DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.007

摘? 要：整流電路是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的電路，是“模擬電子技術(shù)”中非常重要的知識(shí)。整流電路主要有單相半波整流、單相全波整流和單相橋式整流電路三種。Multisim軟件是電路設(shè)計(jì)中經(jīng)常用的仿真工具，有助于演示和改進(jìn)設(shè)計(jì)效果。文章主要介紹單相半波整流、單相全波整流和單相橋式整流電路的工作原理，并利用Multisim仿真軟件對(duì)三種整流電路進(jìn)行電路仿真設(shè)計(jì)和效果分析。

關(guān)鍵詞：Multisim;整流電路;半波整流;全波整流;橋式整流

中圖分類號(hào)：TN7;TP391.4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）09-0023-04

Design and Analysis of Rectifying Circuit Based on Multisim

ZHAO Wenjie

（Weifang University，Weifang? 261061，China）

Abstract：Rectifying circuit is a circuit that converts alternating current into direct current. It is a very important knowledge in “Analog Electronic Technology”. There are three kinds of rectifying circuits：single-phase half-wave rectification，single-phase full-wave rectification and single-phase bridge rectifier. Multisim software is a simulation tool often used in circuit design，which is helpful to demonstrate and improve the design effect. This paper mainly introduces the working principle of single-phase half-wave rectification，single-phase full-wave rectification and single-phase bridge rectifier circuit，and carries out circuit simulation design and effect analysis of three kinds of rectifier circuits by using Multisim simulation software.

Keywords：Multisim;rectifying circuit;half-wave rectification;full-wave rectification;bridge rectifier

0? 引? 言

“模擬電子技術(shù)”是電子信息、自動(dòng)化、測(cè)控等專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要對(duì)模擬電子器件的工作原理和參數(shù)以及常見模擬電路的特性進(jìn)行分析，要求學(xué)生熟悉模擬器件和電路的特性，并掌握模擬電路的分析和設(shè)計(jì)方法。整流電路是模擬電子技術(shù)中出現(xiàn)最早也是非常重要的電路之一，其作用是將交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)直流電，包括單相半波整流電路、單相全波整流電路和單相橋式整流電路三種。

整流電路中非常重要的器件是二極管，二極管具有單向?qū)ㄌ匦?，正向加壓?dǎo)通，反向加壓截止，整流電路正是利用二極管的這一特性實(shí)現(xiàn)交流電到直流電的轉(zhuǎn)換。

Multisim是電路設(shè)計(jì)中常用的仿真軟件，其界面直觀、操作簡(jiǎn)單，可增強(qiáng)學(xué)生對(duì)電路知識(shí)的理解和掌握，本文利用Multisim仿真軟件對(duì)三種整流電路進(jìn)行仿真模擬，更加直觀。

1? 整流電路

1.1? 單相半波整流電路

單相半波整流電路通過(guò)在變壓器的次級(jí)繞組與負(fù)載相接，中間串聯(lián)1個(gè)整流二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)整流，其電路圖如圖1所示。

當(dāng)變壓器前端傳來(lái)正向電壓時(shí)，二極管VD導(dǎo)通，電路中有電流，電流分別通過(guò)VD和負(fù)載RL;當(dāng)電壓反向加在變壓器時(shí)，二極管VD截止，電路中沒(méi)有電流。所以對(duì)于正弦交流電，一個(gè)周期內(nèi)只有半個(gè)周期內(nèi)有電流流過(guò)負(fù)載，另外半個(gè)周期因?yàn)槎O管截止而沒(méi)有電流。

單相半波整流電路的特點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，使用元件少;缺點(diǎn)是輸出電壓低、脈動(dòng)大、效率低。

1.2? 單相全波整流電路

單相全波整流電路需要中心抽頭變壓器和2個(gè)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，其電路如圖2所示。

當(dāng)變壓器前端傳來(lái)正向電壓時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止，電流通過(guò)次級(jí)繞組上端流向VD1和負(fù)載R_L后，流入次級(jí)繞組中心抽頭，負(fù)載RL兩端電壓為正向電壓;當(dāng)電壓反向加在變壓器時(shí)，二極管VD2導(dǎo)通、VD1截止，電流通過(guò)次級(jí)繞組流向VD2和負(fù)載R_L后，流入中心抽頭，負(fù)載R_L兩端電壓同樣為正向電壓。所以對(duì)于正弦交流電，整個(gè)周期內(nèi)都有電流，且都是正向電流。

單相全波整流電路的特點(diǎn)：輸出電壓的平均值大，且脈動(dòng)小;缺點(diǎn)是對(duì)變壓器要求高，變壓器的利用率不高，二極管承受反向電壓大。

1.3? 單相橋式整流電路

單相橋式整流電路其實(shí)是全波整流電路的一種，但其無(wú)需使用帶抽頭的變壓器，只需普通變壓器和4個(gè)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，其電路圖如圖3所示。

圖3? 單相橋式整流電路

當(dāng)變壓器前端傳來(lái)正向電壓時(shí)，二極管VD1、VD2導(dǎo)通，VD3、VD4截止，電流依次通過(guò)VD1、R_L、VD2，負(fù)載R_L兩端電壓為正向電壓;當(dāng)電壓反向加在變壓器時(shí)，二極管VD3、VD4導(dǎo)通，VD1、VD2截止，電流依次通過(guò)VD3、R_L、VD4，負(fù)載R_L兩端電壓同樣為正向電壓。所以對(duì)于正弦交流電，整個(gè)周期內(nèi)都有電流，且都是正向電流。

單相橋式整流電路的特點(diǎn)：輸出電壓的平均值大，且脈動(dòng)小;缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，需要4個(gè)二極管實(shí)現(xiàn)。

2? Multisim整流電路仿真分析

本文采用Multisim14.0仿真軟件分別對(duì)三種整流電路進(jìn)行模擬仿真，并對(duì)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析。主要涉及元器件為交流電源、變壓器、二極管、電阻、示波器、萬(wàn)用表等。示波器用來(lái)測(cè)量負(fù)載兩端的輸出電壓波形，萬(wàn)用表用來(lái)測(cè)量負(fù)載和二極管的電流和電壓數(shù)據(jù)。需要注意的是在電路連接時(shí)需要接地，否則運(yùn)行時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)。

實(shí)驗(yàn)所采用的元器件參數(shù)：交流電源為電壓220 V、頻率50 Hz;負(fù)載電阻為200 Ω;二極管為硅材料整流二極管1N4007G;變壓器為10：1的普通變壓器以及10：1：1帶中心抽頭變壓器。

2.1? 單相半波整流電路

單相半波整流電路連接圖如圖4所示，各元器件如下：交流電源V1、變壓器T1、整流二極管D1、負(fù)載電阻R1、示波器XSC1。

理想狀態(tài)下，整流二極管D1只有半個(gè)周期導(dǎo)通。D1導(dǎo)通時(shí)，電壓U_D1=OV，電壓都加在負(fù)載R1兩端;D1截止時(shí)，負(fù)載R1兩端的幅值電壓U_R1=OV，電壓都反向加在二極管兩端。半波整流電路只有半個(gè)周期有輸出電壓。

2.2? 單相全波整流電路

單相全波整流電路連接圖如圖5所示，各元器件如下：交流電源V1，帶中心抽頭變壓器T1，整流二極管D1、D2，負(fù)載電阻R1，示波器XSC1。

理想狀態(tài)下，D1和D2每半個(gè)周期交替導(dǎo)通。D1導(dǎo)通時(shí)，D2截止，電壓U_D1=OV，電壓都加在負(fù)載R1和二極管D2兩端，且U_D2=2U_R1;D2導(dǎo)通時(shí)，D1截止，電壓U_D2=OV，電電壓都加在負(fù)載R1和二極管D1兩端，且U_D1=2U_R1。全波整流在整個(gè)周期都有輸出電壓。

2.3? 單相橋式整流電路

單相橋波整流電路連接圖如圖6所示，各元器件如下：交流電源V1，帶中心抽頭變壓器T1，整流二極管D1、D2，負(fù)載電阻R1，示波器XSC1。

理想狀態(tài)下，D1、D2和D3、D4每半個(gè)周期兩兩交替導(dǎo)通。D1、D2導(dǎo)通時(shí)，D3、D4截止，電壓U_D1=U_D2=OV，電壓都加在負(fù)載R1和二極管D3、D4兩端，且U_D3=U_D4= U_R1;D3、D4導(dǎo)通時(shí)，D1、D2截止，電壓U_D3=U_D4=OV，電壓都加在負(fù)載R1和二極管D1、D2兩端，且U_D1=U_D2= U_R1。橋式整流在整個(gè)周期都有輸出電壓。

3? 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照?qǐng)D4、圖5、圖6分別進(jìn)行單相半波整流、單相全波整流、單相橋式整流仿真電路的連接及測(cè)試，示波器波形圖如圖7、圖8、圖9所示。

利用萬(wàn)用表對(duì)電路中負(fù)載和二極管的電流和電壓信息進(jìn)行測(cè)量，數(shù)據(jù)如表1所示。表中，U₀表示負(fù)載輸出電壓的平均值，I₀表示負(fù)載輸出電流的平均值，I_D表示二極管正向平均電壓，U_RM表示二極管最大反向電壓。其中，左邊4列為仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，右邊4列為忽略二極管自身壓降及其他損耗下的理想值。由表1可知，利用Multisim進(jìn)行仿真模擬的數(shù)據(jù)與理論值非常接近，可以較好地反映電路的特性。

由電路連接圖及仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得知：

（1）就電路的難易程度而言，半波整流最為簡(jiǎn)單，全波整流次之，最復(fù)雜的是橋式整流電路。

（2）就使用變壓器而言，半波整流和橋式整流所需變壓器均為普通變壓器;全波整流所需變壓器為帶中間抽頭的變壓器，其對(duì)變壓器要求高。

（3）就輸出波形而言，半波整流只有半個(gè)周期內(nèi)有波形;全波整流和橋式整流在整個(gè)周期內(nèi)都有波形，且均為正向?？梢?，全波整流和橋式整流波形脈動(dòng)更小。

（4）就負(fù)載輸出電壓而言，半波整流為9.53 V，全波整流為18.86 V，橋式整流為18.26 V。全波整流、橋式整流為半波整流的兩倍，損失的電壓信息更小。

（5）就負(fù)載輸出電流而言，半波整流為47.65 mA，全波整流為94.29 mA，橋式整流為91.31 mA。全波整流、橋式整流為半波整流的兩倍，損失的電流信息更小。

（6）二極管承受的最大反向電壓而言，半波整流為30.67 V，全波整流為60.54 V，橋式整流為30.18 V。半波整流、橋式整流為全波整流的一半，電路更加安全。

4? 結(jié)? 論

利用Multisim對(duì)整流電路進(jìn)行仿真模擬，其測(cè)量數(shù)據(jù)與理論值非常接近，可以較好地反映電路的特性，加深學(xué)生對(duì)整流電路工作原理的理解和掌握。

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可以看出，單相半波整流、單相全波整流、單相橋式整流電路各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，綜合各種因素，橋式整流電路是使用最多的一種整流電路，其輸出波形脈動(dòng)性較小，無(wú)須采用帶中心抽頭的變壓器，輸出電壓、電流的損失較小，雖然使用4個(gè)整流二極管造成電壓的損失，但是二極管本身壓降極小，對(duì)整個(gè)電路的影響不是很大。

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作者簡(jiǎn)介：趙文杰（1989.04—），女，漢族，山東青州人，助教，工學(xué)碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)視覺、圖像處理等。

收稿日期：2021-04-15