鄧紅雷，張仙玲，汪娟娟

（華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640）

0 引言

整流濾波穩(wěn)壓電路是電工學(xué)模電中的重要教學(xué)內(nèi)容，各個(gè)知識(shí)點(diǎn)連貫性強(qiáng)，概率與相關(guān)參數(shù)多，波形與交直流間關(guān)系復(fù)雜，教材中有時(shí)會(huì)利用微積分知識(shí)給出計(jì)算公式，但有時(shí)只直接給出經(jīng)驗(yàn)估算公式，缺乏事實(shí)依據(jù)或數(shù)據(jù)支持，學(xué)生不容易理解。另外，這些知識(shí)點(diǎn)散落在整流電路、整流濾波電路和穩(wěn)壓電路三個(gè)章節(jié)之間，迫切需要一條線(xiàn)將各個(gè)知識(shí)點(diǎn)串起來(lái)，以便幫助加深理解與記憶。

現(xiàn)場(chǎng)整流濾波穩(wěn)壓電路實(shí)驗(yàn)，由于變壓器副邊交流電壓的負(fù)極和負(fù)載直流電壓的負(fù)極電位不一致，而實(shí)際示波器的探頭是共用一個(gè)接地，因此即便采用多通道示波器，也不能同時(shí)觀(guān)察輸入和輸出的電壓波形，無(wú)法直觀(guān)驗(yàn)證各種參數(shù)之間的關(guān)系。采用多個(gè)示波器同時(shí)測(cè)量，不僅會(huì)增加額外的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，而且由于信號(hào)顯示在不同的示波器上，也不方便比較。此外，一般電工實(shí)驗(yàn)室配備的電流表只能測(cè)量電流的有效值和平均值，無(wú)法顯示電流波形?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行破壞性故障實(shí)驗(yàn)，當(dāng)接線(xiàn)錯(cuò)誤，有可能造成嚴(yán)重事故，比如：整流二極管極性接線(xiàn)錯(cuò)誤會(huì)造成電源短路，不僅燒壞二極管，嚴(yán)重時(shí)可能損害變壓器；濾波電容極性接反，電容器會(huì)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(shí)現(xiàn)模擬/數(shù)字電路、集成運(yùn)放、射頻電路、電子測(cè)量、電源電路等眾多電路的設(shè)計(jì)及仿真。該軟件中多通道示波器探頭的接地端是分開(kāi)的，故可以同時(shí)測(cè)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(kāi)始的波形，可以幫助理解電容的充放電過(guò)程；實(shí)驗(yàn)室不方便測(cè)量的電流波形，在該軟件中可以通過(guò)電流探針將電流轉(zhuǎn)換成電壓，再通過(guò)示波器顯示出來(lái)，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(shí)現(xiàn)整流、整流濾波、整流濾波穩(wěn)壓電路時(shí)，每次需要?jiǎng)h除或添加元器件，非常不方便。本文設(shè)計(jì)的基于Multisim 14 的整流濾波穩(wěn)壓電路，通過(guò)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)閉合控制，直接實(shí)現(xiàn)多種電路的原理驗(yàn)證與故障仿真，無(wú)需刪除或添加元器件，克服了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法同時(shí)觀(guān)察輸入輸出電壓、電流波形和不能進(jìn)行故障仿真的不足，能夠進(jìn)行電路的無(wú)損實(shí)驗(yàn)。

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(kāi)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(shí)D，D，D截止，，，D，D均斷開(kāi)，變壓器副邊電壓經(jīng)二極管D和負(fù)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(kāi)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(gè)電源周期內(nèi)，存在一次電容的充放電過(guò)程，測(cè)得此時(shí)的負(fù)載電壓平均值為18.32 V；電流平均值為0.018 A。根據(jù)文獻(xiàn)[1-2]的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到=1.0=14 V，計(jì)算值和測(cè)量值誤差很大，這是因?yàn)闀r(shí)間常數(shù)很大，電容充放電很慢，使得值接近負(fù)載開(kāi)路電壓19.45 V，表明在時(shí)間常數(shù)很大的情況下，按照經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)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(fù)載開(kāi)路時(shí)u 和uo波形

文獻(xiàn)[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(xué)生經(jīng)常會(huì)問(wèn)到這個(gè)問(wèn)題，答案其實(shí)很簡(jiǎn)單，這是因?yàn)殡娙菥哂型ń涣髯柚绷鞯淖饔茫?0，仿真測(cè)得=0.097 mA，也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

負(fù)載電壓和二極管電流波形圖如圖6 所示。由圖6 可見(jiàn)，在一個(gè)電源周期內(nèi)，二極管導(dǎo)通（即電容充電）的時(shí)間非常短，但是導(dǎo)通電流非常大，最大電流達(dá)到了335 mA，遠(yuǎn)大于平均電流對(duì)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(kāi)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(duì)應(yīng)的負(fù)載電壓波形圖。從圖7中可以看出，此時(shí)輸出電壓已經(jīng)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)關(guān)S，S，S，S，S斷開(kāi)，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?jiàn)，此時(shí)電源的正負(fù)半周都得到了充分利用，理論計(jì)算值為：

圖8 單相橋式全波整流電路u 和uo波形

而測(cè)量得到為11.22 V，如果加上2 個(gè)二極管的導(dǎo)通壓降0.73×2=1.46 V，理論值和計(jì)算值基本相等，說(shuō)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(duì)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(gè)電源周期內(nèi)，二極管導(dǎo)通2 次，為18.65 V 時(shí)，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(jiàn)圖6），二極管D中電流波形非常稀疏，為18.32 V時(shí)，很大，達(dá)到335 mA，故在輸出電壓接近，時(shí)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(kāi)，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(shí)穩(wěn)壓管被反向擊穿，輸出電壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(lèi)似。負(fù)載開(kāi)路時(shí)，波形和圖7 類(lèi)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(cuò)

橋式整流電路中整流橋二極管極性接錯(cuò)是一種常見(jiàn)的錯(cuò)誤，在圖1 中，將開(kāi)關(guān)S，S，S，S斷開(kāi)，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(cuò)的仿真電路。由理論分析可知，此時(shí)會(huì)造成變壓器副邊短路，仿真測(cè)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(dá)到183.205 kA，很明顯，在實(shí)際電路中，變壓器和二極管將會(huì)被銷(xiāo)毀。

圖13 橋式整流電路二極管極性接錯(cuò)時(shí)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(kāi)關(guān)S，S，S，S，S斷開(kāi)，S，S，S閉合，便得到穩(wěn)壓管極性接線(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)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(fù)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(shí)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(xún)?cè)摲€(wěn)壓管的參數(shù)，其允許通過(guò)的最大前向連續(xù)平均電流為250 mA，可見(jiàn)，該穩(wěn)壓管不會(huì)損壞，和實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)uo波形

半波整流濾波穩(wěn)壓電路中穩(wěn)壓管極性接反時(shí)，負(fù)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(cuò)，也是一種常見(jiàn)的接線(xiàn)錯(cuò)誤?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(huì)嚴(yán)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(cuò)對(duì)仿真結(jié)果沒(méi)有一點(diǎn)影響，這也是Multisim 仿真電路的不足。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種基于Multisim 14 的整流濾波穩(wěn)壓電路，該電路能夠控制開(kāi)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(cuò)、穩(wěn)壓管極性接反等故障。本文對(duì)各種電路進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了仿真電路的正確性。通過(guò)將仿真結(jié)果與理論及經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式、二極管選擇依據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證、對(duì)照與闡述，將相關(guān)知識(shí)點(diǎn)串成一條線(xiàn)，以加深對(duì)相關(guān)概率、公式與理論的理解。