電路分析實驗箱--戴維南定理和諾頓定理的驗證
一、實驗?zāi)康?br />
1、驗證戴維南定理和諾頓定理,加深對戴維南定理和諾頓定理的的理解。
2、掌握有源二端口網(wǎng)絡(luò)等效電路參數(shù)的測量方法。
二、實驗原理
1、任何一個線性含源網(wǎng)絡(luò),如果僅研究其中一條支路的電壓和電源,則可將電路的其余部分看作是一個有源二端口網(wǎng)絡(luò)(或稱為有源二端網(wǎng)絡(luò))。
戴維南定理指出:任何一個線性有源二端口網(wǎng)絡(luò),總可以用一個電壓源和一個電阻的串聯(lián)來等效代替,如圖5-1。
圖5-1
其電壓源的電動勢U
S等于這個有源二端口網(wǎng)絡(luò)的開路電壓U
OC,其等效內(nèi)阻R
0等于該網(wǎng)絡(luò)中所有獨立源均置零(理想電壓源視為短接,理想電流源視為開路)時的等效電阻。
諾頓定理指出:任何一個線性有源網(wǎng)絡(luò),總可以用一個電流源與一個電阻并聯(lián)組成來等效代替,如圖5-2。
圖5-2
此電流源的電流I
S等于這個有源二端口網(wǎng)絡(luò)的短路電流I
SC,其等效內(nèi)阻R
0定義同戴維南定理。
U
OC(U
S)和R
0或者I
SC(I
S)和R
0稱為有源二端口網(wǎng)絡(luò)的等效參數(shù)。
2、有源二端口網(wǎng)絡(luò)等效參數(shù)的測量方法
(1)開路電壓、短路電流法測R
0
在有源二端口網(wǎng)絡(luò)輸出端開路時,用電壓表直接測其輸出端的開路電壓U
OC,然后再將其輸出端短路,用電流表測其短路電流I
SC,其等效內(nèi)阻為R
0 = U
OC/I
SC。如果二端網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)阻很小,若將其輸出端口短路則易損壞其內(nèi)部元件,因此不宜用此法。
(2)伏安法
用電壓表、電流表測出有源二端網(wǎng)絡(luò)的外特性如圖5-3根據(jù)外特性曲線求出斜率tgФ,則內(nèi)阻為
。
用伏安法,主要是測量開路電壓及電流為額定值I
N時的輸出端電壓值U
N,則內(nèi)阻為
。
若二端網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)阻值很低時,則不宜測其短路電流。
圖5-3
(3)半電壓法測R
0
如圖5-4所示,當(dāng)負(fù)載RL的電壓為被測網(wǎng)絡(luò)開路電壓的一半時,負(fù)載電阻(由電阻箱的讀數(shù)確定)即為被測有源二端口網(wǎng)絡(luò)的等效內(nèi)阻值。
圖5-4
(4)零示法測U
OC
在測量具有高內(nèi)阻有源二端口網(wǎng)絡(luò)的開路電壓時,用電壓表直接測量會造成較大的誤差。為了消除電壓表內(nèi)阻的影響,往往采用零示測量法,如圖5-5所示。
零示法測量原理是用一低內(nèi)阻的穩(wěn)壓電源與被測有源二端網(wǎng)絡(luò)進行比較,當(dāng)穩(wěn)壓電源的輸出電壓與有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓相等時,電壓表的讀數(shù)將為“0”。然后將電路斷開,測量此時穩(wěn)壓電源的輸出電壓,即為被測有源二端網(wǎng)絡(luò)的開路電壓。
圖5-5
三、實驗設(shè)備
序號 |
名稱 |
型號與規(guī)格 |
數(shù)量 |
備注 |
1 |
可調(diào)直流穩(wěn)壓電源 |
0~12V |
1 |
|
2 |
可調(diào)直流恒流源 |
|
1 |
|
3 |
萬用表 |
|
1 |
|
4 |
直流數(shù)字毫安表 |
|
1 |
|
5 |
直流數(shù)字電壓表 |
|
1 |
|
6 |
電位器 |
470Ω |
1 |
|
四、實驗內(nèi)容
被測有源二端網(wǎng)絡(luò)如圖5-6
圖5-6
圖5-6
1、用開路電壓、短路電流法測定戴維南等效電路的U
OC、R
0和諾頓等效電路的I
SC、R
0。按圖5-6(a)接入穩(wěn)壓電源U
S2= 10V和恒流源I
S2 = 10mA。接入負(fù)載RL(自已選定)。測出U
OC和I
SC,并計算出R
0(測U
OC時,不接入mA表)。
UOC(V) |
ISC(mA) |
R0 = UOC/ISC(Ω) |
|
|
|
2、負(fù)載實驗
按圖5-6(a)接入RL,改變RL阻值,測量有源二端口網(wǎng)絡(luò)的外特性曲線。
3、驗證戴維南定理:用一只470Ω的電位器作為R0,將其阻值調(diào)整到等于按步驟“1”所得的等效電阻R0之值,然后令其與直流穩(wěn)壓電源U
S1(調(diào)到步驟“1”時所測得的開路電壓U
OC之值)相串聯(lián),如圖5-6(b)所示,把U
S1和R
L串聯(lián)成一個回路。仿照步驟“2”測其外特性,對戴氏定理進行驗證。
4、驗證諾頓定理:用一只470Ω的電位器作為R0,將其阻值調(diào)整到等于按步驟“1” 所得的等效電阻R0之值,然后拿其與直流恒流源I
S1(調(diào)到步驟“1”時所測得的短路電流I
SC之值)相并聯(lián),如圖5-6(c),把I
S1和0然后再與R
1串聯(lián)。把R
1改換不同的阻值測其外特性,對諾頓定理進行驗證。
5、有源二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻(又稱入端電阻)的直接測量法。見圖5-6(a)。將被測有源網(wǎng)絡(luò)的所有獨立源置零(去掉電流源I
S和電壓源U
S,并在原電壓源所接的兩點用一根短路導(dǎo)線相連),然后用伏安法或者直接用萬用表的歐姆檔去測定負(fù)載R
L開路時A、B兩點間的電阻,此即為被測網(wǎng)絡(luò)的等效電阻R
0,或稱網(wǎng)絡(luò)的入端電阻R
i。
6、用半電壓法和零示法測量被測網(wǎng)絡(luò)的等效內(nèi)阻R
0及其開路電壓U
OC。線路及數(shù)據(jù)表格自擬。
五、實驗注意事項
1、測量時,應(yīng)注意電流表量程的更換。
2、步驟“5”中,電壓源置零時不可將穩(wěn)壓源短接。
3、用萬用表直接測R
0時,網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的獨立源必須先置零,以免損壞萬用表;其次,歐姆表必須經(jīng)調(diào)零后再進行測量。
4、改接線路時,要關(guān)掉電源。
六、預(yù)習(xí)思考題
1、在求戴維南或諾頓等效電路時,作短路實驗,測I
SC的條件是什么?在本實驗中可否直接作負(fù)載短路實驗?請實驗前對線路圖5-6預(yù)先作好計算,以便調(diào)整實驗線路及測量時可準(zhǔn)確地選取電表的量程。
2、說明測有源二端網(wǎng)絡(luò)開路電壓及等效內(nèi)阻的幾種方法,并比較其優(yōu)缺點。
七、實驗報告
1、據(jù)步驟2、3、4,分別繪出曲線,驗證戴維南定理和諾頓定理的正確性,并分析產(chǎn)生誤差的原因。
2、根據(jù)步驟1、5、6的幾種方法測得U
OC與R
0與預(yù)習(xí)時電路計算的結(jié)果作比較。
3、歸納、總結(jié)實驗結(jié)果。