Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung
MỤC LỤC MỤC LỤC 1 1. Lý do chọn đề tài 4 2. Mục tiêu của đề tài 5 3. Nhiệm vụ của đề tài 5 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5 5. Phươngpháp nghiên cứu 6 6. Ý nghĩa 6 7. Cấu trúc sơ lược 6 PHẦN NỘI DUNG 7 CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT ĐIỆN DUNG VÀ CÁC MẠCH CẦU ĐO ĐIỆN DUNG 7 Các khái niệm cơ bản 7 Điện dung 7 Tụ điện 8 a.Khái niệm 8 b.Phân loại 8 c.Góc tổn hao 10 Các mạch cầu đo điện dung 11 1. Mạch cầu đơn giản đo điện dung 11 2. Cầu đo tụ điện tổn hao nhỏ 12 Cầu đo tụ điện tổn hao lớn 14 Cầu Schering đo điện dung 15 Cầu Grover đo điện dung 17 CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN ELECTRONICS WORKBENCH 20 I.Mở đầu 20 II. Giới thiệu Electronics Workbench 20 1.Tổng quan về EWB 20 Các bước tiến hành tạo mạch và chạy mô phỏng 22 Giới thiệu về các dụng cụ đo mạch tương tự 23 CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG MỘT SỐ MẠCH CẦU ĐO ĐIỆN DUNG 27 1.Mạch cầu đơn giản đo điện dung 27 Mạch xoay chiều đo điện dung tổn hao nhỏ 32 Mạch xoay chiều đo điện dung tổn hao lớn 35 Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung Mạch Schering đo điện dung 41 Mạch Grover đo điện dung 48 52 PHẦN KẾT LUẬN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 MỤC LỤC 1 1. Lý do chọn đề tài 4 2. Mục tiêu của đề tài 5 3. Nhiệm vụ của đề tài 5 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5 5. Phươngpháp nghiên cứu 6 6. Ý nghĩa 6 7. Cấu trúc sơ lược 6 PHẦN NỘI DUNG 7 CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT ĐIỆN DUNG VÀ CÁC MẠCH CẦU ĐO ĐIỆN DUNG 7 Các khái niệm cơ bản 7 Điện dung 7 Tụ điện 8 a.Khái niệm 8 b.Phân loại 8 c.Góc tổn hao 10 Các mạch cầu đo điện dung 11 1. Mạch cầu đơn giản đo điện dung 11 2. Cầu đo tụ điện tổn hao nhỏ 12 Cầu đo tụ điện tổn hao lớn 14 Cầu Schering đo điện dung 15 Cầu Grover đo điện dung 17 CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN ELECTRONICS WORKBENCH 20 I.Mở đầu 20 II. Giới thiệu Electronics Workbench 20 1.Tổng quan về EWB 20 Các bước tiến hành tạo mạch và chạy mô phỏng 22 Giới thiệu về các dụng cụ đo mạch tương tự 23 CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG MỘT SỐ MẠCH CẦU ĐO ĐIỆN DUNG 27 1.Mạch cầu đơn giản đo điện dung 27 SVTH: Trần Văn Thành 2 Lớp: CNTBTH3 Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung Mạch xoay chiều đo điện dung tổn hao nhỏ 32 Mạch xoay chiều đo điện dung tổn hao lớn 35 Mạch Schering đo điện dung 41 Mạch Grover đo điện dung 48 52 PHẦN KẾT LUẬN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 SVTH: Trần Văn Thành 3 Lớp: CNTBTH3 Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài. Trong xã hội luôn luôn thay đổi và phát triển một cách nhanh chóng như hiện nay đòi hỏi các học sinh, sinh viên cũng như các nhà giáo luôn không ngừng tiếp thu và nâng cao kiến thức chuyên môn của mình. Bên cạnh đó mỗi người phải luôn tiếp cận những phát minh, sáng kiến mới để ứng dụng trong cuộc sống cũng như trong việc giảng dạy đối với giáo viên.Việc tìm tòi những phát minh mới, ứng dụng mới trong sinh viên các trường đại học, cao đẳng hiện nay là điều rất cần thiết để mỗi sinh viên sau khi ra trường ứng dụng trong công việc được tốt hơn, cũng như trong đời sống hàng ngày của mình. Một trong những ngành khoa học được nhiều sinh viên quan tâm trong việc tìm những ứng dụng để mô phỏng các hiện tượng đó là ngành vật lý. Đặc biệt là trong việc mô phỏng các mạch điện, mạch điện tử được đông đảo sinh viên tìm tòi và trao đổi trên các trang mạng điện tử. Mô phỏng mạch điện là quá trình tạo ra các mạch điện như thực tế để thực hiện việc đo đạc các linh kiện cũng như kiểm chứng các công thức thức mà lý thuyết đưa ra. Mô phỏng là một công cụ hiệu quả và quan trọng bởi nó đưa ra phương thức các thiết kế lựa chọn (hoặc kế hoạch, chính sách) có thể được đánh giá mà không cần phải thực nghiệm trên hệ thống thực (điều này có thể tiêu tốn nhiều kinh phí, thời gian, nguy hiểm và không thực tế). Nó cho phép bạn trả lời câu hỏi “Điều gì sẽ xảy ra nếu?” về một hệ thống mà không cần trải nghiệm thật sự trên chính hệ thống ấy. Đối với tôi là sinh viên đang học tại môi trường sư phạm với các công thức đã học mà chưa được kiểm chứng và việc tạo điều kiện để ứng dụng các phần mềm vào trong việc dạy học sau này nên tôi chọn đề tài “Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung”để kiểm chứng các công thức đã học cũng như rèn luyện kĩ năng cần thiết trong việc mô phỏng mạch cầu đo các thông số mạch điện. Đề tài này giúp cho các sinh viên hiểu sâu hơn về lý thuyết cũng như công thức các mạch cầu đo điện dung. Nó giúp cho sinh viên biết và thực hành được phần mềm Electronics Workbench; tạo tiền đề cho việc tìm hiểu sâu hơn phầm mềm này trong việc mô phỏng các mạch điện, điện tử phức tạp để giải quyết được các sự cố trong việc SVTH: Trần Văn Thành 4 Lớp: CNTBTH3 Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung thực hiện mạch điện, điện tử trong thực tập và đời sống thực tế. Đồng thời đề tài này là tài liệu quan trọng cho các giáo viên trong nhà trường phổ thông ứng dụng công nghệ thông tin trong việc giảng dạy cũng như làm trực quan hóa nội dung dạy học của mình; giúp học sinh hiểu sâu hơn về các mạch điện và có hứng thú với việc nghiên cứu các mạch điện, điện tử. 2. Mục tiêu của đề tài. Nắm vững lý thuyết phân tích mạch cầu đo điện và các công thức tính của nó. Nắm lý thuyết về phần mềm Electronics Workbench Biết cách vẽ và mô phỏng các mạch cầu đo điện dung trong phần mềm Electronics Workbench Hoàn thiện kiến thức về các mạch cầu đo các thông số mạch điện 3. Nhiệm vụ của đề tài Nghiên cứu một số mạch cầu xoay chiều đo điện dung. Nghiên cứu lý thuyết về tụ điện, góc tổn hao và cách thiết lập công thức mạch cầu đo điện dung. Nghiên cứu cách vẽ hình mạch điện trong Microsoft Visio Nghiên cứu về phần mềm Electronics Workbench và mô phỏng các mạch cầu trong phần mềm Electronics Workbench 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Các bài tập của các mạch xoay chiều và kiểm chứng bằng mô phỏng mạch điện xoay chiều thông qua các giá trị đó. Lý thuyết, các công thức phân tích cơ bản của mạch cầu xoay chiều đo điện dung Các loại giáo trình về đo lường các đại lượng vật lý hiện nay. Các nguồn thông tin ở google và các trang mạng xã hội. SVTH: Trần Văn Thành 5 Lớp: CNTBTH3 Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung Giới thiệu khái quát phần mềm Electronics Workbench và làm việc với phần mềm này. 5. Phươngpháp nghiên cứu Phương pháp phân tích – tổng hợp Phương pháp quan sát Phương pháp giả thuyết 6. Ý nghĩa Giúp cho sinh viên hệ thống hóa kiến thức về điện dung, tụ điện và các mạch cầu cơ bản đo điện dung Nắm được tổng quan và cách làm việc của phần mềm Electronics Workbench. 7. Cấu trúc sơ lược Chương I. Lý thuyết điện dung và các mạch cầu đo điện dung Chương II. Giới thiệu phần mềm mô phỏng mạch điện Electronics Workbench Chương III. Mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung SVTH: Trần Văn Thành 6 Lớp: CNTBTH3 Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT ĐIỆN DUNG VÀ CÁC MẠCH CẦU ĐO ĐIỆN DUNG Các khái niệm cơ bản Điện dung Nếu đặt vào 2 bản cực dẫn điện của tụ điện một điện áp thì các bản cực này sẽ tích các điện tích trái dấu. Khoảng không gian này sẽ tích lũy một điện trường, điện trường này phụ thuộc vào một hệ số C gọi là điện dung của tụ điện. Điện dung là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai bản cực của tụ điện, điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức: S C=ξ d Trong đó: C : là điện dung tụ điện , đơn vị là Fara (F) ξ : Là hằng số điện môi của lớp cách điện. d : là chiều dày của lớp cách điện. S : là diện tích bản cực của tụ điện. Dung kháng của tụ điện: C 1 1 X = = ωC 2πfC Fara là điện dung của một tụ điện mà khi hiệu điện thế giữa hai bản là 1V thì điện tích của tụ điện là 1C. Các ước của Fara: SVTH: Trần Văn Thành 7 Lớp: CNTBTH3 Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung Micrôfara (μF): 1μF = 10 -6 F Nanôfara(nF): 1nF = 10 -9 F Picôfara(pF): 1pF = 10 -12 F Tụ điện a. Khái niệm Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi điện môi. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng cường độ, nhưng trái dấu. Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượngđiện trường của tụ điện. Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sự tích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều. Về mặt lưu trữ năng lượng, tụ điện có phần giống với ắc qui. Mặc dù cách hoạt động của chúng thì hoàn toàn khác nhau, nhưng chúng đều cùng lưu trữ năng lượng điện. Ắc qui có 2 cực, bên trong xảy ra phản ứng hóa học để tạo ra electron ở cực này và chuyển electron sang cực còn lại. Tụ điện thì đơn giản hơn, nó không thể tạo ra electron - nó chỉ lưu trữ chúng. Tụ điện có khả năng nạp và xả rất nhanh. Đây là một ưu thế của nó so với ắc qui. Tính Chất Tụ Điện được thể hiện qua điện dung, điện thế và nhiệt độ trên Tụ điện Tụ điện trong các mạch thông thường có thông số điện áp: 5V, 10V, 12V, 16V, 24V, 25V, 35V, 42V, 47V, 56V, 100V, 110V, 160V, 180V, 250V, 280V, 300V, 400V Ký hiệu : Tụ điện có ký hiệu là C (Capacitor) b. Phân loại SVTH: Trần Văn Thành 8 Lớp: CNTBTH3 Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung Tụ điện phân cực (có cực xác định) hoặc theo cấu tạo còn gọi là tụ hóa. Thường trên tụ quy ước cực âm phân biệt bằng một vạch màu sáng dọc theo thân tụ, khi tụ mới chưa cắt chân thì chân dài hơn sẽ là cực dương. Khi đấu nối phải đúng cực âm - dương. Trị số của tụ phân cực vào khoảng 0,47μF - 4.700μF, thường dùng trong các mạch tần số làm việc thấp, dùng lọc nguồn. Tụ điện không phân cực (không xác định cực dương âm); theo cấu tạo có thể là tụ giấy, tụ gốm, hoặc tụ mica. Tụ xoay chiều thường có trị số điện dung nhỏ hơn 0,47μF và thường được sử dụng trong các mạch điện tần số cao hoặc mạch lọc nhiễu. Tụ điện có trị số biến đổi, hay còn gọi tụ xoay (cách gọi theo cấu tạo), là tụ có thể thay đổi giá trị điện dung, tụ này thường được sử dụng trong kỹ thuật Radio để thay đổi tần số cộng hưởng khi ta dò đài. SVTH: Trần Văn Thành 9 Lớp: CNTBTH3 Hình 3: Hình dạng của tụ gốm Hình 1: Hình dạng của tụ hoá Hình 2: Tụ xoay sử dụng trong Radio Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung c. Góc tổn hao Đối với tụ điện lí tưởng không có dòng qua hai tấm bản cực tức là tụ điện không tiêu thụ công suất. Nhưng thực tế vẫn có dòng từ cực này qua lớp điện môi đến cực kia của tụ điện, vì vậy trong tụ có sự tổn hao công suất. Sự tổn hao công suất này rất nhỏ và để đánh giá sự tổn hao của tụ người ta thường đo góc tổn hao (tg δ ) Để tính toán, tụ điện được đặc trưng bởi một tụ điện lý tưởng và một thuần trở mắc nối tiếp nhau (đối với tụ có tổn hao ít) hoặc mắc song song với nhau (đối với tụ có tổn hao lớn), trên cơ sở đó xác định góc tổn hao của tụ Với tụ tổn hao ít (hình 4a), dựa vào sơ đồ véc tơ ta xác định góc tổn hao như sau: R U =I.R ; C I U = ωC R C U I.R tgδ= = =RωC I U ωC và tgδ=RωC SVTH: Trần Văn Thành 10 Lớp: CNTBTH3 [...]... với thực tế như các loại điện trở sai số 5%, 10%, … hoặc mô phỏng điện trở lý tưởng SVTH: Trần Văn Thành 25 Lớp: CNTBTH3 Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung SVTH: Trần Văn Thành 26 Lớp: CNTBTH3 Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG MỘT SỐ MẠCH CẦU ĐO ĐIỆN DUNG Mô phỏng các mạch cầu là để chứng minh tính đúng đắn và xác thực của các công... Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung SVTH: Trần Văn Thành 19 Lớp: CNTBTH3 Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN ELECTRONICS WORKBENCH I.Mở đầu - Electronics Workbench là phần mềm mô phỏng mạch điện, đo đạc các mạch số và tương tự của hãng Interactive Image Technologies Đây là một phần mềm trợ giúp thiết kế các mạch số. .. Khi này mạch cầu cân bằng ứng với giá trị C X =1μF SVTH: Trần Văn Thành 27 Lớp: CNTBTH3 R3 1kΩ C1 ; C X = 1μF = 1μF R4 1kΩ Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung SVTH: Trần Văn Thành 28 Lớp: CNTBTH3 Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung Bài 2: Chomạch cầu đơn giản đo điện dung có C1 =6μF , R 3 =7kΩ , R 4 =21kΩ Tính giá trị C X để mạch cầu cân bằng và mô phỏng nó... giá trị cần tìm là: R X =800kΩ , CX =16ηF Hình mô phỏng mạch điện với các giá trị tương ứng: SVTH: Trần Văn Thành 34 Lớp: CNTBTH3 Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung Mạch xoay chiều đo điện dung tổn hao lớn Bài 1: Cho các thông số của mạch cầu: CM =1μF , R M =1kΩ , R 1 =1kΩ , R 2 =1kΩ Hãy tính giá trị điện trở R X và điện dung C X khi cầu cân bằng và mô phỏng mạch đo trong Elactronics... này mạch cầu cân bằng ứng với giá trị CX =30μF Và ta được hình mô phỏng: SVTH: Trần Văn Thành 31 Lớp: CNTBTH3 Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung Mạch xoay chiều đo điện dung tổn hao nhỏ Bài 1: Cho các giá trị C M =6μF , R M =8kΩ , R 1 =5kΩ , R 2 =10kΩ Tìm các giá trị R X , CX để cầu đo cân bằng và mô phỏng mạch đo trong Elactronics Workbench Theo công thức tính điện trở và điện. .. Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung Cân bằng phần thực và phần ảo ta có: R 2 R1 = RM RX Suy ra R X = R1 RM R2 R 2 jC M =R 1 jωC X Suy ra CX = R2 CM R1 Suy ra góc tổn hao của tụ trong cầu đo này là: tgδ= 1 ωR M C M = 1 ωR X CX Cầu Schering đo điện dung Hình 8: Cầu Schering đo điện dung nhỏ Cầu Schering là một loại cầu xoay chiều để đó điện dung và tổn hao điện môi của cách điện trong... thực và phần ảo ta được: SVTH: Trần Văn Thành 16 Lớp: CNTBTH3 Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung RX = C3 R4 C1 R4 1 = jωC1 R3 jωC X Suy ra CX = R3 C1 R4 Cầu Grover đo điện dung Hình 9: Mạch cầu Grover đo điện dung Mạch cầu này có 4 nhánh trong đó: có 2 nhánh là Z 2, Z3 có điện trở R nối tiếp với cuộn dây L; 2 nhánh còn lại là Z 1và Z4 có điện trở R mắc nối tiếp với tụ điện C Điện. .. tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung δ : là góc tổn hao của tụ điện được tạo bởi véc tơ U và véc tơ U C Với tụ tổn hao lớn (hình 4b), dựa vào sơ đồ ta xác định góc tổn hao như sau: IR = U R IC =UωC δ : là góc tổn hao của tụ điện được tạo bởi véc tơ I và véc tơ IC Từ đó ta có: U IR 1 tgδ= = R = IC UωC RωC tgδ= 1 RωC Các mạch cầu đo điện dung 1 Mạch cầu đơn giản đo điện dung Hình 5: Mạch. .. minh được ta có: CX = R3 C1 R4 CX = 7kΩ 6μF = 2μF 21kΩ Khi này mạch cầu cân bằng ứng với giá trị CX =2μF Và ta được hình mô phỏng: SVTH: Trần Văn Thành 29 Lớp: CNTBTH3 Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung Bài 3: Cho mạch cầu đơn giản đo điện dung có C1 =20μF , R 3 =8kΩ , R 4 =5kΩ Tính giá trị CX để mạch cầu cân bằng và mô phỏng nó trong Electronics Workbench Áp dụng công thức đã chứng... được ta có: CX = R3 C1 R4 CX = 8kΩ 20μF = 32μF 5kΩ Khi này mạch cầu cân bằng ứng với giá trị CX =32μF Và ta được hình mô phỏng: SVTH: Trần Văn Thành 30 Lớp: CNTBTH3 Đề tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung Bài 4: Cho mạch cầu đơn giản đo điện dung có C1 =12μF , R 3 =15kΩ , R 4 =6kΩ Tính giá trị CX để mạch cầu cân bằng và mô phỏng nó trong Electronics Workbench Áp dụng công thức đã . tài: Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung Mạch xoay chiều đo điện dung tổn hao nhỏ 32 Mạch xoay chiều đo điện dung tổn hao lớn 35 Mạch Schering đo điện dung 41 Mạch Grover đo điện dung. mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT ĐIỆN DUNG VÀ CÁC MẠCH CẦU ĐO ĐIỆN DUNG Các khái niệm cơ bản Điện dung Nếu đặt vào 2 bản cực dẫn điện của tụ điện một điện. tạo mạch và chạy mô phỏng 22 Giới thiệu về các dụng cụ đo mạch tương tự 23 CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG MỘT SỐ MẠCH CẦU ĐO ĐIỆN DUNG 27 1 .Mạch cầu đơn giản đo điện dung 27 Mạch xoay chiều đo điện dung