雷艷敏，關(guān)秀麗，任麗曄

(長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

基于Multisim11的電冰箱保護(hù)器的設(shè)計(jì)與仿真

雷艷敏，關(guān)秀麗，任麗曄

(長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

Multisim11作為流行的電子電路輔助設(shè)計(jì)和分析軟件，擁有強(qiáng)大的虛擬儀器庫(kù)和軟件仿真功能，為電路設(shè)計(jì)提供了先進(jìn)的、高效的仿真平臺(tái)，在電工電子技術(shù)的教學(xué)和課程設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文以電冰箱保護(hù)器為例，介紹其工作原理、硬件電路設(shè)計(jì)和仿真過(guò)程。

Multisim11;電冰箱保護(hù)器;電路設(shè)計(jì);仿真

0 引言

Multisim軟件是由加拿大的Interactive Image Technologies公司推出的圖形化電子技術(shù)仿真軟件，其前身是EWB(Electronic Workbech，電子工作臺(tái))，公司先后推出了多種版本，這些版本軟件功能和風(fēng)格相同，但軟件的仿真測(cè)試和分析功能得到了增強(qiáng)，元件庫(kù)中仿真元件的數(shù)量得到了很大擴(kuò)充，使仿真設(shè)計(jì)的結(jié)果更精確、更可靠［1］。

Multisim軟件具有如下特點(diǎn):①采用直觀的圖形界面創(chuàng)建電路，操作方便;②Multisim軟件提供的電路元器件庫(kù)有13000多個(gè)元器件，還可以自己定義元器件;③Multisim軟件提供了邏輯分析儀、安捷倫儀器、波特圖儀、失真分析儀、頻率計(jì)數(shù)器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字萬(wàn)用表、網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀、瓦特表和字信號(hào)發(fā)生器等18種虛擬儀器，這些儀器的功能不僅與實(shí)際儀器功能相同，而且控制面板外形和操作方式與實(shí)際儀器極為相似;④元器件放置迅速和連線簡(jiǎn)捷方便;⑤具備模擬、數(shù)字及模擬/數(shù)字混合電路的仿真;⑥兼容性好，可以同其它流行的電路分析、設(shè)計(jì)和制板軟件如Protel、SPICE等交換數(shù)據(jù);⑦強(qiáng)大的電路分析功能，提供了直流工作點(diǎn)分析、交流分析、失真分析、噪聲分析、溫度掃描分析、傅里葉分析、傳輸函數(shù)分析、用戶自定義分析和最壞情況分析等19種分析方法;⑧強(qiáng)大的作圖功能，可以將仿真分析結(jié)果進(jìn)行顯示、調(diào)節(jié)、存儲(chǔ)、打印和輸出;⑨后處理器，利用該功能，可以對(duì)仿真結(jié)果和波形進(jìn)行傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)和工程運(yùn)算;⑩HDL仿真［2］。

針對(duì)電工電子技術(shù)課程學(xué)習(xí)中存在課程學(xué)習(xí)難度大的問(wèn)題，可以把Multisim軟件引入到電工電子技術(shù)的課程教學(xué)和課程設(shè)計(jì)中，使學(xué)生可以通過(guò)對(duì)電路的仿真和調(diào)試，即可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又可以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)指標(biāo)，從而降低了電路的設(shè)計(jì)成本和縮短了電路的研發(fā)周期。

1 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求

(1)設(shè)計(jì)電冰箱保護(hù)器，使其具有過(guò)壓、欠壓功能;

(2)電壓在180～250V范圍內(nèi)正常供電，綠燈指示，正常范圍可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié);

(3)欠過(guò)壓保護(hù)，當(dāng)電壓低于設(shè)定允許最低電壓或高于設(shè)定允許最高電壓時(shí)，自動(dòng)切斷電源，且紅燈指示。

2 基于Multisim11的電冰箱保護(hù)器的設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求，可知電冰箱保護(hù)器主要由電源采樣電路、過(guò)壓欠壓比較電路、控制電路和顯示電路等幾部分電路組成［3］。采用Multisimll進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)和仿真時(shí)，由于設(shè)計(jì)的電路很大，在一張圖上放置所有的元件時(shí)，不利于整體電路的調(diào)試及錯(cuò)誤的排除，所以這里采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，充分利用Multisim軟件的多層次設(shè)計(jì)功能，即先設(shè)計(jì)3頁(yè)電路進(jìn)行局部電路的設(shè)計(jì)和仿真，然后在局部電路中放置多頁(yè)連接器，從而實(shí)現(xiàn)多頁(yè)電路之間的連接。

2.1 電源電路及采樣電路的設(shè)計(jì)和仿真

電源電路及采樣電路的設(shè)計(jì)和仿真如圖1所示，該模塊共有兩個(gè)功能:①產(chǎn)生+6V的穩(wěn)壓電源，其目的是給后面的比較電路和控制電路等供電;②對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣，其目的是將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓Vo1，送入比較電路，當(dāng)電網(wǎng)的電壓超出正常范圍時(shí)，通過(guò)檢測(cè)和控制電路實(shí)現(xiàn)電冰箱的自動(dòng)斷電保護(hù)。

穩(wěn)壓電源的構(gòu)成主要通過(guò)變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓四個(gè)步驟［4］。圖1中，V1為電網(wǎng)的交流電壓，電壓值為最大值;T1為變比為10的變壓器，其作用是進(jìn)行降壓;D1為二極管，其作用是進(jìn)行半波整流，將降壓后的交流電變成脈動(dòng)的直流電壓;C1為電容器，其作用是進(jìn)行濾波;Vz為一個(gè)穩(wěn)壓值為+6V的穩(wěn)壓管，其作用是進(jìn)行穩(wěn)壓;R1為限流電阻，其作用是保證穩(wěn)壓管工作電流Iz介于最大允許電流Izmax和最小允許電流Izmin之間。

圖1 電源電路及采樣電路的設(shè)計(jì)和仿真

2.2 過(guò)壓欠壓比較電路的設(shè)計(jì)和仿真

過(guò)壓欠壓比較器電路這個(gè)模塊主要進(jìn)行檢測(cè)電網(wǎng)的電壓是否在允許的范圍內(nèi)，所以該電路必須能夠檢測(cè)出設(shè)定值以下、設(shè)定值以內(nèi)和設(shè)定值以上三種情況，這里采用雙限比較器［4］，設(shè)計(jì)的電路如圖2所示。雙限比較器是由集成比較器LM339構(gòu)成的，LM339內(nèi)部集成了4個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，由于其采用了集電極開(kāi)路的輸出形式，使用時(shí)需要接上拉電阻。這里由U2B構(gòu)成了同向比較器，由U2A構(gòu)成了反向比較器。當(dāng)電網(wǎng)的采樣電壓Vo1介于VH和VL之間時(shí)，Vo2輸出一個(gè)較低的電壓值，否則輸出一個(gè)較高的電壓值。在仿真時(shí)，圖2中放置了五塊電壓表，XMM1用來(lái)測(cè)量Vo2的電壓，XMM2用來(lái)測(cè)量U2A的同向輸入端的電壓VL，XMM3用來(lái)測(cè)量U2A的反向輸入端的電壓，XMM4用來(lái)測(cè)量U2B的反向輸入端的電壓VH，XMM5用來(lái)測(cè)量U2B的同向輸入端的電壓。

圖2 過(guò)壓欠壓比較電路的設(shè)計(jì)和仿真

調(diào)試時(shí)，首先將電網(wǎng)的電壓調(diào)至上限電壓值250V(有效值)，對(duì)應(yīng)的最大值為353.5V，則Vo1的電壓為34.225V，調(diào)整電位器RW2使U2B的同向輸入端的電壓與VH相同;然后將電網(wǎng)的電壓調(diào)至下限電壓值180V(有效值)，對(duì)應(yīng)的最大值為254.5V，則Vo1的電壓為24.456V，調(diào)整電位器RW1使U2A的反向輸入端的電壓與VL相同。仿真時(shí)通過(guò)改變Vo1的電壓值，來(lái)看Vo2的變化結(jié)果。當(dāng)電網(wǎng)的電壓介于上限電壓和下限電壓之間時(shí)，如為220V，則Vo1的電壓值30.062V，Vo2的仿真結(jié)果為46.976mV，當(dāng)電網(wǎng)的電壓高于上限電壓或低于下限電壓時(shí)，Vo2的仿真結(jié)果為5.755V，仿真的結(jié)果與理論的結(jié)果相同。

2.3 控制電路和顯示電路的設(shè)計(jì)和仿真

為了控制電冰箱的通斷電和顯示電冰箱是否正常工作，所設(shè)計(jì)的電路如圖3所示。冰箱的通斷電控制由一組常開(kāi)常閉繼電器來(lái)完成，電冰箱正常工作時(shí)綠色指示燈LED2亮，電冰箱不正常工作時(shí)紅色指示燈LED1亮。Vo2h為電網(wǎng)在過(guò)壓或欠壓情況下的電壓輸出值，此時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，使常閉觸點(diǎn)不動(dòng)作，紅色指示燈亮;Vo2l為電網(wǎng)電壓在正常工作情況下的電壓值。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí)，三極管Q1截止，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使綠色指示燈亮。

圖3 控制電路和顯示電路的設(shè)計(jì)和仿真

3 仿真和調(diào)試要點(diǎn)

設(shè)計(jì)好的電路，在進(jìn)行仿真和調(diào)試時(shí)，要注意以下幾點(diǎn):

(1)檢查電路連接是否有誤;

(2)檢查直流電源供電電路是否正常;

(3)調(diào)節(jié)電位器RW1和RW2，檢查過(guò)壓和欠壓比較電路是否工作正常;

(4)分別檢查電網(wǎng)電壓在設(shè)定值以內(nèi)和以外情況下，繼電器是否工作正常，指示燈是否正常顯示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用Multisimll進(jìn)行了電冰箱保護(hù)器的設(shè)計(jì)和仿真，該電路具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理清晰，應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，仿真結(jié)果和理論結(jié)果相同，完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。另外，本文采用的模塊化、層次化的設(shè)計(jì)方法，使各部分電路功能明確，有利于對(duì)整體電路的理解和設(shè)計(jì)，也有利用團(tuán)隊(duì)的合作，設(shè)計(jì)人員共同完成設(shè)計(jì)任務(wù)。

［1］ 王艷.Multisim在中職電工電子教學(xué)中的應(yīng)用研究［D］.上海:上海師范大學(xué)，2011.

［2］ 梁明艷.Multisim仿真軟件在中職《電子技術(shù)基礎(chǔ)》教學(xué)中的應(yīng)用研究［D］.成都:四川師范大學(xué)，2007.

［3］ 趙淑范，王憲偉.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［4］ 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分［M］.5版.北京:高等教育出版社，2006.

Design and Simulation of Protectors of Refrigerators Based on Multisim 11

LEI Yan-min，GUAN Xiu-li，REN Li-ye

(College of Electronic Information Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

As a popular electronic circuit design and analysis software，Multisimll has powerful virtual instrument library and software simulation function，which can offer an advanced and high efficient simulation platform for circuit design，and has been widely applied to the teaching and course design of electrical and electronic technology.Taking the protectors of refrigerators as an example，this paper introduces its working principle，hardware circuit design and simulation process.

Multisim11;refrigerator protector;circuit design;simulation

TP319

A

1009－3907(2012)08－0926－03

2012-06-20

雷艷敏(1976-)，女，黑龍江五常人，講師，博士，主要從事多機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)作及其智能控制方面的研究

責(zé)任編輯:吳旭云