BÁO CÁO THỰC HÀNH Môn Mạch điện 1 Các phương pháp giải tích mạch

BÁO CÁO THỰC HÀNH Môn: Mạch điện 1 Các phương pháp giải tích mạch

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC TẾ MIỀN ĐÔNG KHOA KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

HÓA

BÁO CÁO THỰC HÀNH

Môn: Mạch điện 1

Các phương pháp giải tích mạch

Giảng viên : Phan Xuân Dũng

Nhóm 4: Lê Văn Trường Vũ 1831100011

Bài 1: Kiểm chứng định luật Kirchhoff

1 Mục Tiêu: Hoàn tất bài thí nghiệm này sinh viên có thể:

● Áp dụng được định luật KCL, KVL cho mạch điện

● Khảo sát mạch điện nối tiếp, mạch điện song song

● Giải thích được các giá trị dòng điện và điện áp đã tính toán sovới giá trị đo được

2 Kỹ năng:

● Lắp đặt được mạch điện theo sơ đồ

● Đo được các giá trị dòng điện và điện áp trên mạch

3 Thái độ, hành vi:

● Có ý thức bảo vệ trang thiết bị thực hành

● Kiểm tra kỹ mạch điện trước khi cấp điện

● Không được tự ý lấy các trang thiết bị không liên quan đến bàithí nghiệm

Qui ước: các dòng điện đi vào nút thì có dấu (+), còn đi ra khỏi nút thì lấy dấu (-).

Định luật K2:Tổng các điện áp trên các phần tử dọc theo tất cả

các nhánh trong một vòng bằng không

∑ ±𝑢𝑘 = 0

2

Định luật Ohm:

Quan hệ giữa dòng và áp trênmột phần tử R U = I.R

Công suất trên điện trở R P = U.I

3.

Dụng cụ thí nghiệm:

● Đồng hồ VOM

● Nguồn điện DC điều chỉnh được

● Bo đa năng (bread board)

● Dây nối và linh kiện

Thí nghiệm

1 Định Luật Kirchhoff về dòng điện:

1 Thí nghiệm 1

● Thực hiện ráp mạch như hình 1.1

Hình 1.1: Mạch điện song song

● Các bước thực hiện:

1 Bật công tắt nguồn ở vị trí OFF

2 Ráp các thành phần điện trở như sơ đồ trên

3 Bật nguồn ON và điều chỉnh điện áp là 10V

4 Dùng VOM đo dòng điện chạy qua các nhánh như sơ đồ

5 Ghi lại các trị số dòng điện đo được vào bảng giá trị

Phần tử Mạch điện 1k Ohm 1k Ohm 1k Ohm

Dòng điện 30 mA 10 mA 10 mA 10 mA

Công Suất 0.3W 0.1 W 0.1 W 0.1 W

●

● Câu hỏi:

1 Từ bảng số liệu trên hãy tính công suất của mỗi phần tử

Mạch điện: 10V * 30mA = 0.3 W1K Ohm 1: 10V * 10mA = 0.1 W 1K Ohm 1: 10 V * 10 mA=0.1 W1K Ohm 1: 10V * 10 mA=0 1W

2 So sánh kết quả giữa thực tế và lý thuyết

Ta có: I=U\R

R = 1/Rs= 1/R1+1/R2+1/R3 = 1/1000+1/1000+1/1000= 3/1000

>Rs=1000/3=333.333 (Ohm)Mạch điện:10/333.333= 0.03A= 30mA1K Ohm:10/1000= 0.01A= 10mA

2 Tỉ lệ lệch của các dòng điện trong thực tế và lý thuyết là:

Do dùng mô phỏng, lên tỷ lệ chênh lệch là rất nhỏ (sấp sỉ bằng 0)

2 Thí nghiệm 2

● Thực hiện ráp mạch như hình 1.2

Hình 1.2: Mạch điện song song

Phần tử Mạch điện 1k Ohm 2.2k Ohm 220 Ohm

Mạch điện:5/166.667=0.03A=30mA

1K Ohm:5/1000=0.005A=5mA

1 Bật công tắt nguồn ở vị trí OFF

2 Ráp các thành phần điện trở như sơ đồ trên

3 Bật nguồn ON và điều chỉnh điện áp là 10V

4 Dùng VOM đo điện áp ở mỗi điện trở như hình

5 Ghi lại các trị số điện áp đo được vào bảng giá trị

Phần tử Mạch điện 220 Ohm 2k2 Ohm 1k Ohm

2.2K Ohm(V):(|9.357-3.223|/3.21637)x100=190.71%

220 Ohm(V):(|2.93-0.321.63|/0.321.63)x100=0.810%

4 Nhận xét

Nhận xét:

Nguyên nhân dẫn đến sai số giữa lý thuyết và thực tế

Sai số điện trở: giá trị điện trở không đồng đều không đúng giá trị 1000 (giá trị thực tế của điện trở đo được trên đồng hồ là 996 – 998 , 118 ,

2180 )

Sai số thiết bị (nguồn cấp, đồng hồ) :

-Giá trị điện áp thực tế cấp vào không chính xác10v ( theo quan sát thì giá trị điện áp khoảng 9.94 V)

Đồng hồ hiển thị dao động liên tục chứ dẫn đến con người dựa vào đó đểđọc giá trị cũng chưa hoàn toàn chính xác

Bài 2: Các phương pháp giải tích mạch

1 Mục Tiêu: Hoàn tất bài thí nghiệm này sinh viên có thể: - Biết phân tích và biến đổi mạch về dạng đơn giản - Khảo sát được tổng đáp ứng của nhiều nguồn riêng lẽ sẽ bằng đáp ứng của nhiều nguồn cùng lúc

2 Kỹ năng: - Lắp đặt được mạch điện theo sơ đồ - Đo được các giá trị dòng điện và điện áp trên mạch

3 Thái độ, hành vi: - Có ý thức bảo vệ trang thiết bị thực hành - Kiểm tra kỹ mạch điện trước khi cấp điện - Không được tự ý lấy các trang thiết bị không liên quan đến bài thí nghiệm

4 Tóm tắt lý thuyết:

4.1Phương pháp thế nút: là không tìm trực tiếp dòng trong các nhánh màtìm gián tiếp thông qua điện thế các nút của mạch

Cách giải:

- Biến đổi các nguồn áp về nguồn dòng nếu có - Chọn một nút bất kì cho điện áp bằng không, tìm điện thế các nút còn lại

- Viết các phương trình thế nút Mạch có n nút thì viết n-1 phương trình

- Giải phương trình và suy ra dòng điện trong các nhánh

I Dùng nguyên lý xếp chồng để đo và dùng các phương pháp phân tích mạch

Thí nghiệm 4

Kết quả mô phỏng của mạch điện khi triệt tiêu nguồn áp, triệt tiêu nguồn dòng và dùng cả hai nguồn

Bảng ghi lại các trị số của dòng điện đo được Tiến hành I (5.6 Ωhm) I (10 Ωhm)

Triệt tiêu nguồn áp -55.4 mA 28.74 mA

Triệt tiêu nguồn dòng 256.5 mA 250.3 mA

Hai nguồn cùng hoạt

2 So sánh kết quả giữa thực tế và lý thuyết

 So sánh giá trị dòng điện đo được và giá trị dòng điện tính toán theo

lý thuyết

(đơn vị: mA)

Bảng so sánh giá trị dòng điện đo được và giá trị dòng điện tính toán

(thí nghiệm 4)

I1 (mA) I2 (mA)Triệt tiêu

nguồn áp -96.2 -55.4 54 28.7

4

Triệt tiêu nguồn dòng

321 256

5 320 250.3

Hai nguồncùng hoạt 224 200 374 285.2

Nhận xét:

Nguyên nhân dẫn đến sai số giữa lý thuyết và thực tế

 Sai số điện trở: giá trị điện trở không đồng đều khôngđúng giá trị là 5.6 Ω và 10 Ω

 Sai số thiết bị (nguồn cấp, đồng hồ) :

- Giá trị điện áp thực tế cấp vào không chính xác là 5v( theo quan sát thì giá trị điện áp khoảng 5.2 V)

- Do thiết bị cấp nguồn chỉ cấp được nguồn dòng 100mA

- Đồng hồ hiển thị dao động liên tục chứ dẫn đến conngười dựa vào đó để đọc giá trị cũng chưa hoàn toànchính xác

Thí nghiệm 5

Kết quả mô phỏng của mạch điện khi triệt tiêu nguồn áp, triệt tiêu nguồn dòng và dùng cả hai nguồn

Triệt tiêu nguồn áp - 46 mA 54.1 mA

Triệt tiêu nguồn dòng -181 mA -189.56mA

Hai nguồn cùng hoạt

động -220.5 mA -138.15 mA

 Câu hỏi:

1 Từ bảng số liệu hãy tính dòng điện qua mỗi phần tử dùng

 Sử dụng cả hai nguồn

I1 = I1.a + I1.b = -70 – 232 = -302 mA

I2 = I2.a + I2.b = 80.1 – 232 = -151.9 mA

2 So sánh kết quả giữa lý thuyết và thực tế

So sánh giá trị dòng điện đo được và giá trị dòng điện tính toántheo lý thuyết

(đơn vị: mA) Bảng so sánh giá trị dòng điện đo được và giá trị dòng điệntính toán

(thí nghiệm 5)

I1 (mA) I2 (mA)Triệt tiêu

nguồn áp 70 46.2 80.1 54

Triệt tiêu nguồn dòng

232 180 232 189

5

Hai nguồn cùng hoạt

302 220 151

9 138.5

Nhận xét:

Nguyên nhân dẫn đến sai số giữa lý thuyết và thực tế

 Sai số điện trở: giá trị điện trở không đồng đều khôngđúng giá trị là 8.2 Ω, 3.2 Ω và 10 Ω

 Sai số thiết bị (nguồn cấp, đồng hồ) :

- Giá trị điện áp thực tế cấp vào không chính xác là 5v

Do thiết bị cấp nguồn chỉ cấp được nguồn dòng 100mA

- Đồng hồ hiển thị dao động liên tục chứ dẫn đến conngười dựa vào đó để đọc giá trị cũng chưa hoàn toànchính xác

Tiến hành I1 (220Ωhm) I2 (470 Ωhm) I3 (1 KΩhm)

Triệt tiêu nguồn áp E1 5 mA 2.7 mA 1.28 mA

Triệt tiêu nguồn ap E2 -1.37 -1.32 mA 3 mA

Hai nguồn cùng hoạt

động 4.65 mA 1.35 mA 4.30 mA

Câu hỏi

1.Từ bảng số liệu hãy tính dòng điện qua mỗi phần tử dùng phương pháp giải tích mạch

 Triệt tiêu nguồn áp E1

I1 = I1.a + I1.b = 18.5 – 6.3 = 12.2 mAI2 = I2.a + I2.b = 5.92 + 1.4 = 7.32 mAI3 = I3.a + I3.b = 12.6 – 7.7 = 4.9 mA

2. So sánh kết quả giữa thực tế và lý thuyết

 So sánh giá trị điện áp và dòng điện đo được

đơn vị mABảng so sánh giá trị điện áp và dòng điện giữa lý thuyết và thực tế

I1 (mA) I2 (mA) I3 (mA)Triệt tiêu

Nhận xét:

Nguyên nhân dẫn đến sai số giữa lý thuyết và thực tế

 Sai số điện trở: giá trị điện trở không đồng đều khôngđúng giá trị là 220 Ω,1 KΩ và 470 Ω

 Sai số thiết bị (nguồn cấp, đồng hồ) :

- Giá trị điện áp thực tế cấp vào không chính xác là5v,10v ( theo quan sát thì giá trị điện áp khoảng 4.94

V, 9.91 V)

- Đồng hồ hiển thị dao động liên tục chứ dẫn đến conngười dựa vào đó để đọc giá trị cũng chưa hoàn toànchính xác

Hình 12: Lắp mạch - đo giá trị thực tế

Triệt tiêu

nguồn dòng 140 143.5 mA 87 mA 94 mAHai nguồn

Req = 15.37 Ω

I = I 1= I(2,3,4) = Req U = 0.325 A = 325 mA R(2,3,4) = 5.374 Ω

I3 = I3a + I3b = -74.5 + 112 = 37.5 mAI4 = I4a + I4b = 75.4 + 112 = 187.4 mA

So sánh giá trị điện áp và dòng điện đo được

đơn vị mA

Bảng so sánh giá trị điện áp và dòng điện giữa lý thuyết và thựctế

Nhận xét:

Nguyên nhân dẫn đến sai số giữa lý thuyết và thực tế

 Sai số điện trở: giá trị điện trở không đồng đều khôngđúng giá trị

 Sai số thiết bị (nguồn cấp, đồng hồ) :

I1 (mA) I2 (mA) I3 (mA) I4 (mA)Triệt tiêu

cùng hoạt 291

4 121 262 198 37.5 42.0 187.4 152

- Giá trị điện áp thực tế cấp vào không chính xác là 5v( theo quan sát thì giá trị điện áp khoảng 4.94 V, 9.91V)

- Do thiết bị cấp nguồn chỉ cấp được nguồn dòng 100mA

- Đồng hồ hiển thị dao động liên tục chứ dẫn đến conngười dựa vào đó để đọc giá trị cũng chưa hoàn toànchính xác

Hình 16: Lắp mạch - đo giá trị thực tế (thí nghiệm 7)

Bài 3: Mạch tương đương Thevenin- Norton

1 Mục Tiêu:

Hoàn tất bài thí nghiệm này sinh viên có thể:

- Minh họa được các định lý Thevenin – Norton

- Sử dụng sơ đồ tương đương Thevenin – Norton để khảo sát mạng một cửa

- Khảo sát để biết được sự phối hợp trở kháng giữa nguồn và tải để truyền đạt công suất cực đại

2 Kỹ năng: Lắp đặt được mạch điện theo sơ đồ

Đo được các giá trị dòng điện và điện áp trên mạch

3 Thái độ, hành vi:

- Có ý thức bảo vệ trang thiết bị thực hành.

- Kiểm tra kỹ mạch điện trước khi cấp điện

- Không được tự ý lấy các trang thiết bị không liên quan đến bài thí nghiệm

4 Tóm tắt lý thuyết:

4.1Định 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 của mạng 1 cửa

4.2Định lý Norton:

Một mạng một cửa bất kỳ có thể thay thế tương đương bởi một mạch gồm có nguồn dòng có giá trị bằng dòng điện ngắn mạch mắc song song với trở kháng Ztđ của mạng 1 cửa

I Thí nghiệm 8: Kiểm chứng mạch Thevenin – Norton và quá trình

Tiến hành RL: 3.3KΩU(RL)

Inm

II Thí nghiệm 9: Kiểm chứng mạch Thevenin – Norton và quá trình phối hợp trở kháng.

 Các bước thực hiện

1 Đo dòng điện và điện áp trên R L

( Bảng mô tả kết quả sau khi đo thực tế)

3 Ráp mạch Thevenin để kiểm chứng lại kết quả ban đầu

( Bảng mô tả kết quả sau khi đo thực tế)

Tiến hành RL : 1 KΩ

URL 5.54 V

2 Tính lại các giá trị trên.

So sánh kết quả giữa thực tế và lý thuyết

KCL: I – I RL – I 1 – I 2 = 0

KVL:

-10 + 650I + I RL *1000 = 0 I = 7.506*10 -3

-1000*I + 2200I => I = 5.796*10 -3

Hình 13: Đo giá trị RL thực tế

 Phối hợp trở kháng giữa nguồn và tải

1 Các thông số khi chỉnh biến trở từ 10 giá trị khác nhau từ 0-2 kΩTiến

Hình 14: Thay đổi giá trị VR và đo giá trị UR, IR

 Nhận xét:

- Thông số điện trở đo thực tế so với danh định không chênh lệchquá nhiều nên các các thông số đo, tính toán và mô phỏng làtương đương nhau

- Về thông số khảo sát công suất ở các giá trị tải khác nhau vớibiến trở đặt bằng giá trị Rth, nguồn cấp bằng Vth, ta có thể thấycông suất trên tải đạt max tại giá trị tải nhỏ nhất (5.6 Ω), giá trịđiện trở của biến trở là không đổi Dòng đi qua tải 5.6Ω cũng làlớn nhất => tải càng nhỏ, công suất càng lớn

Bài 4: Mạch quá độ RL, RC

1 Mục tiêu: Hoàn tất bài thí nghiệm này sinh viên có thể:

- Biết được đặt tính quá độ của mạch RC, RL

- Khảo sát được hình dạng và tín hiệu của mạch

- Tính được thời gian đáp ứng của các thành phần tích trữ năng lượng

2 Kỹ năng:

- Lắp đặt được mạch điện theo sơ đồ

- Đo được dạng sóng của tín hiệu dung oscilloscope

3 Thái độ, hành vi:

- Có ý thức bảo vệ trang thiết bị thực hành

- Kiểm tra kỹ mạch điện trước khi cấp điện

- Không được tự ý lấy các trang thiết bị không liên quan đến bài thí nghiệm

- Khóa K ở vị trí 1 để nguồn V0 nạp cho tụ lúc đã nạp đầy (hiệu điện thế 2 đầu tụ là

V0), dòng điện nạp lúc này triệt tiêu i(0-) =0

- Bật khóa K sang vị trí 2, ta xem thời điểm này t=0 Khi t >0, trong mạch phát sinh

dòng điện i(t) do tụ C phóng điện qua R

- Xác định dòng i(t) này (tương ứng với thời gian)

I Mạch quá độ RC một cấp

- Dòng qua tụ C thay đổi đột ngột từ 0 (tại t = 0-) đến V0/R (tại t = 0+)

- Hiệu điện thế hai đầu tụ không đổi trong khoảng thời gian chuyển tiếp

➢ Từ các kết quả trên ta rút ra kết luận:

- Hiệu thế hai đầu cuộn dây đã thay đột ngột đổi từ VL(0-) = 0 đến VL (0+) = -RI0

- Dòng qua cuộn dây không đổi trong khoảng thời gian chuyển tiếp từ t=0- đến t=0+

Đây là một tính chất đặc biệt của cuộn dây và được phát biểu như sau: Dòng điện qua một cuộn dây không thay đổi tức thời

Chú thích:

- Đường tín hiệu màu vàng đại diện cho sóng vuông cấp vào với

giá trị U= 3.11 (V) và f = 1Khz, tín hiệu hiển thị lên máy hiện

sóng ≈ 3.11 (V) Trên máy hiện sóng một ô vuông = 1 (V)

- Đường tín hiệu màu xanh đại diện cho dạng sóng đo được ở 2 đầu tụđiện khi giá trị biến trở là

1 KΩ, thời gian để nạp đầy tụ t = 144.2 (uS)

 Tính thời hằng của mạch RC

- Giải thích nguyên lý:

Biểu diễn trên đồ thị:

Hình 5: Đồ thị mô tả thời gian quá độ của điện áp và dòng điện trong

mạch RC

 Khi ta cấp nguồn có giá trị U = 3V, sẽ có dòng điện i nạp vào trong

tụ C, điện trở R để hạn dòng, điện áp trên hai đầu tụ sẽ tăng dần lênlên cho tới khi bằng với điện áp nguồn Us, thì lúc này dòng điệnnạp trong tụ bằng 0 (vì điện thế trên hai đầu tụ cần bằng với điệnthế trên hai đầu nguồn) Khoảng thời gian tụ bắt đầu nạp từ lúc Uc

= 0v đến Uc = 3v gọi là thời hằng và người ta tính toán được từ t =

0 đến t = 5 τ thì tụ sẽ được nạp đầy (còn gọi là quá trình quá độ)còn sau khoảng thời gian đó thì tụ sẽ rơi vào trạng thái xác lập

3 Tín hiệu ngõ vào và tín hiệu đo được trên điện trở

 Tính giá trị điện áp nằm trên điện trở R 2 khi điều chỉnh biến trở

R 1 ≈ 1Ω

R td = R 1 + R 2 = 1 + 100 =101 Ω

Ta có I = Rtd V = 1013 = 0.029 A

U R2 = I.R 2 = 0.029*100 = 2.9 V

- Giải thích nguyên lý: Nguyên nhân dẫn đến có giá trị điện áp trên

điện trở là khi ta giảm giá trị điện trở từ 1KΩ xuống còn R1 ≈ 1Ω thìkhi đó dòng điện đi i đi qua điện trở sẽ càng lớn Điện áp nằm trênđiện trở sẽ tăng cao

 Khi tăng giá trị biến trở lên càng lớn thì thời gian để tụ điện nạp đủnăng lượng sẽ lâu hơn và ngược lại khi giảm giá trị biến trở thì thờigian để tụ điện nạp đủ năng lượng sẽ ngắn lại Kết luận rằng thờigian quá độ diễn ra nhanh hay chậm thì nó phụ thuộc vào giá trịbiến trở tăng cao hay thấp

III Mạch quá độ cấp một RL

- Tính toán thời hằng

- Nhận xét: Đối với linh kiện tích trữ năng lượng cuộn cảm giá trị τ tỉ

lệ thuận với L và tỉ lệ nghịch với R nên khi diện trở tăng lên thì thờigian để cuộn cảm nạp đầy sẽ tăng và ngược lại Khi cấp điện dòngđiện i sẽ tăng dần cho đến khi đạt giá trị xác lập, khi tụ nạp đầy dầnlên thì điện áp trong tụ sẽ giảm dần

1 Tín hiệu ngõ vào được đo trên điện trở R 2

Bảng so sánh giá trị tính toán và giá trị đo thực tế

- Giải thích

Hình 11 : Đồ thi mô tả thời gian quá độ của điện áp và dòng điện trong mạch RL

Quá trình quá độ trong mạch RL xảy ra khi dòng điện I tăng dần từ

0 đến UL R đến khi quá trình đạt trạng thái xác lập thì giá trị điện áp

sẽ giảm dần Để quá trình quá độ trong mạch RL diễn ra nhanhhay chậm nó phụ thuộc vào dòng điện I chạy qua cuộn cảm

 Thay đổi biến trở R 1 nhận xét sự thay đổi của thời hằng.

- Nhận xét: Khi tăng biến trở lên giá trị điện trở càng cao dòng điệnqua tụ điện sẽ tăng theo (vì quá trình quá độ của cuộn cảm phụthuộc vào giá trị điện trở) nên dẫn đến thời gian quá độ sẽ lâu hơnkhi giá trị điện trở càng cao

2 Kỹ năng:

- Lắp đặt được mạch điện theo sơ đồ

- Đo được công suất, hệ số công suất mạch RC, RL, RLC trong chế độ AC

3 Thái độ:

- Có ý thức bảo vệ trang thiết bị thực hành

- Kiểm tra kỹ mạch điện trước khi cấp điện

- Không được tự ý lấy các trang thiết bị không liên quan đến bài thí nghiệm