Thực hành phân tích mạch DC - AC

Thực hành phân tích mạch DC - AC

THỰC HÀNH

PHÂN TÍCH MẠCH DC-AC

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP 4

KHOA ĐIỆN TỬ – TỰ ĐỘNG HÓA

Biên soạn

ThS NGUYỄN CHƯƠNG ĐỈNH

Lưu hành nội bộ2004

HỆ TRUNG CẤP ĐIỆN TỬ

LỜI NÓI ĐẦU

Phân tích mạch DC – AC là môn học cơ sở nhằm cung cấp cho các sinh viên ngành Điện - Điện tử phương pháp phân tích tổng hợp mạch là cơ sở để thiết kế hệ thống Điện - Điện tử

Nhằm giúp sinh viên hiểu rõ thêm về lý thuyết, giáo trình thực hành Phân tích mạch DC – AC hướng dẫn cho sinh viên sử dụng phầm mềm mô phỏng để giải mạch và kiểm chứng các định luật đã học Trong chương trình sử dụng phần mềm Electronic Workbench 5.12 để mô phỏng mạch điện do tính chất trực quan và dễ sử dụng Sinh viên nên mô phỏng tất cả các bài tập có trong tập sách này và các bài tập trong giáo trình lý thuyết để có thể nắm vững về phân tích mạch điện Giáo trình gồm 30 tiết, chia làm 6 bài

Bài 1 Chương trình Electronic Workbench Bài 2 Khảo sát định luật Kichhoff

Bài 3 Nguyên lý xếp chồng

Bài 4 Mạch tương đương Thevenin và Norton Bài 5 Cộng hưởng trong mạch R – L – C Bài 6 Kiểm tra

Mong rằng các sinh viên viên đạt nhiều kết quả sau quá trình thực hành

1.2 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH 1.2.1 Chạy chương trình

Khởi động chương trình Electronics Workbench bằng cách chọn Start ( Program → Electronics Workbench →Electronics Workbench

Sau đó cửa sổ màn hình thiết kế của chương trình xuất hiện với đầy đủ các menu, thanh công cụ hỗ trợ cho việc thiết kế và mô phỏng mạch điện

Hình 1.1

Các hộp chứa linh kiện

Nút công tắc thực hiện mô phỏng

VÙNG VẼ SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN

6 THỰC HÀNH

1.2.2 Các bước mô phỏng mạch điện

Để lắp và thử một mạch điện, phải tiến hành các bước sau: 1 Lấy linh kiện từ vùng chứa linh kiện

2 Đặt linh kiện cần lấy vào đúng vị trí trong vùng làm việc 3 Đặt các giá trị linh kiện

4 Nối các linh kiện

5 Lấy các dụng cụ đo cần thiết và nối vào những điểm cần đo 6 Bật công tắc để mạch hoạt động

1.3 THỰC HÀNH

Trong phần thực hành chúng ta sẽ lắp ráp và đo thử một mạch đơn giản như sau

Hình 1.2

Tiến hành lắp ráp và thử mạch theo các bước shau

Bước 1 Khởi động chương trình Electronics Workbench bằng cách chọn Start ( Program → Electronics Workbench →Electronics Workbench

Bước 2 Chọn và lấy các linh kiện vào màn hình làm việc

Lấy điện trở: Nhấp chọn hộp công cụ Basic chứa các linh kiện thông thường như điện trở tụ điện, cuộn dây…

Hình 1.3

Nhấp chọn linh kiện điện trở nhấp chuột và kéo nó vào màn hình thiết kế Lưu ý phải nhấn và giữ phím trái chuột kéo đến vị trí cần đặt rồi thả ra Để xoay linh kiện, phải chọn nó sau đó nhấn Ctrl + R

Sau khi lấy hết các linh kiện ta có sơ đồ sắp xếp như hình sau

Hình 1.4 Bước 3 Thay đổi giá trị của linh kiện

Để thay đổi giá trị của linh kiện nhấp đúp vào nó Nhấp đúp vào điện trở, hộp thoại Resistor Properties xuất hiện, nhấp chọn thẻ Value nếu nó chưa được chọn Nhập vào giá trị mới cho điện trở trong khung Resistance (R) và chọn đơn vị trong hộp danh sách kế bên Nhấn OK để hoàn tất

Hình 1.5

Chọn thẻ Label để nhập ký hiệu cho linh kiện ví dụ R1, R2,…

Hình 1.6 Bước 4 Tiến hành nối dây cho các linh kiện

Bước 6 Bật công tắc chạy mô phỏng

Ta đọc được giá trị của điện áp trên R2 như hình 1.9

1.4 CÁC KÝ HIỆU LINH KIỆN TRONG ELECTRONIC WORKBENCH 1.4.1 Nguồn phụ thuộc

1.4.2 Các thiết bị đo a Đồng hồ đo vạn năng

Multimeter dùng để đo điện áp, dòng điện, điện trở hay suy hao giữa hai điểm của một mạch Tuỳ đại lượng cần đo là dòng, áp, điện trở hay decibel mà ta chọn chức năng tương ứng trên Multimeter Ta cũng có thể chọn tín hiệu cần đo là AC hay DC bằng các nhấn nút tương ứng (AC: ~ hay DC: –)

b.Nguồn phát sóng (function generator)

Nguồn phát sóng tạo ra các dạng sóng sin, vuông, tam giác Ta có có thể điều chỉnh được tần số, duty cycle, biên độ và mức DC của tín hiệu

c Oscilloscope

Oscilloscope được mô phỏng giống như một oscilloscope thực có hai kênh

ĐS: I1 = 5A I2 = -3A

1.5.2 Tính dòng I trong hai trường hợp

a Rab = Rbc = Rca = 3Ω

b Rab = Rca = 30Ω và Rbc = 40Ω

ĐS: a 19A ; b 3A

40 Ω 32 Ω

6 Ω 12 Ω

6 Ω 30 Ω 2 Ω

4 Ω

Rbc Rca57V

5Ω 2Ω

I

ĐS: I1 = 0.02A, I2 = 0.02A, I3 = 0.01A

1.5.4 Tìm U

ĐS: U = -3V 1.5.5 Tìm áp U0

ĐS: U0 = 4V

20Ω 0.03A

–6 Ω

2 Ω

6 Ω 5 V

+ U –3

2Ω + –

BÀI 2

KHẢO SÁT ĐỊNH LUẬT KICHHOFF

TRUYỀN CÔNG SUẤT QUA MẠNG MỘT CỬA

2.1 MỤC ĐÍCH

Sử dụng phần mềm Workbench để khảo sát hai định luật Kichhoff (K1 và K2) và đặc tính truyền công suất cực đại qua mạng một cửa

2.2 NỘI DUNG

Định luật Kichhoff bao gồm hai định luật K1 và K2

a Định luật Kirchhoff về dòng điện (Kirchhoff current law)

Định luật Kirchhoff về dòng điện hay còn gọi là định luật Kirchhoff 1 (K1)

Phát biểu: Tổng đại số các dòng điện tại một nút bất kỳ thì bằng 0

k 0

I (N: số nhánh đi vào nút)

Trong đó quy ước: Dòng đi vào thì có dấu +, dòng đi ra thì có dấu –

Định luật K1 có thể phát biểu khác như sau: Tổng các dòng điện vào một nút

bằng tổng các dòng điện ra khỏi một nút

b Định luật Kirchhoff về điện áp (Kirchhoff voltage law)

Định luật Kirchhoff về điện áp hay còn gọi là định luật Kirchhoff 2 (K2)

Phát biểu: Tổng đại số các điện áp trên các phần tử dọc theo tất cả các nhánh

2.3.1 Khảo sát định luật Kichhoff

Bước 1 Khảo sát mạch với chiều dòng điện và chiều vòng kín quy ước như hình

– – U1 +

Bước 2 Kiểm chứng định luật K1 tại nút 1

Bước 3 Dùng Multimeter đo các điện áp trong vòng I, lưu ý chiều vòng kín

Hình 2.3

Kết quả

Bước 2 Kiểm chứng định luật K2 trong vòng I

Bước 2 Tương tự, kiểm chứng định luật K2 trong vòng II 2.3.2 Truyền công suất qua mạng một cửa

Bước 1 Cho mạch điện như hình

Hình 2.4

Multimeter đo dòng điện trong mạch và tính công suất tiêu thụ trên RL

Hình 2.5

RL 1Ω 20Ω I

P

Vẽ biểu đồ công suất P theo RL

Bước 3 Lập lại bước 2 với giá trị nguồn bằng 20V

RL 1Ω 20Ω I

P

Bước 4 Cho biết giá trị của RL mà tại đó công suất tiêu thụ trên RL đạt cực đại

Bước 5 Kiểm chứng lại bằng lý thuyết theo lý thuyết 2.4 BÀI TẬP TỰ THỰC HÀNH

2.4.1 Kiểm chứng định luật Kichhoff trong mạch sau

12Ω 3Ω

4Ω 12Ω

4Ω +

Uo –

4Ix Ix

6A

R1

Như vậy, một mạch bất kỳ có N nguồn kích thích độc lập Một đáp ứng Xk sẽ được tính

= N

X• đáp ứng của mạch khi kích thích là Fi các kích thích khác cho bằng 0

Đáp ứng tạo bởi nhiều nguồn kích thích tác động đồng thời thì bằng tổng các đáp ứng tạo bởi mỗi nguồn kích thích tác động riêng rẽ

3.3 THỰC HÀNH

Cho mạch như hình 3.1 Tìm I bằng phương pháp xếp chồng

Bước 1: Mắc mạch như hình, dùng Multimeter đo dòng I

Hình 3.2

4Ω 2Ω

Hình 3.1

6A

18V I

18 THỰC HÀNH Kết quả

+ V

–

2I1

Hình 3.5

I1

5V1A

BÀI 4

MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG THEVENIN VÀ NORTON

4.1 MỤC ĐÍCH

Dùng phần mềm Electronic Workbench để xác định sơ đồ tương đương Thevenin – Norton của mạch điện

4.2 NỘI DUNG

Định lý Thevenin: Một mạng một cửa bất kỳ có thể thay thế tương đương bởi

một mạch gồm có một nguồn áp có giá trị bằng điện áp hở mạch mắc nối tiếp với một trở kháng ZTĐ

Định lý Norton: Một mạng một cửa bất kỳ có thể thay thế tương đương bởi một

mạch gồm có một nguồn dòng có giá trị bằng dòng điện trên cửa khi ngắn mạch mắc nối tiếp với một trở kháng ZTĐ

Trở kháng ZTĐ chính là trở kháng nhìn vào hai cực của mạng một cửa khi cho các nguồn độc lập bằng 0

Nguồn áp = 0 : ngắn mạch Nguồn dòng = 0: hở mạch

B

Hình 3.2 Mạch tương đương Norton

22 THỰC HÀNH

Kích thích ở cửa A, B một nguồn áp như hình 3.18a (giá trị Ėt có thể chọn tuỳ ý, ví dụ Ėt = 1V) Xác định dòng İt chảy vào mạch từ nguồn Ėt Suy ra ZTĐ =

Cũng có thể kích thích ở cửa A, B một nguồn dòng J•t như hình 3.18b (giá trị J•t

có thể chọn tuỳ ý, ví dụ J•t = 1A) Xác định điện áp Ůt, từ đó suy ra ZTĐ =

Cách 2: Lần lượt hở mạch và ngắn mạch hai cực A, B để xác định điện áp Ůhm

và dòng điện İnm Từ đó suy ra ZTĐ =

Cách 3 Trường hợp mạch không chứa nguồn phụ thuộc nào ta tính ZTĐ bằng các triệt tiêu tất cả các nguồn độc lập trong mạch, sau đó tính ZTĐ nhìn vào hai cực A, B bằng các phép biến đổi tương đương

4.3 THỰC HÀNH

Cho mạch như hình vẽ, kiểm chứng sơ đồ tương đương Thevenin và Norton

Bước 1 Mắc mạch đo UAB và dòng IL, lưu ý để đo áp ta mắc máy đo song song với tải và để đo dòng ta mắc máy đo nối tiếp với tải

Mạng một cửa (Triệt tiêu tất cả

các nguồn độc lập)

Mạng một cửa (Triệt tiêu tất cả

các nguồn độc lập)

ZTĐ =

12V

Hình 3.4

RL

Hình 3.5

Hình 3.6

Kết quả

UAB = IL =

24 THỰC HÀNH

Bước 4 Cho tất các nguồn độc lập bằng 0 (ngắn mạch nguồn áp hở mạch nguồn

dòng), dùng multimeter ở thang đo Ω để đo ZTĐ

Hình 3.9

Kết quả

ZTĐ =

Bước 5 Kiểm chứng mạch tương đương Thevenin

Xây dựng mạch tương tương Thevenin và gắn thêm điện trở tải, dùng Multimeter đo dòng và áp trên tải

Kết quả

UAB = IL =

So sánh với giá trị đo ở bước 1

Bước 6 Kiểm chứng mạch tương đương Norton

Xây dựng mạch tương tương Thevenin và gắn thêm điện trở tải, dùng Multimeter đo dòng và áp trên tải

Kết quả

UAB = IL =

So sánh với giá trị đo ở bước 1

Hình 3.12

4Ω

R 12Ω

3Ω

Hình 3.13

BÀI 5

CỘNG HƯỞNG TRONG MẠCH R – L – C

5.1 MỤC ĐÍCH

Sử dụng phần mềm Workbench để khảo sát đặc tính công hưởng của mạch R–L–C nối tiếp bằng cách đo nhiều lần các giá trị điện áp ứng với các tần số khác nhau, từ đó xác định được điểm cộng hưởng của mạch

5.2 NỘI DUNG

Cộng hưởng là chế độ tại đó các thành phần điện kháng hay điện nạp sẽ triệt tiêu Ở chế độ này dòng và áp sẽ cùng pha Trong mạch R – L – C nối tiếp, khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng, áp trên cuộn cảm và trên tụ điện sẽ bằng nhau về độ lớn, nhưng nghịch pha nhau, và điện áp trên điện trở R sẽ cực đại

5.3 THỰC HÀNH

Bước 1 Mắc mạch R–L–C nối tiếp với L = 318 mH và C = 4 µH

Hình 5.1

Bước 2 Cho R = 560Ω Nguồn cung cấp cho mạch được lấy từ máy phát sóng

sin biên độ 10V Thay đổi tần số của nguồn từ 10Hz đến 10KHz (lấy khoảng 20 giá trị) Ứng với mỗi giá trị tần số, lần lượt đo điện áp trên điện trở R (hình 5.2), trên cuộn cảm L (hình 5.3) và trên tụ điện C(hình 5.4)

Hình 5.2 Đo UR

Bước 3 Cho R = 47Ω Lặp lại các phép đo trên

Tần số nguồn (f) 10Hz 10KHz UR

Bước 4 Vẽ các đặc tuyến UR, UL UC phụ thuộc vào tần số ứng với hai giá trị điện trở trên

Bước 5 Cho biết tần số cộng hưởng của nhánh

Bước 6 Tại tần số công hưởng vẽ dùng Oscilloscope vẽ dạng sóng UR, UL UC