KHẢO SÁT MẠCH RLC Ở CHẾ ĐỘ CƯỠNG BỨC (XÁC LẬP AC) KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG

Giải thích nguyên lý: - Cần đo giá trị hiệu dụng của hai tín hiệu trên kênh CH1:et và CH2:ut.. - Sử dụng chức năng đo bằng con trỏ CURSORS 19 để đo giá trị lệch pha của hai tín hiệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP.HCM

Chương trình KS CLC Việt – Pháp

Điện- Giải tích mạch (EE2011)

ĐIỆN – GIẢI TÍCH MẠCH (EE2031)

Bài Thí nghiệm số 03

KHẢO SÁT MẠCH RLC Ở CHẾ ĐỘ CƯỠNG BỨC (XÁC LẬP AC)

KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG

GVHD: TS.Nguyễn Thanh Nam

THỰC HIỆN ONLINE THÁNG 04/2022

Nhóm thí nghiệm số : P01 – 49

Chọn A = 3, B = 1 C = 9 D = 4

MỤC LỤC

I Mục thí nghiệm TN03-A : ĐÁP ỨNG TẦN SỐ - ĐO THÔNG SỐ PHỨC 2

1.Đo các giá trị chỉ dùng máy đo đa năng VOM 2

2 Đo đạc giá trị (L,r) chỉ dùng oscillo: 5

II Mục thí nghiệm TN03-B: KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG HOẠ TẦN MẠCH RLC NỐI TIẾP 9

1/ Vẽ sơ đồ nguyên lý và sơ đồ linh kiện và dụng cụ tương ứng với CH1 – e(t) và CH2 – u(t) 9

2/ Chọn thông số làm thí nghiệm: 12

3/ Dẫn xuất lý thuyết tính 𝝎𝟎, tần số riêng của mạch và hệ số phảm chất Q 12

4/ Đo dải thông và tính Q thực nghiệm 13

5/ Chuyển Oscillo sang chế độ XY 14

6/Khảo sát chuyển động pha u(t) và e(t) 15

I Mục thí nghiệm TN03-A : ĐÁP ỨNG TẦN SỐ - ĐO THÔNG SỐ PHỨC

1.Đo các giá trị chỉ dùng máy đo đa năng VOM

a) Đo được điện trở

rL = X = (15+ 3 + 1)/2 = 9,5 

Thao tác trên VOM:

Nối cáp r1,b1 vào VOM(2),VOM(1)

Nhấn VOM(8) đo điện trở

Nhấn VOM(1) chọn thang đo

Rx = 300  Hai điểm đấu dây

b) Mạch 3 Volt kế

1

2

3

4

5

0

1

1

1

2

9

Giản đồ vector

Diễn xuất công thức tính L và r L

TN03-A1b Mạch phức 5 phần tử E, rg, L, rL,

Rx

𝜑

c) Bỏ qua giá trị rL

UR = 250 mV = 0,25V

UL = 500 mV = 0,5 V

Rx = 300 

𝜔 = 2𝜋𝑓 = 10000𝜋 rad/s

Dựa vào công thức bên trên tính được L = 0.019H = 19 mH

d) Giữ thông số mục c) tính được UE(V3) = 0,559 V

Nếu rL = 9,5  UE(V3) = 0.563

Kết luận:

Sai số so với khi bỏ qua rL là rất nhỏ, không làm thay đổi đáng kể kết quả

Như vậy cần chọn Rx đủ lớn để phép đo chính xác hơn

2 Đo đạc giá trị (L,r) chỉ dùng oscillo:

a) Sơ đồ linh kiện

TN03-A2a (P01-49, ngày 03/05/2022)

Sơ đồ nguyên lý

Giải thích nguyên lý:

- Cần đo giá trị hiệu dụng của hai tín hiệu trên kênh CH1:e(t) và CH2:u(t) Biết được

góc lệch pha phi để từ đó có thể tính được UL Áp dụng lại công thức tính rL, L ở

phần trước (TN03-Ab) để tìm L2 và r2

• Cách đo đạc:

- Sử dụng chức năng đo tự động tại nút AUTO/MENU OFF (46) để đo trị hiệu dụng

của CH1:e(t) và CH2:u(t)

- Sử dụng chức năng đo bằng con trỏ CURSORS (19) để đo giá trị lệch pha của hai tín

hiệu

Công thức

𝐿2 =𝑈𝐸𝑠𝑖𝑛𝜑𝑅𝑥

2𝜋𝑓𝑈𝑅

𝑟2 =𝑈𝐸𝑐𝑜𝑠𝜑 − 𝑈𝑅

b) Giá trị hiệu dụng

CH1: UE = (42+9+4)/10 = 5,5 V

CH2: UR = (32 – 3)/10 = 2.9 V

RX = 300 

𝜔 = 2𝜋𝑓 = 10000𝜋 rad/s

Đo góc lệch pha giữa 2 tín hiệu hình sin này được  = (40+3) = 43o

Giản đồ vector

Tính được L2 = 0,012 H = 12mH

Và r2 = 116,12 

Điện trở nội của nguồn không ảnh hưởng đến tính toán vì Urg không ảnh hưởng gì đến góc 

c) Đo UE và UR và độ lệch pha

Trong đó: 𝑈𝐸𝑚 = 5,5√2 𝑉; 𝑈𝑅𝑚 = 2,9√2 𝑉; 𝜑 = 43°

Giải thích và các thao tác trên Oscillo:

Đo UE và UR:

- Nhất nút AUTO/MENU OFF (46) Nhờ vào nút More (39) để chọn các chức năng

đo tự động có sẵn Chọn đo Vrms

- Nhấn nút CH1/CH2 (47) để chọn kênh để đo Lần lượt đo trên CH1 được giá trị Vrms(1) = UE Đo trên CH2 được giá trị Vrms(2) = UR

Đo góc lệch pha phi giữa hai tín hiệu:

- Nhấn nút CURSORS (19) để chọn chế độ đo phi (bấm liên tiếp để chọn) Xuất hiện ba con trỏ.12

- Xoay nút POSITION (8) để di chuyển hai con trỏ rìa chỉ vào đầu và cuối một chu

kỳ của tính hiệu tham chiếu (mỗi lần có một con trỏ di động, muốn đổi phải nhấn nút WINDOW (1))

- Sau đó dịch chuyển con trỏ ở giữa về vị trị khởi đầu chu kỳ của tín hiệu lệch pha (Xem vị trí con trỏ như hình vẽ)

II Mục thí nghiệm TN03-B: KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG HOẠ TẦN MẠCH RLC NỐI TIẾP

1/ Vẽ sơ đồ nguyên lý và sơ đồ linh kiện và dụng cụ tương ứng với CH1 – e(t) và CH2 – u(t)

Sơ đồ nguyên lí đo mạch RLC bằng Oscillo (P01-49, ngày 03/05/2022)

TN3-B: Sơ đồ linh kiện và dụng cụ đo tương ứng trong đó nối Oscillo Ch1:e(t) và Ch2:u R(t) (P01-49, ngày 03/05/2022)

Để đảm bảo GBF phát áp sin thuần (không có DC) ta thực hiện thao tác:

- Nhấn tắt GBF(11) để tắt DC

Cách thay đổi tần số diện rộng trên GBF [100Hz → 40kHz]:

- Thay đổi Range trên GBF(3) nhấn X100K

- Vặn nút GBF(6) để thay đổi tần số

Thao tác để đo tần số của tín hiệu trên Oscillo:

Sau khi lắp mạch theo sơ đồ linh kiện như phía trên, ta thực hiện thao tác để đo tần số như sau:

- Chọn đo tự động bằng cách nhấn Osc(46)

- Chọn kênh CH1/CH2 đề đo, nhấn Osc(47)

- Nhấn Osc(41) đề đo tần số

2/ Chọn thông số làm thí nghiệm:

rL = X = (15+ 3 + 1)/2 = 9,5 

L = 0,019H

Rx=200 

C = (A+B+C+D)/10 F = 1,7 F = 1,7.10-6F

3/ Dẫn xuất lý thuyết tính 𝝎𝟎, tần số riêng của mạch và hệ số phảm chất Q

Biểu thức biên độ phức U của điện áp trên điện trở trong mạch RLC nối tiếp có dạng như sau:

jQ

=





 1

0 0









LC

/ 1

0 =



Q R

L C

= 1 Trong đó: E là biên độ phức của sức điện động của máy phát,  - tần số nguồn

0, tần số riêng của mạch (tần số cộng hưởng) và Q là hệ số phẩm chất của mạch này

- Khi xảy ra cộng hưởng thì điện áp và dòng điện trong mạch là cùng pha và ta có URmax = E

→ Điều kiện cộng hưởng là:

𝜔 = 𝜔0 = 1

√𝐿𝐶 =

1

√0,019.1,7 1,7.−6= 5564,1488 Suy ra tần số cộng hưởng là:

f0 = 1

2𝜋√𝐿𝐶 = 1

2𝜋√0,019.1,7.10 −6 = 885,5618 (Hz)

- Khảo sát sự biến thiên của U khi tần số (𝜔, f0) thay đổi trên diện rộng (0→)

+ Nếu 𝜔→ 0, f→0 thì 𝑈

𝐸→0

+ Nếu 𝜔→ ∞ , f→∞ thì 𝑈

𝐸→0

4/ Đo dải thông và tính Q thực nghiệm

- Tại vị trí cộng hưởng Umax≈Em (R≫r)

u = 𝐸𝑚

√1+𝑄2(𝜔

𝜔0−

𝜔0

𝜔 ) 2

- Dải thông là dãy tần số mà trong đó biên độ u(t) thỏa:

u=𝑈𝑚𝑎𝑥

√2

=> 𝑢

𝑈 𝑚𝑎𝑥 = 1

√1+ 𝑄2+(𝜔

𝜔0−

𝜔0

𝜔 ) 2 = 1

√2

→

{

𝜔𝑐1 =𝜔0

2 × (−1

𝑄+ √𝑄12+ 4

𝜔𝑐2 =𝜔0

2 × (1

𝑄+ √𝑄12+ 4

→∆𝜔 = 𝜔𝑐2− 𝜔𝑐1 =𝜔0

𝑄

→∆𝜔

𝜔0 = ∆𝑓

𝑓0 = 1

𝑄

- Gía trị của Q theo lý thuyết:

Q = 1

𝑅 × √𝐿

𝐶 = 1

200 × √1,7.100,019−6 = 0,5286

- Độ biến thiên ∆𝑓:

∆𝑓 = 𝑓1− 𝑓2 =𝑓0

𝑄 =

885,5618 0,5286 = 1675,2966

=>{ 𝑓1 = 𝑓0 −

∆𝑓

2 = 885,5618 −1675,2966

2 = 47,9117

𝑓2 = 𝑓0+∆𝑓

2 = 885,5618 +1675,2966

2 = 1723,2083 Trình tự thao tác (trên GBF và Oscillo) để tìm fc1,fc2: Từ giá trị f0 và Umax đã biết ta tính được

𝑈 𝑚𝑎𝑥

√2 và thực hiện:

- Nhấn Osc(46) để chọn chế độ đo tự động

- Nhấn Osc(39) hai lần để xuất hiện Vmax (giá trị điện áp lớn nhất)

- Nhấn Osc(45) để hiển thị Vmax

- Vặn GBF(6) để tăng từ tần số f0 đã biết lên đến khi thấy Vmax trên Oscillo bằng giá trị 𝑈𝑚𝑎𝑥

√2 thì dừng và ghi lại giá trị tần số tại đó chính là fc2

- Vặn GBF(6) đề giảm từ tần số f0 đã biết lên đến khi thấy Vmax trên Oscillo bằng giá trị 𝑈𝑚𝑎𝑥

√2 thì dừng và ghi lại giá trị tần số tại đó chính là fc1

5/ Chuyển Oscillo sang chế độ XY

f0s=885,56 (Hz)

e(t) = 15cos(2𝜋 885,56)

Đồ thị XY hiển thị trạng thái cộng hưởng:

TN3-B: Đồ thị XY ở tần số cộng hưởng f 0 (P01-49, ngày 03/05/2022)

Mạch cộng hưởng do đó: Em=Um=15V

Đồ thị XY hiển thị trạng thái không cộng hưởng:

Um

TN3-B: Đồ thị XY ở tần số không cộng hưởng f (P01-49, ngày 03/05/2022)

6/Khảo sát chuyển động pha u(t) và e(t)

01 = 5564,138

e(t)=15cos(01t) [V]

Umax = 15V

- 02 đồ thị hình sin (=màn hình oscillo) ở trạng thái cộng hưởng:

Q = 0,5286

01 = 5564,138

→∆𝜔 =𝜔0

𝑄 = 10526,1786

- Khi f1<fo:

c1  01 – min(01/2,D/2) = 2782,069

𝑈𝑅̇ = 𝐸̇.𝑅

𝑅+𝑗(𝜔𝐿−𝜔𝐶1)=9,21+7,30j = 11,75 38,40° (V)

𝜑 = 38,40°

f1<f0: uR(t) sớm pha hơn e(t)

e(t)=15cos(2782,069t)

→ uR(t)= URmcos(c1t-) = 11,75.cos(2782,069t+38,40)

u(t)≈e(t)

TN3-B: Đồ thị hình sin (=màn hình oscillo) ở trạng thái cộng hưởng (P01-49, ngày 03/05/2022)

- 02 đồ thị hình sin ở điểm c1

- Nhận xét: ta thấy rằng:

URm≈ 11,75 ≈15

√2= 𝐸𝑚

√2 Suy ra tại f1, giá trị của URm so với Em gần bằng sự giảm biên độ 1/√2 từ giá trị chuẩn Vậy trạng thái tương đối phù hợp với lí thuyết

- Khi f2>fo:

c2  c1 + D = 2782,069 + 10526,1786= 13308,2476

𝑈𝑅̇ = 𝐸̇.𝑅

𝑅+𝑗(𝜔𝐿−𝜔𝐶1)=7,18-7,49j = 10,38 - 46,21°

𝜑 =-46,21°

f2>f0: uR(t) trễ pha hơn e(t)

e(t)= 15cos(13308,2476t)

TN3-B: Đồ thị hình sin ở điểm c1 (P01-49, ngày 03/05/2022)

e(t)

u(t)

TN3-B: Đồ thị hình sin ở điểm ω c1 (P01-49, ngày 03/05/2022)

→ uR(t)= URmcos(c1t-) = 10,38.cos(13308,2476t-46,21)

- 02 đồ thị hình sin ở điểm c2

TN3-B: Đồ thị hình sin ở điểm ω c2 (P01-49, ngày 03/05/2022)

- Nhận xét: ta thấy rằng:

URm≈ 10,38 ≈15

√2= 𝐸𝑚

√2 Suy ra tại f2, giá trị của URm so với Em gần bằng sự giảm biên độ 1/√2 từ giá trị chuẩn Vậy trạng thái hoàn toàn phù hợp với lí thuyết

u(t) e(t)