基于Multisim 14 的單相整流濾波穩(wěn)壓電路及其故障仿真分析

鄧紅雷，張仙玲，汪娟娟

（華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510640）

0 引言

整流濾波穩(wěn)壓電路是電工學模電中的重要教學內(nèi)容，各個知識點連貫性強，概率與相關(guān)參數(shù)多，波形與交直流間關(guān)系復雜，教材中有時會利用微積分知識給出計算公式，但有時只直接給出經(jīng)驗估算公式，缺乏事實依據(jù)或數(shù)據(jù)支持，學生不容易理解。另外，這些知識點散落在整流電路、整流濾波電路和穩(wěn)壓電路三個章節(jié)之間，迫切需要一條線將各個知識點串起來，以便幫助加深理解與記憶。

現(xiàn)場整流濾波穩(wěn)壓電路實驗，由于變壓器副邊交流電壓的負極和負載直流電壓的負極電位不一致，而實際示波器的探頭是共用一個接地，因此即便采用多通道示波器，也不能同時觀察輸入和輸出的電壓波形，無法直觀驗證各種參數(shù)之間的關(guān)系。采用多個示波器同時測量，不僅會增加額外的實驗設(shè)備，而且由于信號顯示在不同的示波器上，也不方便比較。此外，一般電工實驗室配備的電流表只能測量電流的有效值和平均值，無法顯示電流波形?，F(xiàn)場實驗無法進行破壞性故障實驗，當接線錯誤，有可能造成嚴重事故，比如：整流二極管極性接線錯誤會造成電源短路，不僅燒壞二極管，嚴重時可能損害變壓器；濾波電容極性接反，電容器會發(fā)生爆裂，造成人身傷害。Multism 14 是NI 公司推出的仿真軟件，它可以方便地實現(xiàn)模擬/數(shù)字電路、集成運放、射頻電路、電子測量、電源電路等眾多電路的設(shè)計及仿真。該軟件中多通道示波器探頭的接地端是分開的，故可以同時測量輸入和輸出電壓波形，并且示波器具有回溯功能，能記錄從0 開始的波形，可以幫助理解電容的充放電過程；實驗室不方便測量的電流波形，在該軟件中可以通過電流探針將電流轉(zhuǎn)換成電壓，再通過示波器顯示出來，這給本文電路原理的理解提供了很大的便利。

現(xiàn)有的整流濾波穩(wěn)壓仿真電路，實現(xiàn)整流、整流濾波、整流濾波穩(wěn)壓電路時，每次需要刪除或添加元器件，非常不方便。本文設(shè)計的基于Multisim 14 的整流濾波穩(wěn)壓電路，通過開關(guān)的斷開閉合控制，直接實現(xiàn)多種電路的原理驗證與故障仿真，無需刪除或添加元器件，克服了現(xiàn)場實驗無法同時觀察輸入輸出電壓、電流波形和不能進行故障仿真的不足，能夠進行電路的無損實驗。

1 仿真電路

圖1 單相半波全波整流濾波穩(wěn)壓及故障仿真電路

2 電路仿真分析

2.1 單相半波整流

斷開S，S，S，S，S，閉合S，S，S，便可構(gòu)建半波整流仿真電路，此時D，D，D截止，，，D，D均斷開，變壓器副邊電壓經(jīng)二極管D和負載構(gòu)成回路。

圖2 半波整流輸入u 輸出電壓uo波形圖

圖3 半波整流二極管電壓uD1波形

2.2 單相半波整流+電容濾波

斷開S，S，S，S，閉合S，S，S，S，得到半波整流電容濾波電路仿真電路。圖4、圖5 給出了和波形。由圖可得到，在一個電源周期內(nèi)，存在一次電容的充放電過程，測得此時的負載電壓平均值為18.32 V；電流平均值為0.018 A。根據(jù)文獻[1-2]的經(jīng)驗公式計算得到=1.0=14 V，計算值和測量值誤差很大，這是因為時間常數(shù)很大，電容充放電很慢，使得值接近負載開路電壓19.45 V，表明在時間常數(shù)很大的情況下，按照經(jīng)驗公式來計算是不合適的。

圖4 半波整流電容濾波電路中u 和uo波形

圖5 半波整流電容濾波電路負載開路時u 和uo波形

文獻[1]直接指出，在半波整流電容濾波電路中：

但是根據(jù)KCL，有：

故：

兩式明顯有差異，學生經(jīng)常會問到這個問題，答案其實很簡單，這是因為電容具有通交流阻直流的作用，=0，仿真測得=0.097 mA，也驗證了這一點。

負載電壓和二極管電流波形圖如圖6 所示。由圖6 可見，在一個電源周期內(nèi)，二極管導通（即電容充電）的時間非常短，但是導通電流非常大，最大電流達到了335 mA，遠大于平均電流對應(yīng)的18 mA，為了安全，故要求二極管最大整流電流取≥2=2。

圖6 半波整流電容濾波電路uo和二極管電流iD1波形

2.3 半波整流+電容濾波+穩(wěn)壓電路

圖1 中，斷開S，S，S，S，閉合S，S，S，S，得到半波整流電容濾波穩(wěn)壓電路仿真電路。圖7 是對應(yīng)的負載電壓波形圖。從圖7中可以看出，此時輸出電壓已經(jīng)是一個標準的直流，其值為7.55 V，等于穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值。

圖7 半波整流電容濾波穩(wěn)壓電路uo波形

2.4 單相橋式全波整流電路

圖1 中，將開關(guān)S，S，S，S，S斷開，S，S，S閉合，便可得到單相橋式全波整流電路，輸出電壓波形如圖8 所示?？梢?，此時電源的正負半周都得到了充分利用，理論計算值為：

圖8 單相橋式全波整流電路u 和uo波形

而測量得到為11.22 V，如果加上2 個二極管的導通壓降0.73×2=1.46 V，理論值和計算值基本相等，說明仿真結(jié)果還是可信的。

圖9 單相橋式全波整流電路uD1波形

2.5 全波整流+電容濾波

圖10 單相橋式全波整流電容濾波uo波形

圖11 單相橋式全波整流濾波電路i1和io波形

單相橋式全波整流電容濾波電路中，取二極管最大整流電流：

對應(yīng)半波整流電容濾波電路中：

以下分析二者差別較大的原因。由圖11 可知，全波整流電容濾波電路的二極管D中電流波形密集，在一個電源周期內(nèi)，二極管導通2 次，為18.65 V 時，二極管D中最大電流僅為139.05 mA，所以按照正常方式，取≥=0.5即可。但在半波整流濾波電路中（見圖6），二極管D中電流波形非常稀疏，為18.32 V時，很大，達到335 mA，故在輸出電壓接近，時間常數(shù)相同的情況下，半波整流濾波電路中二極管中電流最大值是全波中的2.4 倍，所以出于安全考慮，半波整流電容濾波電路中取≥2=2。

根據(jù)KVL，有：

故二極管承受的最大反向電壓：

圖12 橋式全波整流濾波電路二極管電壓波形

2.6 全波整流+電容濾波+穩(wěn)壓電路

圖1 中，將S，S，S，S斷開，S，S，S，S閉合，得到單相橋式全波整流電容濾波穩(wěn)壓電路，此時穩(wěn)壓管被反向擊穿，輸出電壓為一個標準的直流，等于7.55 V，等于穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值7.5 V，其波形圖和圖8 非常類似。負載開路時，波形和圖7 類似，不再贅述。

3 故障仿真分析

3.1 橋式全波整流電路中二極管極性接錯

橋式整流電路中整流橋二極管極性接錯是一種常見的錯誤，在圖1 中，將開關(guān)S，S，S，S斷開，S，S，S，S閉合，便可得到單相橋式全波整流電路二極管極性接錯的仿真電路。由理論分析可知，此時會造成變壓器副邊短路，仿真測得二極管和變壓器電流波形如圖13 所示。圖13 中電流峰值達到183.205 kA，很明顯，在實際電路中，變壓器和二極管將會被銷毀。

圖13 橋式整流電路二極管極性接錯時變壓器和二極管D1中電流

3.2 穩(wěn)壓管極性接反

圖1 中，將開關(guān)S，S，S，S，S斷開，S，S，S閉合，便得到穩(wěn)壓管極性接線錯誤時的單相橋式全波整流仿真電路，波形如圖14 所示。

由圖14 可知，負載電壓恒定為0.51 V，等于BZV55-C7V5 穩(wěn)壓管正向?qū)▔航?，表明此時二極管正向?qū)?，穩(wěn)壓管起不到應(yīng)有的穩(wěn)壓作用。全波整流濾波穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管正向電流為55 mA，電流最大值為450 mA，查詢該穩(wěn)壓管的參數(shù)，其允許通過的最大前向連續(xù)平均電流為250 mA，可見，該穩(wěn)壓管不會損壞，和實際實驗過程完全相符合。

圖14 橋式整流濾波穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管極性接反時uo波形

半波整流濾波穩(wěn)壓電路中穩(wěn)壓管極性接反時，負載電壓值也為0.51 V，其輸出電壓和圖14 完全一致，不再贅述。

3.3 電容極性接反

濾波電容極性接錯，也是一種常見的接線錯誤。現(xiàn)場實驗時，濾波電容一般采用的是電解電容器，如果極性接反，漏電電流很大，會嚴重發(fā)熱，發(fā)生爆裂。但遺憾的是，在Multisim 中多次仿真結(jié)果表明，電容極性接錯對仿真結(jié)果沒有一點影響，這也是Multisim 仿真電路的不足。

4 結(jié)語

本文設(shè)計一種基于Multisim 14 的整流濾波穩(wěn)壓電路，該電路能夠控制開關(guān)的閉合，模擬半波全波整流、整流濾波、整流濾波穩(wěn)壓電路，并能夠模擬整流橋接錯、穩(wěn)壓管極性接反等故障。本文對各種電路進行了仿真，驗證了仿真電路的正確性。通過將仿真結(jié)果與理論及經(jīng)驗計算公式、二極管選擇依據(jù)進行驗證、對照與闡述，將相關(guān)知識點串成一條線，以加深對相關(guān)概率、公式與理論的理解。