BÁO cáo THÍ NGHIỆM giải tích mạch DC nhiều nguồn dùng thế nút và mắt lưới

Quátrình thí nghiệm cũng giúp SV hiểu rõ thêm phương pháp biên độ hay hiệu dụng phức, cáchdựng đồ thị vectơ và tính toán công suất trong mạch điều hòa.. Xác đị nh |Z|: Là tỉ số trị biên

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 MÔN:

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 MÔN:

GIẢI TÍCH MẠCH GVHD:

Nguyễn Thanh Phương

NHÓM : 04 LỚP : DD18BK02 – A02

MỤC LỤCBài 2 : MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU (DC)

III Giải tích mạch DC nhiều nguồn dùng thế nút và mắt lưới

V Kiểm chứng nguyên lý tỉ lệ trên mạch DC

VI Kiểm chứng nguyên lý xếp chồng trên mạch DC

VII Sơ đồ Thevenin-Norton và nguyên lý truyền công suất cực đại.VIII Sơ đồ Module DC Circuits

A Mục đích

B Đặc điểm

C Phần thí nghiệm :

I Giá trị thông số mạch thí nghiệm

II Đo trở kháng tụ điện

V Mạch RL nối tiếp

VI Mạch RLC nối tiếp

VII Mạch RC song song

VIII M ch RL song song

IX Hiệu chỉnh hệ số cos của nhánh.

X Sơ đồ Module AC Circuits

Bài 4 : ĐÁP ỨNG TẦN SỐ VÀ MẠCH CỘNG HƯỞNG

A Mục đích

B Đặc điểm

C Phần thí nghiệm :

I Giá trị thông số mạch thí nghiệm

II Mạch cộng hưởng RLC nối tiếp

III Mạch cộng hưởng RLC song song

Bài 5 : QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ MẠCH TUYẾN TÍNH

Bài 2 : MẠCH ĐIỆN MỘT CHIỀU (DC)

B ĐẶC ĐIỂM:

Mạch điện DC chỉ tồn tại các phần tử nguồn và điện trở Nền tảng của phân tích mạchđiện Dc là luật Ohm và các định luật Kirchhoff Ngoài ra , để tăng hiệu quả của quá trình tính toán mạch DC , người ta có thể dựa trên các phép biến đổi tương đương ( chia áp , chia dòng, biến đổi nguồn,…), phân tích dùng ma trận ( thế nút , dòng mắt lưới ,…) hay dùng các định

lý đặc trưng cho mạch tuyến tính ( nguyên lý tỉ lệ , nguyên lý xếp chồng , sơ đồ tương đương Thevenin-Norton…)

*Đối với u(V)=12(V):

Dòng trong mạch phải bé hơn 10mA.

- Mạch thiết kế như sau :

Chọn R1 = 4,7kΩ , R2 = 3,245kΩ => Kết quả đo áp là u2 = 2,002(V) , dòng trong mạch

là 0,629(mA) < 10(mA)

d Ứ ng d ụ ng m ạ ch chia áp :

+ Ứng dụng 1 : Đo nội trở Rs Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.2.1.2.Trước hết chưanối VR vô mạch , chỉnh máy phát song có tín hiệu trên output là 2Vrms , f = 1kHz Nối VR vàomạch , tăng dần từ 10Ω cho đến khi áp hiệu dụng trên output là 1Vrms Theo nguyên lý chia

áp , giá trị VR sẽ bằng giá trị Rs

Hình 1.2.1.2: Mạch đo nội trở máy phát sóng trên hộp

TN Giá trị Rs (đo được ) = 51Ω.

hiệu tại nút a vào CH2 của dao động ký Chỉnh tăng VR từ giá trị 100Ω Cho đến khi tín hiệu

tại a có biên độ bằng ½ biên độ tại output thì giá trị VR sẽ bằng giá trị Rin của mạch

Hình 1.2.1.3: Mạch đo điện trở vào Rin của một mạch điện.

- Tính theo giá trị 3 điện trở :

Giá trị R in (đo được ) = 1180Ω

Giá trị R in ( tính theo giá trị 3 điện trở ) = 1,182kΩ = 1182Ω.

- Tính sai số : *

Đối với u(V) = 5(V):

* Đối với u(V) = 12(V):

IV Cầu đo Wheatstone một chiều đo điện trở

Là cầu đo điện trở dựa trên nguyên lý cân bằng , dùng đo điện trở giá trị từ 1Ω trở lên bằng cách thực hiện mạch thí nghiệm như hình dưới Dùng DMM cho chức năng DC volt kế (DCV) có giá

trị 1kΩ , mỗi lần tăng 100Ω Ghi lại giá trị VR và giá trị chỉ thị trên DCV theo bảng.

Hình 1.2.4: Mạch đo Wheatstone một chiều

Giá trị VR VRcb - 100Ω VRcb = 2199Ω VRcb + 100Ω

V Kiểm chứng nguyên lý tỉ lệ trên mạch DC

Với mạch thí nghiệm như hình 1.2.5 , nguyên lý tỉ lệ được hiểu là điện áp u2 trong mạch tỉ

lệ với nguồn tác động lên mạch Ein theo : u2 = K.E in Nguồn Ein lấy từ nguồn DC được điềuchỉnh trên hộp TN chính Thay đổi giá trị Ein và đo u2

VI Kiểm chứng nguyên lý xếp chồng trên mạch DC

Điện áp Mạch chỉ có Mạch chỉ có Giá trị tính Giá trị đo khi % sai số khi

nguồn E1(u11) nguồn E2(u12) theo xếp có cả 2 dùng xếp

u

+ Mở rộng khảo sát nguyên lý xếp chồng trong mạch có cả nguồn DC và AC:

Hình 1.2.6.3: Đo uC khi mạch có cả nguồn DC và AC

VR 0,12 0,16 0,158 0,152 0,145 0,145 0,13 0,12 0,119 0,11 0,1

VR để PVR max theo lý thuyết = 2,573kΩ

Công suất PVR (max) theo lý thuyết = 0,158mW

VIII S ơ đồ Module DC Circuits

B ả ng 1.2.1: Danh sách linh kiện trên Module DC Circuits

- Đồng hồ đo vạn năng số (DMM).

Bài 3: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU (AC)

Bài thí nghiệm giúp sinh viên khảo sát các đặc trưng của một mạch điện trong trườnghợp nguồn tác động lên mạch là nguồn điều hòa, hay còn gọi là nguồn xoay chiều (AC) Quátrình thí nghiệm cũng giúp SV hiểu rõ thêm phương pháp biên độ (hay hiệu dụng) phức, cáchdựng đồ thị vectơ và tính toán công suất trong mạch điều hòa

Phân tích mạch xác lập điều hòa thông qua tính toán trên mạch phức Ở mạch phức, trởkháng nhánh Z là số phức, bằng tỉ số biên độ phức áp và dòng trên nhánh Luật Ohm dạngphức được phát biểu:

vơi = | |∠φ

= .

I Xác đị nh |Z|:

Là tỉ số trị biên độ hay trị hiệu dụng của áp và dòng trên nhánh Trị biên độ có thể đọc

nhờ dao động ký và trị hiệu dụng có thể đọc nhờ volt kế xoay chiều.

II Xác đị nh φ:

Có nhiều phương pháp, trong bài thí nghiệm này đề nghị dùng dao động ký với

hai phương pháp cơ bản:

a) So pha tr ự c ti ế p :

Đưa cả hai tín hiệu (cùng GND) vào hai kênh của dao động ký Chọn VERT MODE là DUAL hay CHOP Chỉnh định dao động ký để hiển thị hai tín hiệu trên màn hình như Hình 1.3.0.1

Dựa vào giá trị của nút Time/div ta đọc giá trị ∆ và T Góc lệch pha giữa CHB và CHA xác định theo:

φ = ( ∆ ) ×360°

L ư u ý:

+ Theo hình 1.3.0.1, ta thấy ∆t là dương khi tín hiệu cần xác định góc pha xuất hiện trước tín hiệu chuẩn

+ Dao động ký chỉ nhận tín hiệu áp Do đó khi cần đưa vào tín hiệu dòng thì ta thông qua tín hiệu áp trên điện trở mang dòng điện đó

b) So pha dùng đồ th ị Lissajous :

Đưa cả hai tín hiệu (cùng GND) vào hai kênh của dao động ký Chọn VERT MODE là X-Y.Chỉnh định các nút Volt/div của dao động ký để hiển thị trên màn hình như Hình 1.3.0.2

Hình 1.3.0.2: So pha dùng đồ thị Lissajous

Giả sử ( ) = sin (ω ) và ( ) = sin (ω + φ) Ta thấy tại t = 0 thì X = 0 và = sin (φ) = 0 Do đó: φ = (0 )

Phương pháp này đơn giản nhưng chỉ hữu hiệu ở các giá trị φ≤45° Nếu các giá trị φ lớn hơn, trị sin(φ) thay đổi rất chậm và độ chính xác sẽ giảm.

C PHẦN THÍ NGHIỆM :

Giá trị thông số của các mạch thí nghiệm trong bài thí nghiệm này được chọn theo bảngsau đây Lưu ý giá trị RL = thành phần điện trở trong mô hình nối tiếp của cuộn dây sẽ đượcxác định trong quá trình thí nghiệm

Ở đây RL đo được = 300 Ω

a) Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.3.2

Chỉnh máy phát sóng sin để u(t) có biên độ 2 V, tần số 2 kHz Dùng dao động ký, đo biên

độ áp trên R và trên tụ C Tính Im = URm/R Tính |ZC| = Ucm/Im

Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ giữa u c (t) và i c (t) (cũng là

i(t) bằng cách CH2 INV) Điền vào bảng số liệu với hai giá trị tần số khác nữa (Lưu ý chỉnhđúng tần số máy phát, kiểm lại với chu kỳ T thông qua việc đọc từ giá trị nút chỉnh Time/divcủa dao động ký Giả sử ta chọn Time/div = 100µs thì tín hiệu 2 kHz; 5 kHz và 10 kHz sẽ có chu

kỳ lần lượt là 5 ô; 2 ô và 1 ô)

Với Im = Urm/R = 1.4V/1000Ω = 0.0014 A = 1.4

mA |ZC| = Ucm / Im = 2.5V / 1.4mA = 1785.714 Ω

ϕ C = ∆ / 360 với T là chu kỳ, đo ở dao động ký

b) Vẽ đồ thị |Z C | theo ω Cho biết biểu thức lý thuyết của |Z C | theo ω.

ω = 2 π.f

⇨ | | = 1/ꙍ = 1/2π

c) Kết luận : vì ω tỉ lệ nghịch với |Zc|

III M ạ ch RC n ố i ti ế p:

a Thực hiện mạch thí nghiệm RC nối tiếp như hình 1.3.3

Chỉnh máy phát sóng sin để u(t) có biên độ 2 V, tần số 2 kHz Dùng DMM

(Multimeter) đo dòng vào mạch, đo áp vào mạch, áp trên R và áp trên C (L ư u ý: giá trị đọc trên DMM là trị hiệu dụng).

Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ giữa u(t) và i(t) (thông qua đọc ∆ ) Điền vào bảng số liệu:

c Tính công suất của mạch RC nối tiếp theo số liệu đo:

Công suất biểu kiến S = ½ Um.Im = 0.707 mVA

Công suất tác dụng P = S.Cosϕ = 0.379 mW

Công suất phản kháng Q = S.Sinϕ = -0.597 mVAr

IV.

Đ o tr ở kháng cu ộ n dây:

a) Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.3.4

Hình 1.3.4: Đo trở kháng cuộn dâyChỉnh máy phát sóng sin để u(t) có biên độ 2 V, tần số lần lượt là 2 kHz, 5 kHz và 10 kHz.Đưa hai tín hiệu uR(t) và uL(t) vào dao động ký Dùng dao động ký, đo biên độ áp trên R và trêncuộn dây L

Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ giữa u L (t) và i L (t) (cũng là i(t)

bằng cách CH2 INV) Điền vào bảng số liệu (Lưu ý chỉnh đúng tần số máy phát, kiểm lại vớichu kỳ T thông qua việc đọc từ giá trị nút chỉnh Time/div của dao động ký)

ZL = ω.L, đồ thị tuyến tínhc) Kết luận được điều gì khi φ phụ thuộc ω.

V M ạ ch RL n ố i ti ế p:

a Thực hiện mạch thí nghiệm RL nối tiếp như hình 1.3.5

Chỉnh máy phát sóng sin để u(t) có biên độ 2 V, tần số 2 kHz Dùng DMM (Multimeter) đo

dòng vào mạch, đo áp vào mạch, áp trên R và áp trên L (L ư u ý: giá trị đọc trên DMM là trị hiệu

ϕ = ∆ 2π 360 = 0 068 10 −3 2π 2000 360 = 48 96

b Dựng đồ thị vectơ điện áp của mạch theo số liệu đo dùng thước và compa, chọn pha ban đầu của dòng điện là 0 Từ đồ thị vectơ suy ra φ So sánh với giá trị φ

đo được trong bảng

số liệu

Ta có định lý cos : ϕ = ( 1.41 2 +0.735 2 −1.024 2 ) ≈44 44° 2*0.735*1.41

Thành phần điện trở của cuộn dây: RL = 300 (Ω)

c Tính công suất của mạch RL nối tiếp theo số liệu đo:

Công suất biểu kiến S = ½ Um.Im = 0.768 mVA

Công suất tác dụng P = S.Cosϕ = 0.507 mW

Công suất phản kháng Q = S.Sinϕ = 0.579 mVAr

VI M ạ ch RLC n ố i ti ế p:

a Thực hiện mạch thí nghiệm RLC nối tiếp như hình 1.3.6

Chỉnh máy phát sóng sin để u(t) có biên độ 2 V, tần số 2 kHz Dùng DMM (Multimeter) đo

dòng vào mạch, đo áp vào mạch, áp trên R, trên L và áp trên C (L ư u ý: giá trị đọc trên DMM là

trị hiệu dụng)

Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ giữa u(t) và i(t) (thông qua đọc ∆ ) Điền vào bảng số liệu:

c Tính công suất của mạch RLC nối tiếp theo số liệu đo:

Công suất biểu kiến S = ½ Um.Im = 1.04 mVA

Công suất tác dụng P = S.Cosϕ = 0.91 mW

Công suất phản kháng Q = S.Sinϕ = - 0.5 mVAr

d Tính công suất P trên từng phần tử của mạch RLC nối tiếp:

PL (trên L) PC (trên C) PR (trên R) PL+PC+PR

Vì cuộn không thuần cảm nên có công suất tác dụng= ½ 2 R L = 0.162 mW

Công suất tác dụng trên

Công suất phản kháng trên = ½ ω 2 = 0 679

2

Công suất phản kháng trên tụ =− ½ ω = - 0.915 mVAr

Nguyên lý cân bằng công suất :

Do sai số trong quá trình đo và điện trở rỉ của tụ nên P trên từng phần tử gần bằng P phát, mạch cân bằng công suất

VII M ạ ch RC song song:

a) Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.3.7

Hình 1.3.7: Mạch RC song song

vào mạch, đo dòng qua trở R và dòng qua tụ C Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch

˙ = 0.852∠38.416mA

Góc lệch pha giữa u R (t) và i(t) : φ( & ) = arctan ( ) = 39 01

d Tính công suất của nhánh R//C theo số liệu đo:

Công suất biểu kiến S = ½ Um.Im = 0.707/0.852 = 0 6 mVA

Công suất tác dụng P = S.Cosϕ = 0.466 mW

Công suất phản kháng Q = S.Sinϕ = 0.378 mVAr

VIII M ạ ch RL song song:

a) Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.3.8

Chỉnh máy phát sóng sin để uR(t) có biên độ 2 V, tần số 2 kHz Dùng DMM

(Multimeter) đo dòng vào mạch, đo dòng qua trở R và dòng qua cuộn dây L

Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φgiữa u R (t) và i(t) bằng cách đưa u R (t) và u R0 (t) vào CH1 và CH2 Thực hiện bảng số liệu:

b) Giả sử điện trở là thuần, vẽ đồ thị vectơ dòng cho mạch song song khi chọn pha ban

đầu của áp uR(t) là 0 Từ đồ thị vectơ viết ra các giá trị dòng, áp phức hiệu dụng (dạng mũ)trong mạch:

Góc lệch pha giữa u R (t) và i(t) : φ(u R & i) = arctan(IL/IR) = 39.65

d Tính công suất của nhánh R//L theo số liệu đo:

Công suất biểu kiến S = ½ Um.Im = 0.707/0.631 = 0 444 mVA

Công suất tác dụng P = S.Cosϕ = 0.342 mW

Công suất phản kháng Q = S.Sinϕ = 0.283 mVAr

IX Hi ệ u ch ỉ nh h ệ s ố công su ấ t cos φ của nhánh:

a) Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.3.9

Chỉnh máy phát sóng sin để điện áp trên nhánh song song uR(t) luôn có biên độ 2 V, tần số

2 kHz Dùng DMM (Multimeter) đo dòng vào mạch, đo dòng qua trở R, dòng qua cuộn dây L vàdòng qua tụ điện Chc

Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ giữa áp và dòng trên nhánh song song bằng cách đưa u R (t) và u R0 (t) vào CH1 và CH2 Từ góc lệch pha này tính hệ số công suất cosφ của nhánh song song Hoàn thiện bảng số liệu với các giá trị C có trên module.

mạch song song khi chọn pha ban đầu của áp uR(t) là 0 Từ đồ thị vectơ viết ra các giá trịdòng, áp phức hiệu dụng (dạng mũ) trong mạch:

U = 1,41∠0o (Vrms) ˙ =0.612∠0 mA ˙ =0.44∠90 mA

˙ =0.12∠90 mA ˙ = 0.782∠-27.6 mA

Trở kháng nhánh song song: ZR//L//C = / = 1803.1∠27.6

Góc lệch pha giữa u R (t) và i(t) : φ(u R & i) = 27.6

c Có nhận xét gì về trị hiệu dụng dòng qua nhánh i(t) ở các trường hợp ?

⇨ I(t) có trị hiệu dụng giảm khi C tăng

d Trình bày chi tiết quá trình tính giá trị Chc cần thiết để đưa hệ số công suất của nhánh song song về đơn vị ?

Để chọn tụ bù cho một tải nào đó thì ta cần biết công suất (P) của tải đó và hệ

số công suất (Cosφ) của tải đó:

Giả sử ta có công suất của tải là P

+ Hệ số công suất của tải là Cosφ1 → φ1 → tgφ1 (trước khi bù, cosφ1 nhỏ còn

tgφ1 lớn)

+ Hệ số công suất sau khi bù là Cosφ2 → φ2 → tgφ2 (sau khi bù, cosφ2 lớn còn

tgφ2 nhỏ)

+ Công suất phản kháng cần bù là Qb = P (tgφ1 – tgφ2).

Từ công suất cần bù ta chọn tụ bù cho phù hợp trong bảng catalog của nhà cung cấp tụ

bù

Giả sử ta có công suất tải là P = 100 (KW)

+Hệ số công suất trước khi bù là cosφ1 = 0.75 → tgφ1 = 0.88

+ Hệ số công suất sau khi bù là Cosφ2 = 0.95 → tgφ2 =

0.33 Vậy công suất phản kháng cần bù là Qbù = P (tgφ1 –

STT Tên linh kiện Giá trị danh định / mô tả

- Dao động ký (Oscilloscope) và DMM (Multimeter)

- Dây nối thí nghiệm (jack banana 2mm)

Bài 4 : ĐÁP ỨNG TẦN SỐ VÀ MẠCH CỘNG HƯỞNG.

Bài thí nghiệm giúp sinh viên hiểu được tính chất phụ thuộc tần số của mạch điện thôngqua xác định đáp ứng tần số của mạch, khảo sát các mạch lọc thụ động cơ bản và tìm hiểuhiện tượng cộng hưởng (xem thêm lý thuyết ở chương 2 – giáo trình Mạch Điện I)

Mạch lọc điện là mạch điện có tính chất cho qua (pass) các tín hiệu ở một khoảng tần sốnào đó và không cho qua (stop) các tín hiệu ở các tần số còn lại Mạch lọc thụ động đượcthiết kế từ các phần tử R, L, C và M Mạch lọc tích cực có sự tham gia của các phần tử nguồn,phổ biến là các phần tử mạch bán dẫn hay OP-AMP Có 4 loại mạch lọc cơ bản: mạch lọcthông thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc thông dải và mạch lọc chắn dải Khảo sát mạch lọcdựa trên tìm đáp ứng tần số của mạch lọc, thường viết dạng:

˙

Tần số cắt (f c ) của mạch lọc là tần số mà ở đó | ( ω)| = 1| ( ω)|

2

hay tính theo độ lợi đơn vị dB là -3db so độ lợi tại | ( ω)|

Cộng hưởng là một hiện tượng đặc trưng của tính chất thay đổi theo tần số của mộtnhánh mạch điện: áp và dòng sẽ cùng pha tại tần số cộng hưởng Có hai dạng cộng hưởng cơbản: cộng hưởng nối tiếp và cộng hưởng song song Ở mạch cộng hưởng RLC nối tiếp, trịhiệu dụng các điện áp trên các phần tử kháng ở gần cộng hưởng sẽ rất lớn so với điện áp vàocủa mạch (do đó mạch cộng hưởng nối tiếp còn gọi là cộng hưởng áp) Ở mạch cộng hưởngRLC song song thì dòng điện qua mắc lưới LC ở gần cộng hưởng sẽ rất lớn so với dòng điệncấp cho mạch (do đó mạch cộng hưởng song song còn gọi là cộng hưởng dòng )

Tại tần số cộng hưởng , biên độ tín hiệu ngõ ra sẽ là cực đại Và khoảng tần số , mà ở đó biên độ hàm truyền đạt áp lớn hơn 1 biên độ cực đại , được gọi là băng thông của mạch

2

cộng hưởng (ký hiệu là BW) Dấu bằng xảy ra tại tần số cắt của mạch cộng hưởng Có hai giá trị tần số cắt : tần số cắt dưới f 1 (hay ω 1 ) bé hơn tần số cộng hưởng và tần số cắt trên f 2 (hay