báo cáo thí nghiệm lý thuyết mạch

báo cáo thí nghiệm lý thuyết mạch

BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH 

BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH

I Lý thuyết:

1.1 Định luật Kirchhoff I (về dòng điện):

Hình 1.1: Định luật Kirchhoff về dòng Tổng đại số các dòng điện tại một nút bất kì bằng không: =0 trong đó ik(t) dòng qua nhánh k

Hoặc phát biểu dưới dạng:Tổng các dòng điện đi vào 1 nút bằng tổng dòng đi ra nút đó

1.2Định luật Kirchhoff II (về điện áp):

Hình 1.2: Định luật Kirchhoff về áp Tổng đại số các điện áp trên các phần tử trong một vòng kín bằng không:

=0 trong đó uk(t) là giá trị điện áp trên các phần tử của vòng kín k

1.3 Phương pháp điện thế nút:

BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH 

Hình 1.3: Phương pháp điện thế nút

Phương pháp này tìm điện thế tại từng nút trong mạch:

Để phân tích mạch bằng phương pháp điện thế nút trong mạch có d nút

ta làm như sau:

1 Chọn 1 nút làm gốc =>ϕgốc =0

2 Lập hệ phương trình điện thế nút cho d-1 nút còn lại:

=

Trong đó: Ykk : là tổng dẫn nạp từ các nhánh nối đến nút k

Ykl : tổng dẫn nạp của các nhánh nối giữa nút k và l

Để phân tích mạch bằng phương pháp dòng mắt lưới có n nhánh d nút,

ta làm như sau:

Vẽ chiều dòng điện vòng Ivk cho (n-d+1) mắt lưới

Lập hệ phương trình dòng điện vòng cho (n-d+1) mắt lưới

=

Với L=n-d+1 Zii là tổng trở kháng của các nhánh thuộc vòng i

Zij là tổng trở kháng của các nhánh chung giữa 2 vòng i và j

Ivi là dòng điện vòng i

Evi là nguồn (sức điện động) của vòng i

BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH 

Giải hệ phương trình trên ta tìm được giá trị của dòng Ivi Từ đó ta suy

ra giá trị các đại lượng còn lại của mạch

1.5Phương pháp xếp chồng:

Hình 1.5: Phương pháp xếp chồng Đáp ứng tạo bởi nhiều nguồn kích thích tác động đồng thời bằng tổng các đáp ứng tạo bởi mỗi nguồn kích thích tác động riêng rẽ

Để phân tích mạch bằng phương pháp xếp chồng ta làm như sau:

Cho mỗi nguồn kích thích làm việc riêng rẽ Các nguồn không làm việc

ta đối xử như sau: nguồn áp thì ngắn mạch, nguồn dòng thì hở mạch Tìm đáp ứng của riêng nguồn kích thích đó

Tổng cộng các đáp ứng của mạch do các nguồn kích thích riêng rẽ gây

Định lý Thevenin:

BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH 

Hình 1.7: Mô hình mạch Thevenin

Có thể thay tương đương một mạng một cửa tuyến tính bởi một nguồn điện áp bằng điện áp trên cửa khi hở mạch mắc nối tiếp với trở kháng Thevenin của mạng một cửa

Định lý Norton:

Hình 1.8: Mô hình mạch Norton

Có thể thay tương đương một mạng một cửa tuyến tính bởi một nguồn dòng điện bằng dòng điện trên cửa khi ngắn mạch mắc song song với trở kháng Thevenin của mạng một cửa

™ Cách xác định trở kháng Zth: -Trường hợp 1:Phần mạch A không chứa nguồn phụ thuộc triệt tiêu các nguồn độc lập với quy tắc (ngắn mạch nguồn áp và hở mạch nguồn dòng) rồi dùng phép biến đổi tương đương tính ra Zth

-Trường hợp 2:Phần mạch A có chứa nguồn phụ thuộc ta có 2 cách tìm

Hoặc kích thích ở cửa ab một nguồn dòng J có giá trị tùy ý, xác định giá trị điện áp U trên cửa ab suy ra Zth = U/J

BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH 

a Dùng VOM đo và ghi lại giá trị điện áp của nguồn

b Dựa vào vòng màu trên điên trở xác định giá trị của R1 và R2

c Dựa vào công thức cho sẵn hãy hoàn tất bảng dưới:

Bảng 1.1

IR1= IR2= IT=IR1+IR2

IR1 IR2 IT

MAX NOM MIN

MAX NOM MIN

MAX NOM MIN

d Dùng VOM đo và ghi lại giá trị IR1, IR2, IT

e So sánh kết quả đo được và kết quả tính toán.Nhận xét

f Hãy giải thích mối quan hệ giữa các dòng trong KCL

BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH 

a Đo giá trị điện áp nguồn và ghi lại

b Dùng VOM đo và ghi lại giá trị dòng điện tổng của mạch

c Dựa vào hình vẽ xác định điện trở nào mà dòng điện tổng đi qua

d Dựa vào định luật Ohm tính điện áp qua các điện trở này

e Từ các bước thực hiện ở trên suy ra giá trị điện áp trên R2

f Kiểm tra lại bằng cách dùng VOM đo giá trị điện áp trên R1 và R3 sau đó áp dụng KVL để tính R2

g Nếu áp VR3 tăng thì lúc đó giá trị điện áp trên R1 và R2 thay đổi như thế nào?

h Tính dòng điện tổng bằng định luật Kirchhoff

BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH 

i Áp dụng công thức chia dòng suy ra dòng điện chạy qua R2 và R6

j Với dòng nhánh có được áp dụng định luật Ohm suy ra điện áp rơi trên các điện trở R4, R5, R6

k Dùng KVL kiểm tra lại tổng điện áp trên R4, R5, R6 có bằng điện áp trên R2 không Nhận xét

2.4 Ứng dụng định luật Kirchhoff với 2 nguồn độc lập:

Mắc mạch như hình 1.12 (Trên khối Kirchhoff Solution With 2 Sources):

Hình 1.12: Mạch Kirchhoff với 2 nguồn độc lập

a Dùng VOM đo và chỉnh 2 nguồn độc lập về giá trị: 10V

b Viết phương trình mô tả mối quan hệ của VS1, R1 và R3

c Tương tự tìm phương trình mô tả mối quan hệ của VS2, R2, R3

d Dùng VOM đo giá trị điện áp trên các điện trở Ghi lại giá trị đó lên hình 1.13 và chỉ rõ chiều dòng điện

Hình 1.13

e Dựa vào vòng màu trên các điện trở suy ra giá trị của nó

f Dùng các định luật Kirchhoff (phương pháp dòng nhánh) xác định dòng điện đi qua các điện trở

g Với sơ đồ mạch như hình 1.13 thì thành phần nào khi ta xác định được sẽ giải quyết được cả mô hình mạch

h Theo bạn điện áp tại nút 1trên hình 1.13 là (-) hay (+)so với đất

i Với giá trị điện áp trên R3 ở câu trên suy ra điện áp và dòng điện trên các thành phần mạch còn lại

BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH 

j So sánh kết quả tính toán với kết qua đo được về dòng điện và điện áp.Nhận xét

k Dùng VOM chỉnh lại giá trị điện áp của 2 nguồn độc lập là : 5V

l Viết công thức 2 dòng điện vòng như hình 1.14

Hình 1.14

m Tính giá trị của các dòng điện vòng => Chiều dòng điện, điện áp trên R3 => Giá trị IR3 và VR3

n Đo điện áp trên R3 và so sánh với kết quả ở câu m.Nhận xét

o Với các dữ liệu đã có ở trên ta đã có thể xác định được điện áp trên R1 và R2 chưa?

p So với phương pháp dòng nhánh thì phương pháp dòng vòng có ưu điểm gì hơn?

b Dựa vào vòng màu xác định giá trị điện trở R1, R2, R3

c Tính và ghi lại các giá trị điện trở R3//R1, R3//R2

d Dùng phương pháp xếp chồng tính giá trị điện áp trên R1, R2, R3

BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH 

e Ngắn mạch nguồn VS2 Đo VA (với VA là đáp ứng của R3 tác động bởi nguồn VS1).Ghi lại giá trị vào hình 1.15

f Bỏ ngắn mạch nguồn VS2 và ngắn mạch nguồn VS1 Đo VB (với VB

là đáp ứng của R3 tác động bởi nguồn VS2).Ghi lại giá trị vào hình 1.15

g Với kết quả của 2 bước trên => VR3

h Đo trực tiếp điện áp trên R1, R2, R3 Nhận xét kết quả tính toán lý thuyết với kết quả đo trực tiếp và kết quả đo theo phương pháp xếp chồng

c Tính độ dẫn điện của mỗi điện trở

d Dùng VOM đo điện áp R3 Nhận xét giá trị đo được với giá trị tính toán

BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH 

d Tính và ghi lại giá trị của VTH

e Ráp mạch và dùng VOM để đo áp VTH, xác định chiều của áp

VTH.So sánh kết quả với câu d và nhận xét

f Tính và ghi lại giá trị dòng qua tải và điện áp tải

g Đo điện áp rơi trên tải R3 So sánh với kết quả tính toán dùng mô hình mạch Thevenin

h Nhận xét giá trị đo được và giá trị tính toán khi áp dụng mô hình mạch Thevenin và khi không áp dụng phương pháp Thevenin có sự khác biệt không và tại sao?

d Ráp mạch đo giá trị RTH và so sánh với kết quả câu c

e Tính và ghi lại giá trị VTH

f Ráp mạch đo nguồn VTH và so sánh với kết quả câu e

g Lắp thêm tải R3 vào mạch Tính dòng qua tải R3

h Đo điện áp trên tải R3 =>dòng điện qua tải R3.So sánh với kết quả tính toán bằng phương pháp Thevenin

2.6.2 Phương pháp Thevenin đối với mạch cầu:

Lắp mạch như hình1.19 (Trên khối Thevenin a bridge circuit):

BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH 

Hình 1.19: Mạch cầu

a Xác định nhánh tải trong mô hình mạch cầu

b Giá trị RTH này ở bên ngõ vào hay ngõ ra của mạch cầu

c Tính và ghi lại giá trị RTH

d Ngắn mạch nguồn áp, dùng VOM đo giá trị RTH So sánh kết quả đo với giá trị lý thuyết Nhận xét

e Nếu ta tính RTH tại 2 đầu A&C của mạch cầu thì kết quả có thay đổi không?

f So sánh giá trị RTH ta tính được ở trên và giải thích tại sao giá trị RTH

bị thay đổi?

Lắp mạch như hình 1.20:

Hình 1.20: Mạch cầu với nguồn

a Thành phần nào của mạch sẽ bị thay bởi mô hình Thevenin

b Để tính nguồn VTH thì ta phải gỡ điện trở nào ra?

c Áp dụng phương pháp xếp chồng để tính áp VTH

d Dựa trên các số liệu có được hoàn tất hình 1.21:

BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH 

Hình 1.21

e Đo áp 2 đầu A&B rồi so sánh với kết quả câu c

f Gắn điện trở R5 vào mạch Đo và ghi lại VR5

g Áp dụng mô hình mạch Thevenin tính giá trị điện trở tải

h Đo giá trị điện trở tải RL So sánh với kết quả câu g Nhận xét

2.6.3 Chuyển đổi mô hình mạch Thevenin /Norton:

Lắp mạch như hình 1.22 (Trên khối Thevenin/Norton Conversion):

Hình 1.22

a Chỉnh nguồn áp dương về giá trị 7.94V

b Nhìn vào hình điện áp trên 2 đầu nào đại diện cho U hở mạch? Giá trị của điện áp này là bao nhiêu?

c Đo áp hở mạch và so sánh kết quả với câu b

d Dựa vào hình trên xác định điện trở tải và tính giá trị điện áp, dòng điện đi qua nó

e Dùng VOM đo áp trên tải RL =>IRL và so sánh với kết quả tính toán

f Điều gì sẽ xảy ra khi ta ngắn mạch ngõ ra mô hình Thevenin

g Ngắn mạch ngõ ra mạch Thevenin và đo giá trị điện áp hở mạch Nhận xét

h Dựa vào các bước đã làm ở trên hãy suy ra dòng IN (Dòng IN tương đương với dòng ngắn mạch của mạch Thevenin)

i Hãy nêu mối quan hệ giữa RTH trong mạch Thevenin và RN trong mạch Norton

j Hoàn tất hình bên dưới:

Hình 1.23 Ráp mạch bên mô hình mạch Norton:

BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH 

HÌnh 1.24

a Gắn RN vào mạch

b Dựa vào kết quả tính toán ở trên => IRN và IRL trên mô hình Norton

c Suy ra điện áp VRL trên mô hình Norton

d Đo dòng không tải trên mô hình mạch Norton và so sánh với dòng ngắn mạch ở hình Thevenin

e So sánh điện áp không tải và có tải của mạch Thevenin và mạch Norton Nhận xét

f Sử dụng VOM quan sát dòng điện tổng mô hình mạch Norton.Gắn tải RL& RN vào mạch ghi lại giá trị đọc được trên VOM Tháo tải ra Dòng tổng có thay đổi không Tại sao?

g Tháo RN ra khỏi mạch Dòng tổng có thay đổi không Tại sao?

V Ôn tập và mở rộng:

Trong 3 phương pháp dòng nhánh, điện thế nút, mắt lưới thì phương

pháp nào có số phương trình nhiều nhất?

Mạch Thevenin có giải được bài toán nguồn phụ thuộc mà phần điều khiển không thuộc phần Thevenin không? Tại sao

Mạch cầu cân bằng thì có dòng điện qua nhánh ở giữa không?

BÀI 1: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH 

Phụ lục A:

Màu Giá trị Sai sốĐen 0 Nâu 1

Đỏ 2 Cam 3 Vàng 4 Lục 5 Lam 6 Tím 7 Xám 8 Trắng 9 Vàng kim 0.01 10%

Bạch kim 0.1 5%

Không màu 20%

Bảng 2.2 Bảng vòng màu điện trở

τ= RC Trong công thức trên, τ là thời gian tính theo giây, R là điện trở tính theo Ohm, C là tụ điện tính theo F Thời hằng của mạch RL phụ thuộc vào giá trị R và L (tính theo H)

τ=L/R Bởi vì điện trở thuần phản ánh tức thời sự thay đổi của điện áp và dòng điện nên thời hằng không ảnh hưởng đến mạch chỉ chứa điện trở thuần

Phương trình sau trình bày cách tính thời hằng của mạch RC

τ=RC

=10kΩ * 5µF =50 ms

Sau 5 thời hằng, điện áp đạt đến xấp xỉ 99 % giá trị tối đa của nó Tụ được xem là nạp đầy (hoặc được xả) sau 5 thời hằng Trong ví dụ này, thời gian được yêu cầu để tụ điện nạp đầy (hoặc xả hết) là:

5 τ=5 * 50 ms =250 ms

BÀI 2: KHẢO SÁT MẠCH RC, RL 

Hình 2.2 trình bày một biểu đồ thời hằng phổ biến Với sự hỗ trợ của biểu đồ này, ta

có thể xác định lượng điện áp hoặc dòng điện qua một tụ điện hoặc một cuộn dây với thời gian cho trước nếu biết được thời hằng Các đường cong nạp và xả là bằng nhau

và đối nhau, điều này chỉ ra rằng một tụ điện hoặc một cuộn cảm nạp và xả với cùng một tốc độ

Hình 2.2:Biểu đồ thời hằng phổ biến

Để giải thích cách sử dụng biểu đồ thời hằng phổ biến này, tham khảo mạch RC ở hình 2.3 Giả sử tụ điện C1 đã được nạp đầy đến 10 Vdc Khi công tắc được đóng, tụ điện xả qua R1 Tụ điện xả ở tốc độ được điều khiển bởi thời hằng RC

τ=RC =50kΩ* 3µF =150 ms

BÀI 2: KHẢO SÁT MẠCH RC, RL 

Hình 2.3: Mạch RC với tụ điện ban đầu được nạp đến 10 Vdc

Bây giờ ta muốn biết điện áp qua C1 sau 450 ms (3τ) Từ biểu đồ thời hằng phổ biến

ta có thể thấy rằng điện áp qua tụ điện bằng 5 % giá trị ban đầu sau 3 thời hằng

VC1 = VA * 5%

= 10 * 0.05 = 0.5 Vdc

II.Mục đích:

Tính toán,đo thời hằng mạch RC, RL

Khảo sát ảnh hưởng của thời hằng trong mạch RC, RL

III Bài chuẩn bị:

• Khảo sát ảnh hưởng của τ trong mạch RC

• Khảo sát ảnh hưởng của τ trong mạch RL

BÀI 2: KHẢO SÁT MẠCH RC, RL 

• Kit thí nghiệm AC1 Fundamentals

2/ Thực hành:

2.1 Thời hằng RC:

Mắc mạch như hình:

Hình 2.4: Mạch RC Quan sát VR1 bằng dao động ký (mode DC) nhấn và giữ công tắc S1, điện áp VR1 tăng một cách tức thời hay có sự trì hoãn của thời hằng?

BÀI 2: KHẢO SÁT MẠCH RC, RL 

Hình 2.6: Biểu đồ thời hằng

d Tính và ghi nhận tổng thời gian nạp của tụ bằng công thức lý thuyết

e Xả hết điện tích trên C1 bằng cách nhấn S2 vài giây, dùng OSC quan sát tín hiệu trên C1, nhấn S1, đo thời gian tụ nạp đến 99% VA Nhận xét

f Dựa vào công thức lý thuyết tính và ghi nhận thời gian xả của tụ

g Nhấn S1cho đến khi tụ nạp lại đầy Nhả S1 lập tức nhấn S2, đo thời gian C1 xả đến giá trị 1% VA So sánh với kết quả câu f

h Mắc thêm tụ C2 =10uF vào mạch như hình 2.7 Tính và ghi nhận thời hằng mới của mạch Nhận xét ảnh hưởng của điện dung đối với thời hằng của mạch

Hình 2.7: Mạch RC mắc thêm tụ C2 song song với C1

BÀI 2: KHẢO SÁT MẠCH RC, RL 

i Dùng biểu đồ thời hằng xác định điện áp của C1 và C2 sau khoảng thời gian 2τ tính từ lúc VA bắt đầu cấp điện Ghi nhận kết quả

j Nhấn S2 xả hết điện trên C1 và C2 Xác định điện áp trên C1 và C2 sau thời gian 2τ bằng cách nhấn S1, nhả nó sau 2τ, đo ngay lập tức giá trị điện áp này So sánh với kết quả câu i

2.2Dạng sóng của mạch RC và RL:

Dùng mạch RC/RL WAVESHAPES mắc như hình 2.8:

Hình 2.8: Mạch RC

a Tính và ghi nhận thời hằng RC của mạch

b Dùng OSC quan sát dạng sóng trên tụ Cần bao nhiêu thời gian và thời hằng

để tụ nạp đầy

c Dùng biểu đồ thời hằng, tính điện áp Vc sau khi nó nạp được 3τ

d Đo và ghi nhận giá trị của tụ sau khi nó nạp được trong khoảng thời gian 3τ.So sánh với câu c

e Điều chỉnh OSC để thu được dạng sóng như hình 2.9, cần bao nhiêu thời hằng để tụ xả hoàn toàn

Hình 2.9

f Sử dụng biểu đồ thời hằng,tính điện áp VC sau khi nạp được 2τ

g Đo và ghi nhận VC sau khi nạp được 2τ So sánh với câu f

h Mắc mạch như hình 2.10 VGEN sóng vuông có Vpp =8Vpp, f =5kHz Quan sát điện áp trên R2, nhận xét về dạng sóng của dòng điện trong mạch

BÀI 2: KHẢO SÁT MẠCH RC, RL 

Hình 2.12

V/ Ôn tập và mở rộng:

Ghi công thức tính thời hằng τ trong mạch RC,RL

Trong mạch RC điển hình, ta mắc thêm R’ // R thì giá trị τ tăng hay giảm Tại sao

Cho xung vuông ngõ vào với tần số 5kHz mạch RC điển hình Giá trị thời hằng

τ phải như thế nào để áp ra trên R có dạng vi phân, tích phân

BÀI 3: MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG 

BÀI 3:MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG

I Lý thuyết:

1.1/ Các bộ lọc thông thấp và thông cao:

Các mạch lọc được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng và với nhiều tần số khác nhau Mục đích cơ bản của các mạch lọc là chặn (hoặc làm yếu) các tần số không mong muốn và cho các tần số mong muốn đi qua với sự suy giảm ít nhất Ta có nhiều loại mạch lọc như lọc thông thấp, thông cao, thông dải v.v… Các mạch lọc thông thấp ngăn việc truyền các tần số cao, còn các mạch lọc thông cao loại bỏ các tín hiệu tần số thấp Hình 3.1 minh họa các đường đặc tuyến truyền điển hình và lý tưởng của các bộ lọc thông cao và thông thấp Như ta thấy trên hình vẽ, một bộ lọc lý tưởng không làm suy giảm các tần số trong băng thông và chỉ làm suy giảm các tần số ngoài băng với đáp ứng lý tưởng là có biên độ suy hao về mức 0 Thực tế ta không thể có mach lọc mà có đáp ứng lý tưởng này, mặc dù cũng có một vài kiểu bộ lọc có thể có đặc tính gần lý tưởng một cách hợp lý