Làm quen sử dụng dụng cụ đo điện khảo sát các mạch điện một chiều và xoay chiều

Giới thiệu cách sử dụng đồng hồ đa năng hiện số kiểu DT9205: Đồng hồ đa năng hiện số là loại dụng cụ đo có độ chính xác cao và nhiều tính năng ưu việt hơn hẳn loại đồng hồ chỉ thị kim tr

STT MSSV HỌ VÀ TÊN EMAIL

1 2110640 Bùi Minh Tuấn tuan.bui2308@hcmut.edu.vn

2 2111905 Nguyễn Đức Nhân nhan.nguyennhank21@hcmut.edu.vn

3 2113350 Lê Trung Hiếu hieu.lekuzan@hcmut.edu.vn

4 2113765

Nguyễn Đổ Thủ Khoa khoa.nguyen22022003@hcmut.edu.vn

5 2114092 Lê Trần Liễu My my.le1306@hcmut.edu.vn

Bài 7:

LÀM QUEN SỬ DỤNG DỤNG CỤ ĐO ĐIỆN KHẢO SÁT CÁC MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ XOAY CHIỀU

I Cơ sở lý thuyết

1 Giới thiệu cách sử dụng đồng hồ đa năng hiện số kiểu DT9205:

Đồng hồ đa năng hiện số là loại dụng cụ đo có độ chính xác cao và nhiều tính năng ưu việt hơn hẳn loại đồng hồ chỉ thị kim trước đây, được dùng để đo hiệu thế và cường độ dòng điện một chiều, xoay chiều, điện trở, điện dung của

tụ điện… Nhờ một núm chuyển mạch chọn thang đo, ta có thể chọn thang thích hợp với đại lượng cần đo

Thông thường một đồng hồ đa năng hiện số loại (3 + ½) digit có 2000 điểm đo (từ 0 đến 1999) Giả sử ta chọn thang đo hiệu thế một chiều DCV 20V, thì đại lượng α được tính như sau:

α = 20V

được gọi là độ phân giải của thang đo

Nếu hiệu thế ta đo được là U thì sai số tuyệt đối của phép đo trực tiếp đại lượng U này

∆𝑈 = 𝛿(%) 𝑈 + 𝑛 𝑎 (2)

trong đó:

U - giá trị đo được, chỉ thị trên đồng hồ;

δ (%) - cấp chính xác của thang đo;

a - độ phân giải của thang đo;

n = 1,2,3,4… (quy định theo từng thang đo bởi nhà sản xuất) Cách tính

tương tự đối với các thang đo thế và dòng khác

Các thang đo thế và dòng có độ nhạy cao nhất thường là 200mV và 200mA hoặc 2mA, được dùng để đo các hiệu thế và dòng điện một chiều rất nhỏ Cần rất thận trọng khi sử dụng các thang đo này Nếu vô ý để hiệu thế hoặc dòng điện lớn gấp

5-10 lần giá trị thang đo này, có thể gây ra hư hỏng trầm trọng cho đồng hồ Vì vậy, các quy tắc nhất thiết phải tuân thủ khi sử dụng đồng hồ đa năng hiện số là:

1 Không bao giờ được phép chuyển đổi thang đo khi đang có điện ở đầu đo

2 Không áp đặt điện áp, dòng điện vượt quá giá trị thang đo Trường hợp đại lượng đo chưa biết, thì hãy đo thăm dò bằng thang đo lớn nhất, rồi rút điện

ra để chọn thang thích hợp

Hãy rất thận trọng khi sử dụng các thang đo dòng, không để cháy cầu chì!

Hình 1

3 Để đo cường độ dòng điện nhỏ chạy trong đoạn mạch, ta dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ “COM” (lỗ chung) và lỗ “A” trên đồng hồ Hai đầu cốt còn lại của dây đo được mắc nối tiếp với đoạn mạch Chuyển mạch chọn thang

đo được vặn về các vị trí thuộc giải đo DCA để đo dòng điện một chiều, ACA để đo dòng xoay chiều Sau lỗ “A” bên trong đồng hồ có cầu chì bảo

vệ, nếu dòng điện đo vượt quá giá trị thang đo, lập tức cầu chì bị thiêu cháy, tất cả các thang đo dòng điện nhỏ ngưng hoạt động cho đến khi một cầu chì mới được thay Điều tai hại tương tự cũng xảy ra nếu chúng ta mắc Ampe kế song song với hai đầu đoạn mạch có hiệu thế

4 Để đo cường độ dòng điện lớn 0-10A, ta dùng hai dây đo cắm vào hai

lỗ “COM” (lỗ chung) và lỗ “10A” (hoặc 20A) trên đồng hồ Hai đầu cốt

còn lại của dây đo được mắc nối tiếp với đoạn mạch Chuyển mạch chọn

thang đo được vặn về vị trí DCA-10A để đo dòng một chiều, ACA-10A

để đo dòng xoay chiều Sau lỗ 10A (hoặc 20A), bên trong đồng hồ không

có cầu chì bảo vệ, nếu bị đoản mạch thường gây cháy, nổ ở mạch điện

ngoài hoặc ở nguồn điện

Tóm lại: chọn thang đo đúng, và không nhầm lẫn khi thao tác đo thế và

dòng là hai yếu tố quyết định bảo vệ an toàn cho đồng hồ

5 Để đo hiệu thế một chiều, xoay chiều, hoặc đo điện trở, ta dùng hai dây đo

cắm vào hai lỗ “COM” (lỗ chung) và lỗ “V/𝛺” trên mặt đồng hồ Hai đầu

có mỏ kẹp cá sấu còn lại của dây đo được mắc song song với đoạn mạch

Chuyển mạch chọn thang đo được vặn về các vị trí thuộc giải đo DCV để

đo hiệu thế một chiều, ACV để đo hiệu thế xoay chiều, và Ω để đo điện trở

2 Khảo sát mạch điện một chiều

Xét mạch điện gồm nguồn điện một chiều Un cung cấp điện cho bóng đèn dây tóc Đ có điện trở R (Hình 2) Điện áp ra của nguồn điện Un có thể thay đổi được nhờ biến trở núm xoay P Hiệu điện thế U giữa hai đầu bóng đèn Đ đo bằng volt kế một chiều V, và cường độ dòng điện I chạy qua bóng đèn đo bằng ampe kế một chiều A

Hình 2

Theo định luật Ohm đối với mạch điện một chiều, cường độ dòng điện I chạy qua đoạn mạch tỷ lệ với hiệu điện thế U giữa hai đầu đoạn mạch và tỷ lệ nghịch với điện trở R của đoạn mạch:

I = 𝑈

𝐾 (3)

Nếu R không đổi thì I tỷ lệ bậc nhất với U Đồ thị I = f (U) - gọi là

đặc tuyến volt- ampe, có dạng đường thẳng qua gốc toạ độ với hệ số góc:

𝑡𝑔𝛼 = 1

𝑅 = G (4)

trong đó G là độ dẫn điện của đoạn mạch

Nhưng do hiệu ứng Joule-Lenz, lượng nhiệt Q toả ra trên điện trở R

trong thời gian bằng :

Q = 𝑅𝐼2𝜏 (5) Lượng nhiệt này làm tăng nhiệt độ và do đó làm thay đổi điện trở của

đoạn mạch Vì dây tóc bóng đèn Đ làm từ Wolfram, nên điện trở R của nó

thay đổi theo nhiệt độ t :

𝑅𝑡 = 𝑅0(1 + 𝛼 𝑡 + 𝛽 𝑡2) (6)

với Rt là điện trở ở t 0 C và R0 là điện trở ở 0 0 C, còn α = 4,82.10-3 K -1 và β= 6,76 10 -7 K -2 , là các hệ số nhiệt của điện trở của Vonfram Lưu ý: t là giá trị so sánh chênh lệch giữa nhiệt độ t 0 C và nhiệt độ 0 0 C nên khi đổi sang độ K và thay

vào công thức (6) có giá trị t = t 0 K – 273 0 K

Kết quả là cường độ dòng điện I chạy qua dây tóc đèn Đ không tăng tỷ lệ tuyến tính theo hiệu điện thế U giữa hai đầu dây tóc đèn nữa Đặc tuyến

volt-ampe I= 𝑓(𝑈) của bóng đèn dây tóc có dạng đường cong, Gọi Rp là điện trở của

dây tóc đèn ở nhiệt độ phòng tp Khi đó từ (6) ta suy ra:

𝑅0 = 𝑅𝑝

Lưu ý: tp là giá trị so sánh chênh lệch giữa nhiệt độ tp0C và nhiệt độ

0 0 C nên khi đổi sang độ K và thay vào công thức (6) có giá trị tp = t 0 K –

2730 K

Giải phương trình (6) đối với t, cộng thêm 273 0 K ta xác định được nhiệt

độ tuyệt đối của dây tóc đèn:

𝑇 = 273 + 1

2𝛽[√𝛼2+ 4𝛽 (𝑅𝑡

𝑅0− 1) − 𝛼] (8)

trong đó điện trở Rp và Rt tính theo công thức (3) với I là dòng điện một chiều chạy qua dây tóc đèn Đ và U là hiệu điện thế tương ứng giữa hai đầu dây tóc

đèn

3 Khảo sát mạch điện xoay chiều R-C

Đặt hiệu điện thế xoay chiều u có tần số f vào hai đầu mạch điện gồm tụ điện có điện dung C mắc nối tiếp với điện trở thuần R (Hình 3)

Hình 3

Giả sử dòng điện xoay chiều chạy trong mạch ở thời điểm t có dạng:

𝑖 = 𝐼0sin(2𝜋𝑓 𝑡) (9) Khi đó: 𝑢 = 𝑢𝑅 + 𝑢𝐶 (10)

Vì 𝑢𝑅 cùng pha với I, 𝑢𝐶 chậm pha 𝜋/2 so với 𝑖, nên ta có thể viết:

𝑢 = 𝑈0𝑅sin(2𝜋𝑓 𝑡) + 𝑈0𝐶sin(2𝜋𝑓 𝑡 −𝜋

2) (11)

Hình 4

Áp dụng giản đồ vecto Fresnel (Hình 4), ta tìm được dạng của hiệu điện thế xoay chiều u:

𝑢 = 𝑈0 sin(2𝜋𝑓 𝑡 + 𝜑) (12) Với 𝑈0 = √𝑈0𝑅2+ 𝑈0𝐶2 (13)

𝑡𝑔𝜑 = −𝑈0𝐶

Thay 𝑈0𝑅 = 𝐼0𝑅 và 𝑈0𝐶 = 𝐼0𝑍𝐶 = 𝐼0

2𝜋𝑓.𝐶 vào (13), ta có biểu thức:

𝑈0 = 𝐼0√𝑅2+ 𝑍𝐶2 = 𝐼0𝑍 (15) với 𝑍𝐶 là dung kháng của tụ điện:

𝑍𝐶 = 1

và Z là tổng trở của mạch R-C đối với dòng điện xoay chiều tần số f :

𝑍 = √𝑅2+ 𝑍𝐶2 (17)

Chia hai vế của (15) cho √2 , ta nhận được định luật Ohm đối với mạch điện xoay chiều R-C:

𝐼 = 𝑈

𝑍 (18)

Trong đó U và I là giá trị hiệu dụng của hiệu điện thế và cường độ dòng xoay

chiều trong mạch R-C có thể đo bằng đồng hồ đa năng hiện số

4 Khảo sát mạch điện xoay chiều R-L

Đặt hiệu điện thế xoay chiều u có tần số f vào hai đầu mạch điện gồm cuộn dây dẫn có điện trở thuần r và hệ số tự cảm L mắc nối tiếp với điện trở R (Hình 5)

Hình 5

Giả sử dòng điện xoay chiều chạy trong đoạn mạch ở thời điểm t có dạng :

𝒊 = 𝑰𝟎𝐬𝐢𝐧(𝟐𝝅𝒇 𝒕)

Khi đó: 𝒖 = 𝒖𝑹+ 𝒖𝒓+ 𝒖𝑳 (19)

Vì uR và ur cùng pha với i, còn uL nhanh pha 𝜋/2 so với i, nên ta có thể viết:

𝒖 = 𝑼𝟎𝑹 𝐬𝐢𝐧 𝟐𝝅𝒇 𝒕 + 𝑼𝟎𝒓 𝐬𝐢𝐧 𝟐𝝅𝒇 𝒕 + 𝑼𝟎𝑳 𝐬𝐢𝐧(𝟐𝝅𝒇 𝒕 + 𝛑 /𝟐) (20)

II Phương pháp đo:

1 Dụng cụ đo:

- 2 đồng hồ đa năng hiện số kiểu DT9205;

- 1 bóng đèn dây tóc 12V-3W;

- 1 mẫu điện trở Rx ;

- 1 mẫu tụ điện Cx;

- 1 mẫu cuộn cảm Lx;

- 1 bảng lắp ráp mạch điện;

- 6 dây dẫn nối mạch dài 60cm;

- 1 nguồn cung cấp điện 12V-3A/AC-DC

2 Trình tự thí nghiệm:

1 Xác định nhiệt độ nóng sáng của dây tóc đèn

Để xác định nhiệt độ nóng sáng của dây tóc đèn, ta phải đo điện trở cúa dây tóc

đèn ở nhiệt độ phòng Tháo vônkế V ra khỏi mạch điện , vặn chuyển mạch chọn

thang đo của nó về vị trí “200W” dùng nó làm ômkế để đo điện trở Các cực "V/W

" và "COM" của ômkế được nối với hai đầu của bóng đèn Đ

Bấm núm "ON" trên mặt ômkế , đọc giá trị điện trở dây tóc đèn và ghi vào bảng

1 Đọc và ghi giá trị nhiệt độ phòng tp trên nhiệt kế 0 ¸ 1000C vào bảng 1 Bấm núm

"OFF" để tắt điện cho Ômkế

Ghi vào bảng 1: giá trị giới hạn, độ nhạy, cấp chính xác và số n qui định đối với

thang đo đã chọn trên vônkế V và ampekế A (xem bảng các thông số kỹ thuật của

đồng hồ hiện số DT 9205 ở trang cuối của tập tài liệu này)

2 Kiểm tra hoạt động của bộ nguồn điện 12V-3A (AC-DC POWER SUPPLY)

Bộ nguồn điện 12V-3A/AC-DC (Hình 7) có thể cung cấp:

▪ Điện áo một chiều 0,12V được lấy ra từ hai cọc đầu dây +12V phía phải, cung

cấp dòng tối đa 3V, có thể điều chỉnh liên tục nhờ núm xoay P Hai đồng hồ A

và V lắp trên mặt bộ nguồn dùng chỉ thị

gần đúng điện áp và dòng điện ra (>1,5%)

▪ Điện áp xoay chiều cố định ~12V lấy ra từ

hai lỗ đấu dây phía trái

▪ Kiểm tra hoạt động của bộ nguồn bằng

cách:

- Cắm phích lấy điện của bộ nguồn này vào ổ điện xoay chiều ~220V trên bàn thí nghiệm

- Bấm khoá K trên mặt bộ nguồn: đèn LED của nó phát sáng báo hiệu sẵn sàng hoạt động

- Vặn từ từ núm xoay P theo chiều kim đồng hồ đồng thời quan sát vônkê V trên mặt

bộ nguồn Nếu kim chỉ thị của nó dịch chuyẻn đều đặn trên toàn thang đo (0-120V)

là đạt yêu cầu

- Vặn trả lại núm xoay P về vị trí tận cùng bên trái Bấm khóa K để tắt bộ nguồn

3 Vẽ đặc tuyến vôn-ampe của bóng đèn dây tóc

a Mắc mạch điện trên bảng lắp ráp theo sơ đồ hình 2 Bộ nguồn điện

12V-3A/AC-DC cung cấp điện áp một chiều biến đổi 0¸12V (lấy trên hai cực ±12V của nó) cho bóng đèn dây tóc Đ (12V- 3W) Dùng hai đồng hồ đa năng hiện số DT9205 làm vônkế một chiều V và ampekế một chiều A

b Chọn thang đo cho hai đồng hồ:

▪ Vônkế V đặt ở thang đo một chiều DCV20V Lỗ "V/ W " là cực dương (+),

lỗ "COM" là cực âm (-) của von kế Sử dụng hai dây đo có hai đầu phích ( hoặc có mỏ kẹp cá sấu) để nối von kế song song với mạch điện

▪ Ampekế A đặt ở thang đo một chiều DCA10A Lỗ “20a” là cực dương

(+), lỗ “COM” là cực âm (-) Sử dụng hai dây đo có hai đầu cốt để mắc Ampe kế nối tiếp với mạch điện

Sau khi thiết lập xong, Mời thầy giáo kiểm tra mạch điện trước khi cấp điện cho mạch

Bấm khóa K trên mặt bộ nguồn: đèn LED phát sáng, báo hiệu sẵn sàng hoạt động

c Tiến hành đo: Bấm nút “ON/OFF” trên vônkế V và ampekế A, cho chúng

hoạt động Vặn từ từ núm xoay P của bộ nguồn để điều chỉnh hiệu điện thế

U (chỉ trên vônkế hiện số V) tăng dần từng vôn một, từ 0 đến 10V Đọc và

ghi các cường độ dòng điện I tương ứng (chỉ trên vônkế số A) vào bảng 1

d Kết thúc phép đo: Vặn nhẹ núm xoay P về tận cùng bên trái, Bấm khóa K

để tắt bộ nguồn Bấm các núm “ON/OFF” trên hai đồng hồ để tắt điện cho

chúng

a Mắc mạch điện: Mắc tụ điện C và điện trở R vào bảng điện như trên sơ đồ

hình 3 Điện áp xoay chiều ~12V được lấy từ hai lỗ ra xoay chiều ~12V trên

bề mặt bộ nguồn để cung cấp cho mạch điện Tiếp tục dùng hai đồng hồ đa năng hiệu số DT9205 làm vônkế và ampekế xoay chiều

b Chọn thang đo cho hai đồng hồ:

▪ Vônkế V đặt ở thang đo xoay chiều ACV 20V, mắc song song với các đoạn

mạch cần đo

▪ Ampekế A đặt ở thang đo xoay chiều ACA 200mA, Hai dây đo cắm vào 2 lỗ

“COM” và “A”, rồi mắc nối tiếp xen vào mạch điện giữa R và C bằng hai đầu

cốt (Hình 3)

Sau khi thiết lập xong, Mời thầy giáo kiểm tra mạch điện trước khi cấp điện cho mạch

c Tiến hành đo: Bấm núm “ON/OFF” trên mặt vônkế V và ampekế A, cho chúng

hoạt động Bấm khóa K của bộ nguồn Quan sát, đọc và giá trị cường độ dòng điện chỉ trên Ampe kế A vào bảng 2

Dùng vônkế V lần lượt đo các giá trị hiệu điện thế hiệu dụng U ở hai đầu đoạn mạch, UR giữa hai đầu điện trở thuần R, và UC giữa hai đầu tụ điện C, đọc và

ghi vào bảng 2

d Kết thúc phép đo: Bấm khoá K để tắt bộ nguồn Bấm các núm "ON/OFF" trên

hai đồng hồ để tắt điện cho chúng

Ghi vào bảng 2: giá trị giới hạn, độ nhạy, cấp chính xác và số n qui định

đối với thang đo đã chọn trên vônkế và ampekế

5 Xác định hệ số tự cảm L của cuộn dây dẫn trong mạch RL

a Mắc mạch điện: Mắc cuộn dây dẫn có điện trở thuần r, hệ số tự cảm

L nối tiếp với điện trở R vào bảng lắp ráp mạch điện theo sơ đồ hình

5 Điện áp xoay chiều ~12V được lấy từ hai lỗ ra xoay chiều ~12V

trên mặt bộ nguồn để cung cấp cho mạch điện Vẫn dùng hai đồng

hồ đa năng hiện số DT9205 làm vônkế và ampekế xoay chiều

b Chú ý:Giữ nguyên vị trí thang đo của vônkế xoay chiều V và ampekế xoay

chiều A như trong thí nghiệm khảo sát mạch điện RC nêu trên

Mời thầy giáo kiểm tra mạch điện trước khi nối mạch điện cần đo với bộ nguồn 12V-3A/AC-DC

c Tiến hành đo: Bấm núm “ON/OFF” trên mặt vônkế V và ampekế A, cho chúng hoạt động Bấm khóa K của bộ nguồn Quan sát, đọc và ghi giá trị

cường độ dòng điện chỉ trên Ampe kế A vào bảng 3

Dùng vônkế V lần lượt đo các giá trị hiệu điện thế hiệu dụng U ở hai đầu đoạn mạch,

𝑈𝑅 giữa hai đầu điện trở thuần R, và 𝑈𝐿 giữa hai đầu cuộn dây dẫn L, đọc và ghi vào bảng 2

d Kết thúc phép đo: Bấm khóa K để tắt bộ nguồn Bấm các núm “ON/OFF”

trên hai đồng hồ để tắt điện cho chúng

e Tháo vônkế V ra khỏi mạch điện, vặn chuyển mạch chọn thang đo của nó

về vị trí “200W” hoặc “2k” dùng nó làm ômkế để đo điện trở thuần r của cuộn dây Các cực “V/W” và “COM” của ômkế được nối với hai đầu của cuộn dây L

Bấm núm “ON” trên mặt ômkế, đọc giá trị điện trở r của cuộn dây và ghi vào bảng 3 Sau đó, bấm núm “ON/OFF” tắt điện cho ômkế

Ghi vào bảng 3: giá trị giới hạn, độ nhạy, cấp chính xác và số n được qui định đối với thang đo đã chọn trên vônkế V, ampekế A và ômkế W

III Công thức và công thức tính sai số:

IV Bảng số liệu:

Bảng 1:Đo đặc tuyến volt-ampe của dây tóc bóng đèn

Volt kế DC

Um = 20(V)

α = 0,01

δU = 0,5(%)

n = 3

Ampe kế DC:

Im= 200(mA)

α = 0,1 δI= 1,2(%)

n = 5

tp= 30 ± 1oC

Ôm kế : Rm= 200(Ω)

α = 0,1 δ%= 1(%)

n = 3

Rp= 7(Ω)

U ( V ) ΔU (V ) I ( mA ) Δ I (mA ) U ( V ) ΔU ( V ) I (mA ) Δ I (mA)

Bảng 2: Khảo sát mạch R-C

Volt kế AC

Um = 20(V), α = 0,01, δU =1(%) , n =5

Ampe kế AC:

Im= 200(mA), α = 0,1 , δI= 1,8(%), n = 3

I (mA) U (V) 𝑈𝑅 (V) 𝑈𝐶 (V) Z(Ω) R(Ω) 𝑍𝐶 (Ω) C (F) C1 34,5 12,40 10,09 5,02 359,4203 292,4638 145,5072 21,7570.10-6

C1 nối tiếp C2 27,4 12,35 8,82 8,11 450,7299 321,8978 295,9584 10,7597.10-6

C1songsongC2 37,1 12,32 11,63 2,73 332,0755 313,4771 73,5849 68,2965.10-6

Bảng 3: Khảo sát mạch R-L

Ôm kế: Rm= 200(Ω), α = 0,1, δr = 1(%), n = 3, Điện trở nội r = 72(Ω)

I (mA) U (V) 𝑈𝑅 (V) 𝑈𝐿 (V) Z(Ω) R(Ω) 𝑍𝐿(Ω) L(H)

25,40 12,30 8,03 6,26 484,2520 316,1417 246,4567 0,7507

∆𝑈1 = 𝛿𝑈 𝑈1+ 𝑛 𝛼 = 0,5% 1 + 3.0,01 = 0,035(𝑉)

∆𝑈2 = 𝛿𝑈 𝑈2+ 𝑛 𝛼 = 0,5% 2 + 3.0,01 = 0,040(𝑉)

∆𝑈3 = 𝛿𝑈 𝑈3+ 𝑛 𝛼 = 0,5% 3 + 3.0,01 = 0,045(V)

∆𝑈4 = 𝛿𝑈 𝑈4+ 𝑛 𝛼 = 0,5% 4 + 3.0,01 = 0,050(V)

∆𝑈5 = 𝛿𝑈 𝑈5+ 𝑛 𝛼 = 0,5% 5 + 3.0,01 = 0,055(V)

∆𝑈6 = 𝛿𝑈 𝑈6+ 𝑛 𝛼 = 0,5% 6 + 3.0,01 = 0,060(V)

∆𝑈7 = 𝛿𝑈 𝑈7+ 𝑛 𝛼 = 0,5% 7 + 3.0,01 = 0,065(V)