Làm quen sử dụng dụng cụ Đo Điện khảo sát các mạch Điện một chiều và xoay chiều

Làm quen và sử dụng đồng hồ đa năng hiện số Digital Multimeter để đo hiêụ điện thế và cường độ dòng điện trong các mạch điện một chiều và xoay chiều, hoặc đo điện trở của các vật dẫn.. K

BÀI BÁO CÁO 7 Nhóm : L07

Tổ : 1B Tên các thành viên

Bài 7

LÀM QUEN SỬ DỤNG DỤNG CỤ ĐO ĐIỆN

KHẢO SÁT CÁC MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ XOAY CHIỀU

DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM

- 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

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

1 Làm quen và sử dụng đồng hồ đa năng hiện số (Digital Multimeter) để đo hiêụ điện thế

và cường độ dòng điện trong các mạch điện một chiều và xoay chiều, hoặc đo điện trở của các vật dẫn

2 Khảo sát sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở kim loại bằng cách vẽ đường đặc trưng vôn-ampe của bóng đèn dây tóc Từ đó xác định nhiệt độ của dây tóc bóng đèn

3 Khảo sát các mạch điện RC và RL có dòng xoay chiều để kiểm chứng phương pháp giản

đồ vectơ Fresnel, đồng thời dựa vào định luật Ohm đối với dòng xoay chiều để xác định tổng trở, cảm kháng và dung kháng của các mạch điện Từ đó xác định điện dung của tụ điện và hệ

số tự cảm của cuộn dây dẫn

I CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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

Đồng hồ vạn 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 vạn 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 :

20V2000

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 là:

ΔU = 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 vạn 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

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 bào 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

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

digital mult OiFmFeter

DT 9205

ON

1.289

2K 20K 2M

200m

20

20

200m

20M

700

2 DCV

20 200 1000

DCA 2m

2 200n 2n 200m

C x

F h FE

Hình 1

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 10 (hoặc 20 ), bên trong đồng hồ A A 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/ ” 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 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 có điện Đ trở (Hình 2) Điện áp ra của nguồn điện R Un có thể thay đổi được nhờ biến trở núm xoay P Hiệu

điện thế giữa hai đầu bóng đèn đo bằng vônkế U Đ

một chiều , và cường độ dòng điện chạy qua bóngV I

Un

Theo định luật Ôm đối với mạch điện một chiều,

-cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch tỷ lệ với I

hiệu điện thế U giữa hai đầu đoạn mạch và tỷ lệ

P

V §

A +

nghịch với điện trở của đoạn mạch :R

I = U R

Nếu không đổi thì tỷ lệ bậc nhất với Đồ thị R I U I =f (U) - gọi là đặc tuyến vôn-ampe, có dạng đường thẳng qua gốc toạ độ với hệ số góc :

(4)

trong đó là độ dẫn điện của đoạn mạch.G

Nhưng do hiệu ứng Jun-Lenxơ, lượng nhiệt toả ra trên điện trở trong thời gianQ R

bằng :

Lượng nhiệt này làm tăng nhiệt độ và do đó làm thay đổi điện trở của đoạn mạch Vì dây tóc bóng đèn làm từ Vonfram, nên điện trở của nó thay đổi theo nhiệt độ :Đ R t

(6)

với Rt là điện trở ở và R0 là điện trở ở 0 , 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 : là giá trị so sánh chênh lệch giữa nhiệt độ t tC cà nhiệt độ 0 C nên khi đổi sang độ và K thay vào công thức (6) có giá trị t=t K-273 Ko o

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

ra:

(7)

t p Khi đó từ (6) ta suy

Lưu ý: là giá trị so sánh chênh lệch giữa nhiệt độ tp tpC và nhiệt độ 00C nên khi đổi sang

độ và thay vào công thức (6) có giá trị = K tp tpK – 2730K

Giải phương trình (6) đối với , cộng thêm 273t 0K ta xác định được nhiệt độ tuyệt đối của dây tóc đèn:

(8)

trong đó điện trở Rp và

Rt

tính theo công thức (3) với là dòng điện một chiều chạy qua dây tócI đèn và là hiệu điện thế tương ứng giữa hai đầu dây tóc đènĐ U

3.Khảo sát mạch điện xoay chiều R-C

~U

Hình 3

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

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

(9) Khi đó : u u + u = R C (10)

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

u = U 0R

.sin 2 f t

U 0C

.sin(2 f t )

2

(11)

C

R

U

20 R0C

U 2

R2 Z

2 C

2

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

u = U0 sin(2 f t ) (12)

tg

= - U0C

U 0 R

= - 1

2 f CR

(14)

Thay

U0R I 0

R

và U0C I 0

ZC

I 0

2 f C

vào (13), ta có biểu thức :

U 0 I 0 I

0 Z (15) với ZC là dung kháng của tụ điện :

ZC

1

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

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

(18) trong đó và là U I 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

Đặt hiệu điện thế xoay chiều có tần số vào hai đầuu f

mạch điện gồm cuộn dây dẫn có điện trở thuần và hệr

số tự cảm L mắc nối tiếp với điện trở R (Hình 5) ~ U

Hình 5

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

i = I0 sin 2 f t

Khi đó : u = u + uR r +uL (19)

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

u = UoR.sin 2 f.t +U sin 2or f.t + U sin (2oL f.t+ /2) (20)

R 2 Z

2 C

L , r

R

(R r)2

2

UL

U R U r

I Hình 6

Tương tự trên, áp dụng giản đồ vectơ Fresnel (Hình 6), ta tìm được :

u = U sin (20 f t ) (21)

oL

UoR Uor =

2

f L

R r

(23)

Thay U0R= I R , U = I r 0 0r 0 và U0L =I 20 f.L vào (22), ta có biểu thức :

U 0 I 0

= I0 .Z (24)

với ZL là cảm kháng của cuộn dây dẫn :

ZL = 2 f

L

(25)

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

Chia hai vế của (24) cho , ta nhận được định luật Ôm đối với mạch điện xoay chiều R-L:

I = U

trong đó và là U I giá trị hiệu dụng của hiệu điện thế và cường độ dòng xoay chiều trong mạch R-L có thể đo bằng đồng hồ đa năng hiện số

II 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

“200 ” dùng nó làm ômkế để đo điện trở Các cực "V/ " 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 trên nhiệt kế 0 1000C vào bảng 1 Bấm núm "OFF" để tắt điện chotp

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 và ampekế (xem bảng các thông số kỹ thuật của đồng hồ hiện số DT 9205 ởV A trang cuối của tập tài liệu này)

(UoR Uor )

22 U oL

(R r )2

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 áp một chiều 0 12V được lấy

ra từ hai cọc đấu dây +12V phía phải,

cung cấp dòng tối đa 3 , có thể điềuA

chỉnh liên tục nhờ núm xoay Hai đồngP

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

:

Hình 7

nghiệm

động

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

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

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

bộ nguồn Nếu kim chỉ thị của nó dịch chuyển đều đặn trên toàn thang đo ( 0 –12V) là đạt yêu cầu

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

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/ " 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 núm "ON/OFF" trên vônkế V và ampekế A, cho chúng hoạt động Vặn từ từ núm xoay của bộ nguồn để điều chỉnh hiệu điện thế (chỉ trên vônkế hiện số V)P U tăng dần từng vôn một, từ 0 đến 10V Đọc và ghi các giá trị cường độ dòng điện tương ứng (chỉI trên vônkế số ) vào bảng 1 A

d Kết thúc phép đo : Vặn nhẹ núm xoay P về tận cùng bên trái, Bấm khoá K để tắt bộ nguồn Bấm các núm "ON/OFF" trên hai đồng hồ để tắt điện cho chúng

4 Xác định điện dung của tụ điện trong mạch RC

a Mắc mạch điện: Mắc tụ điện và điện trở vào bảng điện như trên sơ đồ hình 3 Điện ápC R xoay chiều ~12V được lấy từ hai lỗ ra xoay chiều ~12V trên mặt bộ nguồn để cung cấp cho mạch điện Tiếp tục dùng hai đồng hồ đa năng hiện số DT9205 làm vônkế và ampekế xoay chiều

b Chọn thang đo cho hai đồng hồ :

Vônkế đặt ở thang đo xoay chiều ACV 20 , mắc song song với các đoạn mạch cần đo.V V 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 , cho chúng hoạt động.A Bấm khoá K của bộ nguồn Quan sát, đọc và ghi 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 ở hai đầu đoạn mạch, UU R giữa hai đầu điện trở thuần , và R UC giữa hai đầu tụ điện , đọc và ghi vào bảng 2.C

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

để tắt điện cho chúng

Ghi vào bảng 2: giá trị giới hạn, độ nhạy, cấp chính xác và số qui định đối với thang đo đãn 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 , hệ số tự cảm r 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 khoá 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 khoá 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 “200 ” hoặc “2k“ dùng nó làm ômkế để đo điện trở thuần r của cuộn dây Các cực "V/ " 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 , ampekế V A và ômkế

Z 2 r

2cd

III TÍNH TOÁN KẾT QUẢ ĐO

1 Dựa vào các cặp giá trị của I, U tương ứng, và các giá trị Rp và thu được trong tp bảng 1, thực hiện :

Vẽ đặc tuyến vôn-ampe I = f(U) của bóng đèn dây tóc;

Xác định nhiệt độ của dây tóc đèn Đ nóng sáng khi giữa hai cực của đèn có hiệu điện thếT

U 10V dựa theo các công thức (3), (7) và (8)

2 Dựa vào các giá trị I , U , U , UR C đo được trong bảng 2 để xác định :

• Tổng trở : Z==

• Điện trở thuần : R=

với = 50.0 0.5 Hz là tần số lưới điện quốc gia.f

3 Dựa vào các giá trị đo được của UL,, I và đo được trong mạch RL để xác định :r

tổng trở Z = Ucd L/I

cảm kháng

ZL

hệ số tự cảm

L

L

2 f

với = 50.0 0.5 Hz là tần số lưới điện quốc gia.f

Zcd2r 2