736 0.1, 0.323 1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 0.6 1/f (ms) 0.4 0.2 0 0 4 Nhận xét và kết luận Kết luận được điều gì khi C phụ thuộc 𝜔 - Góc lệch pha giữa Uc và Ic hoàn toàn độc lập với vận tốc góc ω (Do góc lệch pha giữa Uc và Ic luôn là 90 độ) - Sự khác biệt giữa các góc lệch pha hoàn toàn bị gây ra trong quá trình thí nghiệm và lấy kết quả II Mạch RC nối tiếp 1 Mạch thí nghiệm Hình 1.3.3: Mạch RC nối tiếp 2 Bảng số liệu U UC(V) UR(V) I(mA) |Z|(kΩ) t (°) 1,41Vrms 1.1881 0.6903 0.6903 2.042 84 𝜇𝑠 60.48 Trang | 18