Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung

Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung

MỤC LỤC 1PHẦN MỞ ĐẦU 3

1 Lý do chọn đề tài.3

2 Mục tiêu của đề tài 4

3 Nhiệm vụ của đề tài 4

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

5 Phươngpháp nghiên cứu 5

6 Ý nghĩa 5

7 Cấu trúc sơ lược 5

PHẦN NỘI DUNG 6CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT ĐIỆN DUNG VÀ CÁC MẠCH CẦU ĐO ĐIỆN DUNG 6

1 Mạch cầu đơn giản đo điện dung 10

2 Cầu đo tụ điện tổn hao nhỏ 11

3 Cầu đo tụ điện tổn hao lớn 13

4 Cầu Schering đo điện dung 14

5 Cầu Grover đo điện dung 16

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN

3 Giới thiệu về các dụng cụ đo mạch tương tự 21

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG MỘT SỐ MẠCH CẦU ĐO ĐIỆN DUNG 25

1 Mạch cầu đơn giản đo điện dung 25

2 Mạch xoay chiều đo điện dung tổn hao nhỏ 29

3 Mạch xoay chiều đo điện dung tổn hao lớn 32

4 Mạch Schering đo điện dung 36

5 Mạch Grover đo điện dung 40

PHẦN KẾT LUẬN 44TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài.

Trong xã hội luôn luôn thay đổi và phát triển một cách nhanh chóng như hiện nayđòi hỏi các học sinh, sinh viên cũng như các nhà giáo luôn không ngừng tiếp thu vànâng cao kiến thức chuyên môn của mình Bên cạnh đó mỗi người phải luôn tiếp cậnnhững phát minh, sáng kiến mới để ứng dụng trong cuộc sống cũng như trong việcgiảng dạy đối với giáo viên.Việc tìm tòi những phát minh mới, ứng dụng mới trongsinh viên các trường đại học, cao đẳng hiện nay là điều rất cần thiết để mỗi sinh viênsau khi ra trường ứng dụng trong công việc được tốt hơn, cũng như trong đời sốnghàng ngày của mình Một trong những ngành khoa học được nhiều sinh viên quan tâmtrong việc tìm những ứng dụng để mô phỏng các hiện tượng đó là ngành vật lý Đặcbiệt là trong việc mô phỏng các mạch điện, mạch điện tử được đông đảo sinh viên tìmtòi và trao đổi trên các trang mạng điện tử Mô phỏng mạch điện là quá trình tạo ra cácmạch điện như thực tế để thực hiện việc đo đạc các linh kiện cũng như kiểm chứng cáccông thức thức mà lý thuyết đưa ra Mô phỏng là một công cụ hiệu quả và quan trọngbởi nó đưa ra phương thức các thiết kế lựa chọn (hoặc kế hoạch, chính sách) có thểđược đánh giá mà không cần phải thực nghiệm trên hệ thống thực (điều này có thể tiêutốn nhiều kinh phí, thời gian, nguy hiểm và không thực tế) Nó cho phép bạn trả lờicâu hỏi “Điều gì sẽ xảy ra nếu?” về một hệ thống mà không cần trải nghiệm thật sựtrên chính hệ thống ấy

Đối với tôi là sinh viên đang học tại môi trường sư phạm với các công thức đã học

mà chưa được kiểm chứng và việc tạo điều kiện để ứng dụng các phần mềm vào trong

việc dạy học sau này nên tôi chọn đề tài “Tìm hiểu và mô phỏng một số mạch cầu đo

điện dung”để kiểm chứng các công thức đã học cũng như rèn luyện kĩ năng cần thiết

trong việc mô phỏng mạch cầu đo các thông số mạch điện

Đề tài này giúp cho các sinh viên hiểu sâu hơn về lý thuyết cũng như công thứccác mạch cầu đo điện dung Nó giúp cho sinh viên biết và thực hành được phần mềmElectronics Workbench; tạo tiền đề cho việc tìm hiểu sâu hơn phầm mềm này trongviệc mô phỏng các mạch điện, điện tử phức tạp để giải quyết được các sự cố trong việc

thực hiện mạch điện, điện tử trong thực tập và đời sống thực tế Đồng thời đề tài này làtài liệu quan trọng cho các giáo viên trong nhà trường phổ thông ứng dụng công nghệthông tin trong việc giảng dạy cũng như làm trực quan hóa nội dung dạy học của mình;giúp học sinh hiểu sâu hơn về các mạch điện và có hứng thú với việc nghiên cứu cácmạch điện, điện tử.

2 Mục tiêu của đề tài.

Nắm vững lý thuyết phân tích mạch cầu đo điện và các công thức tính của nó.Nắm lý thuyết về phần mềm Electronics Workbench

Biết cách vẽ và mô phỏng các mạch cầu đo điện dung trong phần mềm ElectronicsWorkbench

Hoàn thiện kiến thức về các mạch cầu đo các thông số mạch điện

3 Nhiệm vụ của đề tài

Nghiên cứu một số mạch cầu xoay chiều đo điện dung

Nghiên cứu lý thuyết về tụ điện, góc tổn hao và cách thiết lập công thức mạch cầu

đo điện dung

Nghiên cứu cách vẽ hình mạch điện trong Microsoft Visio

Nghiên cứu về phần mềm Electronics Workbench và mô phỏng các mạch cầutrong phần mềm Electronics Workbench

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các bài tập của các mạch xoay chiều và kiểm chứng bằng mô phỏng mạch điệnxoay chiều thông qua các giá trị đó

Lý thuyết, các công thức phân tích cơ bản của mạch cầu xoay chiều đo điện dung

Giới thiệu khái quát phần mềm Electronics Workbench và làm việc với phần mềmnày.

5 Phươngpháp nghiên cứu

Phương pháp phân tích – tổng hợp

Phương pháp quan sát

Phương pháp giả thuyết

6 Ý nghĩa

Giúp cho sinh viên hệ thống hóa kiến thức về điện dung, tụ điện và các mạch cầu

cơ bản đo điện dung

Nắm được tổng quan và cách làm việc của phần mềm Electronics Workbench

7 Cấu trúc sơ lược

Chương I Lý thuyết điện dung và các mạch cầu đo điện dung

Chương II Giới thiệu phần mềm mô phỏng mạch điện Electronics WorkbenchChương III Mô phỏng một số mạch cầu đo điện dung

này phụ thuộc vào một hệ số C gọi là điện dung của tụ điện.

Điện dung là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai bản cực của tụ điện, điệndung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi vàkhoảng cách giữ hai bản cực theo công thức:

SC=ξdTrong đó:

C : là điện dung tụ điện , đơn vị là Fara (F)

ξ : Là hằng số điện môi của lớp cách điện

d : là chiều dày của lớp cách điện

S : là diện tích bản cực của tụ điện

Dung kháng của tụ điện: C

1 1

X = = ωC2πfCC 2πfCfC

Fara là điện dung của một tụ điện mà khi hiệu điện thế giữa hai bản là 1V thì điệntích của tụ điện là 1C

Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điệntrường của tụ điện Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sựtích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạchđiện xoay chiều.

Về mặt lưu trữ năng lượng, tụ điện có phần giống với ắc qui Mặc dù cách hoạtđộng của chúng thì hoàn toàn khác nhau, nhưng chúng đều cùng lưu trữ năng lượngđiện Ắc qui có 2 cực, bên trong xảy ra phản ứng hóa học để tạo ra electron ở cực này

và chuyển electron sang cực còn lại Tụ điện thì đơn giản hơn, nó không thể tạo raelectron - nó chỉ lưu trữ chúng Tụ điện có khả năng nạp và xả rất nhanh Đây là một

ưu thế của nó so với ắc qui

Tính Chất Tụ Điện được thể hiện qua điện dung, điện thế và nhiệt độ trên Tụ điện

Tụ điện trong các mạch thông thường có thông số điện áp: 5V, 10V, 12V, 16V,24V, 25V, 35V, 42V, 47V, 56V, 100V, 110V, 160V, 180V, 250V, 280V, 300V,400V

Ký hiệu : Tụ điện có ký hiệu là C (Capacitor)

b Phân loại

Tụ điện phân cực (có cực xác định) hoặc theo cấu tạo còn gọi là tụ hóa Thườngtrên tụ quy ước cực âm phân biệt bằng một vạch màu sáng dọc theo thân tụ, khi tụ mớichưa cắt chân thì chân dài hơn sẽ là cực dương Khi đấu nối phải đúng cực âm -dương Trị số của tụ phân cực vào khoảng 0,47μF): 1μF = 10F - 4.700μF): 1μF = 10F, thường dùng trong cácmạch tần số làm việc thấp, dùng lọc nguồn.

Tụ điện không phân cực (không xác định cực dương âm); theo cấu tạo có thể là tụgiấy, tụ gốm, hoặc tụ mica Tụ xoay chiều thường có trị số điện dung nhỏ hơn 0,47μF): 1μF = 10F

và thường được sử dụng trong các mạch điện tần số cao hoặc mạch lọc nhiễu

Tụ điện có trị số biến đổi, hay còn gọi tụ xoay (cách gọi theo cấu tạo), là tụ có thểthay đổi giá trị điện dung, tụ này thường được sử dụng trong kỹ thuật Radio để thayđổi tần số cộng hưởng khi ta dò đài

Hình 1: Hình dạng của tụ hoá

c Góc tổn hao

Đối với tụ điện lí tưởng không có dòng qua hai tấm bản cực tức là tụ điện khôngtiêu thụ công suất Nhưng thực tế vẫn có dòng từ cực này qua lớp điện môi đến cực kiacủa tụ điện, vì vậy trong tụ có sự tổn hao công suất

Sự tổn hao công suất này rất nhỏ và để đánh giá sự tổn hao của tụ người ta thường

đo góc tổn hao (tg )

Để tính toán, tụ điện được đặc trưng bởi một tụ điện lý tưởng và một thuần trở mắcnối tiếp nhau (đối với tụ có tổn hao ít) hoặc mắc song song với nhau (đối với tụ có tổnhao lớn), trên cơ sở đó xác định góc tổn hao của tụ

ωC2πfCC

và tgδ=RωC2πfCC

 : là góc tổn hao của tụ điện được tạo bởi véc tơ U và véc tơ UC

Với tụ tổn hao lớn (hình 4b), dựa vào sơ đồ ta xác định góc tổn hao như sau:

R

U

I = R

C

I =UωC2πfCC

 : là góc tổn hao của tụ điện được tạo bởi véc tơ I và véc tơ IC Từ đó ta có:

R C

RωC2πfCC

II Các mạch cầu đo điện dung

1 Mạch cầu đơn giản đo điện dung

Trong đó: 1

1

1

Z = jωC2πfCC ; 2

1

Z = jωC2πfCCX ; Z =R3 3; Z =R4 4

Thay vào phương trình trên ta được:

1

.R = R jωC2πfCC jωC2πfCCX

2 Cầu đo tụ điện tổn hao nhỏ

Hình 6: Cầu xoay chiều đo tụ điện tổn hao nhỏ

Cầu gồm có 4 nhánh trong đó R1,R2 là thuần trở các nhánh còn lại là Cx,Rx và điệntrở mẫu RM,CM điều chỉnh được Đường chéo cầu được mắc điện kế G chỉ cân bằng vànguồn cung cấp xoay chiều U

Khi cầu cân bằng ta có mối quan hệ:

Nhận xét : Mạch cầu trên không phụ thuộc vào tần số của tín hiệu

Mạch điện trên, ta có thể thay thế điện kế G bằng headphone Ta điều chỉnh R1 và

R2 cho đến khi headhone không còn nghe tiếng ù nữa thì dừng lại ( lúc này điện áp đặtlên headphone bằng 0 vôn)

Cầu đo tụ điện tổn hao lớn

Hình 7: Cầu xoay chiều đo tụ điện có góc tổn hao lớn

Hình 4 là sơ đồ mạch cầu đo tụ điện có tổn hao lớn, trong đó R1, R2 là các điện trởthuần, CM mắc song song với RM là điện dung và điện trở mẫu; Rx, Cx là điện trở vàđiện dung của tụ điện cần đo

Khi cầu cân bằng ta có:

1 3 2 4

Z Z =Z Z

Trong đó: 1

X X

1

Z =1+jωC2πfCC

Cầu Schering dùng nguồn điện áp xoay chiều cao áp Các vai cầu được chọn saocho trở kháng R4, cũng như R3 // C3 nhỏ hơn rất nhiều so với trở kháng C1 và CX, RX

Như vậy toàn bộ điện áp hầu như đặt vào C1 và Cx còn điểm nối giữa R4, Z3 vớinguồn nối đất.Do đó người đo có thể điều chỉnh R4, R3, C3 không gây nguy hiểm.Trong tụ có C3 có thể thay đổi được trị số mắc song song với R3 Cầu gồm có 4nhánh trong đó R4 là thuần trở các nhánh còn lại là Cx nối tiếp với Rx là điện trở vàđiện dung của tụ cần đo, tụ điện C1 Đường chéo cầu được mắc điện kế G chỉ cân bằng

và nguồn cung cấp xoay chiều U

Khi cầu cân bằng ta có:

1 1

3 3

4 Cầu Grover đo điện dung

3 2 2 3 1 2

X X

2 1

1 2 3 2 2 3

X X

R



CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG MẠCH ĐIỆN ELECTRONICS WORKBENCH

I.Mở đầu

- Electronics Workbench là phần mềm mô phỏng mạch điện, đo đạc các mạch số

và tương tự của hãng Interactive Image Technologies Đây là một phần mềm trợ giúpthiết kế các mạch số và tương tự rất hoàn chỉnh, cho phép ta thiết kế rồi thử với nhiềunguồn tín hiệu: nguồn sin, xung… và nhiều thiết bị đo mô phỏng như Oscilloscope,V.O.M, Bode Plotter, Logic Probe…

- Hiện nay, sinh viên cũng như giáo viên gặp khó khăn trong việc tìm hiểu vànghiên cứu, đặc biệt là tính toán các thông số của mạch điện tử phức tạp Thêm vào

đó, để làm được thực nghiệm, yêu cầu phải tự trang bị dụng cụ đo và linh kiện thiết bị,việc này đòi hỏi chi phí rất cao đối với người thực hiện Các thí nghiệm trong phòngthí nghiệm Vô tuyến cho kết quả sai khác lý thuyết nhiều vì chất lượng linh kiện, sai

số dụng cụ đo…

- Trong chương trình môn học Vô tuyến điện đại cương cũng như các môn học liênquan đến điện tử trong chương trình Sư phạm Vật lý, chưa giới thiệu cũng như đưavào các ứng dụng của Electronics Workbench, do đó EWB là vấn đề hoàn toàn mớivới sinh viên Với mong muốn đưa các thế mạnh của EWB để mô phỏng các kết quả lýthuyết về các mạch khuếch đại và mạch tạo dao động, đồng thời giới thiệu cho sinhviên một công cụ mạnh mẽ để tạo ra một môi trường mô phỏng thú vị và hiệu quả đốivới các bài học điện tử của mình

II Giới thiệu Electronics Workbench

1 Tổng quan về EWB

Sau khi khởi động phần mềm EWB, ta sẽ thấy không gian giao tiếp với người sửdụng như trên hình vẽ Gồm các vùng sau:

- Vùng làm việc: Là vùng rộng có các mắt lưới, là nơi để chúng ta ghép nối cáclinh kiện, tiến hành đo đạc, phân tích Chúng ta có thể zoom in, zoom out, minimize,maximize, di chuyển vị trí hoặc sắp xếp nhiều vùng làm việc chồng lên nhau

- Vùng các thư mục chứa linh kiện theo ký hiệu của các loại linh kiện như nguồn,diode, transistor, … giúp ta có thể lấy các linh kiện trong các thư viện một cách nhanhchóng

- Vùng chứa các thiết bị đo, với các ký hiệu tương ứng với V.O.M, Oscilloscope,Bode Plotter, … ngoài ra còn có các mô phỏng Oscilloscope thực tế của các hãngAgilent, Tektronix, Multimeter và Function Generator của hãng Agilent

- Ngoài ra, còn có thanh menu chính, trong đó có mục Simulate gồm việc chạy môphỏng đồng thời thực hiện các chế độ phân tích mạch như DC operating point, ACanalysis, Transient analysis, Parameter sweep…

- Mục Place dùng để đặt các linh kiện vào mạch, hoặc kết nối dây, các giao điểm

và các đầu kết nối để tạo thành các mạch cần mô phỏng

- Và cũng như các phần mềm cơ bản khác, EWB cũng có các mục như đóng, mở,lưu, in file, mở các chương trình mẫu …

5 Các bước tiến hành tạo mạch và chạy mô phỏng

1 Lấy linh kiện từ các thư viện chứa linh kiện: Có thể vào mục Place,

Component, hoặc nhấn phím tắt Ctrl+W, hoặc click vào các thư viện ở thanh công cụ

Ta kéo linh kiện cần tìm vào trong không gian làm việc Tiếp theo, ta có thể di chuyểnlinh kiện đến vị trí cần thiết bằng con chuột hoặc các phím mũi tên, xoay linh kiệnbằng Ctrl + R để xoay linh kiện sang phải 900

2 Nối các linh kiện: Di chuyển chuột đến chân linh kiện cần nối thứ nhất và

click, di chuyển đến chân linh kiện thứ hai cần nối, thấy xuất hiện vòng tròn đỏ thìclick vào chân, ta sẽ được dây kết nối hai chân đó Ngoài ra trường hợp nhiều hơn haichân nối chung, ta sẽ sử dụng Junction (hoặc nhấn Ctrl+J) làm điểm kết nối chung

3 Đặt giá trị linh kiện hoặc loại linh kiện: Các loại linh kiện đơn giản như điện

trở, tụ điện, cuộn dây, nguồn DC … ta có thể đặt linh kiện một cách trực tiếp bằngcách double click vào linh kiện, điền giá trị linh kiện và chọn đơn vị giá trị Đối vớicác liên kiện phức tạp hơn như Transistor, Op-Amp, …cho phép chúng ta vào mô hìnhcác thông số của linh kiện và điều chỉnh giá trị phù hợp với linh kiện mong muốn Ví

dụ như Transistor có thể điều chỉnh hệ số khuếch đại, Op-Amp có thể điều chỉnh điện

áp nguồn nuôi hoặc trở kháng vào, trở kháng ra …

4 Sử dụng các dụng cụ đo: Dùng chuột kéo các dụng cụ đo vào vùng làm việc,

nối các ngõ vào dụng cụ đo đến các điểm cần đo Double – click vào dụng cụ đo để

dụng nút Grapher View, hiệu chỉnh các thông số của cửa sổ Grapher View để điềuchỉnh hình muốn xem được rõ ràng nhất.

5 Chạy mô phỏng: Sử dụng nút Run ở mục Simulate hoặc nhấn F5, EWB sẽ

bắt đầu chạy mô phỏng, và các kết quả đo sẽ hiển thị ở dụng cụ đo Muốn dừng kếtquả mô phỏng ta cũng dùng nút Run hoặc F5 Việc mô phỏng chiếm nhiều tài nguyênmáy tính nên muốn thực hiện nhanh thì cần máy tính có cấu hình tốt

6 Giới thiệu về các dụng cụ đo mạch tương tự

1 Multimeter (Đồng hồ đo vạn năng VOM)

Multimeter dùng để đo điện áp, dòng điện, điện trở hoặc suy hao giữa hai điểm củamạch Tùy đại lượng cần đo là dòng, áp, điện trở hoặc suy hao mà ta chọn chức năng

đo tương ứng trên Multimeter Ta cũng có thể chọn tín hiệu cần đo là AC hay DC bằngcách dùng các nút tương ứng (AC:~ hay DC:― )

2 Function Generator (Máy phát sóng)

Nguồn phát sóng tạo các dạng sóng sin, vuông hay xung tam giác Ta có thể điềuchỉnh được tần số, khoảng thời gian cạnh lên của chu kỳ sóng (tính giá trị từ 1 – 99%),biên độ và mức DC của tín hiệu Đồng thời, có thể đặt thời gian cạnh lên, thời giancạnh xuống trong trường hợp tạo xung vuông

3 Oscilloscope (Dao động ký)

Có hai loại dao động ký 2 kênh, và 4 kênh Mô phỏng hoàn toàn giống dao động

ký thực, có hai kênh hoặc 4 kênh, được kích bằng tín hiệu bên ngoài, bằng mạch quétbên trong, kích bằng cạnh lên hay xuống Có thể điều chỉnh giá trị một ô trục thời gian,giá trị một ô trục điện áp Hoặc ở chế độ B/A, hoặc A/B

Bode Plotter dùng để vẽ biểu đồ Bode, thường là vẽ đáp ứng tần số của các mạchlọc, mạch khuếch đại… Cho phép ta chọn khoảng tần số cần vẽ đáp ứng, có thể vẽ ởdạng log hoặc tuyến tính (linear), và đáp ứng là biên độ hay pha của tín hiệu

5 Thư viện linh kiện

Để mô phỏng mạch, EWB cung cấp cho ta một số thư viện linh kiện về nguồn(sources), các linh kiện cơ bản như R, L, C… (basic), về diodes (Diodes), vềTransistor (Transistors), về các IC tương tự như Op-Amp (Analog) … Trong mỗi thưviện, chứa nhiều loại linh kiện tương ứng với thực tế như các loại điện trở sai số 5%,10%, … hoặc mô phỏng điện trở lý tưởng