基于Multisim的整流濾波電路分析

曹春雷

金華廣播電視大學（浙江商貿學校）浙江金華市商業(yè)技工學校，浙江金華 321000

整流電路的作用是將交流電變換成直流電。其中整流濾波電路在電子線路中應用非常廣泛，而單相橋式整流濾波電路在小功率整流電路中應用更為普及。所以分析整流濾波電路的原理和研究元件參數(shù)對整流濾波電路的影響顯得尤為重要。而在分析整流濾波電路時電路圖多，波形圖多，如果采用傳統(tǒng)的“粉筆+書本”的教學手段，板書費時費力，繪制的圖形不工整，不規(guī)范。但是如果采用仿真軟件Multisim，則可以快捷、直觀而方便的觀察到元件參數(shù)變化對整流濾波電路的影響。

1 Multisim簡介

Multisim的前身是加拿大Interactive ImageTechnologies公司（簡稱IIT公司）20世紀90年代初推出的EWB軟件，從EWB 6.0開始，專用于電路仿真與設計的模塊更名為Multisim，在2006年年初被美國NI(National Instrument)公司收購后，推出了Multisim 9，功能得到了極大的提升和轉變，實現(xiàn)了Multisim 9與LabVIEW 8的完美結合。2007年8月又發(fā)行了NI系列電子電路設計軟件，Multisim 10成為其中一個極具特色的組成部分，成為全球獨一無二的交互式電路仿真軟件。Multisim軟件有著無可比擬的易用性和獨特的強大功能，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設計和驗證。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路行為進行仿真。

Multisim整個操作界面如同一個實驗工作臺，有虛擬電子元器件庫、虛擬儀器儀表庫和進行仿真分析的各種操作命令。該軟件提供的元器件品種齊全、內容豐富，包括各種分立元件庫、模擬集成電路庫、數(shù)字集成電路庫以及混合集成電路庫等，提供的虛擬儀器有常用的電壓表、電流表、萬用表、示波器等儀器以及不常用的甚至實驗室沒有配備的如波特圖儀、邏輯分析儀、頻率計等儀器，且與實際儀器外型和操作基本一致，使用者使用虛擬儀器對電路進行仿真實驗，如同置身于實驗室使用真實儀器調試電路一樣，非常真實。

2 整流濾波電路分析

整流電路輸出脈動的直流電，其中含有很大的交流成分，為了使輸出電壓接近于理想的直流電壓，濾除它的交流成分，此過程稱為濾波，完成這一任務的電路稱為濾波電路，也稱濾波器。

濾波器通常由電容器、電感器和電阻器按一定的方式組合成多種形式的濾波電路。本文以橋式整流電容濾波電路為例進行相關研究。

1）利用瞬態(tài)分析功能分析電容濾波電路原理

首先利用Multisim仿真軟件繪制整流濾波電路，選用參數(shù)RL＝1kΩ，C=47uF的元器件，設置交流電壓源的電壓為20v，頻率為50HZ，繪制如圖1的整流濾波電路。然后通過“放置”菜單命令在濾波之前的變壓器二次側和濾波后放置節(jié)點1和節(jié)點3，執(zhí)行“仿真”→“分析”→“瞬態(tài)分析”命令，在彈出的對話框中設置仿真參數(shù)開始時間和終止時間等參數(shù)，關鍵是在“輸出”選項卡中將節(jié)點1和節(jié)點3設置成待分析的節(jié)點，然后單擊“仿真”按鈕，即出現(xiàn)瞬態(tài)分析的結果也即電路中節(jié)點1和節(jié)點3的波形。即可觀察到如圖2的電容濾波的波形圖。通過觀察波形圖可以得出電容濾波的工作原理如下：

當輸入電壓u2為正半周時，VD2、VD3導通，VD1、VD4截止，u2給負載供電的同時對電容C充電，充電電壓uc與上升的輸出電壓u2一致，uc和 u2一起達到最大值，而當u2按正弦規(guī)律下降，電容通過負載電阻放電，uc按指數(shù)規(guī)律放電而逐漸下降，當u2的負半周幅度大于uc時，VD1、VD4導通，VD2、VD3截止，u2再次給電容C充電，uc上升到u2的峰值后開始下降，下降到一定數(shù)值時，VD1、VD4截止，電容C又通過負載電阻放電。電容濾波電路就是在不斷的充放電過程中使輸出電壓趨于平滑。

圖1 電容濾波電路圖

圖2 C=47uF電容濾波電壓輸出波形圖

2）通過觀察示波器的波形變化來研究元件參數(shù)變化對橋式整流電容濾波電路的影響

從圖2中可以看出，雖然通過電容濾波使輸出電壓變得較平滑，但與平直的穩(wěn)恒直流電壓波形相去甚遠，設想在負載電阻和U2不變的情況下，增大和減少電容量，通過示波器觀察輸出電壓的波形來研究電容元件參數(shù)變化對橋式整流電容濾波電路的影響。

為了與圖2的C=47uF形成可比性，分別修改電容參數(shù)為4.7uF和470uF，觀察到波形的變化如下：

圖3 C=4.7uF電容濾波電壓輸出波形圖

圖4 C=470uF電容濾波電壓輸出波形圖

對比圖2、3、4電容量從4.7uF→47uF→470uF的波形變化，隨著電容量的增大，可以看出輸出電壓波形越來越平滑，當電容量為470uF時可以從示波器顯示的波形上看出輸出電壓波形基本接近理想的穩(wěn)恒直流電壓波形。這是因為隨著電容量增大，放電時間參數(shù)RLC增大，放電逐漸變慢，所以輸出電壓波形越來越平滑。濾波電容C的取值，工程上一般按經驗公式計算，應當取RLC=（3～5）T/2(T為變壓器二次電壓u2的周期，T＝0.02s)。在已知負載RL的情況下，濾波電容C的取值一般在幾百至幾千微法。具體濾波電容的電容量選擇還應根據(jù)參考負載電流的大小進行選擇。下表即在橋式整流電容濾波電路參考負載電流的大小且電壓參考值UL=12～36V時的濾波電容的選擇表。

表1

由于濾波電容較大，需采用電解電容。使用電解電容時要注意它的極性，不能接錯，否則電解電容會被擊穿。濾波電容在電路中承受最高電壓U2，所以電容的耐壓值一般取整流輸出電壓的1.5倍左右。

電容濾波一般用大小兩個電容，大電容用來穩(wěn)定輸出，可以使輸出平滑；小電容用來濾除高頻干擾，使輸出電壓純凈。

3）利用Multisim仿真軟件推導輸出電壓計算公式

通過觀察示波器波形，可以直觀的看到隨著電容量的增大，輸出電壓波形越來越平滑，提高了輸出電壓平均值，教材中會直接給出橋式整流電容濾波前和濾波后的輸出直流電壓平均值的經驗估算公式，或是利用微積分知識給出計算公式，缺乏事實依據(jù)或數(shù)據(jù)支持，學生難以接受。而在Multisim仿真軟件中，可以利用瞬態(tài)分析中的將數(shù)據(jù)“導出到Excel”功能，將電壓值數(shù)據(jù)導出到Excel表格后，求解其在設定的瞬態(tài)分析時間參數(shù)段內的平均值，即可得到輸出電壓的平均值。圖5和圖6即是在輸入電壓最大值為20V，對輸出節(jié)點3進行瞬態(tài)分析，設定時間參數(shù)為0.1s，自動生成時間步長即為100個時間取樣點，點擊“導出到Excel”命令，即得到圖6的對應100個時間取樣點的輸出電壓值，然后利用平均函數(shù)求解輸出電壓的平均值為16.77 V，剛好與輸出直流電壓平均值的經驗估算公式UL≈1.2U2吻合。Multisim仿真軟件能以事實依據(jù)說服學生，加深學生對公式的印象。

圖5 節(jié)點3電壓波形圖

圖6 導出到Excel表格的數(shù)據(jù)

3 結語

同樣的研究方法可以推廣到其他電路的性能研究，例如通過修改元器件參數(shù)調整不同的靜態(tài)工作點，利用示波器等虛擬儀器可以實時動態(tài)的觀察到靜態(tài)工作點的變化而引起共射級放大器的輸出波形的失真。利用Multisim仿真軟件，可以快速的創(chuàng)建原理圖，通過虛擬儀器觀察電路波形圖，可以通過任意修改元器件參數(shù)來研究參數(shù)變化對電路的影響，即方便快捷又直觀可信，在提高課堂教學效率同時，也激發(fā)學生的學習積極性，把學生的感知過程、理解過程、運用過程融為一體。

[1]陳曉平，李長杰.電路實驗與仿真設計[M].南京:東南大學出版社，2008年

[2]董玉冰. Multisim9在電子電工技術中的應用[M].北京：清華大學出版社，2008年

[3]周金球等.基于Multisim軟件的項目式教學[J].西安:民辦教育研究，2009年第9期

[4]曹春雷.基于Multisim的整流濾波電路分析.2011年浙江省技工院校教學論文二等獎，2011