BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MÔN GIẢI TÍCH MẠCH

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ NĂM HỌC 2018-2019 -* - BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MƠN: GIẢI TÍCH MẠCH GVHD: Nguyễn Thanh Phương NHÓM : 04 LỚP : DD18BK02 – A02 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ NĂM HỌC 2018-2019 -* - BÁO CÁO THÍ NGHIỆM MƠN: GIẢI TÍCH MẠCH GVHD: Nguyễn Thanh Phương NHÓM : 04 LỚP : DD18BK02 – A02 Danh sách thành viên nhóm : MSSV Họ tên 1812412 Phạm Đăng Huy 1812560 Thái Bảo Khang 1810185 Nguyễn Phạm Huyên Điểm chấm chéo Ký tên MỤC LỤC Bài : MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU (DC) A Mục đích B Đặc điểm C Phần thí nghiệm: I Mạch chia áp II Mạch chia dịng III Giải tích mạch DC nhiều nguồn dùng nút mắt lưới IV Cầu đo Wheatstone chiều đo điện trở V Kiểm chứng nguyên lý tỉ lệ mạch DC VI Kiểm chứng nguyên lý xếp chồng mạch DC VII Sơ đồ Thevenin-Norton nguyên lý truyền công suất cực đại VIII Sơ đồ Module DC Circuits Bài : MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU (AC) A Mục đích B Đặc điểm C Phần thí nghiệm : I Giá trị thơng số mạch thí nghiệm II Đo trở kháng tụ điện III Mạch RC nối tiếp IV Đo trở kháng cuộn dây V Mạch RL nối tiếp VI Mạch RLC nối tiếp VII Mạch RC song song VIII Mạch RL song song IX Hiệu chỉnh hệ số cos nhánh X Sơ đồ Module AC Circuits Bài : ĐÁP ỨNG TẦN SỐ VÀ MẠCH CỘNG HƯỞNG A Mục đích B Đặc điểm C Phần thí nghiệm : I Giá trị thơng số mạch thí nghiệm II Mạch cộng hưởng RLC nối tiếp III Mạch cộng hưởng RLC song song IV Mạch lọc thông thấp RC V Mạch lọc thông cao RL Bài : QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ MẠCH TUYẾN TÍNH A Mục đích B Đặc điểm C Phần thí nghiệm I Thơng số mạch thí nghiệm II Mạch độ cấp I RC III Mạch độ cấp I RL IV Mạch độ cấp RC Bài : MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU (DC) A MỤC ĐÍCH: Bài thí nghiệm giúp sinh viên thực mạch điện mạch chia áp , mạch chia dòng, kiểm chứng định luật Kirchhoff khảo sát mạch tương đương Thevenin-Norton mạch điện DC Ngoài , thí nghiệm cịn giúp sinh viên so sánh kết tính tốn lý thuyết kết thí nghiệm mạch điện DC nguồn nhiều nguồn B ĐẶC ĐIỂM: Mạch điện DC tồn phần tử nguồn điện trở Nền tảng phân tích mạch điện Dc luật Ohm định luật Kirchhoff Ngoài , để tăng hiệu q trình tính tốn mạch DC , người ta dựa phép biến đổi tương đương ( chia áp , chia dòng , biến đổi nguồn,…), phân tích dùng ma trận ( nút , dòng mắt lưới ,…) hay dùng định lý đặc trưng cho mạch tuyến tính ( nguyên lý tỉ lệ , nguyên lý xếp chồng , sơ đồ tương đương Thevenin-Norton…) C PHẦN THÍ NGHIỆM: I Mạch chia áp: a Thực mạch chia áp tính tốn áp trở - Yêu cầu : Lắp mạch chia áp hình 1.2.1.1 Điều chỉnh nguồn DC để giá trị điện áp u bảng số liệu Dùng DC volt kế đo u1 , u2 , u3 tính tốn giá trị theo lý thuyết Tính tốn sai số đo Hình 1.2.1.1: Mạch chia áp - Tính theo lý thuyết : *Đối với u(V)=5(V) *Đối với u(V)=12(V): - 𝑔𝑖á 𝑡𝑟ị đú𝑛𝑔−𝑔𝑖á 𝑡𝑟ị đ𝑜 | Tính sai số: %sai số = || | 100% 𝑔𝑖á 𝑡𝑟ị đ𝑜 *Đối với u(V) = 5(V) *Đối với u(V) = 12(V) Bảng Số Liệu : u(V) u1 Tính u2 Đo %sai số Tính u3 Đo %sai số Tính Đo %sai số 0,88 0,8658 1,614% 1,88 1,8567 1,240% 2,24 2,2111 1,291% 12 2,112 2,1007 0,535% 4,512 4,506 0,133% 5,376 5,365 0,205% b Kiểm chứng luật Kirchoff điện áp: - Theo Kirchoff Voltage Law, ta có u = ∑u = u1+u2+u3 Tính ∑u từ số liệu đo sai số *Khi u(V)=5(V): ∑u = u1+u2+u3 = 0,8658+1,8567+2,2111 = 4,9336(V) Sai số : *Khi u(V)=12(V): ∑u = u1+u2+u3 = 2,1007+4,506+5,365 = 11,9717(V) Sai số : Bảng Số Liệu : u(V) ∑uk %sai số 4,9336 1,328% 12 11,9717 0,236% c Thiết kế mạch chia áp DC : 🞡 🞡 - Thiết kế mạch DC gồm điện trở R1 R2 nối yêu cầu ban đầu: R2 có áp vào 5(V) , áp 2(V) Dòng mạch phải bé 10mA Mạch thiết kế sau : Chọn R1 = 4,7kΩ , R2 = 3,245kΩ => Kết đo áp u2 = 2,002(V) , dòng mạch 0,629(mA) < 10(mA) d Ứng dụng mạch chia áp : + Ứng dụng : Đo nội trở Rs Thực mạch thí nghiệm hình 1.2.1.2.Trước hết chưa nối VR vơ mạch , chỉnh máy phát song có tín hiệu output 2Vrms , f = 1kHz Nối VR vào mạch , tăng dần từ 10Ω áp hiệu dụng output 1Vrms Theo nguyên lý chia áp , giá trị VR giá trị Rs Hình 1.2.1.2: Mạch đo nội trở máy phát sóng hộp TN Giá trị Rs (đo ) = 51Ω + Ứng dụng 2: Đo điện trở vào Rin mạch hình 1.2.1.3 Đưa tín hiệu output vào CH1 , tín hiệu nút a vào CH2 dao động ký Chỉnh tăng VR từ giá trị 100Ω Cho đến tín hiệu a có biên độ ½ biên độ output giá trị VR giá trị Rin mạch Hình 1.2.1.3: Mạch đo điện trở vào Rin mạch điện - Tính theo giá trị điện trở : => Giá trị Rin (đo ) = 1180Ω Giá trị Rin ( tính theo giá trị điện trở ) = 1,182kΩ = 1182Ω II Mạch chia dòng a Thực mạch chia dịng tính dịng qua trở : - u cầu : Thực mạch chia dịng hình 1.2.2.1 Thay đổi giá trị u nguồn bảng số liệu Dùng Ampe kế đo giá trị I1, I2, I3 tính tốn I2 , I3 theo lý thuyết Tính tốn sai số đo Hình 1.2.2.1: Mạch chia dòng I1 = 1,041(mA) (khi u=5V) I1 = 2,527(mA) (khi u=12V) - Tính theo lý thuyết : *Khi u(V) = 5(V): *Khi u(V) = 12(V): + Thiết kế lọc thơng thấp , dùng mạch R-C, có tần số cắt fc = 1,7 Khz Giá trị R Uin(V) Uout (V) 20log(Uout/Uin) fc đo lại % sai số 1600 1.41 -3.03 1.69 0.588% V Mạch lọc thông cao RL: + Thực mạch thí nghiệm Hình 1.4.4 Hình 1.4.4: Mạch lọc thơng cao RL + Chỉnh máy phát sóng sin để biên độ Uin có giá trị khoảng V, tần số thay đổi từ 100 Hz đến 100 kHz + fc = 4545.45 Hz Tần số 100Hz 1kHz 10kHz 100kHz fc Uin (V) 2 2 Uout (V) 0.45 0.875 1.75 1.76 1.4 20log(Uout/Uin) -12.95 -7.18 -1.16 -1.11 -3.1 φ(deg) 14.4o 36 1.09 7.2 57.3 + Vẽ đặc tuyến biên độ logarithm đặc tuyến pha mạch lọc + Vẽ đặc tuyến biên độ pha theo thông số mạch dùng Bode plot + Thiết kế lọc thông cao , dùng mạch R-L, có tần số cắt fc = Khz Giá trị R Uin(V) Uout (V) 20log(Uout/Uin) fc đo % sai số 3140 1.42 -2.975 5.02 0.4% D DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM: - Hộp thí nghiệm Module thí nghiệm số - Dao động ký , DMM cầu đo RLC - Dây nối Bài : QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ MẠCH TUYẾN TÍNH A MỤC ĐÍCH : Bài thí nghiệm giúp sinh viên hiểu số đặc tính độ mạch tuyến tính, gồm mạch: RC; RL mạch RLC Thơng qua đặc tính này, sinh viên kiểm nghiệm phương pháp phân tích mạch độ học phần lý thuyết, hiểu thêm số trình vật lý xảy mạch độ thực tế B ĐẶC ĐIỂM : Quá trình độ trình xuất mạch chuyển từ chế độ xác lập sang chế độ xác lập khác (xem thêm lý thuyết phân tích mạch miền thời gian: chương – giáo trình Mạch Điện II) Thơng thường thời gian q độ ngắn nên để quan sát trình độ người ta sử dụng nguồn kích thích chu kỳ có biên độ biến thiên đột ngột (đóng mở theo chu kỳ đủ lớn cho phép theo dõi trình độ diễn mạch) C PHẦN THÍ NGHIỆM : I Thơng số mạch thí nghiệm: Thơng số mạch thí nghiệm cho bảng sau, RL điện trở mơ hình nối tiếp cuộn dây Phần tử Giá trị danh định L 100 mH RL 300 Ω C1st 0,047 µF (473) C2nd 0,1 µF (104) C3rd 0,01 µF (103) R0 100 Ω Rss 2,2 kΩ II Mạch độ cấp I RC: a) CHỈNH DẠNG SÓNG VÀO MẠCH: Thực mạch thí nghiệm Hình 1.5.1 Dùng dao động ký, quan sát dạng xung vuông từ nguồn xung hộp thí nghiệm Chỉnh máy phát xung vng lưỡng cực đối xứng (duty cycle = 50), biên độ 2V, tần số 500 Hz (nếu chọn Time/div = 0.5 ms chỉnh nút Fre để tín hiệu có chu kỳ ơ) Ghi lại dạng sóng khảo sát độ uab(t) Hình 1.5.1: Chỉnh dạng xung tác động b) Quan sát dạng tín hiệu áp tụ dùng mạch Hình 1.5.2 Ghi nhận lại dạng sóng uc dao động ký ứng với VR1 = kΩ (chọn giá trị cho VR) Hình 1.5.2: Quan sát dạng áp tụ c) Quan sát dạng tín hiệu dịng điện qua tụ dùng mạch Hình 1.5.3 Ghi nhận lại dạng sóng ic(t) dao động ký ứng với VR1 = kΩ Lưu ý giá trị dịng điện tính thơng qua áp R0 KIỂM CHỨNG TÍNH TỐN LÝ THUYẾT: Giả sử trình uab = –2V xác lập Tại t = 0, uab thay đổi từ –2V đến 2V: Dùng tích phân kinh điển hay tốn tử Laplace, cho biết dạng áp tụ dòng qua tụ mạch độ cấp I RC t > có biểu thức: uc(t) = – 4.e-10132t (V) ic(t) = 2.10-3.e-10132t (A) Hình 1.5.3: Quan sát dạng dòng điện qua tụ d) ĐO HẰNG SỐ THỜI GIAN CỦA MẠCH QUÁ ĐỘ CẤP I RC: Thời mạch độ cấp I RC xác định theo cơng thức: τc [s] = R[Ω].C[F] Đại lượng đo dùng mạch thí nghiệm Hình 1.5.2 Thế t = τc vào biểu thức phần c) cho ta giá trị ic(τc), giúp ta đọc τc dựa vào dạng sóng ic(t) hình dao động ký (bằng số theo chiều ngang giá trị nút chỉnh Time/div, nhớ chỉnh biến trở VAR CAL) Hoàn thành bảng số liệu sau ứng với VR1 = kΩ VR2 = kΩ uab ( thay đổi) -2V → 2V τc tính toán (ms) ic(τc) (mA) τc đo (ms) VR1 VR2 VR1 VR2 VR1 VR2 0,0987 0,1927 0,7358 0,2836 0,1020 0,1975 III Mạch độ cấp I RL: a) CHỈNH DẠNG SĨNG VÀO MẠCH: Thực mạch thí nghiệm Hình 1.5.4 Dùng dao động ký, quan sát dạng xung vuông từ nguồn xung hộp thí nghiệm Chỉnh máy phát xung vuông lưỡng cực đối xứng (duty cycle = 50), biên độ 2V, tần số 500 Hz (nếu chọn Time/div = 0.5 ms chỉnh nút Fre để tín hiệu có chu kỳ ơ) Ghi lại dạng sóng khảo sát độ uab(t) Hình 1.5.4: Chỉnh dạng sóng thí nghiệm b) Quan sát dạng tín hiệu áp cuộn dây dùng mạch Hình 1.5.5 Ghi nhận lại dạng sóng dao động ký ứng với VR3 = 100 Ω Hình 1.5.5: Quan sát dạng áp cuộn dây c) Quan sát dạng tín hiệu dịng điện qua cuộn dây dùng mạch Hình 1.5.6 Ghi nhận lại dạng sóng dao động ký ứng với VR3 = 100 Ω Hình 1.5.6: Quan sát dạng dịng điện qua cuộn dây KIỂM CHỨNG TÍNH TỐN LÝ THUYẾT: Giả sử trình uab = –2V xác lập Tại t = 0, uab thay đổi từ –2V đến 2V: Dùng tích phân kinh điển hay tốn tử Laplace, cho biết dạng áp dòng cuộn dây mạch độ cấp I R-L t > có biểu thức: uL(t) = 1,2 + 1,6.e-5000t (V) iL(t) = 4.10-3.(1 – 2e-5000t) (A) d) ĐO HẰNG SỐ THỜI GIAN CỦA MẠCH QUÁ ĐỘ CẤP I RL: Thời mạch độ cấp I RL xác định theo công thức : τL [s] = L[H]/R[Ω] Đại lượng đo dùng mạch thí nghiệm Hình 1.5.6 Thế t = τL vào biểu thức phần c) cho ta giá trị iL (τL), giúp ta đọc τL dựa vào dạng sóng iL(t) hình dao động ký (bằng số theo chiều ngang giá trị nút chỉnh Time/div, nhớ chỉnh biến trở VAR CAL) Hoàn thành bảng số liệu sau ứng với VR3 = 100 Ω VR4 = 400 Ω uab ( thay đổi) -2V → 2V τL tính toán (ms) iL(τL) (mA) τL đo (ms) VR1 VR2 VR1 VR2 VR1 VR2 1,0000 0,1250 3,9460 –0,2821 0,9886 0,1387 IV Mạch độ cấp II RLC: a) CHỈNH DẠNG SĨNG VÀO MẠCH: Thực mạch thí nghiệm Hình 1.5.7 Dùng dao động ký, quan sát dạng xung vuông từ nguồn xung hộp thí nghiệm Chỉnh máy phát xung vuông lưỡng cực đối xứng (duty cycle = 50), biên độ V, tần số 500 Hz (nếu chọn Time/div = 0.5 ms chỉnh nút Fre để tín hiệu có chu kỳ ơ) Ghi lại dạng sóng khảo sát q độ uab(t) Hình 1.5.7: Chỉnh dạng sóng vào mạch b) ĐO ĐIỆN TRỞ TỚI HẠN CỦA MẠCH QUÁ ĐỘ CẤP II: Dùng mạch thí nghiệm Hình 1.5.8 Từ giá trị VR = 500 Ω, tăng từ từ VR (mỗi bước 100Ω, chỉnh tinh dùng biến trở 10 Ω) quan sát tín hiệu uc(t) dao động ký đạt chế độ tới hạn Ghi số liệu Hình 1.5.8: Đo điện trở tới hạn Hình 1.5.9: Quan sát dạng dịng điện qua tụ (Cơng thức lý thuyết tính điện trở tới hạn : Rth = 𝐿/𝐶 ) Rth tính theo lý thuyết Rth đo % sai số 2917 (Ω) 3000 (Ω) 2,8454 % c) Quan sát dạng tín hiệu áp tụ điện dùng mạch Hình 1.5.8 Quan sát dạng tín hiệu dịng qua tụ điện dùng mạch Hình 1.5.9 Cho biết mạch độ làm việc chế độ ghi nhận lại dạng sóng dao động ký ứng với chế độ TH1) VR = 500 Ω: ⮚ Mạch độ chế độ: DAO ĐỘNG ⮚ Dạng áp tụ đo được: ⮚ Dạng dòng qua tụ đo được: TH2) VR = Rth – 400 Ω: ⮚ Mạch độ chế độ: TỚI HẠN ⮚ Dạng áp tụ đo được: ⮚ Dạng dòng qua tụ đo được: TH3) VR = kΩ: ⮚ Mạch độ chế độ: DAO ĐỘNG ⮚ Dạng áp tụ đo được: ⮚ Dạng dịng qua tụ đo được: d) KIỂM CHỨNG TÍNH TỐN LÝ THUYẾT: Giả sử q trình uab = –2V xác lập Tại t = 0, uab thay đổi từ –2V đến 2V: Dùng tích phân kinh điển hay tốn tử Laplace, cho biết dạng điện áp dịng qua tụ điện mạch độ cấp II RLC t > có biểu thức: TH1) Mạch chế độ DAO ĐỘNG: uL(t) = + e-4500t(–1,30.sin13875t – 4,00.cos13875t) (V) iL(t) = 0,03.sin13875t.e-4500t (A) TH2) Mạch chế độ TỚI HẠN: uL(t) = – 58344t.e-14586,41t – 4.e-14586,41t (V) iL(t) = 2,74.10-3.e-14586,41t (A) TH3) Mạch chế độ DAO ĐỘNG: UL(t) = – 4,67.e-5532,78t + 0,67.e-38469,23t (V) iL(t) = 1,2.10-3.(e-5532,78t – e-38469,23t) (A) e) XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHO CHẾ ĐỘ DAO ĐỘNG: Theo kết phần d), mạch độ cấp II chế độ dao động, phương trình đặc trưng mạch có dạng: s2 + 𝑅.𝑠 𝐿 + 𝐿.𝐶 = s2 + 2.α.s + ωo2 với nghiệm phức: s1,2 = − = − α ± jβ Dòng điện qua tụ có biểu thức: ic(t) = hình 1.5.10 𝑅 2𝐿 ±j 𝑜 𝑅 − ( 2𝐿 ) −α𝑡 4𝑒 β𝐿 sin(βt) dạng tín hiệu dịng Hình 1.5.10: Dạng dòng qua tụ chế độ dao động Ta có: T = 2π β 𝑇1 -4 = 3,2.10 𝑇2 π αβ = 𝑒 = 3,2 Đọc giá trị T I1, I2 hình dao động ký ứng với VR = 500 Ω Từ suy α β So sánh giá trị tính theo thơng số mạch ? Giá trị đo Giá trị tính α 4652,67 4500,00 β 12666,15 13875,01 f) ĐO R TỚI HẠN CỦA MẠCH QUÁ ĐỘ CẤP II RLC SONG SONG: Dùng mạch thí nghiệm Hình 1.5.11 Từ giá trị VR = 100 Ω, tăng từ từ VR (mỗi bước 100Ω, chỉnh tinh dùng biến trở 10Ω) quan sát tín hiệu uout(t) mạch song song dao động ký đạt chế độ tới hạn Ghi số liệu Cho biết giá trị tính theo thơng số mạch ? Hình 1.5.11: Đo Rth mạch cấp II RLC song song → Rth = 3000 Ω D DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM: ⮚ ⮚ ⮚ ⮚ ⮚ Hộp thí nghiệm Module thí nghiệm số Dao động ký DMM cầu đo RLC Dây nối