BomonKTDT-ĐHGTVT 84 Chơng 7: đo thông số của mạch điện Thông số của mạch điện bao gồm điện trở R, điện cảm L, điện dung C, góc tổn hao của tụ điện tg và hệ số phẩm chất của cuộn dây. Có 2 phơng pháp đo thông số của mạch là đo trực tiếp và đo gián tiếp. + Đo gián tiếp là sử dụng ampe kế và vôn kế đo dòng và áp để từ các phơng trình và định luật suy ra thông số cần đo. + Đo trực tiếp là dùng các thiết bị xác định trực tiếp thông số cần đo nh Ohmmet, Henrimet, Faramet I. Các phơng pháp đo điện trở 1. Đo gián tiếp a. Sử dụng Ampe kế v Vôn kế Dựa vào định luật Ohm ta xác định đợc I U R = Có thể mắc theo một trong hai sơ đồ sau: Sơ đồ a) Ampe kế xác định I, Vôn kế xác định U Giá trị thực của điện trở Rx là: I U Rx = Bằng cách sử dụng các dụng cụ đo ta tính đợc giá trị của điện trở là: Rv Uv I U IvI U Ix U xR = ==' Nh vậy: R x x R ' Do đó ta thấy phép đo đạt giá trị chính xác cao khi Rv càng lớn càng tốt (Rv >> Rx). Sơ đồ này đợc dùng để đo điện trở có giá trị nhỏ. Sơ đồ b) Ampe kế xác định Ix, Vôn kế xác định Uv Kết quả đo cho ta giá trị điện trở Rx là: Ix RIxUv Ix UUv xR AA . ' = = Nh vậy: R x x R ' Rõ ràng để Rx tiến tới giá trị của Rx thì R A càng nhỏ càng tốt (R A << Rx). Sơ đồ b thờng dùng để đo điện trở Rx lớn b. Đo điện trở bằng phơng pháp so sánh với điện trở mẫu - + U Ix I Rx A V Ix U + - Rx V A Chơng 7: Đo thông số của mạch điện 85 Giả sử có sơ đồ mạch nh trên, khi đó có thể xác định điện trở Rx theo công thức tơng ứng với hai sơ đồ nh sau: Sơ đồ a) điện trở đo và điện trở mẫu Ro mắc nối tiếp Điện áp rơi trên điện trở mẫu là Uo, điện áp rơi trên điện trở đo là Ux. Khi đó nếu dòng qua các điện trở không đổi ta có: Ro Uo Ux Rx Rx Ux Ro Uo .= = Sơ đồ b) điện trở đo và điện trở mẫu mắc song song Dòng điện qua điện trở mẫu là Io, dòng qua điện trở đo là Ix. Với điện áp cung cấp ổn định ta có: Ro I x Io Rx R x I x R o I o . = = 2. Đo điện trở trực tiếp bằng Ohmmet Khi đo điện trở bằng phơng pháp gián tiếp nh trên sai số của phép đo sẽ lớn vì nó sẽ bằng tổng các sai số do các dụng cụ gây ra. Để giảm thiểu sai số không mong muốn này ngời ta chế tạo dụng cụ đo trực tiếp giá trị của điện trở gọi là Ohmmet. Ohmmet là dụng cụ đo có cơ cấu chỉ thị từ điện với nguồn cung cấp là pin và các điện trở chuẩn. Dựa vào định luật Ohm ta có I U R = , nh vậy, nếu giữ U không đổi thì dòng điện I qua mạch đo sẽ thay đổi khi điện trở thay đổi (tức là kim sẽ lệch những góc khác nhau khi giá trị của điện trở thay đổi). Trên cơ sở đó ngời ta chế tạo Ohmmet đo điện trở. Nh vậy, về mặt nguyên tắc có thể sử dụng tất cả các cơ cấu chỉ thị theo dòng (nh cơ cấu chỉ thị từ điện, điện từ hay điện động) để chế tạo Ohmmet nhng trên thực tế ngời ta chỉ sử dụng cơ cấu từ điện vì những u điểm của cơ cấu này nh đã nói ở phần trớc. Dới đây sẽ chỉ nói tới Ohmmet có cơ cấu chỉ thị kiểu từ điện. Có hai loại Ohmmet là Ohmmet nối tiếp và Ohmmet song song. Ux Uo Io Ix 21 Ro Rx + U + U Rx R0 ++ V A BomonKTDT-ĐHGTVT 86 a. Ohmmet nối tiếp Đây là Ohmmet trong đó điện trở cần đo mắc nối tiếp với cơ cấu chỉ thị. Ohmmet loại này thờng để đo giá trị điện trở Rx cỡ từ Ohm trở lên. Rp là điện trở phụ đảm bảo khi Rx = 0 dòng điện qua cơ cấu đo là lớn nhất (hết thang chia độ) và để bảo vệ cơ cấu chỉ thị. Điện trở trong của Ohmmet đợc xác định là ma x Ict Uo RpRctR =+= Khi Rx = 0 dòng qua chỉ thị là dòng Ictmax = RpRct Uo + Khi Rx 0 dòng qua chỉ thị Ict = RxRpRct Uo ++ Khi =Rx dòng qua chỉ thị bằng 0 Từ đó ta nhận thấy thang chia độ của Ohmmet ngợc với của Ampemet hay Vônmet. Ngoài ra số chỉ của Ohmmet còn phụ thuộc vào nguồn pin cung cấp bên trong. Khi Uo giảm thì sai số khá lớn. Để điều chỉnh sai số này (hay còn gọi là điều chỉnh zero) ngời ta mắc thêm chiết áp Rm nh hình sau: Cách chỉnh zero: mỗi lần sử dụng Ohmmet ta ngắn mạch đầu vào (cho Rx = 0 bằng cách chập hai đầu que đo với nhau), vặn núm điều chỉnh của Rm để kim chỉ zero trên thang đo. Bằng cách làm nh trên ta sẽ có kết quả đo chính xác hơn dù nguồn pin bị yếu đi. b. Ohmmet song song Loại Ohmmet này có điện trở cần đo Rx mắc song song với cơ cấu chỉ thị nh hình dới đây Ohmmet loại này dùng để đo điện trở R khá nhỏ, nó có thang đo thuận chiều vì khi không có Rx (tức là = Rx ) dòng qua chỉ thị là lớn nhất còn khi Rx = 0 dòng qua chỉ thị xấp xỉ 0. Nh vậy thang đo của Ohmmet song song có dạng thuận nh các thang đo thông thờng khác c. Ohmmet nhiều thang đo Việc mở rộng nhiều thang đo cho Ohmmet sẽ tuân theo nguyên tắc chuyển từ giới hạn đo này sang giới hạn đo khác bằng cách thay đổi điện trở vào của Ohmmet với một số lần nhất định sao cho khi Rx = 0 kim chỉ vẫn đảm bảo lệch hết thang đo tức là dòng qua cơ cấu đo bằng giá trị định mức đã chọn. 1 2 + Uo Rx Rp 1 2 R + Uo Rx Rp Rm R Rx Rm Rp + Uo Chơng 7: Đo thông số của mạch điện 87 Để mở rộng giới hạn đo của Ohmmet ngời ta có thể dùng nhiều nguồn cung cấp và các điện trở phân dòng cho các thang đo khác nhau. Hình bên là ví dụ về một sơ đồ của Ohmmet nhiều thang đo. Chú ý: Công tắc đo có phần tiếp xúc động có thể xoay từng nấc cùng chiều hoặc ngợc chiều kim đồng hồ. Công tắc này có hai phần tiếp xúc là tiếp xúc với điện trở phân dòng tơng ứng của thang đo và tiếp xúc với nguồn cung cấp cho dải đo đó. Khi thang đo điện trở ở giá trị nhỏ thì sử dụng nguồn nhỏ (ví dụ là 1,5V) Khi thang đo điện trở ở giá trị lớn thì sử dụng nguồn lớn (ví dụ là 9V hoặc15V) 3. Cầu đo điện trở Có hai loại cầu là cầu đơn (Wheatstone) và cầu kép (Kelvin) đợc sử dụng để đo điện trở với độ chính xác cao. a. Cầu Wheatstone (cầu đơn) Sơ đồ cầu nh hình bên. Trong đó: R1 là chiết áp R2, R3 là các điện trở cố định Đây là các điện trở làm bằng Manganine có độ chính xác cao. Rx là điện trở cần đo CT là chỉ thị 0. Hoạt động của cầu: Để xác định điện trở Rx ngời ta điều chỉnh con chạy của R1 để chỉ thị chỉ 0, khi đó cầu ở trạng thái cân bằng, tức là Uab = 0 Theo công thức phân áp ta có: Uo RRx Rx Vb Uo RR R Va . 3 . 21 1 + = + = Cầu cân bằng khi Va = Vb 1. 2 3 .23.1 321 1 R R R Rx RxRRR RxR Rx RR R = = + = + chỉnh lệch không công tắc Rx10k Rx1 Rx10 Rx100 Rx1k Ohmmet nhiều thang đo Rx + 1.5V + 9V R11 R10 R9R8 R7 R6 R5 R4R3 R2 R1 Cầu Wheatstone b a + Uo Rx R1 R3 R2 BomonKTDT-ĐHGTVT 88 Vì R3 và R2 có giá trị cố định nên tỉ số giữa chúng là không đổi và đợc gọi là hệ số nhân k, nh vậy, Rx = k.R1 Từ đó ta có cách đo điện trở bằng cầu Wheatstone nh sau: Đa điện trở Rx vào cầu và điều chỉnh con chạy của R1 sao cho kim chỉ thị chỉ 0, khi đó Rx = 1. 2 3 R R R , hệ số R3 / R2 biết trớc nên thang khắc độ có thể khắc trực tiếp giá trị của điện trở cần đo tuỳ thuộc vào vị trí con chạy của R1. Thông thờng để mở rộng thang đo ngời ta giữ nguyên R2 còn R3 đợc thay bởi một dãy các điện trở có giá trị hơn kém nhau 10 lần, khi đó ta sẽ có hệ số nhân là bội của 10. Sơ đồ mở rộng thang đo cho cầu Wheatstone nh sau: R5 là chiết áp điều chỉnh độ nhạy của chỉ thị. Cách điều chỉnh: + Cho K ở vị trí 1 để chỉnh thô, bảo vệ quá dòng cho chỉ thị + Cho K ở vị trí 2 để chỉnh tinh sao cho cầu cân bằng hoàn toàn. Tuỳ vào dải giá trị điện áp cần đo chọn giá trị của R3 phù hợp bằng cách xoay công tắc. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào độ nhạy của chỉ thị, độ chính xác của các điện trở mẫu. Tuy nhiên, u điểm chính của cầu Wheatstone là ở điểm giá trị của điện trở không phụ thuộc vào nguồn cung cấp. Nghĩa là nếu nguồn cung cấp có bị suy giảm trong quá trình sử dụng thì vẫn không ảnh hởng tới cầu đo. Ngoài ra ngời ta còn có thể mắc theo sơ đồ cầu biến trở nh sau: Khi đó: Rx = 1. 2 3 R R R Tỉ số R3/R2 đợc xác định trên biến trở, nghĩa là giá trị của Rx đợc khắc độ ngay trên thang chia R1 có nhiều giá trị để mở rộng thang đo. Mạch trên có u điểm là gọn nhẹ, đơn giản nhng lại có độ chính xác không cao do sai số của biến trở và chỉ thị. Giá trị điện trở cần đo càng lớn độ chính xác càng giảm Khi đo R = 50 - 10 5 sai số khoảng 0,05% nhng khi đo R = 10 5 10 6 thì sai số lên tới 0,5%. b. Cầu Kelvin (cầu kép) Đây là dụng cụ dùng để đo điện trở nhỏ và rất nhỏ mà cầu đơn ở trên không đo đợc hoặc có sai số quá lớn do điện trở dây nối và điện trở tiếp xúc. Dới đây là mạch nguyên lý và sơ đồ thông thờng của cầu kép: b K x1kx100 x10x1 Cầu Wheatstone nhiều thang đo a 1 2 + Uo R1 R2 R3 Rx R5 x1 x10 x100 R3 R2 0 Rx R1 R5 + Uo Ro Chơng 7: Đo thông số của mạch điện 89 Khi cầu cân bằng ta có chỉ thị chỉ 0, dòng qua chỉ thị bằng 0 nên dòng qua R1, R2 là dòng I1, dòng qua R3 , R4 là dòng I1. + Theo vòng 1 ta có: I1.R1 = I.Rx + I2.R3 I.Rx = I1.R1 I2.R3 ) 1 3 .21(1. R R IIRRxI = + Theo vòng 2 ta có: I1.R2 = I.Ro + I2.R4 I.Ro = I1.R2 I2.R4 ) 2 4 .21(2. R R IIRRoI = Vậy: 2 4 .21 1 3 .21 . 2 1 R R II R R II R R Ro Rx = Với điều kiện: R2 R1 Ro.Rx :có sẽta R2 R1 hay = == 4 3 2 4 1 3 R R R R R R Nh vậy nếu trong quá trình đo luôn giữ đợc tỉ số R1/R2 = R3/R4 thì ta sẽ tính đợc Rx thông qua tỉ số trên. Chú ý: Ro là điện trở mẫu còn Rx là điện trở cần đo có giá trị rất nhỏ nên để đảm bảo độ chính xác cao chúng thờng đợc chế tạo thành điện trở 4 đầu, trong đó có 2 đầu áp và 2 đầu dòng (về thực chất đó chính là các điện trở sun nhỏ). Khi này sẽ tránh đợc sụt áp tại các điểm tiếp xúc của các đầu ra điện áp. Trong sơ đồ thông thờng, R1, R2, R3 và R4 đợc mắc với các đầu điện áp của chúng. Nối giữa Rx và Ro là nối các đầu dòng. Dải đo của cầu kép từ 10 -6 - 100, giá trị điện trở càng nhỏ cấp chính xác càng thấp do hạn chế của khả năng tạo giá trị chuẩn. 4. Đo điện trở bằng chỉ thị số: - Trớc khi đo(mạch ở trạng thái chờ): + Tụ C luôn đợc nạp đầy từ nguồn E. + Trigơ T luôn ở trạng thái 0 I I1 I1 I2 I2 I + Uo Rdc Rx Ro R R4R3 R2R1 A đầu dòng điện đầu điện áp R R1 R2 R3 R4 I I1 I I2 I-I2 + Uo Ro Rx Cực dòng Cực dòng BomonKTDT-ĐHGTVT 90 - Khi bắt đầu đo : + Trigơ đợc kích hoạt chuyển từ 0 > 1 + Đồng thời, mạch tạo xung cũng đợc kích hoạt + Khoá K ở vị trí 2. Các hiện tợng sảy ra : Nhờ tác động của xung tích cực đến từ trigơ T mạch chọn xung sẽ cho qua các xung đến từ bộ tạo xung, mạch đếm bắt đầu đếm số xung này. Tụ C phóng điện qua điện trở R X theo phơng trình : CRtrongdoTeEU X Tt T == ,. / = hằng số thời gian của mạch Sau khoảng t=T , ta có U I =E.e -1 Trong quá trình chế tạo, chọn R1 và R2 sao cho : U II =E.R 2 / (R 1 +R 2 )=E.e -1 Tức là sau khoảng thời gian t=T=RC điện áp đầu vào bộ so sánh là bằng nhau, tức là đầu ra bộ so sánh có tín hiệu, tín hiệu này kích hoạt trigơ T làm T chuyển trạng thái 1 >0, làm cho mạch chọn xung ngừng không cho xung qua, mạch đếm kết thúc quá trình đếm. Bộ chỉ thị chỉ thị kết quả đo Ta có biểu đồ thời gian nh sau : Gọi số xung đếm đợc là m, ta có : T=R X C=m.T tx => R X =(T tx /C).m= K.m, trong đó K là hằng số, vì T, C là những giá trị biết trớc So sánh Bộ chọn xung Tạo xung Bộ đếm CT S E R1 R2 R C Rx U I U II T Hình. Sơ đồ khối mạch đo điện trở bằng chỉ thị s ố T=R C Ttx U Đếm U Tạo xung Chơng 7: Đo thông số của mạch điện 91 II. Cầu dòng xoay chiều Đây là dụng cụ dựa trên cầu đơn để đo điện cảm, điện dung, góc tổn hao và hệ số phẩm chất Q. Nguồn cung cấp là nguồn xoay chiều tần số công nghiệp (50 60Hz), âm tần hoặc cao tần từ máy phát tần. Chỉ thị zero là dụng cụ xoay chiều nh điện kế điện tử, máy hiện sóng Trong đó Z là tổng trở của các nhánh, Z = R +jX với R là phần thực và X là phần ảo. Điều kiện cân bằng của cầu là: Z1.Z3 = Z2.Z4 Điều kiện trên thoả mãn khi các điều kiện cân bằng biên độ và cân bằng pha đợc thoả mãn. Dụng cụ chỉ 0 của cầu xoay chiều thờng là điện kế chỉnh lu có sử dụng thêm bộ khuếch đại để tăng đo nhạy cho chỉ thị với dải tần số đo là 20Hz 1MHz (hình bên) 1. Cầu xoay chiều đo điện dung Tụ điện lý tởng là tụ không tiêu thụ công suất (dòng điện một chiều không qua tụ) nhng trong thực tế vẫn có thành phần dòng rò đi qua lớp điện môi vì vậy trong tụ có sự tổn hao công suất. Để đặc trng cho sự tổn hao này ngời ta sử dụng thông số góc tổn hao tg Với tụ có tổn hao nhỏ tg =R. C Với tụ có tổn hao lớn tg =1/R. C Trong đó R, C là hai thành phần đại diện cho phần thuần trở và phần thuần dung của tụ điện. a. Cầu đo tụ điện tổn hao nhỏ Tụ điện có tổn hao nhỏ đợc biểu diễn bởi một tụ điện lý tởng mắc nối tiếp với một điện trở. Khi đó ngời ta mắc cầu nh hình bên Cx, Rx là nhánh tụ điện cần đo Cm, Rm là nhánh tụ mẫu điều chỉnh đợc R1, R2 là các điện trở thuần trở. Khi cầu cân bằng ta có mối quan hệ: Zx.Z2 = Z1.Zm Với : Uo ~ Mạch cầu dòng xoay chiêu Z4 Z3 Z2 Z1 + U1 OPAMP5 D1 R4 Rct R3 Uo ~ Cầu đo tụ điện có tổn hao nhỏ Rm Cm R2 R1 Rx Cx 22 11 1 1 R Z RZ Cmj RmZm Cxj RxZx = = += += = = = = +=+ Cm R R Cx Rm R R Rx CmRCxR RmRRxR Cmj RmRR Cxj Rx . 1 2 . 2 1 /1/2 .1.2 ) 1 (12). 1 ( BomonKTDT-ĐHGTVT 92 b. Cầu đo tụ điện có tổn hao lớn Khi tụ có tổn hao lớn ngời ta biểu diễn nó dới dạng một tụ điện lý tởng mác song song với một điện trở. Cầu cân bằng ta có điều kiện: Zx.Z2=Z1.Zm Với: CmjRm Cmj Rm Cmj Rm Zm CxjRx Cxj Rx Cxj Rx Zx + = + = + = + = /1 1 1 1 . /1 1 1 1 . Z1 = R1 Z2 = R2 = = = = +=+ + = + Cm R R Cx Rm R R Rx CmRCxR Rm R Rx R CmjRmRCxjRxR CxjRx R CmjRm R . 1 2 . 2 1 .2.1 21 )/1.(2)/1(1 /1 2 /1 1 2. Cầu đo điện cảm Cuộn cảm lý tởng là cuộn dây chỉ có thành phân điện kháng là (X L = L) hoặc chỉ thuần khiết là điện cảm L, nhng trong thực tế các cuộn dây bao giờ cũng có một điện trở nhất định. Điện trở càng lớn phẩm chất của cuộn dây càng kém. Q là thông số đặc trng cho phẩm chất của cuộn dây, nó đợc tính bằng: L L R X Q = Để đo các thông số của cuộn dây ngời ta thờng dùng mạch cầu xoay chiều. a. Cầu xoay chiều dùng điện cảm mẫu Mạch cầu so sánh các đại lợng cần xác định Lx, Rx với đại lợng mẫu Lm và Rm. Hai nhánh R1, R2 là các điện trở thuần trở có độ chính xác cao. Khi đo ngời ta điều chỉnh Rm, Lm (và có thể cả R1, R2) để cầu đạt giá trị cân bằng. Khi cầu cân bằng ta có: Zx.Z2 = Z1.Zm Uo ~ Cầu đo tụ điện có tổn hao lớn Cx Cm Rx R1 R2 Rm Uo ~ Cầu đo điện cảm Lm Lx Rx R1 R2 Rm Chơng 7: Đo thông số của mạch điện 93 Với: Zx = Rx + j Lx Zm = Rm + j Lm Z1 = R1 Z2 = R2 Từ đó tính đợc hệ số phẩm chất của cuộn dây Rm Lmw Rx Lxw Q x == b. Cầu điện cảm Maxwell Trên thực tế việc chế tạo tụ điện chuẩn dễ hơn nhiều so với việc tạo cuộn dây chuẩn, do vậy ngời ta sử dụng tụ điện trong cầu Maxwell để đo điện cảm. Khi cầu đạt cân bằng ta có: Zx.Zm = Z1.Z2 Trong đó: Zx = Rx + j Lx Zm = CmjRm +/1 1 Z1 = R1 Z2 = R2 Từ đó tính đợc RmCmw Rx Lxw Q x . == Cầu Maxwell chỉ thích hợp đo các cuộn cảm có hệ số Q thấp c. Cầu điện cảm Hay Mạch cầu này đợc sử dụng cho việc đo các cuộn cảm có hệ số phẩm chất cao. Khi cầu cân bằng ta có: Zx.Zm = Z1.Z2 Với: 22 11 1 . RZ RZ Cmj RmZm LxjRx LxjRx Zx = = += + = = = =+ + Rm RR Rx CmRRLx RR Cmj Rm LxjRx LxjRx 2.1 .2.1 2.1) 1 ( . khi đó RmCmw Rx Lxw Q x . == Uo ~ Cầu điện cảm Ha y Cm R x Rm R1 L x R 2 = = = = + = + Lm R R Lx Rm R R Rx RLmRLx RRmRRx RLmjRmRLxjRx . 2 1 . 2 1 )1.2. 1.2. 1).(2).( = = +=+ = + + CmRRLx Rm RR Rx Cmj Rm RRLxjRx RR CmjRm LxjRx .2.1 2.1 ) 1 (2.1 2.1 /1 1 ).( Uo ~ Cầu điện cảm Maxwell Cm Rm R1 Lx Rx R2 [...]...BomonKTDT-ĐHGTVT Ngoài ra, ngời ta còn dùng các biến thể khác của mạch cầu nh mạch cầu Owen, Shering để đo tụ điện và cuộn cảm 94 . Sơ đồ b thờng dùng để đo điện trở Rx lớn b. Đo điện trở bằng phơng pháp so sánh với điện trở mẫu - + U Ix I Rx A V Ix U + - Rx V A Chơng 7: Đo thông số của mạch điện 85 Giả. BomonKTDT-ĐHGTVT 84 Chơng 7: đo thông số của mạch điện Thông số của mạch điện bao gồm điện trở R, điện cảm L, điện dung C, góc tổn hao của tụ điện tg và hệ số phẩm. xác định điện trở Rx theo công thức tơng ứng với hai sơ đồ nh sau: Sơ đồ a) điện trở đo và điện trở mẫu Ro mắc nối tiếp Điện áp rơi trên điện trở mẫu là Uo, điện áp rơi trên điện trở đo là Ux.