Thực hành phân tích mạch DC-AC

THỰC HÀNH PHÂN TÍCH MẠCH DC-AC TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP 4 KHOA ĐIỆN TỬ – TỰ ĐỘNG HÓA Biên soạn ThS NGUYỄN CHƯƠNG ĐỈNH Lưu hành nội bộ 2004 HỆ TRUNG CẤP ĐIỆN TỬ PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 3 LỜI NÓI ĐẦU Phân tích mạch DC – AC là môn học cơ sở nhằm cung cấp cho các sinh viên ngành Điện - Điện tử phương pháp phân tích tổng hợp mạch là cơ sở để thiết kế hệ thống Điện - Điện tử. Nhằm giúp sinh viên hiểu rõ thêm về lý thuyết, giáo trình thực hành Phân tích mạch DC – AC hướng dẫn cho sinh viên sử dụng phầm mềm mô phỏng để giải mạch và kiểm chứng các định luật đã học. Trong chương trình sử dụng phần mềm Electronic Workbench 5.12 để mô phỏng mạch điện do tính chất trực quan và dễ sử dụng. Sinh viên nên mô phỏng tất cả các bài tập có trong tập sách này và các bài tập trong giáo trình lý thuyết để có thể nắm vững về phân tích mạch điện. Giáo trình gồm 30 tiết, chia làm 6 bài Bài 1. Chương trình Electronic Workbench Bài 2. Khảo sát định luật Kichhoff. Bài 3. Nguyên lý xếp chồng Bài 4. Mạch tương đương Thevenin và Norton Bài 5. Cộng hưởng trong mạch R – L – C Bài 6. Kiểm tra Mong rằng các sinh viên viên đạt nhiều kết quả sau quá trình thực hành TP.HCM năm 2004 ThS Nguyễn Chương Đỉnh PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 5 BÀI 1 CHƯƠNG TRÌNH ELECTRONIC WORKBENCH 1.1. GIỚI THIỆU Electronic 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 giúp thiết kế các mạch số và tương tự rất hoàn chỉnh, cho phép ta thiết kế rồi thử với nhiều nguồn tín hiệu: nguồn sin, xung, … Và nhiều thiết bị mô phỏng như oscilloscope, VOM, Bode Plotter, Logic Probe… 1.2. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH 1.2.1 Chạy chương trình Khởi động chương trình Electronics Workbench bằng cách chọn Start ( Program → Electronics Workbench →Electronics Workbench . Sau đó cửa sổ màn hình thiết kế của chương trình xuất hiện với đầy đủ các menu, thanh công cụ hỗ trợ cho việc thiết kế và mô phỏng mạch điện Hình 1.1 Các hộp chứa linh kiện Nút công tắc thực hiện mô phỏng VÙNG VẼ SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN 6 THỰC HÀNH 1.2.2. Các bước mô phỏng mạch điện Để lắp và thử một mạch điện, phải tiến hành các bước sau: 1. Lấy linh kiện từ vùng chứa linh kiện 2. Đặt linh kiện cần lấy vào đúng vị trí trong vùng làm việc 3. Đặt các giá trị linh kiện 4. Nối các linh kiện 5. Lấy các dụng cụ đo cần thiết và nối vào những điểm cần đo 6. Bật công tắc để mạch hoạt động 1.3. THỰC HÀNH Trong phần thực hành chúng ta sẽ lắp ráp và đo thử một mạch đơn giản như sau Hình 1.2 Tiến hành lắp ráp và thử mạch theo các bước shau Bước 1. Khởi động chương trình Electronics Workbench bằng cách chọn Start ( Program → Electronics Workbench →Electronics Workbench Bước 2. Chọn và lấy các linh kiện vào màn hình làm việc. Lấy điện trở: Nhấp chọn hộp công cụ Basic chứa các linh kiện thông thường như điện trở tụ điện, cuộn dây… Hình 1.3 Nhấp chọn linh kiện điện trở nhấp chuột và kéo nó vào màn hình thiết kế. Lưu ý phải nhấn và giữ phím trái chuột kéo đến vị trí cần đặt rồi thả ra. Để xoay linh kiện, phải chọn nó sau đó nhấn Ctrl + R. Sau khi lấy hết các linh kiện ta có sơ đồ sắp xếp như hình sau PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 7 Hình 1.4 Bước 3. Thay đổi giá trị của linh kiện. Để thay đổi giá trị của linh kiện nhấp đúp vào nó. Nhấp đúp vào điện trở, hộp thoại Resistor Properties xuất hiện, nhấp chọn thẻ Value nếu nó chưa được chọn. Nhập vào giá trị mới cho điện trở trong khung Resistance (R) và chọn đơn vị trong hộp danh sách kế bên. Nhấn OK để hoàn tất. Hình 1.5 Chọn thẻ Label để nhập ký hiệu cho linh kiện ví dụ R1, R2,… Hình 1.6 Bước 4. Tiến hành nối dây cho các linh kiện 8 THỰC HÀNH Hình 1.7 Bước 5. Gắn các thiết bị đo vào mạch tương tự như phần gắn linh kiện. Ở bài tập này chúng ta cần đo dòng, áp do đó dùng thiết bị Multimeter trong hộp Instruments Hình 1.8 Gắn thiết bị đo vào mạch, lưu ý để đo điện áp mắc Multimeter song song với mạch cần đo và để đo dòng điện mắc Multimeter nối tiếp với mạch Hình 1.9 Bước 6. Bật công tắc chạy mô phỏng. Ta đọc được giá trị của điện áp trên R2 như hình 1.9. Hình 1.10 Đo dòng điện trong mạch bằng cách mắc nối tiếp Multimeter vào mạch, và chuyển Multimeter về thang đo dòng (A). Kết quả như hình 1.10. Tiếp tục đo điện áp trên điện trở R1. Cuối cùng so sánh kết quả với lý thuyết. PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 9 1.4. CÁC KÝ HIỆU LINH KIỆN TRONG ELECTRONIC WORKBENCH 1.4.1. Nguồn phụ thuộc a. Nguồn áp phụ thuộc áp (Voltage-Controlled Voltage Source) b. Nguồn áp phụ thuộc dòng (Current Controlled Voltage Source) c. Nguồn dòng phụ thuộc áp (Voltage-Controlled Current Source) d. Nguồn dòng phụ thuộc dòng (Current Controlled Current Source) 1.4.2. Các thiết bị đo a. Đồng hồ đo vạn năng Multimeter dùng để đo điện áp, dòng điện, điện trở hay suy hao giữa hai điểm của một mạch. Tuỳ đại lượng cần đo là dòng, áp, điện trở hay decibel mà ta chọn chức năng tương ứng trên Multimeter. Ta cũng có thể chọn tín hiệu cần đo là AC hay DC bằng các nhấn nút tương ứng (AC: ~ hay DC: –) b.Nguồn phát sóng (function generator) Nguồn phát sóng tạo ra các dạng sóng sin, vuông, tam giác. Ta có có thể điều chỉnh được tần số, duty cycle, biên độ và mức DC của tín hiệu. c. Oscilloscope Oscilloscope được mô phỏng giống như một oscilloscope thực có hai kênh. 10 THỰC HÀNH e. Bode Plotter Bode Plotter dùng để vẽ biểu đồ Bode, thường là vẽ đáp ứng tần số của các mạch lọc, mạch khuếc đại… 1.5. BÀI TẬP TỰ THỰC HÀNH 1.5.1 Tìm I1 và I2 ĐS: I1 = 5A I2 = -3A 1.5.2. Tính dòng I trong hai trường hợp a. Rab = Rbc = Rca = 3Ω b. Rab = Rca = 30Ω và Rbc = 40Ω ĐS: a. 19A ; b. 3A 40 Ω 32 Ω 6 Ω 12 Ω 6 Ω 30 Ω 2 Ω 4 Ω 50V 15 Ω I1 I2 Rab Rbc Rca 57V 5Ω 2Ω I PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 11 1.5.3. Tìm dòng điện trong các nhánh như hình sau ĐS: I1 = 0.02A, I2 = 0.02A, I3 = 0.01A 1.5.4 Tìm U ĐS: U = -3V 1.5.5 Tìm áp U0 ĐS: U0 = 4V 10Ω 40Ω 20Ω 0.03A 0.4V 1V I3 I1 I2 + U1 – 6 Ω 4 Ω 24 Ω 2 Ω 6 Ω 5 V + U – 3 U1 4A 6Ω 2 U0 U0 1Ω 2Ω + – PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 13 BÀI 2 KHẢO SÁT ĐỊNH LUẬT KICHHOFF TRUYỀN CÔNG SUẤT QUA MẠNG MỘT CỬA 2.1. MỤC ĐÍCH Sử dụng phần mềm Workbench để khảo sát hai định luật Kichhoff (K1 và K2) và đặc tính truyền công suất cực đại qua mạng một cửa. 2.2. NỘI DUNG Định luật Kichhoff bao gồm hai định luật K1 và K2 a. Định luật Kirchhoff về dòng điện (Kirchhoff current law) Định luật Kirchhoff về dòng điện hay còn gọi là định luật Kirchhoff 1 (K1) Phát biểu: Tổng đại số các dòng điện tại một nút bất kỳ thì bằng 0 ∑ = = N 1k k 0I (N: số nhánh đi vào nút) Trong đó quy ước: Dòng đi vào thì có dấu +, dòng đi ra thì có dấu – Định luật K1 có thể phát biểu khác như sau: Tổng các dòng điện vào một nút bằng tổng các dòng điện ra khỏi một nút. b. Định luật Kirchhoff về điện áp (Kirchhoff voltage law) Định luật Kirchhoff về điện áp hay còn gọi là định luật Kirchhoff 2 (K2) Phát biểu: Tổng đại số các điện áp trên các phần tử dọc theo tất cả các nhánh trên một vòng kín thì bằng 0. ∑ = vòng k 0U 2.3. THỰC HÀNH 2.3.1. Khảo sát định luật Kichhoff Bước 1. Khảo sát mạch với chiều dòng điện và chiều vòng kín quy ước như hình 2.1 1Ω 2Ω 2Ω 4V 2V I1 I2 I3 I II Hình 2.1 + U2 – + U3 – – U1 + 14 THỰC HÀNH Bước 1. Dùng Multimeter đo các dòng điện trong mạch, lưu ý chiều dòng điện Hình 2.2 Dòng điện I1 I2 I3 Kết quả Bước 2. Kiểm chứng định luật K1 tại nút 1 Bước 3. Dùng Multimeter đo các điện áp trong vòng I, lưu ý chiều vòng kín Hình 2.3 Điện áp U1 U2 U3 Kết quả Bước 2. Kiểm chứng định luật K2 trong vòng I Bước 2. Tương tự, kiểm chứng định luật K2 trong vòng II 2.3.2. Truyền công suất qua mạng một cửa Bước 1. Cho mạch điện như hình Hình 2.4 PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 15 Bước 2. Thay đổi giá trị của RL từ 1Ω đến 20Ω. Với mỗi giá trị RL, dùng Multimeter đo dòng điện trong mạch và tính công suất tiêu thụ trên RL Hình 2.5 RL 1Ω 20Ω I P Vẽ biểu đồ công suất P theo RL Bước 3. Lập lại bước 2 với giá trị nguồn bằng 20V RL 1Ω 20Ω I P Bước 4. Cho biết giá trị của RL mà tại đó công suất tiêu thụ trên RL đạt cực đại Bước 5. Kiểm chứng lại bằng lý thuyết theo lý thuyết. 2.4. BÀI TẬP TỰ THỰC HÀNH 2.4.1 Kiểm chứng định luật Kichhoff trong mạch sau 12Ω 3Ω 4Ω 12Ω 4Ω + Uo – 4Ix Ix 6A R1 16 THỰC HÀNH 2.4.2 Tìm RL trong mạch sau để công suất tiêu thụ trên RL là cực đại. 15 Ω RL 5 Ω 10 V PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 17 BÀI 3 NGUYÊN LÝ XẾP CHỒNG 3.1. MỤC ĐÍCH Dùng phần mềm Electronic Workbench kiểm chứng nguyên lý xếp chồng của mạch điện. 3.2. NỘI DUNG Trong một mạch có nhiều nguồn độc lập, đáp ứng (dòng, áp) do nhiều nguồn gây ra bằng tổng các đáp ứng do từng nguồn gây ra khi cho các nguồn khác bằng 0 Nguồn áp = 0 : ngắn mạch Nguồn dòng = 0: hở mạch Như vậy, một mạch bất kỳ có N nguồn kích thích độc lập. Một đáp ứng Xk sẽ được tính ∑ = •• = N 1i ik XX (3.8) iX • đáp ứng của mạch khi kích thích là Fi các kích thích khác cho bằng 0 Đáp ứng tạo bởi nhiều nguồn kích thích tác động đồng thời thì bằng tổng các đáp ứng tạo bởi mỗi nguồn kích thích tác động riêng rẽ. 3.3. THỰC HÀNH Cho mạch như hình 3.1. Tìm I bằng phương pháp xếp chồng Bước 1: Mắc mạch như hình, dùng Multimeter đo dòng I Hình 3.2 4Ω 2Ω Hình 3.1 6A 18V I 18 THỰC HÀNH Kết quả I = Bước 2. Xét trường hợp nguồn 18 V, cho nguồn 6A = 0 Hình 3.3 Kết quả I1 = Bước 3. Xét trường hợp nguồn 6A, cho nguồn 18V = 0 Hình 3.4 Kết quả I2 = Bước 4. Kiểm chứng nguyên lý xếp chồng So sánh I và I1 + I2 3.4. CÁC BÀI TẬP TỰ THỰC HÀNH 3.4.1. Cho mạch như hình 3.5. Tìm V bằng phương pháp xếp chồng 1Ω 1Ω 6A 12V + V – 2I1 Hình 3.5 I1 PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 19 3.4.2. Tìm các dòng I1, I2, I3, I4, bằng phương pháp xếp chồng 5V 1A 2Ω 3Ω 3Ω 2Ω Hình 3.6 I1 I2 I3 I4 PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 21 BÀI 4 MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG THEVENIN VÀ NORTON 4.1. MỤC ĐÍCH Dùng phần mềm Electronic Workbench để xác định sơ đồ tương đương Thevenin – Norton của mạch điện. 4.2. NỘI DUNG Định 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 Định lý Norton: Một mạng một cửa bất kỳ có thể thay thế tương đương bởi một mạch gồm có một nguồn dòng có giá trị bằng dòng điện trên cửa khi ngắn mạch mắc nối tiếp với một trở kháng ZTĐ Trở kháng ZTĐ chính là trở kháng nhìn vào hai cực của mạng một cửa khi cho các nguồn độc lập bằng 0. Nguồn áp = 0 : ngắn mạch Nguồn dòng = 0: hở mạch Để tính trở kháng ZTĐ ta có thể dùng các cách sau Cách 1: Triệt tiêu tất cả các nguồn độc lập trong mạng một cửa A Mạch điện A B Ė = Ůhm ZTĐ A B ⇔ Hình 3.1 Mạch tương đương Thevenvin Mạch điện A B J = İnm ZTĐ A B ⇔ Hình 3.2. Mạch tương đương Norton 22 THỰC HÀNH Kích thích ở cửa A, B một nguồn áp như hình 3.18a (giá trị Ėt có thể chọn tuỳ ý, ví dụ Ėt = 1V). Xác định dòng İt chảy vào mạch từ nguồn Ėt. Suy ra ZTĐ = t t I E • • . Cũng có thể kích thích ở cửa A, B một nguồn dòng tJ • như hình 3.18b (giá trị tJ • có thể chọn tuỳ ý, ví dụ tJ • = 1A). Xác định điện áp Ůt, từ đó suy ra ZTĐ = t t J U • • . Cách 2: Lần lượt hở mạch và ngắn mạch hai cực A, B để xác định điện áp Ůhm và dòng điện İnm. Từ đó suy ra ZTĐ = nm hm I U • • Cách 3. Trường hợp mạch không chứa nguồn phụ thuộc nào ta tính ZTĐ bằng các triệt tiêu tất cả các nguồn độc lập trong mạch, sau đó tính ZTĐ nhìn vào hai cực A, B bằng các phép biến đổi tương đương 4.3. THỰC HÀNH Cho mạch như hình vẽ, kiểm chứng sơ đồ tương đương Thevenin và Norton Bước 1. Mắc mạch đo UAB và dòng IL, lưu ý để đo áp ta mắc máy đo song song với tải và để đo dòng ta mắc máy đo nối tiếp với tải Mạng một cửa (Triệt tiêu tất cả các nguồn độc lập) Mạng một cửa (Triệt tiêu tất cả các nguồn độc lập) Ėt Jt A A B B İt + Ůt – ZTĐ = t t I E • • ZTĐ = t t J U • • Hình 3.3 (a) (b) 6Ω 3Ω 2Ω 1Ω 2A 1A 12V A B I Hình 3.4 RL PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 23 Hình 3.5 Hình 3.6 Kết quả UAB = IL = Bước 2. Hở mạch RL đo Uhm Hình 3.7 Kết quả Uhm = Bước 3. Ngắn mạch RL đo Inm Hình 3.8 Kết quả Inm = 24 THỰC HÀNH Bước 4. Cho tất các nguồn độc lập bằng 0 (ngắn mạch nguồn áp hở mạch nguồn dòng), dùng multimeter ở thang đo Ω để đo ZTĐ Hình 3.9 Kết quả ZTĐ = Bước 5. Kiểm chứng mạch tương đương Thevenin Xây dựng mạch tương tương Thevenin và gắn thêm điện trở tải, dùng Multimeter đo dòng và áp trên tải. Kết quả UAB = IL = So sánh với giá trị đo ở bước 1 Bước 6. Kiểm chứng mạch tương đương Norton Xây dựng mạch tương tương Thevenin và gắn thêm điện trở tải, dùng Multimeter đo dòng và áp trên tải. Kết quả UAB = IL = So sánh với giá trị đo ở bước 1 Hình 3.10 RL Uhm ZTĐ Hình 3.11 J = Ihm ZTĐ RL PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 25 Bước 7. Nhận xét quan hệ giữa Uhm,Inm và ZTĐ 4.4. BÀI TẬP TỰ THỰC HÀNH 4.4.1 Tìm mạch tương đương Thevenin của mạch hình 3.12 ĐS: E = 10V, R0 = 3Ω 4.4.2. Tính R để công suất tiêu thụ trên nó là cực đại. Tìm công suất đó ĐS: R = 1Ω, P = 900W 18A 18V 2Ω 12Ω 1Ω 6Ω A B Hình 3.12 8V 1A 6V 4Ω R 12Ω 3Ω Hình 3.13 PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 27 BÀI 5 CỘNG HƯỞNG TRONG MẠCH R – L – C 5.1. MỤC ĐÍCH Sử dụng phần mềm Workbench để khảo sát đặc tính công hưởng của mạch R–L–C nối tiếp bằng cách đo nhiều lần các giá trị điện áp ứng với các tần số khác nhau, từ đó xác định được điểm cộng hưởng của mạch 5.2. NỘI DUNG Cộng hưởng là chế độ tại đó các thành phần điện kháng hay điện nạp sẽ triệt tiêu. Ở chế độ này dòng và áp sẽ cùng pha. Trong mạch R – L – C nối tiếp, khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng, áp trên cuộn cảm và trên tụ điện sẽ bằng nhau về độ lớn, nhưng nghịch pha nhau, và điện áp trên điện trở R sẽ cực đại. 5.3. THỰC HÀNH Bước 1. Mắc mạch R–L–C nối tiếp với L = 318 mH và C = 4 µH Hình 5.1 Bước 2. Cho R = 560Ω. Nguồn cung cấp cho mạch được lấy từ máy phát sóng sin biên độ 10V. Thay đổi tần số của nguồn từ 10Hz đến 10KHz (lấy khoảng 20 giá trị). Ứng với mỗi giá trị tần số, lần lượt đo điện áp trên điện trở R (hình 5.2), trên cuộn cảm L (hình 5.3) và trên tụ điện C(hình 5.4). Hình 5.2. Đo UR 28 THỰC HÀNH Hình 5.3. Đo UL Hình 5.4. Đo UC Lập bảng số liệu đo được (chú ý xác định giá trị tần số ứng với giá trị cực đại điện áp trên điện trở) Tần số nguồn (f) 10Hz 10KHz UR UL UC Bước 3. Cho R = 47Ω. Lặp lại các phép đo trên Tần số nguồn (f) 10Hz 10KHz UR UL UC Bước 4. Vẽ các đặc tuyến UR, UL UC phụ thuộc vào tần số ứng với hai giá trị điện trở trên Bước 5. Cho biết tần số cộng hưởng của nhánh Bước 6. Tại tần số công hưởng vẽ dùng Oscilloscope vẽ dạng sóng UR, UL UC PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 29 Hình 5.5 Bước 7. Tính tần số cộng hưởng theo lý thuyết. So sánh 5.4. BÀI TẬP TỰ THỰC HÀNH Tương tự như trên hãy khảo sát cộng hưởng dòng điện trên mạch R – L – C mắc song song. ·›¶