Đang tải... (xem toàn văn)
Thực hành phân tích mạch DC - AC
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN TỬ – TỰ ĐỘNG HĨA THỰC HÀNH PHÂN TÍCH MẠCH DC-AC HỆ TRUNG CẤP ĐIỆN TỬ Biên soạn ThS NGUYỄN CHƯƠNG ĐỈNH Lưu hành nội 2004 PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC LỜI NĨI ĐẦU Phân tích mạch DC – AC môn học sở nhằm cung cấp cho sinh viên ngành Điện - Điện tử phương pháp phân tích tổng hợp mạch sở để thiết kế hệ thống Điện - Điện tử Nhằm giúp sinh viên hiểu rõ thêm lý thuyết, giáo trình thực hành Phân tích mạch DC – AC hướng dẫn cho sinh viên sử dụng phầm mềm mô để giải mạch kiểm chứng định luật học Trong chương trình sử dụng phần mềm Electronic Workbench 5.12 để mơ mạch điện tính chất trực quan dễ sử dụng Sinh viên nên mô tất tập có tập sách tập giáo trình lý thuyết để nắm vững phân tích mạch điện Giáo trình gồm 30 tiết, chia làm Bài Chương trình Electronic Workbench Bài Khảo sát định luật Kichhoff Bài Nguyên lý xếp chồng Bài Mạch tương đương Thevenin Norton Bài Cộng hưởng mạch R – L – C Bài Kiểm tra Mong sinh viên viên đạt nhiều kết sau trình thực hành TP.HCM năm 2004 ThS Nguyễn Chương Đỉnh PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC BÀI CHƯƠNG TRÌNH ELECTRONIC WORKBENCH 1.1 GIỚI THIỆU Electronic Workbench phần mềm mô mạch điện, đo đạc mạch số tương tự Hãng INTERACTIVE IMAGE TECHNOLOGIES Đây phần mềm trợ giúp thiết kế mạch số tương tự hoàn chỉnh, cho phép ta thiết kế thử với nhiều nguồn tín hiệu: nguồn sin, xung, … Và nhiều thiết bị mô 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 cách chọn Start ( Program → Electronics Workbench →Electronics Workbench Sau cửa sổ hình thiết kế chương trình xuất với đầy đủ menu, công cụ hỗ trợ cho việc thiết kế mô mạch điện Các hộp chứa linh kiện Nút công tắc thực mô VÙNG VẼ SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN Hình 1.1 THỰC HÀNH 1.2.2 Các bước mô mạch điện Để lắp thử mạch điện, phải tiến hành bước sau: Lấy linh kiện từ vùng chứa linh kiện Đặt linh kiện cần lấy vào vị trí vùng làm việc Đặt giá trị linh kiện Nối linh kiện Lấy dụng cụ đo cần thiết nối vào điểm cần đo Bật công tắc để mạch hoạt động 1.3 THỰC HÀNH Trong phần thực hành lắp ráp đo thử mạch đơn giản sau Hình 1.2 Tiến hành lắp ráp thử mạch theo bước shau Bước Khởi động chương trình Electronics Workbench cách chọn Start ( Program → Electronics Workbench →Electronics Workbench Bước Chọn lấy linh kiện vào hình làm việc Lấy điện trở: Nhấp chọn hộp cơng cụ Basic chứa linh kiện thông thường điện trở tụ điện, cuộn dây… Hình 1.3 Nhấp chọn linh kiện điện trở nhấp chuột kéo vào hình thiết kế Lưu ý phải nhấn giữ phím trái chuột kéo đến vị trí cần đặt thả Để xoay linh kiện, phải chọn sau nhấn Ctrl + R Sau lấy hết linh kiện ta có sơ đồ xếp hình sau PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC Hình 1.4 Bước Thay đổi giá trị linh kiện Để thay đổi giá trị linh kiện nhấp đúp vào Nhấp đúp vào điện trở, hộp thoại Resistor Properties xuất hiện, nhấp chọn thẻ Value chưa chọn Nhập vào giá trị cho điện trở khung Resistance (R) chọn đơn vị hộp danh sách kế bên Nhấn OK để hồn tất Hình 1.5 Chọn thẻ Label để nhập ký hiệu cho linh kiện ví dụ R1, R2,… Hình 1.6 Bước Tiến hành nối dây cho linh kiện THỰC HÀNH Hình 1.7 Bước Gắn thiết bị đo vào mạch tương tự phần gắn linh kiện Ở tập cần đo dịng, áp dùng thiết bị Multimeter 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 để đo dịng điện mắc Multimeter nối tiếp với mạch Hình 1.9 Bước Bật công tắc chạy mô Ta đọc giá trị điện áp R2 hình 1.9 Hình 1.10 Đo dịng điện mạch cách mắc nối tiếp Multimeter vào mạch, chuyển Multimeter thang đo dịng (A) Kết hình 1.10 Tiếp tục đo điện áp điện trở R1 Cuối so sánh kết với lý thuyết PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 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 Multimeter dùng để đo điện áp, dòng điện, điện trở hay suy hao hai điểm mạch Tuỳ đại lượng cần đo dòng, áp, điện trở hay decibel mà ta chọn chức tương ứng Multimeter Ta chọn tín hiệu cần đo AC hay DC nhấn nút tương ứng (AC: ~ hay DC: –) b.Nguồn phát sóng (function generator) Nguồn phát sóng tạo dạng sóng sin, vng, tam giác Ta có điều chỉnh tần số, duty cycle, biên độ mức DC tín hiệu c Oscilloscope Oscilloscope mơ giống oscilloscope thực có hai kênh 10 THỰC HÀNH e Bode Plotter Bode Plotter dùng để vẽ biểu đồ Bode, thường vẽ đáp ứng tần số mạch lọc, mạch khuếc đại… 1.5 BÀI TẬP TỰ THỰC HÀNH 32 Ω 1.5.1 Tìm I1 I2 6Ω ĐS: I1 I1 = 5A I2 = -3A 4Ω 50V 12 Ω 15 Ω 40 Ω I2 2Ω Rab 1.5.2 Tính dịng I hai trường hợp a Rab = Rbc = Rca = 3Ω b Rab = Rca = 30Ω Rbc = 40Ω ĐS: a 19A ; b 3A 30 Ω 6Ω 2Ω Rca Rbc 57V I 5Ω PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 15 Bước Thay đổi giá trị RL từ 1Ω đến 20Ω Với giá trị RL, dùng Multimeter đo dịng điện mạch tính cơng suất tiêu thụ RL Hình 2.5 RL 1Ω I P Vẽ biểu đồ công suất P theo RL 20Ω Bước Lập lại bước với giá trị nguồn 20V RL I P 1Ω 20Ω Bước Cho biết giá trị RL mà cơng suất tiêu thụ RL đạt cực đại Bước Kiểm chứng lại lý thuyết theo lý thuyết 2.4 BÀI TẬP TỰ THỰC HÀNH 2.4.1 Kiểm chứng định luật Kichhoff mạch sau 3Ω + 6A Uo – 4Ω 12Ω Ix 12Ω R1 4Ω 4Ix 16 THỰC HÀNH 2.4.2 Tìm RL mạch sau để công suất tiêu thụ RL cực đại 15 Ω 10 V 5Ω RL PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 17 BÀI NGUYÊN LÝ XẾP CHỒNG 3.1 MỤC ĐÍCH Dùng phần mềm Electronic Workbench kiểm chứng nguyên lý xếp chồng mạch điện 3.2 NỘI DUNG Trong mạch có nhiều nguồn độc lập, đáp ứng (dòng, áp) nhiều nguồn gây tổng đáp ứng nguồn gây cho nguồn khác Nguồn áp = : ngắn mạch Nguồn dòng = 0: hở mạch Như vậy, mạch có N nguồn kích thích độc lập Một đáp ứng Xk tính • N • Xk = ∑ Xi (3.8) i =1 • X i đáp ứng mạch kích thích Fi kích thích khác cho Đáp ứng tạo nhiều nguồn kích thích tác động đồng thời tổng đáp ứng tạo nguồn kích thích tác động riêng rẽ 3.3 THỰC HÀNH Cho mạch hình 3.1 Tìm I phương pháp xếp chồng 4Ω I 6A 2Ω Hình 3.1 Bước 1: Mắc mạch hình, dùng Multimeter đo dịng I Hình 3.2 18V 18 THỰC HÀNH Kết I= Bước Xét trường hợp nguồn 18 V, cho nguồn 6A = Hình 3.3 Kết I1 = Bước Xét trường hợp nguồn 6A, cho nguồn 18V = Hình 3.4 Kết I2 = Bước Kiểm chứng nguyên lý xếp chồng So sánh I I1 + I2 3.4 CÁC BÀI TẬP TỰ THỰC HÀNH 3.4.1 Cho mạch hình 3.5 Tìm V phương pháp xếp chồng I1 1Ω + V 1Ω – 6A 12V 2I1 Hình 3.5 PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 19 3.4.2 Tìm dịng I1, I2, I3, I4, phương pháp xếp chồng I1 3Ω I3 2Ω 2Ω I4 1A I2 3Ω 5V Hình 3.6 PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 21 BÀI MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG THEVENIN VÀ NORTON 4.1 MỤC ĐÍCH Dùng phần mềm Electronic Workbench để xác định sơ đồ tương đương Thevenin – Norton mạch điện 4.2 NỘI DUNG Định lý Thevenin: Một mạng cửa thay tương đương mạch gồm có nguồn áp có giá trị điện áp hở mạch mắc nối tiếp với trở kháng ZTĐ ZTĐ A A Mạch điện Ė = Ůhm ⇔ B B Hình 3.1 Mạch tương đương Thevenvin Định lý Norton: Một mạng cửa thay tương đương mạch gồm có nguồn dịng có giá trị dòng điện cửa ngắn mạch mắc nối tiếp với trở kháng ZTĐ A Mạch điện A ⇔ J = İnm ZTĐ B B Hình 3.2 Mạch tương đương Norton Trở kháng ZTĐ trở kháng nhìn vào hai cực mạng cửa cho nguồn độc lập Nguồn áp = : ngắn mạch Nguồn dòng = 0: hở mạch Để tính trở kháng ZTĐ ta dùng cách sau Cách 1: Triệt tiêu tất nguồn độc lập mạng cửa A 22 THỰC HÀNH İt A Mạng cửa (Triệt tiêu tất nguồn độc lập) Ėt Mạng cửa (Triệt tiêu tất nguồn độc lập) • B Et ZTĐ = • (a) Jt – • B Ut ZTĐ = • (b) Hình 3.3 I t A + Ůt Jt Kích thích cửa A, B nguồn áp hình 3.18a (giá trị Ėt chọn tuỳ ý, • ví dụ Ėt = 1V) Xác định dịng İt chảy vào mạch từ nguồn Ėt Suy ZTĐ = Et • It • • Cũng kích thích cửa A, B nguồn dòng J t hình 3.18b (giá trị J t • • chọn tuỳ ý, ví dụ J t = 1A) Xác định điện áp Ůt, từ suy ZTĐ = Ut • Jt Cách 2: Lần lượt hở mạch ngắn mạch hai cực A, B để xác định điện áp Ůhm dịng điện İnm Từ suy • ZTĐ = U hm • I nm Cách Trường hợp mạch không chứa nguồn phụ thuộc ta tính ZTĐ triệt tiêu tất nguồn độc lập mạch, sau tính ZTĐ nhìn vào hai cực A, B phép biến đổi tương đương 4.3 THỰC HÀNH Cho mạch hình vẽ, kiểm chứng sơ đồ tương đương Thevenin Norton 6Ω 1Ω A I B RL 12V 3Ω 1A 2Ω 2A Hình 3.4 Bước Mắc mạch đo UAB dịng IL, lưu ý để đo áp ta mắc máy đo song song với tải để đo dòng ta mắc máy đo nối tiếp với tải PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 23 Hình 3.5 Hình 3.6 Kết UAB = IL = Bước Hở mạch RL đo Uhm Hình 3.7 Kết Uhm = Bước Ngắn mạch RL đo Inm Hình 3.8 Kết Inm = 24 THỰC HÀNH Bước Cho tất nguồn độc lập (ngắn mạch nguồn áp hở mạch nguồn dòng), dùng multimeter thang đo Ω để đo ZTĐ Hình 3.9 Kết ZTĐ = Bước Kiểm chứng mạch tương đương Thevenin Xây dựng mạch tương tương Thevenin gắn thêm điện trở tải, dùng Multimeter đo dòng áp tải ZTĐ Uhm RL Hình 3.10 Kết UAB = IL = So sánh với giá trị đo bước Bước Kiểm chứng mạch tương đương Norton Xây dựng mạch tương tương Thevenin gắn thêm điện trở tải, dùng Multimeter đo dòng áp tải J = Ihm ZTĐ Hình 3.11 Kết UAB = IL = So sánh với giá trị đo bước RL PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 25 Bước Nhận xét quan hệ Uhm,Inm ZTĐ 4.4 BÀI TẬP TỰ THỰC HÀNH 4.4.1 Tìm mạch tương đương Thevenin mạch hình 3.12 1Ω 6Ω A 18A 2Ω 18V 12Ω B ĐS: E = 10V, R0 = 3Ω Hình 3.12 4.4.2 Tính R để cơng suất tiêu thụ cực đại Tìm cơng suất 4Ω 8V ĐS: R = 1Ω, P = 900W 1A 12Ω R Hình 3.13 3Ω 6V PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 27 BÀI CỘNG HƯỞNG TRONG MẠCH R – L – C 5.1 MỤC ĐÍCH Sử dụng phần mềm Workbench để khảo sát đặc tính cơng hưởng mạch R–L–C nối tiếp cách đo nhiều lần giá trị điện áp ứng với tần số khác nhau, từ xác định điểm cộng hưởng mạch 5.2 NỘI DUNG Cộng hưởng chế độ thành phần điện kháng hay điện nạp triệt tiêu Ở chế độ dòng áp pha Trong mạch R – L – C nối tiếp, xảy tượng cộng hưởng, áp cuộn cảm tụ điện độ lớn, nghịch pha nhau, điện áp điện trở R cực đại 5.3 THỰC HÀNH Bước Mắc mạch R–L–C nối tiếp với L = 318 mH C = µH Hình 5.1 Bước Cho R = 560Ω Nguồn cung cấp cho mạch lấy từ máy phát sóng sin biên độ 10V Thay đổi tần số nguồn từ 10Hz đến 10KHz (lấy khoảng 20 giá trị) Ứng với giá trị tần số, đo điện áp điện trở R (hình 5.2), cuộn cảm L (hình 5.3) 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 (chú ý xác định giá trị tần số ứng với giá trị cực đại điện áp điện trở) Tần số nguồn (f) 10Hz UR UL UC Bước Cho R = 47Ω Lặp lại phép đo Tần số nguồn (f) 10Hz UR UL UC 10KHz 10KHz Bước Vẽ đặc tuyến UR, UL UC phụ thuộc vào tần số ứng với hai giá trị điện trở Bước Cho biết tần số cộng hưởng nhánh Bước Tại tần số cơng hưởng vẽ dùng Oscilloscope vẽ dạng sóng UR, UL UC PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 29 Hình 5.5 Bước Tính tần số cộng hưởng theo lý thuyết So sánh 5.4 BÀI TẬP TỰ THỰC HÀNH Tương tự khảo sát cộng hưởng dòng điện mạch R – L – C mắc song song ... PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC LỜI NĨI ĐẦU Phân tích mạch DC – AC mơn học sở nhằm cung cấp cho sinh viên ngành Điện - Điện tử phương pháp phân tích tổng hợp mạch sở để thiết kế hệ thống Điện - Điện... trình thực hành Phân tích mạch DC – AC hướng dẫn cho sinh viên sử dụng phầm mềm mô để giải mạch kiểm chứng định luật học Trong chương trình sử dụng phần mềm Electronic Workbench 5.12 để mô mạch. .. TỰ THỰC HÀNH 2.4.1 Kiểm chứng định luật Kichhoff mạch sau 3Ω + 6A Uo – 4Ω 12Ω Ix 12Ω R1 4Ω 4Ix 16 THỰC HÀNH 2.4.2 Tìm RL mạch sau để cơng suất tiêu thụ RL cực đại 15 Ω 10 V 5Ω RL PHÂN TÍCH MẠCH