Điện – giải tích mạch (ee2031) bài báo các thí nghiệm số 3 khảo sát mạch rlc ở chế độ quá độ với nguồn xung vuông

+ Nối dây tại 2 kết nối với nguồn và cuộn cảm để đo được giá trị điện trở của cuộn cảm.. + Dây đỏ quy ước với chiều dương và nối vào cực dương của hộp cuộn cảm, tương tự dây đen cho quy

Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG TP.HCM

CHƯƠNG TRÌNH KS CLC VIỆT-PHÁP

ĐIỆN – GIẢI TÍCH MẠCH (EE2031)

BÀI BÁO CÁC THÍ NGHIỆM SỐ 3 KHẢO SÁT MẠCH RLC Ở CHẾ ĐỘ QUÁ ĐỘ VỚI

NGUỒN XUNG VUÔNG

NHÓM: VP2020 – P02 – 56 NGÀY NỘP: 06/05/2022

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN:TS Nguyễn Thanh Nam

DANH SÁCH THÀNH VIÊN:

Tổng hợp tài liệu

THỰC HIỆN ONLINE THÁNG 04/ 2022

Thông số lựa chọn dùng trong bài báo cáo

Chọn ABCD = 4649 A= 4; B= 6; C= 4; D=9

MỤC LỤC

A NỘI DUNG BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

PHẦN I: MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM TN03-A

1.1 Đo các giá trị chỉ dùng máy đo đa năng VOM………02

1.1.a Chọn các thông số điện trở và thao tác với hộp điện trở………….02

1.1.b Thực nghiệm mắc mạch 03 Volt-kế để đo và tính (L,rL)……… 03

1.1.c Xác định giá trị L của cuộn cảm khi bỏ qua rl………04

1.d Tính các giá trị UE và đánh giá sai số với kết quả có rL………… 05

1.2 Đo đạt giá trị (L,r) chỉ dùng Oscillo……….06

1.2.a Dựng sơ đồ linh kiện và dụng cụ đo trên Oscillo ứng CH1-e(t) và Ch2-UR(t)……… 06

1.2.b Dựng giản đồ Vecto minh họa các điện áp và góc lệch pha giữa hai tín hiệu e(t) và uR(t), tính giá trị (L2,r2)……….07

1.2.c Mô phỏng các đồ thị và thao tác thực hiện phép đo của hai điện áp e(t) và uR(t) trên Oscillo……… 08

PHẦN II: MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM TN03-B 2.1 Dựng sơ đồ linh kiện và dụng cụ đo khảo sát mạch RLC bằng Oscillo……….…09

2.2 Chọn các thông số và giá trị của tụ điện……….………….10

2.3 Tính tần số góc cộng hưởng và hệ số phẩm chất……….10

2.4 Dải thông và tính Q thực nghiệm……….11

2.5 Tần số cộng hưởng và khảo sát ở chế độ XY………

2.6 Khảo sát chuyển động pha u(t) và e(t) khi điều chỉnh tần số trên khoảng rộng quanh tần số cộng hưởng……….13

2.6.a Chọn các thông số và quan sát đồ thị ở trạng thái cộng hưởng… 13

2.6.b Đo và khảo sát đồ thị khi f < f0……… 15

2.6.c Đo và khảo sát đồ thị khi f > f0 ……… 16

B PHỤ LỤC

PHẦN 1: MỤC TIÊU THÍ NGHIỆM TN03-A

Mục tiêu chính: xác định thông số (L,rL) của một cuộn cảm thực

Thiết bị thực nghiệm gồm:

01: nguồn GBF sóng hình sin e(t)=Em.cos(2 πftft¿

01: cuộn cảm (L,rL)

01: Hộp điện trở (Rx)

Thông số lực chọn: ABCD= 3791 => A = 3; B= 7; C= 9, D= 1

1 1 Đo các giá trị chỉ dùng máy đo đa năng VOM

1.1.a Chọn các thông số điện trở và thao tác với hộp điện trở

Tham số được dùng là: X= (15 + A + B)/2 = (15 + 3 + 7):2 = 12.5

Điện trở thực của cuộn cảm rL = X = 12.5 (Ω))

Các thao tác trên VOM: cần phải thực hiện là

+ Nhấn (6) ở VOM để mở máy

+ Nối dây tại (2) kết nối với nguồn và cuộn cảm để đo được giá trị điện trở của cuộn cảm

+ Dây đỏ quy ước với chiều dương và nối vào cực dương của hộp cuộn cảm, tương

tự dây đen cho quy ước là nguồn âm ( đất)

+Nhấn (8) trên VOM để đo điện trở

+ Đọc giá trị rL được hiển thị trên màn hình

Các thao tác trên hộp điện trở:

Hình 1.1.a: Cách kết nối với hộp điện trở lấy giá trị R= 300(Ω))

Chọn Rx= 300 Ω), để chọn được Rx trên hộp điện trở, chúng ta kết nối như sau, và dặn lên nút số 3

1.1.b Thực nghiệm mắc mạch 03 Volt-kế để đo và tính (L,rL)

Chúng ta có sơ đồ nguyên lý đo 03 áp gồm UR(V1), UL(V2), UE(V3)

Hình 1.1.b.1: Sơ đồ nguyên lí mạch phức với 5 phần tử khảo sát giá trị (L,r) của

cuộn cảm bằng VOM

Hình 1.b.2: Giản đồ Vecto minh họa mạch phức khảo sát giá trị (L,r) của cuộn

cảm bằng VOM

Các phần tử của mạch mắc nối tiếp với nhau gồm ( Nguồn GBF, điện trở nội của GBF, cuộn cảm, điện trở nội của cuộn cảm, điện trở Rx)

Dòng điện chạy qua toàn mạch: I= U R

Rx

Theo giản đồ Vecto, ta có các công thức sau

UL2= UrL2 + UL02 (1)

UE2= UL02 + (UR + UrL)2 (2)

(1) –(2), ta được: UrL = U E2−U L2

−U R2

2URx (3);

Thay (3) vào (2), ta được: UL0 = UL √1−(U E2−U L2−U R2

2 UR UL )2(4)

UrL = I rL =U R

Rx rL ; UL0 = ωL I=ωL U R

Rx (5)

Từ (3)(4)(5), ta có được các giá trị rL và ωL như sau:

rL = ¿ ) U Rx

U R √1−(U E2−U L2−U R2

2 UR UL )2(7)

1.1.c Xác định giá trị L của cuộn cảm khi bỏ qua rL

Đặt tần số nguồn f1= 5kHz

Chỉnh giá trị Em sao cho (V1) chỉ giá trị:

U R = 20 X = 20 x 12.5= 250 (mV) =

Giá trị của VOM (V2) chỉ:

U L = 40.X = 40.12.5= 500 (mV)

Bỏ giá trị rL= 12.5

Xác định giá trị L của cuộn cảm

Cường độ dòng điện chạy qua điện trở Rx:

IRx = UR Rx= 0.25

300=

1

1200(A )

Giá trị của L của cuộn cảm là:

UL = I (ZL + 0) (Định luật Ohm)

 ZL= UL I = 0.5

1:1200=600 (Ω)

 L= ZL jωω= 600

5000.2 πft

 L= 0.01909 (H) ≈ 19 (mH)

1.d Tính các giá trị UE và đánh giá sai số với kết quả có rL

Khi trong mạch không có điện trở rL:

UE=√UR2+UL2=√0.252+0.52=√5

4 ≈ 0.559(V ) Khi trong mạch có thêm điện trở RL vào:

UE'2

=UR2

+UL'2

= (UR+URL)2+UL2

 UE’ = √(UR+RL I)2+UL2

 UE’=√(0.25+12.5∗1

1200 )

2

+0.5 2 = 0.56375 (V)

Sai số: ∆ UE= UE '−UE

Nhận xét: sai số tương đối nhỏ, không ảnh hưởng nhiều đến bài toán.

Để có một quy trình dễ dàng đo và tính được (L,r1), chúng ta cần thực hiện các thao tác như sau:

+ Đo điện trở rL của cuộn cảm bằng VOM (như mục 1.a)

+ Lắp đặt mạch như sơ đồ nguyên lí và sơ đồ kết nối linh kiện (như mục 1.b), sau

đó chúng ta đo được các thông số áp UR và UL từ VOM

+ Tính giá trị của UE khi không có rL theo công thức được suy ra từ giản đồ vecto

UE=√UR2

+UL2, đồng thời chấp nhận dùng giá trị này khi trong mạch có rL vì sai số tương đối nhỏ

+ Tính được giá trị L của cuộn cảm theo công thức (7)

1.2 Đo đặc giá trị (L.r) dùng Oscillo

Chúng ta cần một cuộn cảm giả định (L2, r2), mạch đi mới có giá trị Rx= 300Ω) và tần số nguồn f1 = 5000 (Hz) như mục 1

1.2.a Dựng sơ đồ linh kiện và dụng cụ đo trên Oscillo tương ứng CH1-e(t) và Ch2-UR(t)

Hình 1.2.a.1 Sơ đồ nguyên lí đo giá trị (L2, r2) của cuộn cảm trên Oscilo

Hình 1.2.a.2: Sơ đồ nguyên lí đo – cách đo và tính giá trị L2, r2

Giải thích nguyên lí:

+ Đo được giá trị điện áp của nguồn điện: E (từ kênh Ch1)

+ Đo giá trị điện áp Ro: UR (từ kênh Ch2)

+ Đo góc lệnh pha φ giữa chúng bằng chế độ con trỏ Cursor φ=360 ° ∆ t

T

(VOM không có chức năng đo góc lệch pha này)

 Từ đó chúng ta tính các giá trị trong cuộn cảm giả định ( L2,r2 )theo công thức ở phần sau:

Công thức tính giá trị L 2 ,r 2, tương ứng với giản đồ Vecto:

L 2= E sin φ Rx

ωU R

r L2= ¿ ¿ – Rx

1.2.b Dựng giản đồ Vecto minh họa các điện áp và góc lệch pha giữa hai tín hiệu e(t) và uR(t), tính giá trị (L2,r2)

(RMS- Ch1): U E = (42 + C + D)/ 10 = 5.2 (V)

(RMS -Ch2): UR = (32 – 3)/10 = 32 – 3 = 2.9(V)

φ=40+3=43°

Như vậy các giá trị L2 và r2 của cuộn cảm giả định là:

L2=UE sin φ Rx

ωU R = 5.2 sin 43 ° 300 2 πft 5000 2.9 = 11.45 (mH)

r L2= ¿ ¿ – Rx = 93.41 (Ω))

Hình 1.2.b: Giản đồ Vecto minh họa các điện áp và góc lệch pha giữa hai tín

hiệu e(t) và uR(t)

Oscilo là rất lớn (1𝑥106 Ω)), hơn so với điện trở nội nên chúng ta có thể bỏ qua và ít ảnh hưởng đến kết quả của phép đo

1.2.c Mô phỏng các đồ thị và thao tác thực hiện phép đo của hai điện

áp e(t) và uR(t) trên Oscillo

Chọn thang đo và độ chia cho đồ thị:

U ERMS = 5.2 (V) => U Em = 7.35 (V)

U RRMS = 2.9 (V) => U Rm = 4.1 (V)

T = 1/f = 1/5000 = 2.10−4 (s) (Cần phải hiện thị rõ 1 chu kì trong 4 ô)

 Chọn thang đo thích hợp để hiện thị rõ: 2V – 2V – 50 μss

 Góc lệch pha là 43° (1 chu kì là 4 ô ) => Độ lệch pha giữ hai đồ thị là 0.47 ô

 e(t)= 7.35 cos(2πft 5000 t¿ (V)

 u(t) = 4.1 cos (2πft 5000 t−43 °¿

Hình 1.2.c: Đồ thị biểu diễn hai tín hiệu e(t) và uR(t)được đo trên Oscillo

Các thao tác trên Oscillo cần phải thực hiện để đo được U E , U R , và φ

* Đo RMS trên U E ở kênh Ch1: Hiện thị đồ thị kênh 1 (nút 8 - 9 => chuyển sang

Ch1) Chúng ta cần để tín hiệu hiện ở DC (nhấn nút 36 chuyển đèn sáng ở chính giữa) sau đó nhấn vào chế độ đo tự động trên Oscillo (nút 46) sau đó chuyển sang chế độ đo RMS (nút 43)

Ch2) Chúng ta cần để tín hiệu hiện ở DC (nhấn nút 36 chuyển đèn sáng ở chính giữa) sau đó nhấn vào chế độ đo tự động trên Oscillo (nút 46) sau đó chuyển sang chế độ đo RMS (nút 43)

* Đo độ lệch pha φ: Hiển thị đồ thị ở cả 2 kênh lên màn hình ( nút 8 -9 => chuyển

sang ALT), nhấn vào chế độ Cursor đo bằng 2 con trỏ (nút 19) kéo hai con trỏ đến

2 vị trí điện áp bằng 0 gần nhau nhất của 2 đồ thị – để đo được ∆ t lệch giữa hai đồ thị, sau đó tính góc lệch pha: φ=360 ° ∆ t

T

Phần 2: Mục thí nghiệm TN03-B

2.1 Dựng sơ đồ linh kiện và dụng cụ đo khảo sát mạch RLC bằng

Oscillo

 Mô tả các thao tác thực hiện trên GBF

Phát ra một tín hiệu áp sin thuần (không có nguồn DC): Chỉnh dạng sóng sin ở (2)

=> chỉnh giá trị tần số phù hợp từ (100Hz đến 40kHz) bằng thang đo ở (3) và núm điều chỉnh (6) => để bỏ thành phần DC ra khỏi nguồn, kéo núm (11) ra (bỏ thành phần DC OFFSET)

Chúng ta chọn vào chế độ đo tự động trên Oscillo (46) => đo tần số nhấn nút (41)

2.2 Chọn các thông số và giá trị của tụ điện

Chọn Rx= 200 Ω)

Giá trị của tụ điện C= (A+B+C+D)/10= (3+7+9+1)/10= 2 (μsF)

Giá trị của cuộn cảm (L,r) = (19mH, 12.5Ω))

2.3 Tính tần số góc cộng hưởng và hệ số phẩm chất

Các công thức thức tính:

ωo=1/√LC

 ωo=1/√0.019 x 2 10−6 =5129.89(rad /s )

Tần số riêng (cộng hưởng) khi fo=2 πft /¿ ωo = 816.44735(Hz)

Hệ số phẩm chất: Q= Rx1 √C L=

1

200√2 100.019−6 =0.4873 Nhận xét về sự biến thiên của tần số từ (0 => ∞ )

Mối liên hệ giữa điện áp U trên điện trở và điện áp E của nguồn:

´

´

1+ jωQ( ω

ω0−

ω0

ω)

Nhận xét sự biến thiên của U khi tần số thay đổi trên diện rộng

Khi tần số chưa đạt được cộng hưởng ( ω ,f ) <fo< 816.44735(Hz): điện áp U sớm pha hơn điện áp E

Khi tần số đạt tới cộng hưởng ( ω ,f ) = fo=¿ 816.44735(Hz): điện áp U cùng pha với điện áp E

Khi tần số vượt qua mức cộng hưởng ( ω ,f ) > fo>816.44735 Hz; ( ω ,f ) => ∞ :

áp U chậm pha hơn với điện áp E

2.4 Dải thông và tính Q thực nghiệm

Dải thông ∆f=(fc2-fc1) với fc1,fc2 là các tần số cắt ứng với độ suy giảm 3dB hay sự giảm biên độ 1/

√2 từ giá trị (max)

Theo thực nghiệm: Q= ω0

ω0

ω2 −ω1

= 2 πft ω0

2 πft (ω2−ω1)=

f0

f c 2−f c1 = f0

∆ f

Tìm được các giác trị fc1 và fc2 kết hợp với f cộng hưởng, chúng ta sẽ tính được hệ

số phẩm chất theo thực nghiệm

Đưa ra một trình tự thao tác (trên GBF và Oscillo) để tìm fc1 và fc2:

 Thao tác lấy mẫu:

+ Chúng ta cần chỉnh giá trị tần số f0 đã biết trước ở nút (6) (giả sử fo cộng hưởng

= 816Hz như mục 2.3) và thang đo tương ứng tại (3) trên GBF để làm tham chiếu, sau đó bỏ thành phần DC ra khỏi nguồn phát bằng cách kéo nút số (11) ra, và chỉnh giá trị Em cố định cho trước ở (13)

+ Chúng ta xác định giá trị Umax trên Oscilo, bằng cách chọ một kênh đo, kênh Ch2 (nhấn số (9) qua Ch2), sau đó vào chế độ đo tự động (46), nhấn (43), đồng thời đưa (30) đèn về DC, để đo được giá trị biên độ suy giảm Umax

√2 = Emax

√2 (tương đương với f vị trí cộng hưởng)

 Thao tác đo:

+ Vẫn giữ các trạng thái đo, Chuyển kênh Ch2, nút (30) đèn sang chế độ AC, bắt đầu giảm giá trị tần số lân cận dưới giá trị fo= 816Hz, đến giá trị fc1 sao cho U1=

Umax

√2 , tức trị áp đo được bằng giá trị biên độ suy giảm ở thao tác lấy mẫu

+ Làm tương tự, chúng ta tìm fc2 ở lân cận trên giá trị fo= 816Hz, đến giá trị fc2 sao cho U2=Umax

√2 trị áp đo được bằng giá trị biên độ suy giảm ở thao tác lấy mẫu

=> Từ đó chúng ta cũng xác định được fc1, fc2, ∆ f và Q

2.5 Tần số cộng hưởng và khảo sát ở chế độ XY

f0s = 816.45(Hz)

Chuyển Oscillo sang chế độ quét dọc XY

Khi Em = 15 V => U = 15(V) (khi mạch đang ở trạng thái cộng hưởng)

Đồ thị trên Osillo xác định giá trị cộng hưởng tại f02= 816.45(Hz)

Phác thảo đồ thị XY ở tần số cộng hưởng:

Hình 2.5.a: Đồ thị của hai tín hiệu u(t) và e(t) trong mạch RLC ở trạng thái cộng

hưởng trên Oscillo hiện thị ở chế độ XY

Phác thảo đồ thị XY khi không cộng hưởng

Hình 2.5.b: Đồ thị của hai tín hiệu u(t) và e(t) trong mạch RLC ở trạng thái không

cộng hưởng trên Oscillo hiện thị ở chế độ XY

2.6 Khảo sát chuyển động pha u(t) và e(t) khi điều chỉnh tần số trên khoảng rộng quanh tần số cộng hưởng

2.6.a Chọn các thông số và quan sát đồ thị ở trạng thái cộng hưởng

f 0s = 816.45(Hz) => ωos ≈ 5129,907(giá trị làm tròn 3 chữ số có nghĩa)

Đặt một nguồn e(t) = 15 cos(5129,907 t¿ được hiển thị trên thang Ch1= 5V

Quan sát U tại lân cận cộng hưởng => Khi cộng hưởng giá trị của U và E bằng nhau => Umax= Em = 15 (V)

Đồ thị hai tín hiệu ở trạng thái cộng hưởng:Trong đó:

e(t) = 15 cos(5129,907 t¿ (đường màu đen)

u(t) = 15 cos(5129,907 t¿ (đường màu đỏ)

Chọn trục đo thời gian vào khoảng 300μss và trục điện áp 5V – 5V cả hai kênh, để tín hiệu trong một chu kì hiện rõ trong 4 ô

Hình 2.6.a: Đồ thị hình sin của hai tín hiệu u(t) và e(t) ở trạng thái cộng hưởng

trên Oscillo hiện thị cả hai kênh

Đo giá trị băng thông lấy trị Q và trị tần số cộng hưởng f0s được tính ở mục 2.3 Q= 0.4873 = fos ∆ f = 816.45∆ f => ∆ f =816.45

0.4873=1675.456598 ( Hz)

¿ >∆ ω=2 πft ∆ f ≈10527.2043 (rad/s)

2.6.b Đo và khảo sát đồ thị khi f < f 0

Khảo sát tại tần số cắt lấy gần đúng tại ω c1

ω c1 ≈ ω 0 s−min (ωos / 2 , ∆ ω / 2)

≈ 5129,907−5129,907/2 ≈2564,9535 (rad/s)

Xác định biểu thức UR(t):

Ta có công thức tính:

´

1+ jωQ( ω c1

ω 0 s−

ω 0 s

ω c 1)

 U =

15

1+ jω 0.4873(2564,95355129,907 −

5129,907 2564,9535) = 9.7765 + 7.1461j (V)

 UR(t) = 12.1098 cos (2564,9535t - 36.16498°) (V)

Nhận xét và so sánh với trị lí thuyết (U, φ) tại vị trí tần số cắt ω c1:

+ Theo lý thuyết:

Tại vị trí tần số cắt ω c1=2564,9535 ~ fc1= 408.2250 (Hz)

 φ=−arctan [Q( fx

fo−

fo

fx)]=−arctan [0.4873(

408.2250 816.45 −

816.45 408.2250)]

= 36.1649°

Uc1= 15

√2=10.606 (V ) + Như vậy biên độ điện áp suy giảm tính thực nghiệm không đúng với lý thuyết sẽ giảm 1/√2

Chênh lệch U Rmax

U c 1=

12.1098 10.606 1.1417(lần) + Góc lệnh pha là không đổi

Hình 2.6.b: Đồ thị giữa e(t) = 15 cos(2564,9535 t¿

và uR(t) = 12.1098 cos (2564,9535t - 36.16498°)

2.6.c Đo và khảo sát đồ thị khi f > f 0

Khảo sát tại tần số cắt lấy gần đúng tại ω c2

ω c2 ≈ ω c1+∆ ω=2564,9535+10527.2043= 13092.1578 (rad/s)

 U =

15

1+ jω 0.4873(13092.15785129,907 −

5129,907 13092.1578) = 7.115 − ¿7.4901i

 UR(t) = 10.33cos (13092.1578 t - 46.47°)

Nhận xét và so sánh với trị lí thuyết (U, φ) tại vị trí tần số cắt ω c2

Tại vị trí tần số cắt ω c2=13092.1578 ~ fc2= 2083.6863 Hz

 φ=−arctan¿

¿ − ¿46.47°

Uc2= 15

√2=10.606 (V )

Biên độ điện áp suy giảm không đúng với lý thuyết (giảm 1/√2 ),

chênh lệch 0.9739 (lần)

Chênh lệch U Rmax

U c 2=

10.33 10.606=0.9739(lần) + Góc lệnh pha là không đổi

Hình 2.6.c: Đồ thị giữa e(t) = 15 cos(13092.1578 t¿ và uR(t) = 10.33cos

(13092.1578 t - 46.47°)

II Phụ lục

Danh mục các hình:

Hình 1.1.b.1: Sơ đồ nguyên lí mạch phức với 5 phần tử khảo sát giá trị (L,r) của

cuộn cảm bằng VOM

Hình 1.b.2: Giản đồ Vecto minh họa mạch phức khảo sát giá trị (L,r) của cuộn

cảm bằng VOM

Hình 1.2.a.1 Sơ đồ nguyên lí đo giá trị (L2, r2) của cuộn cảm trên Oscilo

Hình 1.2.a.2: Sơ đồ nguyên lí đo – cách đo và tính giá trị L2, r2

Hình 1.2.b: Giản đồ Vecto minh họa các điện áp và góc lệch pha giữa hai tín hiệu

e(t) và uR(t)

Hình 1.2.c: Đồ thị biểu diễn hai tín hiệu e(t) và uR(t)được đo trên Oscillo

Hình 2.5.a: Đồ thị của hai tín hiệu u(t) và e(t) trong mạch RLC ở trạng thái cộng

hưởng trên Oscillo hiện thị ở chế độ XY

Hình 2.5.b: Đồ thị của hai tín hiệu u(t) và e(t) trong mạch RLC ở trạng thái không

cộng hưởng trên Oscillo hiện thị ở chế độ XY

Hình 2.6.a: Đồ thị hình sin của hai tín hiệu u(t) và e(t) ở trạng thái cộng hưởng

trên Oscillo hiện thị cả hai kênh

Hình 2.6.b: Đồ thị giữa e(t) = 15 cos(2564,9535 t¿

và uR(t) = 12.1098 cos (2564,9535t - 36.16498°)

Hình 2.6.c: Đồ thị giữa e(t) = 15 cos(13092.1578 t¿ và uR(t) = 10.33cos (13092.1578 t

- 46.47°)