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 CAO ĐẲNG ĐIỆN TỬ THỰC HÀNH 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. Nguyên lý xếp chồng Bài 3. Mạch tương đương Thevenin và Norton Bài 4. Xác định các thông số của mạng hai cửa Bài 5. Khảo sát mạch lọc thụ động 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 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 1.5.6 Tìm điện áp U0 ĐS: U0 = 6V 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 + – 12Ω 3Ω 4Ω 12Ω 4Ω + Uo – 4Ix Ix 6A R1 PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 13 BÀI 2 NGUYÊN LÝ XẾP CHỒNG 2.1. MỤC ĐÍCH Dùng phần mềm Electronic Workbench kiểm chứng nguyên lý xếp chồng của mạch điện. 2.2. 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. 2.3. 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 2.2 4Ω 2Ω Hình 2.1 6A 18V I 14 THỰC HÀNH Kết quả I = Bước 2. Xét trường hợp nguồn 18 V, cho nguồn 6A = 0 Hình 2.3 Kết quả I1 = Bước 3. Xét trường hợp nguồn 6A, cho nguồn 18V = 0 Hình 2.4 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 15 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 17 BÀI 3 MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG THEVENIN VÀ NORTON 3.1. MỤC ĐÍCH Dùng phần mềm Electronic Workbench để xác định sơ đồ tương đương Thevenin – Norton của mạch điện. 3.2. 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 18 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 3.3. 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 19 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 = 20 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 Bước 7. Nhận xét quan hệ giữa Uhm,Inm và ZTĐ Hình 3.10 RL Uhm ZTĐ Hình 3.11 J = Ihm ZTĐ RL PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 21 3.4. BÀI TẬP TỰ THỰC HÀNH 3.4.1 Tìm mạch tương đương Thevenin của mạch hình 3.12 ĐS: E = 10V, R0 = 3Ω 3.4.2. Tính R để công suất tiêu thụ trên nó là cực đại. Tìm công suất đó ĐS: R = 1Ω, P = 900W 3.4.3. Tìm mạch tương đương Thevenin và Norton của mạch sau 18A 18V 2Ω 12Ω 1Ω 6Ω A B Hình 3.12 8V 1A 6V 4Ω R 12Ω 3Ω Hình 3.13 40Ω 2Ω 10Ω 6Ω 30Ω 12Ω 3v1 + v1 – A B 10V Hình 3.14 PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 23 BÀI 4 XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ MẠNG HAI CỬA 4.1. MỤC ĐÍCH Dùng phần mềm Electronic Workbench để xác định các thông số của của mạng hai cửa. 4.2. NỘI DUNG Các ma trận của mạng hai cửa được định nghĩa dựa trên các quan hệ bởi các cặp biến trạng thái Ů1, İ1 và Ů2, İ2 với chiều dòng điện và điện áp quy ước như hình 4.1 4.2.1 Ma trận Z Biểu diễn Ů1 và Ů2 theo İ1 VÀ İ2 Ů1 = Z11İ1 + Z12İ2 (4.1) Ů2 = Z21İ1 + Z22İ2 4.2.2 Ma trận Y Biểu diễn İ1và İ2 theo Ů1 VÀ Ů2 İ1 =Y11Ů1+Y12Ů2 (4.2) İ2 =Y21Ů1+Y22Ů2 4.2.3 Ma trận H Biểu diễn Ů1 và İ1 theo İ1 và Ů1 Ů1 = H11İ1 + H12Ů2 (4.3) İ2 = H21İ1 + H22Ů2 4.2.4 Ma trận G Biểu diễn Ů1 và İ1 theo Ů1 và İ2 Mạng hai cửa 1’ 2 2’ Cửa 1 Cửa 2 + – + – İ1 İ2 Ů1 Ů2 Hình 4.1 24 THỰC HÀNH İ1 = G11Ů1+G12İ2 (4.4) Ů2 = G21Ů1+G22İ2 4.2.5 Ma trận A Biểu diễn Ů1 và İ1 theo Ů2 và İ2 Ů1=A11Ů2 – A12İ2 (4.5) İ1=A21Ů2 – A22İ2 4.2.6 Ma trận B Biểu diễn Ů2 và İ2 theo Ů1 và İ1 Ů2 = B11Ů1 – B12İ1 (4.6) İ2 = B21Ů1 – B22İ1 4.3. THỰC HÀNH Xác định các thông số ma trận A của mạng hai cửa hình 5.3 Ta có phương trình ma trận A Ů1 = A11Ů2 – A12İ2 İ1 = A21Ů2 – A22İ2 Ngắn mạch cửa 2 (Ů2 = 0) hình 5.4 0UI UA 22 1 12 =− = •• • và 0UI IA 2 2 1 22 =− = •• • Hở mạch cửa 2 (İ2 = 0) hình 5.5 0IU UA 2 2 1 11 == •• • 0IU IA 2 2 1 21 == •• • Bước 1 Ngắn mạch cửa 2, cho nguồn U1 = 10V (có thể là giá trị khác), tiến hành đo I1 và I2 như hình 4.5 2Ω 4Ω 4Ω Hình 4.2 2Ω 4Ω 4Ω İ1 İ2 Ů1 Hình 4.3 2Ω 4Ω 4Ω Hình 4.4 İ1 İ2 = 0 + Ů1 – + Ů2 – PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 25 Hình 4.5 Kết quả I1 = I2 = Suy ra A12 và A22 Bước 2. Hở mạch cửa 2, cho nguồn U1 = 10V (có thể là giá trị khác), tiến hành đo I1 và U2 như hình 4.6 Hình 4.6 Kết quả I1 = U2 = Suy ra A11 và A21 Bước 3: So sánh kết quả với lý thuyết 4.4. BÀI TẬP TỰ THỰC HÀNH Tiến hành các xác định các ma trận Z, Y, G, H, và B của mạng hai cửa ở phần 4.2. PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 27 BÀI 5 KHẢO SÁT MẠCH LỌC THỤ ĐỘNG R, L, C 5.1. MỤC ĐÍCH Dùng phần mềm Electronic Workbench để khảo sát đáp tuyến tần số trên các mạch cơ bản R – L và R – C, từ đó ứng dụng vào việc mô phỏng các mạch lọc 5.2. NỘI DUNG Trong các mạch lọc R – L, do tính chất cuộn cảm dòng điện chậm pha hơn cuộn cảm một góc 900, và điện kháng cuộn dây phụ thuộc theo tần số XL = ωL. Do đó ở tần số càng cao, trở kháng cuộn dây càng lớn và vì vậy, tuỳ theo cách đấu cuộn dây trong mạch, ta sẽ có những mạch điện có tính chất chọn lọc tần số thích hợp, ta gọi là mạch lọc. Như trong mạch lọc thông cao dùng R – L, ta có tần số cắt của mạch lọc xác định bởi: L R 2 1fc = Một cách tương tự, tụ điện có tínhchất đối lập với cuộn cảm, cũng được dùng trong mạch lọc R – C. Như trong các mạch lọc thông thấp dùng R–C, ta có tần số cắt của mạch lọc xác định bởi: C R 2 1fc = 5.3. THỰC HÀNH 5.3.1. Mạch lọc thông cao R – L Cho mạch R – L như sau Bước 1. Dùng máy phát sóng, cho biên độ 2V, tần số 1KHz, tạo nguồn kích thích cho mạch. Dùng dao động ký vẽ dạng tín hiệu vào mạch và tín hiệu ra trên cuộn dây. Nhận xét độ di pha của hai tín hiệu này 10 mH 100Ω Hình 5.1 28 THỰC HÀNH Hình 5.2 Bước 2. Dùng Volt kế đo điện áp trên nguồn vào và trên các phần tử mạch. Xây dựng giản đồ vector của mạch. Hình 5.3 Bước 3. Dùng máy vẽ giản đồ Bode, xác định tần số cắt của mạch lọc. Tính toán giá trị này bằng công thức và so sánh kết quả. Hình 5.4 5.3.2. Mạch lọc thông thấp R – C Cho mạch lọc thông thấp R – C như sau Hình 5.5 Bước 1. Dùng máy phát sóng, cho biên độ 2V, tần số 1KHz, tạo nguồn kích thích cho mạch. Dùng dao động ký vẽ dạng tín hiệu vào mạch và tín hiệu ra trên cuộn dây. Nhận xét độ di pha của hai tín hiệu này PHÂN TÍCH MẠCH DC – AC 29 Hình 5.6 Bước 2. Dùng Volt kế đo điện áp trên nguồn vào và trên các phần tử mạch. Xây dựng giản đồ vector của mạch. Hình 5.7 Bước 3. Dùng máy vẽ giản đồ Bode, xác định tần số cắt của mạch lọc. Tính toán giá trị này bằng công thức và so sánh kết quả. Hình 5.8 5.4. BÀI TẬP TỰ THỰC HÀNH Tương tự như trên khảo sát mạch lọc thông thấp R – L, mạch lọc thông cao R–C, và mạch lọc R – L –C. ·›¶