báo cáo thí nghiệm môn giải tích mạch bài 2 mạch điện một chiềudc

Ngoài ra, để tăng tính hiệu quả quá trình tính toán mạch DC, người ta dựa trên các phép biến đổi tương đương chia áp, chia dòng, biến đổi nguồn,…, phân tích dùng ma trận thế nút, dòng mắ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ



BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN: GIẢI TÍCH MẠCH LỚP L03 - NHÓM - HK 231

1

MỤC LỤC BÀI 2: MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU(DC) A Mục đích

B Đặc điểm

C Phần thí nghiệm

I Mạch chia áp II Mạch chia dòng

III Giải tích mạch DC nhiều nguồn dùng thế nút và mắt lưới IV Cầu đo Wheastone một chiều đo điện trở

V Kiểm chứng nguyên lý tỉ lệ trên mạch DC

VI Kiểm chứng nguyên lý xếp chồng trên mạch DC

VII Sơ đồ Thevenin-Norton và nguyên lý truyền công suất cực đại VIII Sơ đồ Mudule DC Circuits

BÀI 3: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU (AC) A Mục đích

B - Đặc điểm:

Mạch điện DC chỉ tồn tại các phần tử nguồn và điện trở Nền tảng phân tích mạch điện DC là luật Ohm và các luật Kirchhoff Ngoài ra, để tăng tính hiệu quả quá trình tính toán mạch DC, người ta dựa trên các phép biến đổi tương đương (chia áp, chia dòng, biến đổi nguồn,…), phân tích dùng ma trận (thế nút, dòng mắt lưới, ) hay dùng các định lý đặc trưng cho mạch tuyến tính (nguyên lý tỉ lệ,

nguyên lý xếp chồng, sơ đồ tương đương Thevenin-Norton,…)

3

u(V)

8 1.88

1.8905

5 2.24

2.2486

0.3839

12 2.11

2

2.1342

1.0511

4.512

4.5692

1.2677

5.376

5.4550

1.4695 %sai số = |giá trị đúng − giá trị đo

giá trị đúng | 100% + Theo lý thuyết:

- u = 5V:

𝑢1 = 𝑢 𝑅1

2.2×103+4.7×103+5.6×103 = 0.88(𝑉) Tương tự: 𝑢2 = 1.88(𝑉); 𝑢3 = 2.24(𝑉)

- u = 12V: 𝑢1 = 𝑢 𝑅1

2.2×103+4.7×103+5.6×103 = 2.112(𝑉) Tương tự: 𝑢2 = 4.512(𝑉); 𝑢3 = 5.376(𝑉)

+ Tính sai số:

4 - u = 5V:

%u1 = |0.88−0.8838

0.88 | x100% = 0.4318%

Tương tự: %u2 = 0.5585%; %u3 = 0.3839% - u = 12V:

%u1 = |2.112−2.1342

2.112 | x100% = 1.0511% Tương tự: %u2 = 1.2677%; %u3 = 1.4695% 1.2/ Kiểm chứng định luật Krichhoff về điện áp:

Theo định luật Kirchhoff về điện áp đối với mạch DC thì: u = ∑ uk = u1+ u2+ u3

%sai số = |u−∑ uk

u | 100% + u = 5V:

∑ 𝑢𝑘 = 𝑢1+ 𝑢2+ 𝑢3 = 0.8806 + 1.8877 + 2.2486 = 5.0169 (𝑉) % 𝑢 = |𝑢−∑ 𝑢𝑘

𝑢 | × 100% = |5−5.0169

5 | × 100% = 0.3380% + u = 12V:

∑ 𝑢𝑘 = 𝑢1+ 𝑢2+ 𝑢3 = 2.1095 + 4.5113 + 5.3850 =12.0058 (𝑉)

% 𝑢 = |𝑢−∑ 𝑢𝑘

𝑢 | × 100% = |12−12.0058

12 | × 100% = 0.0483%

5 1.3/ Thiết kế mạch chia áp DC: gồm hai điện trở R1 (có giá trị trong 4 điện trở đã cho) và R2 thỏa:

+ Áp vào mạch 5V, áp ra trên R2 là 2V + Dòng trong mạch phải bé hơn 10mA + Mạch thiết kế:

Ta có: { 𝑢2 = 5

𝑅1+𝑅2= 2𝑉 → 𝑅1 = 3

2𝑅2𝑖 = 𝑢

∑ 𝑅 < 10𝑚𝐴 → 𝑅1 + 𝑅2 > 500𝛺Nếu chọn R1 = 2.2 kΩ => R2 = 1.467 kΩ

Kết quả đo áp ra trên mạch thiết kế: Áp ra = 1.997 V

2/ Mạch chia dòng:

2.1/ Mạch chia dòng: Thực hiện mạch chia dòng như hình Thay đổi giá trị u của nguồn như trong bảng số liệu Dùng ampe kế đo giá trị I1, I2, I3 và tính toán I2, I3theo lý thuyết Tính toán sai số khi đo

6

u(V) I1 (mA)

Tính toán

Đo được

%sai số

Tính toán

Đo được

%sai số 5 1.0434 0.5717 0.4995 0.1263 0.4798 0.4269 0.1103

12 2.4724 1.3720 1.3500 0.6371 1.1515 1.1378 0.0904 + Theo lý thuyết:

- u = 5V: 𝐼1 = 𝑢

1.0514 × 14.7 × 103

4.7 × 103+ 15.6 × 103

≈ 0.5717 𝑚𝐴

𝐼3 = 𝐼11𝑅3∑𝑅1

1.0514 × 15.6 × 103

4.7 × 103+5.6 × 101 3

≈ 0.4798 𝑚𝐴

- u = 12V: 𝐼1 = 𝑢

𝑅𝑡đ =

122.2 × 103+ 1 1

4.7 × 103+5.6 × 101 3

≈ 2.5235 𝑚𝐴

7 𝐼2 = 𝐼1

= 2.5235 ×

14.7 × 103

4.7 × 103+ 15.6 × 103

≈ 1.3720 𝑚𝐴

𝐼3 = 𝐼11𝑅3∑1

= 2.5235 ×

15.6 × 103

4.7 × 103+ 15.6 × 103

0.4798 | × 100% ≈ 0.1103% - u = 12V:

% 𝐼2 = |1.3720 − 1.3500

1.3720 | × 100% ≈ 0.6371% % 𝐼3 = |1.1515 − 1.1378

1.1515 | × 100% ≈ 0.0904% 2.2/ Kiểm chứng định luật Kirchhoff về dòng điện:

Theo định luật Kirchhoff về dòng điện đối với mạch DC ta có: I1 = ∑ Ik = I2+ I3

%sai số = |I1− ∑ Ik

I1 | 100% + u = 5V:

∑ 𝐼𝑘 = 𝐼2 + 𝐼3 = 0.4995 + 0.4269 = 0.9264 𝑚𝐴

8 % 𝐼 = |𝐼1−∑ 𝐼𝑘

𝐼1 | × 100% = |1.0515−0.9264

1.0515 | × 100% ≈0.1190%

+ u = 12V:

∑ 𝐼𝑘 = 𝐼2 + 𝐼3 = 1.3500 + 1.1378 = 2.4878 𝑚𝐴 % 𝐼 = |𝐼1−∑ 𝐼𝑘

𝐼1 | × 100% = |2.5235−2.4878

2.5235 | × 100% ≈0.0141%

2.3/ Thiết kế một mạch chia dòng DC: gồm hai điện trở R1 và R2 nối song song + Dòng tổng là 10mA

+ R1 = 4.7kΩ và dòng qua nó là 4mA + Mạch thiết kế:

3/ Giải tích mạch DC nhiều nguồn dùng thế nút và mắt lưới:

9 + E1: nguồn DC 5V

+ E2: nguồn DC 12V

+ Dùng volt kế DC hay DMM đo lại E1, E2 Dùng phương pháp thế nút hoặc dòng mắc lưới tính u trên các trở Dùng volt kế DC hay DMM đo lại các u

Điện áp Giá trị tính Giá trị đo %sai số

⟹ 𝐼𝑚𝑙1 = −0.7 (𝑚𝐴); 𝐼𝑚𝑙2 ≈ −0.4428 (𝑚𝐴); 𝐼𝑚𝑙3 ≈ −2.1659 (𝑚𝐴)

10 ⟹

𝑢1 = 4.7 × 103× (𝐼𝑚𝑙2− 𝐼𝑚𝑙1) ≈ 1.2088 (𝑉)𝑢2 = 2.2 × 103× (𝐼𝑚𝑙2 − 𝐼𝑚𝑙3) ≈ 3.7908 (𝑉)𝑢3 = 5.6 × 103× (𝐼𝑚𝑙3 − 𝐼𝑚𝑙1) ≈ −8.2090 (𝑉)

𝑢4 = 10 × 103 × (𝐼𝑚𝑙1) = −7 (𝑉)+ Sai số:

11 + Chỉ cho tác động lên mạch nguồn E2 = 12V bằng cách thực hiện thí nghiệm và đo u12

+ Tính u1 theo nguyên lý xếp chồng Xác định sai số khi dùng xếp chồng Điện áp Mạch chỉ

có nguồn E1 (u11)

Mạch chỉ có nguồn E2 (u12)

Giá trị tính theo xếp

chồng

Giá trị đo khi có cả hai nguồn

%sai số khi dùng xếp

chồng u1 3.7250 -2.5224 1.2026 1.2122 0.7983

- Tính toán:

Theo nguyên lý xếp chồng, ta có:

𝑢1 = 𝑢11 + 𝑢12 = 3.7250 − 2.5224 = 1.2026𝑉 - Sai số:

12 KVL vòng (I): 𝑈ℎ𝑚 = 5 − 4.7𝑘𝐼1

KVL vòng (II): 𝑈ℎ𝑚 = 12 − 5.6𝑘𝐼2𝐼1+ 𝐼2 = 0

→ Uhm = 8.1942 V + Đo Inm:

-Tính theo lý thuyết:

𝐸1 = 4.7𝑘𝐼1 = 5𝑉 𝐸2 = 5.6𝑘𝐼2 = 12𝑉 𝐼1+ 𝐼2 = 𝐼𝑛𝑚

→ Inm = 3.2067 mA => Rthevenin = Uhm

13 8.4000 8.1942 3.1250 3.2067 2.5222 2.5553

+ Khảo sát công suất max:

Thay đổi khoảng 10 giá trị của biến trở VR từ 1kΩ đến 10kΩ (trong đó có giá trị bằng RThevenin)

14 𝑃𝑉𝑅 (𝑚𝑎𝑥 𝑡ℎ𝑒𝑜 𝑙ý 𝑡ℎ𝑢𝑦ế𝑡) = 1.60342× 2.5553 ≈ 6.5694 𝑚𝑊

8/ Sơ đồ Module DC Circuits:

- Đồng hồ đo vạn năng số (DMM)

- Dây nối thí nghiệm (có dây nối trên breadboard)

B ĐẶC ĐIỂM

Phân tích mạch xác lập điều hòa thông qua tính toán trên mạch phức Ở mạch phức, trở kháng nhánh Z là sỐ phức, bằng tỉ sỐ biên độ phức áp và dòng trên nhánh Luật Ohm dạng phức được phát biểu:

𝑈 ̇= Z 𝐼 ̇

I XÁC ĐỊNH Z:

Là tỉ số trị biên độ hay trị hiệu dụng của áp và dòng trên nhánh Trị biên độ có thể đọc nhờ dao động ký và trị hiệu dụng có thể đọc nhờ volt kế xoay chiều

16

Dựa vào giá trị của nút Time/div ta đọc giá trị ∆𝑡 và T Góc lệch pha giữa CHB và CHA xác định theo:

φ = (∆t

𝑇 )×360° Lưu ý:

+ Theo hình 1.3.0.1, ta thấy ∆t là dương khi tín hiệu cần xác định góc pha xuất hiện trước tín hiệu chuẩn

+ Dao động ký chỉ nhận tín hiệu áp Do đó khi cần đưa vào tín hiệu dòng thì ta thông qua tín hiệu áp trên điện trở mang dòng điện đó

b So pha dùng đồ thị Lissajous:

Đưa cả hai tín hiệu (cùng GND) vào hai kênh của dao động ký Chọn VERT MODE là X-Y Chỉnh định các nút Volt/div của dao động ký để hiển thị trên màn hình như Hình 1.3.0.2

17 Giả sử X(t) = a sin(𝜔𝑡) và Y(t)=bsin(𝜔𝑡 + 𝜑) Ta thấy tại t= 0 thì X= 0 và Y(t) = bsin(𝜑)= 𝑌0 Do đó:

𝜑 = 𝑠𝑖𝑛−1( 𝑌0

𝑏 )

Phương pháp này đơn giản nhưng chỉ hữu hiệu ở các giá trị φ≤45° Nếu các giá trị φ lớn hơn, trị sin(φ) thay đổi rất chậm và độ chính xác sẽ giảm

C PHẦN THÍ NGHIỆM

I Giá trị thông số mạch thí nghiệm

Giá trị thông số của các mạch thí nghiệm trong bài thí nghiệm này được chọn theo bảng sau đây Lưu ý giá trị 𝑅𝐿 = thành phần điện trở trong mô hình nối tiếp của cuộn dây sẽ được xác định trong quá trình thí nghiệm

Phần tử Giá trị dùng thí nghiệm

Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ giữa u (t) và i (t) (cũng là i(t) bằng cách CH2 INV) Điền vào bảng số liệu với hai giá trị tần số khác nữa (Lưu ý chỉnh đúng tần sỐ máy phát, kiểm lại với chu kỳ T thông qua việc đọc từ giá trị nút chỉnh Time/div của dao động ký Giả sử ta chọn Time/div = 100µs thì tín hiệu 2 kHz; 5 kHz và 10 kHz sẽ có chu kỳ lần lượt là 5 ô; 2 ô và 1 ô)

Hình 1.3.2: Đo trở kháng tụ điện

19 Tần sỐ UmUcm URm Im|ZC| ∆𝑡

2 kHz 2V 2.60V 1.46V 1.46 mA 1780.82 120µs -86.40 0.5ms 5 kHz 2V 1.54V 2.26V 2.26 mA 681.41 50,2µs -90.36 0.2ms 10 kHz 2V 1,04V 2.56V 2.56mA 406.25 30µs -106,59 102µs

Công thức tính toán: Im = Urm/R

|Zc|= Ucm/ Im 𝜑𝐶 = ∆𝑡𝑐

𝑇 .360

b Vẽ đồ thị |𝑍𝐶| theo 𝜔 Cho biết biểu thức lý thuyết của |𝑍𝐶| theo 𝜔

20 c Kết luận được điều gì khi 𝜑𝐶 phụ thuộc vào 𝜔

Kết luận: ω tỉ lệ nghịch với |Zc|

III Mạch RC nối tiếp

a Thực hiện mạch thí nghiệm RC nối tiếp như hình 1.3.3

21 c Tính công suất của mạch RC nối tiếp theo số liệu đo:

CS biểu kiến Hệ số cosφ CS tác dụng P CS phản kháng Q

Công suất biểu kiến S = ½ Um.Im = 0.712 mVA Công suất tác dụng P = S.cos φ = 0.382 mW Công suất phản kháng Q = S.sin φ = -0.6 mVAr

IV Đo trở kháng cuộn dây

a Thực hiện thí nghiệm như hình 1.3.4

Hình 1.3.4: Đo trở kháng cuộn dây

Chỉnh máy phát sóng sin để u(t) có biên độ 2 V, tần sỐ lần lượt là 2 kHz, 5 kHz và 10 kHz Đưa hai tín hiệu uR(t) và uL(t) vào dao động ký Dùng dao động ký, đo biên độ áp trên R và trên cuộn dây L

Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ giữa u (t) và i (t) (cũng là i(t) bằng cách CH2 INV) Điền vào bảng sỐ liệu (Lưu ý chỉnh đúng tần sỐ máy phát, kiểm lại với chu kỳ T thông qua việc đọc từ giá trị nút chỉnh Time/div của dao động ký)

Công thức tính toán: Im = Urm/R

ZL = Urm/Im

b Vẽ đồ thị |ZL|theo 𝜔 Cho biết biểu thức lý thuyết của |𝑍𝐿| theo 𝜔

c Kết luận được điều gì khi 𝜑𝐿 phụ thuộc vào 𝜔 |ZL| tỉ lệ thuận với 𝜔

V Mạch RL nối tiếp

a Thực hiện mạch thí nghiệm RL nỐi tiếp như hình 1.3.5

23 Chỉnh máy phát sóng sin để u(t) có biên độ 2 V, tần số 2 kHz Dùng DMM (Multimeter) đo dòng vào mạch, đo áp vào mạch, áp trên R và áp trên L (Lưu ý: giá trị đọc trên DMM là trị hiệu dụng) Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ giữa u(t) và i(t) (thông qua đọc ∆𝑡) Điền vào bảng số liệu:

Theo định lý cos, ta có:

24 Thành phần điện trở của cuộn dây 𝑅𝐿= 300

c Tính công suất của mạch RL nối tiếp theo số liệu đo

CS biểu kiến S Hệ số cosφ CS tác dụng P CS phản kháng Q

Công suất biểu kiến S = ½ Um.Im = 0.78 mVA Công suất tác dụng P = S.cos φ = 0.568 mW Công suất phản kháng Q = S.sinφ = 0.534 mVAr

VI Mạch RLC nối tiếp

a Thực hiện mạch thí nghiệm RLC nối tiếp như hình 1.3.6 Chỉnh máy phát sóng sin để u(t) có biên độ 2 V, tần số 2 kHz Dùng DMM (Multimeter) đo dòng vào mạch, đo áp vào mạch, áp trên R và áp trên L (Lưu ý: giá trị đọc trên DMM là trị hiệu dụng) Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ giữa u(t) và i(t) (thông qua đọc ∆𝑡) Điền vào bảng số liệu:

25 b Dựng đồ thị vectơ điện áp của mạch theo số liệu đo dùng thước

và compa, chọn pha ban đầu của dòng điện là 0, giả sử R thuần trở và C thuần dung Từ đồ thị vectơ suy ra φ So sánh với giá trị φ đo được trong bảng số liệu

Định lý cos cos cho ta  (U,I) = arcos( 𝑈𝑐𝑟

2.𝑈𝑐𝑟.𝑈 ) = 38.9

c Tính công suất của mạch RLC nối tiếp theo số liệu đo:

CS biểu kiến S Hệ số cosφ CS tác dụng P CS phản kháng Q 1.022 mVA 0.876 0.895 mW - 0.492 mVAr

Công suất biểu kiến S = ½ Um Im = 1.022 mVA Công suất tác dụng P = S cos φ = 0.895 mW

Công suất phản kháng Q = s sinφ = - 0.492 mVAr

d Tính công suất P trên từng phần tử của mạch RLC nối tiếp:

26 PL (trên L) PC (trên C) PR (trên R) PL + PC + PR

2 I

ωC Nguyên lý cân bằng cơng suất:

Do sai số trong quá trình đo và điện trở rỉ của tụ nên P trên từng phần tử gần bằng P phát, mạch cân bằng cơng suất

VII Mạch RC song song

a Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.3.7

Hình 1.3.7: Mạch RC song song

1,41Vrms 0.4918 0.4226 0.2956 40.672

b Giả sử điện trở thuần, vẽ đồ thị vector dịng cho mạch song song khi chọn pha ban đầu của áp uR(t) là 0 Từ đồ thị vector, viết ra các giá trị dịng, áp phức hiệu dụng mũ trong mạch:

27 UR = 1,41∠0 (Vrms)

𝐼𝑅̇ = 0.4226∠0(mA)𝐼𝐶̇ = 0.4226∠90 (mA) 𝐼̇ = 0.4918∠40.672Từ đó tính ra

𝑍𝑅//𝐶 = U𝑅

𝐼 ̇ = 2.867∠ − 40.672 Góc lệch uR (t)và i(t) là  = arctan(Ir

𝐼) = 40.672

c Tính công suất của nhánh R//C theo số liệu đo:

CS biểu kiến S Hệ sỐ cosφ CS tác dụng P CS phản kháng Q

Công suất biểu kiến S = ½ Um Im Công suất tác dụng P = S cos φ Công suất phản kháng Q = s sinφ

28

VIII Mạch RL song song

a Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.3.8

Chỉnh máy phát sóng sin để uR(t) có biên độ 2 V, tần sỐ 2 kHz Dùng DMM (Multimeter) đo dòng vào mạch, đo dòng qua trở R và dòng qua cuộn dây L

Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φgiữa uR(t) và i(t) bằng cách đưa uR(t) và uR0(t) vào CH1 và CH2 Thực hiện bảng số liệu:

UR = 1,41∠0 (Vrms) 𝐼𝑅̇ = 0.3729∠0(mA)𝐼𝐿̇ = 0.298∠ − 90 (mA)

29 𝐼̇ = 0.7702∠25.83

Từ đó tính ra 𝑍𝑅//𝐿 =U𝑅

𝐼 ̇ = 1.8306∠ − 25.83 Góc lệch uR (t)và i(t) là  = arctan(Ir

𝐼) = 25.83

c Tính công suất của nhánh R//L theo sỐ liệu đo:

CS biểu kiến S Hệ số cosφ CS tác dụng P CS phản kháng Q

Công suất biểu kiến S = ½ Um Im Công suất tác dụng P = S cos φ Công suất phản kháng Q = s sinφ

D DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM

- Hộp thí nghiệm (có máy phát sóng 2MHz) - Module AC Circuit

- Dao động ký (Oscilloscope) và DMM (Multimeter) - Dây nỐi thí nghiệm (jack banana 2mm)