Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 3
Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG Tp.HCM
Chương trình KS CLC Việt – Pháp
ĐIỆN – ĐIỆN ĐỘNG HỌC
BÁO CÁO THÍ NGHIỆM SỐ 3 & 4
KHẢO SÁT MẠCH RLC Ở CHẾ ĐỘ TỰ DO (QUÁ ĐỘ)
KHẢO SÁT MẠCH RLC Ở CHẾ ĐỘ CƯỠNG BỨC (XÁC LẬP)
KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG
GVGD: TS. NGUYỄN THANH NAM
GVHD: GV. DƯƠNG ĐIỀN THU
Nhóm:
VP2016 – A.07
Thành viên: 1.Võ Nguyễn Gia Luật
2. Huỳnh Thế Hào
1611944
1610875
Tp.HCM Tháng 5/2018
Nhóm VP2016 – A07
Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 3
MỤC LỤC
1. Báo cáo Bài Thí nghiệm số 3 ……………………………………2
2. Báo cáo Bài Thí nghiệm số 4 …………………………………..17
Nhóm VP2016 – A07
Trang 1
Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 3
Báo cáo bài Thí nghiệm số 3
KHẢO SÁT MẠCH RLC Ở CHẾ ĐỘ TỰ DO (QUÁ ĐỘ)
Nhóm thí nghiệm số : VP2016-A07
Họ và tên SV
MSSV
Võ Nguyễn Gia Luật
1611944
Huỳnh Thế Hào
1610875
A. Tiến trình làm bài thí nghiệm:
Nộp bản chuẩn bị lúc : 12g30’ ngày 21/04/2018.
+ Nhận xét của CBHD về phần chuẩn bị :
Buổi làm TN chính : từ 12g30’ tới 15g00’ ngày 21/04/2018 .
Làm tiếp, bổ sung : không.
Hoàn tất ngày: 21/04/2018.
CB đã ký duyệt kết quả hoàn tất : Ngày 21/04/2018 .
+ Họ tên CB: Dương Diền Thu..
Nộp báo cáo (bản in) : Ngày 03/05/2018.
B. Nội dung báo cáo thí nghiệm:
Mục đích thí nghiệm:
Khảo sát về mặt lý thuyết và kiểm chứng qua thực nghiệm chế độ tự do (quá độ)
trong một mạch RLC mắc nối tiếp.
Khảo sát đáp ứng điện áp trên tụ của một mạch RLC nối tiếp, khi toàn mạch được
kích thích bởi một máy phát điện áp dạng bước nhảy E (có giá trị 0 trong nửa chu kỳ và
cung cấp điện áp không đổi E trong nửa chu kỳ còn lại).
Nhóm VP2016 – A07
Trang 2
Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 3
I. QUAN SÁT, ĐO ĐIỆN ÁP TRÊN MÀN HÌNH DAO ĐỘNG KÝ VÀ MÁY ĐO ĐA
NĂNG:
Đáp ứng tự do (quá độ) là đáp ứng khi mạch được đặt dưới một kích thích đột ngột ví
dụ như dạng bước nhảy điện áp hoặc dòng điện.Khảo sát mạch như hình sau : ta mắc nối
tiếp điện trở R0,cuộn cảm (L,r0) và tụ điện C,cho GBF phát điện áp dạng bước nhảy
(xung).
R
i
L,r0
0
Máy phát điện áp
bước nhảy
C
u(t)
E(T)
1) Chứng minh phương trình vi phân mô tả mạch theo u(t) có dạng:
d 2u 0 du
2
02u 02e t
dt
Q dt
Ta có :
=
Sử dụng định luật Kirchoff cho vòng toàn mạch :
di
+ u = e(t)
dt
. +
<=>
<=>
+
+
+
+
= ( )
=
( ) (1)
Phương trình (1) là phương trình vi phân mô tả mạch.
Nhóm VP2016 – A07
Trang 3
Điện – Điện động học
Với R=R0 + r0 ;
=
Báo cáo bài Thí nghiệm số 3
; Rc 2
√
L
1 L
; Q=
C
R C
2) Giải phương trình vi phân trên với các sơ kiện u(0) =0 và du/dt(0) =0, tương
đương với việc đóng vào mạch một nguồn áp E (tại t=0)
Ta có phương trình đặc trưng :
+
+
= 0 (∗)
1
=> ∆=
−4
Trường hợp 1 : ∆> 0 ( < )
Phương trình đặc trưng có 2 nghiệm thực âm r1 và r2 :
=−
2
1+ 1−4
;
=−
1− 1−4
2
Nghiệm riêng : ur= e(t)
Vậy nghiệm tổng quát :
( )= ( )+
+
=
Sơ kiện : u(0) =0 ,du/dt(0) = 0. Giải ra
Vậy ( ) =
1+
+
=
Thời gian đặc trưng :
=
1
| |
=
2
1− 1−4
Đây là chế độ quá độ không dao động.
Nhóm VP2016 – A07
Trang 4
Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 3
Trường hợp 2 : ∆= 0 ( = )
Phương trình đặc trưng có nghiệm kép : r = - ω0 .
Nghiệm tổng quát phương trình (1) : ( ) = ( ) + (
)
= −
=−
Từ sơ kiện ta suy ra :
Do đó ( ) =
+
− (1 +
)
Thời gian đặc trưng :
=
1
Đây là chế độ tới hạn.
Trường hợp 3 : ∆< 0
>
Phương trình đặc trưng có nghiệm phức liên hợp dạng : ±
Kết hợp sơ kiện suy ra nghiệm tổng quát phương trình (1) :
( )=
ớ
+
=−
cos(
2
à
+ )
,
ớ
=
1−
à ℎằ
ố
1
4
Thời gian đặc trưng :
=
2
Đây là chế độ có dao động .
3) Trong 3 trường hợp trên ta thấy thời gian đặc trưng ở trường hợp tới
hạn là nhỏ nhất do đó tồn tại
=
đặc trưng cho tốc độ thiết lập trạng thái
cuối của u(t).
4) Cho T >> tc và tại T/2 ta ngắn mạch nguồn e(t) = E.
Nhóm VP2016 – A07
Trang 5
Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 3
Ta có phương trình vi phân và các sơ kiện :
d 2u 0 du
02 u 0
2
dt
Q
dt
u 0 E
du 0 0
dt
Giải phương trình vi phân theo phương trình đặc trưng (*) ở câu trên
ta cũng sẽ nhận được 3 trường hợp ứng với Δ<0 , Δ=0 và Δ>0. Nghiệm nhận
được tương tự như trên nhưng không còn nguồn E nữa.
5) Ta kích thích mạch bằng xung vuông điện áp (0,E) có chu kỳ T >5tc để
mạch trở lại xác lập trước khi quay lại chế độ quá độ khi xung nhảy. Các biểu
thức uc(t) được trình bày trên.
II. KHẢO SÁT CHẾ ĐỘ QUÁ ĐỘ MẠCH RLC NỐI TIẾP:
Cuộn cảm sử dụng trong mạch có độ tự cảm L và điện trở trong r0.Trước
tiên ta đo 2 giá trị này.
Giá trị được ghi trên cuộn cảm : L = 18 mH ; r0 = 2,80Ω.
Sử dụng máy đo đa năng để đo r0 ta được r0 =2,83 Ω
Sai số :
r/ro= 1,07%
Đo L, r0: Ta đo giá trị độ tự cảm L và r0 theo 2 cách :
Cách 1: Ta mắc mạch như hình vẽ với R0 = 50 Ω, nguồn
phát hình sin e(t) có tần số f = 1000Hz.
Sử dụng máy đo đa năng để đo r0 ta được r0 =2,83 Ω
Sai số :
r/ro= 1,07%
Áp dụng cầu chia áp, ta có
Nhóm VP2016 – A07
Trang 6
Điện – Điện động học
=
⇒
=2
⇒
=
=
(
(
Báo cáo bài Thí nghiệm số 3
+
+
1
2
)+
) +
−(
+
)
Ta đo được U = 1,4 V ; u =0,58 V
=> L= 17,3 mH
Sai số : ΔL/L = 3,89%
Cách 2: Vẫn mắc mạch R0, L nối tiếp như trên nhưng có thêm biến áp cách ly,
cho 2 sóng vào oscillo là điện áp 2 đầu cuộn cảm và điện trở R0.Ta có sơ đồ tổng
trở:
Đo φ trên dao động ký, ta được:
L
Usin.R0
2 fu
r
Ucos u
.R0
u
Với tần số trên GBF là
f = 1000Hz
Δt=0,024 (ms)
Δφ = (Δt/t).360=54,72
U= 1,4 V
u=0,58 V
L = 15,7 mH
Sai số: ΔL/L = 12,78 %
r = 2,72 Ω
Sai số: Δr/r = 2,86 %
Nhóm VP2016 – A07
Trang 7
Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 3
Ta lấy giá trị trung bình của 2 lần đo: L = 16,5 mH; r = 2,775 Ω
Nhận xét: Với 2 cách đo trên ta thấy giá trị L sai khác nhiều so với trị số trên
dụng cụ,cho nên vẫn chưa phải là cách tối ưu để đo L.
Đo C
Chọn trên hộp tụ giá trị C sao cho điện trở tới hạn của mạch là 2190,89Ω,
sử dụng phép đo tương tự trên để kiểm tra lại giá trị C.Ta chỉnh trên hộp tụ C=
15µF.
Lắp mạch như hình bên với các thông số : GBF phát sóng hình sin e(t)
với tần số f = 1000Hz, R0 = 50Ω .
Áp dụng cầu chia áp ta có
=
⇒
+
=
+
=
1
2
⇒
1
=
2
−1
Đo được : U = 1,23 V ; u = 0,96V
=> C = 14,8 µF
Sai số : ΔC/C = 1,3 % .
Nhận xét : Sai số trong phép đo điện dung nhỏ hơn nhiều so với phép đo
độ tự cảm L, do đó ta có thể sử dụng giá trị trên hộp tụ trong các bài toán mạch
RLC nối tiếp . Sai số dẫn đến một phần do sai số dụng cụ và sai số khi đo các
giá trị điện áp trên máy dao động ký.
Tần số cộng hưởng :
Nhóm VP2016 – A07
Trang 8
Điện – Điện động học
fo
1
2 LC
1
2 5,31.108
Báo cáo bài Thí nghiệm số 3
720,45Hz
Điện trở tới hạn :
Lý thuyết : Rc = 2190,89 Ω
Thực nghiệm : Rc = 2102,8 Ω
III. QUAN SÁT VÀ HIỂN THỊ CÁC CHẾ ĐỘ KHÁC NHAU:
Thay đổi giá trị R0 từ 10Ω đến 100kΩ, quan sát dạng của e(t) cung cấp bởi GBF,
quan sát trên dao động ký và vẽ lại tín hiệu u(t) giữa 2 đầu tụ ứng với ít nhất 4 giá trị điện
trở khác nhau sao cho thể hiện rõ được chế độ tắt dần,tới hạn và dao động tắt dần.
f 1000 Hz 2000 rad / s
C= 15 µF L= 18mH r = 2,8 Ω
Điện trở tới hạn: R0 2100
RC thực nghiệm: Rc = 2102,8 Ω
RC lý thuyết: Rc = 2190,89 Ω
Sai số: 4,02 %
CÁC GIÁ TRỊ QUAN SÁT ĐƯỢC:
1. R0 = 400 Ω (chế độ dao động tắt dần)
Nhóm VP2016 – A07
Trang 9
Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 3
2. R0 = 1000 Ω (chế độ dao động tắt dần)
Nhóm VP2016 – A07
Trang 10
Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 3
3. R0 = 2100 Ω (chế độ tới hạn)
4. R0 = 3000 Ω (chế độ không dao động)
Nhóm VP2016 – A07
Trang 11
Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 3
5. R0 = 16000 Ω (chế độ không dao động)
Ta có thể xác định giá trị điện trở tới hạn Rc bằng cách tăng dần giá trị R
cho đến khi có bước chuyển biến từ chế độ giả dao động sang chế độ không dao
động.
Nhận xét : Sai số chủ yếu ở đây là do sai số từ việc quan sát trên dao
động ký.Dù ta đưa độ chia về nhỏ cũng không thể nhận biết chính xác bước
chuyển từ có dao động sang không dao động.Ngoài ra còn có sai số của dụng cụ
đo,tuy nhiên sai số này không đáng kể.
IV. KHẢO SÁT CHẾ ĐỘ DAO ĐỘNG :
Nhóm VP2016 – A07
Trang 12
Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 3
Định nghĩa hệ số phẩm chất theo lý thuyết trong mạch RLC nối tiếp :
=
1
+
+
Chu kỳ riêng :
=
1−
1
=
2 √
1−
4
1
4
Thực nghiệm ta sử dụng dao động ký đo độ giảm biên độ sau mỗi chu kì của chế độ
dao động tắt dần suy ra được giá trị Q thực nghiệm.
Độ giảm lượng logarithm :
=
( )
=
( + )
Và T p
=
1
fo 1
1
4Q 2
−
=>
1
4
=>
Q
1
+
4
=
1
1
2 1
Tp f o
2
Ta có C = 15 µF
1. R = 400Ω (quan sát được 1 chu kỳ)
Nhóm VP2016 – A07
Trang 13
Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 3
Các giá trị đo được :
u(t) = 8,4 V
δ = 0,904
Nhóm VP2016 – A07
u(t+Tp) = 3,4 V
Tp = 38 μs
Trang 14
Điện – Điện động học
Suy ra : Q =
Báo cáo bài Thí nghiệm số 3
1 2
= 3,51
4 2
Theo lý thuyết ta có : Q = 2,42
Sai số : ΔQ/Q = 45,04 %
TP
2 LC
Theo lý thuyết ta có : Tp = 40,2 μs
1
1
4Q 2
Sai số : ΔTp/Tp = 5,79 %
2. R = 1000Ω (quan sát được 1 chu kỳ)
Nhóm VP2016 – A07
Trang 15
Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 3
Các giá trị đo được :
u(t) = 5 V
u(t+Tp) = 0.8 V
δ = 1,83
Suy ra : Q =
Tp = 36 μs
1 2
= 1,788
4 2
Theo lý thuyết ta có : Q = 1,041
Sai số : ΔQ/Q = 71,76 %
TP
2 LC
Theo lý thuyết ta có : Tp = 39,4 μs
1
1
4Q 2
Sai số : ΔTp/Tp = 9,4 %
Nhận xét: Sai số trong phép đo này tương đối nhỏ, lại nhỏ hơn nhiều so với sai số phép
đo L, do đó trong thực nghiệm ta không chú ý đến hệ số phẩm chất và thời gian đặc trưng
(có thể tính bằng lý thuyết luôn) thay vào đó ta chú trọng đến các giá trị đo của L và C.
Nhóm VP2016 – A07
Trang 16
Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 4
Báo cáo bài Thí nghiệm số 4
KHẢO SÁT MẠCH RLC Ở CHẾ ĐỘ CƯỠNG BỨC (XÁC LẬP)
KHẢO SÁT HIỆN TƯỢNG CỘNG HƯỞNG
Nhóm thí nghiệm số : VP2016-A07
Họ và tên SV
MSSV
Võ Nguyễn Gia Luật
1611944
Huỳnh Thế Hào
1610875
A. Tiến trình làm bài thí nghiệm:
Nộp bản chuẩn bị lúc : 12g30’ ngày 21/04/2018.
+ Nhận xét của CBHD về phần chuẩn bị :
Buổi làm TN chính : từ 12g30’ tới 15g00’ ngày 21/04/2018 .
Làm tiếp, bổ sung : không.
Hoàn tất ngày: 21/04/2018.
CB đã ký duyệt kết quả hoàn tất : Ngày 21/04/2018 .
+ Họ tên CB: Dương Diền Thu..
Nộp báo cáo (bản in) : Ngày 03/05/2018.
B. Nội dung báo cáo thí nghiệm:
Mục đích thí nghiệm:
Khảo sát lý thuyết và kiểm chứng chế độ cưỡng bức hình sin (xác lập điều hòa)
trong mạch RLC nối tiếp.
Khảo sát đáp ứng họa tần trên điện trở của mạch RLC nối tiếp, khi toàn mạch
được kích thích bởi một máy phát điện áp dạng hình sin ( e (t ) E m cos t , hay
E E m e j t ).
Nhóm VP2016 – A07
Trang 17
Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 4
I. PHẦN LÝ THUYẾT: ĐÁP ỨNG HỌA TẦN CỦA MẠCH RLC NỐI TIẾP:
1. Chứng minh công thức:
Trong chế độ cưỡng bức hình sin khi không tính tới r0 - điện trở của cuộn dây và R g -
điện trở trong của máy phát, thì biểu thức biên độ phức U của điện áp trên điện trở trong
mạch RLC nối tiếp có dạng như sau:
Trong đó :
U
E
0
1 jQ
0
E là biên độ phức của sức điện động của máy phát
- tần số nguồn
0
Q
1
LC
- tần số riêng của mạch
L
- hệ số phẩm chất của mạch này
R C
1
Thật vậy:
Biểu diễn phức các dòng điện và điện áp ta được:
Định luật Kirchhoff, ta có
U R i ,
U L Z L i , U C Z C i
E U U L U C (R j L
U
R
R j L
U
1
1
j C
)i
E
E
j C
1 j
1
R
( LC
1
LC
)
E
0
1 jQ
0
Biên độ và góc pha của u (t ) theo e (t ) là :
Nhóm VP2016 – A07
Trang 18
Điện – Điện động học
E0
U0
arg tan[Q (
1 Q 2 ( 0 )2
0
Báo cáo bài Thí nghiệm số 4
0
)]
0
Khi 0 thì 0 nên u (t ) trễ pha hơn e (t )
Khi 0 thì 0 nên u (t ) sớm pha hơn e (t )
Biên độ và góc pha của u (t ) khi mạch cộng hưởng:
Mạch cộng hưởng khi 0 , khi đó biên độ U 0 đạt giá trị cực đại:
U0 E0
Và 0 , u (t ) và e (t ) cùng pha với nhau.
Nếu 0 thì
Nhận xét: mạch RLC nối tiếp với u (t ) là điện áp hai đầu của điện trở là mạch lọc
U
U
0 và nếu thì 0
E
E
thông dải, nghĩa là chỉ cho phép các sóng hình sin có tần số thuộc dải thông của nó truyền
qua mà ít bị thay đổi biên độ. Đối với những sóng hình sin có tần số cao hoặc thấp hơn
thì biên độ khi đi qua mạch bị giảm đáng kể.
II. KHẢO SÁT ĐÁP ỨNG HỌA TẦN MẠCH RLC NỐI TIẾP
2. Lắp mạch như hình
C
Máy phát
áp hình sin
e(t)
L , r0
R0
u(t)
Rg
Nhóm VP2016 – A07
Trang 19
Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 4
Với R 0 , cuộn dây vòng và tụ điện chọn tương tự như bài TN số 3 sao cho điện trở tới
hạn và khoảng k .
R0 = 100 Ω, r0 = 2,83 Ω, L = 11,2 mH, C = 500nF
Nguồn: e(t) = 1cos(2000πt)
3. Thay đổi tần số:
Cho thay đổi tần số của máy phát (GBF)
Quan sát đồng thời các tín hiệu u(t) và e(t)
Xác định rõ xem u(t) nhanh pha hay chậm pha so với e(t) khi tần số thay đổi.
Lý thuyết:
Với các giá trị R0 , L , r0 ,C như trên, ta có tần số cộng hưởng lý thuyết:
=
=
= 2126,80
= 0,9793
Thực hiện các phép tính như phần I nhưng trường hợp này R= R0 + r0 + Rg, ta suy ra
được giá trị điện áp trên R0 ở dạng phức:
U
E R0
R 1 jQ 0
0
(1)
Độ lệch pha của u(t) so với e(t)
arg tan[Q (
0
)]
0
Khi 0 thì 0 nên u (t ) trễ pha hơn e (t )
Khi 0 thì 0 nên u (t ) sớm pha hơn e (t )
Thực nghiệm:
Nhóm VP2016 – A07
Trang 20
Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 4
Thay đổi tần số của máy phát
Theo (1) tại lân cận điểm cộng hưởng tức là 0
Và u(t) và e(t) đồng pha với nhau
U
E R0
R
Lý giải về giá trị của điện áp trên R0 tại lân cận điểm cộng hưởng:
(1)
U
E R0
R 1 jQ 0
0
Xét về độ lớn ta có:
U0
E 0R 0
R 1 Q ( 0 )2
0
2
Rõ ràng, U0 cực đại khi mẫu số đạt cực tiểu:
U max 1 Q 2 (
0 2
) đạt giá trị min
0
Biểu thức trên là tổng của hai số không âm nên nhỏ nhất khi và chỉ khi:
0
1
0 hay 0
0
LC
Nhóm VP2016 – A07
Trang 21
Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 4
Đây là tần số cộng hưởng của mạch RLC đã xét ở phần I.
Đồ thị của u(t) và e(t) khi chúng đồng pha với nhau
Tìm được giá trị của tần số cộng hưởng thực nghiệm:
f0 = 2170 Hz
Δf/f0 = 2.03%
Đồ thị của u(t) và e(t) khi u(t) nhanh pha hơn e(t)
f = 1000 Hz
Δt=200.10-6 s
Δφ = (Δt/T).360 = 72o (đo bằng Cursor)
φ0 = 73,2o (tính theo f0 )
φ0 = 71,5o (tính theo f0' )
Nhóm VP2016 – A07
Trang 22
Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 4
Đồ thị của u(t) và e(t) khi u(t) chậm pha hơn e(t)
f = 3550 Hz
Δt=100.10-6 s
Δφ = (Δt/T).360 = -127,8o (đo bằng Cursor)
φ0 = -126o (tính theo f0 )
φ0 = -128,2o (tính theo f0' )
Nhóm VP2016 – A07
Trang 23
Điện – Điện động học
Báo cáo bài Thí nghiệm số 4
4. Chế độ quét dọc XY
Ở chế độ quét dọc XY, ta có thể dễ dàng nhận biết tần số cộng hưởng f0 .
Vì ở chế độ này, hiển thị trên màn hình là một hình elip do e(t) và u(t) có sự lệch
pha.
Khi chỉnh cho tần số biến đổi đến gần tần số cộng hưởng thì độ lệch pha giữa e(t)
và u(t) càng giảm, elip càng dẹt.
Đến khi trên màn hình, đồ thị là một đường thẳng thì lúc đó e(t) và u(t) cùng pha
với nhau (vị trí cộng hưởng). Lúc này, dễ dàng đọc được tần số cộng hưởng trên máy
phát.
Đồ thị quan hệ của e(t) và u(t) ở chế độ quét dọc XY, khi cộng hưởng:
Nhóm VP2016 – A07
Trang 24