基于Multisim電路仿真軟件的電路故障實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究

上海市醫(yī)藥學(xué)校 陳 歡

為了讓學(xué)生充分的了解電路的故障現(xiàn)象，運(yùn)用Multisim電路仿真軟件，通過對正常工作電路和故障電路的觀測，形成故障對照表（如表1所示），結(jié)合實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)，豐富學(xué)生對電路故障現(xiàn)象的認(rèn)識，在不斷的試錯(cuò)過程中培養(yǎng)學(xué)生精益求精的學(xué)習(xí)態(tài)度。

隨著科技的發(fā)展，各行各業(yè)對于電的需求越來越多，而電也在通過各種應(yīng)用形式融入了我們的生活和工作中。電工和電子技術(shù)是很多專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程，在教學(xué)過程中也通常強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動手能力的培養(yǎng)，但往往我們希望的是學(xué)生能夠按照正確的步驟去完成正確的操作，卻缺少對“錯(cuò)誤”的正確認(rèn)識，也缺少對“錯(cuò)誤”的正確判斷。而真正的技術(shù)能手正是在一次次“錯(cuò)誤”的積累下培養(yǎng)起來的?；诖耍P者在教學(xué)過程中，借助Multisim的仿真電路實(shí)驗(yàn)，通過電路的故障實(shí)驗(yàn)，了解各種元件損壞后，對電路的影響，通過電路的故障實(shí)驗(yàn)，觀察短路等特殊情況下的電路現(xiàn)象。

1 電路故障實(shí)驗(yàn)的意義與實(shí)現(xiàn)

電路故障分主要分為短路（Short）和斷路（Open）兩種，而短路故障中的電源短路和用電器短路兩種，其中電源短路在實(shí)際電路中會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，導(dǎo)致電流過大而燒壞電源，而用電器短路會在一些特殊需求的電路中出現(xiàn)，從而起到不同的控制要求，一般不會造成較大的后果。而斷路故障，除了導(dǎo)線的接觸不良外，還有各種元器件的損壞引起的電路故障，其電路的表現(xiàn)形式與元器件在電路中的作用有關(guān)。此外，Multisim還為用戶提供了漏電阻（Leakage）故障，不作為本文的重點(diǎn)。

對于大多數(shù)人，所看到的電路表現(xiàn)都是正常的，反而看到的故障電路現(xiàn)象比較少，有些現(xiàn)象可能只有一瞬間，根本無法捕捉到電路的具體表現(xiàn)。這就讓電路故障只停留在電路分析上，無法使理論與實(shí)際聯(lián)系起來，這不利于學(xué)生形成經(jīng)驗(yàn)性知識。電路故障實(shí)驗(yàn)就是為了讓學(xué)生能夠看到在故障情況下，電路的具體表現(xiàn)，如負(fù)載兩端的電壓、流過負(fù)載的電流、中間電路各點(diǎn)的波形等等。通過正常電路和故障電路的參數(shù)比較，總結(jié)出故障的現(xiàn)象以及造成故障的原因。

鑒于電路故障的難以重現(xiàn)，以及電路故障可能造成的危險(xiǎn)性等原因，借助Multisim進(jìn)行仿真電路實(shí)驗(yàn)就成為了最佳方案。而Multisim強(qiáng)大的元件庫，還為不同型號元件的替換提供了可能，可以通過調(diào)整元件值，觀察到元件值大小對電路的影響，從而為實(shí)際電路中元件的選擇提供了參考。

2 仿真電路故障實(shí)驗(yàn)的實(shí)施步驟

一方面在教學(xué)過程中需要培養(yǎng)學(xué)生不斷去嘗試的探究精神，另一方面也要引導(dǎo)學(xué)生形成正確的探究的路徑，從而將理論與實(shí)踐相結(jié)合，并總結(jié)出自己的經(jīng)驗(yàn)。一般仿真電路故障實(shí)驗(yàn)可以按以下的步驟進(jìn)行，對于初學(xué)者可以從單一故障逐步變?yōu)槎喙收嫌^測。

（1）制定電路故障實(shí)驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)故障比對表

在進(jìn)行電路故障實(shí)驗(yàn)之前，首先制定出電路故障實(shí)驗(yàn)方案，分析原電路中易發(fā)生故障的元器件，以及電路的關(guān)鍵檢測點(diǎn)。設(shè)計(jì)試錯(cuò)順序，形成故障對比表。

（2）正確電路的搭建與參數(shù)檢測

根據(jù)原電路進(jìn)行仿真電路的搭建，檢測關(guān)鍵點(diǎn)的電流、電壓以及波形圖，作為故障實(shí)驗(yàn)的對比參數(shù)。

（3）設(shè)置元件短路故障

在原電路上，設(shè)置元件短路故障，觀察短路后電流和電壓的變化，尤其是電流的變化，結(jié)合安全用電常識、用電設(shè)備額定電流的要求，分析該元件短路后對實(shí)際電路造成的影響和后果。此時(shí)，仿真電路上的能夠觀測到的現(xiàn)象，在實(shí)際電路的測試中極有可能是會造成電路或檢測儀器損壞的。

（4）設(shè)置元件斷路故障

元件斷路故障，造成后果較小，但電路中會出現(xiàn)的現(xiàn)象更為豐富和多變，可以直接在元件上設(shè)置斷路，也可以在電路的支路上設(shè)置開關(guān)元件，進(jìn)行不同故障的組合，從而觀察元件斷路后的具體現(xiàn)象，并進(jìn)行記錄。

（5）完整記錄試錯(cuò)過程，形成故障對比表在試錯(cuò)過程中，需客觀真實(shí)地記錄檢測數(shù)據(jù)，與正常的電路參數(shù)形成對比，獲得故障對比表。

3 仿真電路故障實(shí)驗(yàn)的實(shí)例分析

以變壓器橋式整流濾波穩(wěn)壓電路為例，該電路是所有學(xué)習(xí)電路知識的人都會學(xué)習(xí)的一個(gè)電路，具有非常典型的意義，對于學(xué)習(xí)者來說通過該電路的故障實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)ψ儔浩?、整流二極管、電容、穩(wěn)壓二極管等元件損壞對電路的影響有較為深刻的理解。

（1）電路故障實(shí)驗(yàn)方案

該電路中的主要元件有變壓器、整流二極管、電容、穩(wěn)壓二極管以及限流電阻和負(fù)載電阻，在搭建電路過程中，同時(shí)進(jìn)行逐段電路功能的觀測，強(qiáng)化每個(gè)元件在電路中的具體作用與表現(xiàn)。在對正常工作的電路的分解觀察后，電路的故障實(shí)驗(yàn)也就有了可對比的依據(jù)，可根據(jù)電路的復(fù)雜程度，元件的易損性，從單故障點(diǎn)到多故障進(jìn)行逐一觀察。

根據(jù)對電路圖的分析，預(yù)設(shè)出需要進(jìn)行萬用表測量和示波器觀測的點(diǎn)，設(shè)計(jì)故障對照表框架，方便在觀測過程中增加觀測點(diǎn)。

（2）電路的搭建與觀測

在Multisim中按圖1搭建電路，并觀測和記錄UC、UL、A點(diǎn)、B點(diǎn)的電壓波形，以便于后續(xù)故障實(shí)驗(yàn)中與故障后的觀測值進(jìn)行比較。

在搭建過程中，按電路功能可進(jìn)行逐步的搭建與觀測，可分步進(jìn)行圖1整流電路、圖2整流濾波電路、圖3整流濾波穩(wěn)壓電路的搭建與觀測。

圖1與圖2只相差一個(gè)濾波電容，但是其A點(diǎn)的觀測結(jié)果是不一樣的，如圖3和圖4所示，圖1中A點(diǎn)的觀測波形在增加濾波電容后（圖2）就無法觀測到，但這兩次觀測的結(jié)果，對于學(xué)生理解電容不斷地充放電所形成的濾波作用是有幫助的。

表1 橋式整流電路故障對照表

圖1 單相橋式整流電路

圖2 單相橋式整流濾波電路

同時(shí)借助Multisim強(qiáng)大的元件庫，引導(dǎo)學(xué)生改變元件值大小，來觀察電路的變化。如：（1）不改變負(fù)載的情況下，調(diào)整濾波電容的大小，通過示波器觀察A點(diǎn)的波形變化，歸納濾波電容大小對濾波效果的影響，即電容越大濾波效果越好；（2）不改變?yōu)V波電容的情況下，將負(fù)載改為可變電阻，來觀察負(fù)載變大或變小后，對濾波效果的影響，得出負(fù)載電阻越大濾波效果越好的結(jié)論。

Multisim的元件庫也是實(shí)驗(yàn)室所無法具備的，豐富的元件類型和型號，以及各種檢測分析的儀器儀表，足以滿學(xué)生進(jìn)行各種電路的實(shí)驗(yàn)探究。

圖5為完整的實(shí)驗(yàn)電路，需要增加B點(diǎn)作為觀測點(diǎn)，A、B兩點(diǎn)間的電阻R1為限流電阻，保證穩(wěn)壓二極管的正常工作，同樣可以根據(jù)上面的方法，在不改變其他元件的情況下，調(diào)整R1的大小，來觀察對穩(wěn)壓二極管的影響。最后來改變負(fù)載RL的大小，來觀察在不同負(fù)載的情況下，穩(wěn)壓二極管是否能夠起到穩(wěn)壓的作用。

在正常電路的觀測過程中，加入調(diào)整元件大小、元件型號等情況的觀測，有助于學(xué)生理解電路原理，從而在歸納總結(jié)故障現(xiàn)象與故障原因時(shí)更準(zhǔn)確、迅速，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生精益求精的精神，不僅要達(dá)到電路功能的要求，也要選用最為合理和經(jīng)濟(jì)的元件，以達(dá)到降本增效的目的。

（3）設(shè)置元件的短路故障

短路故障在實(shí)驗(yàn)室是不允許發(fā)生，如圖5所示電路中，一旦變壓器次級短路，即該電路的次級會產(chǎn)生大電流，而將次級線圈直接燒壞，同時(shí)初級線圈的保險(xiǎn)絲會急速斷開，以保護(hù)電源，學(xué)生無法看到大電流的現(xiàn)象。而在仿真電路中，可以觀測在短路發(fā)生后，短時(shí)間內(nèi)的電路現(xiàn)象。當(dāng)某一個(gè)整流二極管的短路時(shí)，仿真軟件上可觀測到負(fù)載上沒有電壓，幾乎同時(shí)變壓器次級被短路，變壓器初級的保險(xiǎn)絲在幾秒后斷開。其后的電容短路，會使變壓器次級電路中只有4個(gè)整流二極管，從而產(chǎn)生較大的電流，而使變壓器初級和次級的保險(xiǎn)絲斷開。以上均為元件短路后形成的電源短路現(xiàn)象，會造成保險(xiǎn)絲斷開，如不設(shè)置保險(xiǎn)絲，則會造成嚴(yán)重后果。仿真電路實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)行故障實(shí)驗(yàn)中可以不考慮設(shè)備的損壞、不考慮電路故障的危險(xiǎn)性，而讓學(xué)生看到完整的故障現(xiàn)象，這也是運(yùn)用仿真電路進(jìn)行電路故障實(shí)驗(yàn)的最大優(yōu)勢。

圖3 整流電路A點(diǎn)波形

圖4 整流濾波電路A點(diǎn)波形

圖5 變壓器橋式整流濾波穩(wěn)壓電路

此處以穩(wěn)壓二極管短路為例，可以觀測A點(diǎn)（濾波）、B點(diǎn)（穩(wěn)壓/負(fù)載）的電壓波形。當(dāng)穩(wěn)壓二極管短路后，將負(fù)載RL短路，圖6（b）中未顯示紅色波形，其觀測值視為0。同時(shí)可以看到，由于負(fù)載被短路，濾波電路中的電阻值變小，也使得濾波效果變差。

圖6 穩(wěn)壓二極管正常與短路時(shí)A點(diǎn)（綠色）與B點(diǎn)（紅色）的波形比較

（4）設(shè)置元件的斷路故障

元件的斷路故障對電路的損傷比較小，而且一般元件的故障也是以斷路為主，可以觀測在元件斷路后，負(fù)載上的現(xiàn)象以及對其他電路元件的影響。同樣以圖5為例，設(shè)置電容的斷路，觀察示波器波形的變化。

當(dāng)電容斷開后，電路中因缺少濾波過程，穩(wěn)壓二極管在低于它的穩(wěn)定電壓值時(shí)，不具備穩(wěn)壓作用，超出其穩(wěn)壓值時(shí)，可以獲得短時(shí)穩(wěn)壓，但從波形上看，似被削去了所有的波峰，但是波動很大，并不是我們想要獲得的穩(wěn)恒直流電。這一現(xiàn)象也為學(xué)生解答了“為什么不能在整流后直接進(jìn)行濾波”的問題。

（5）完整記錄試錯(cuò)過程，形成故障對照表

在設(shè)計(jì)故障對比表時(shí)，要留出一定的拓展性，以保證能夠?qū)?shí)驗(yàn)過程中觀測點(diǎn)的電流、電壓以及波形都能夠記錄下來，并能夠與正常工作的電路觀測值進(jìn)行直接的對比?？梢赃\(yùn)用電子表格進(jìn)行記錄，在需要時(shí)增加行和列，以滿足實(shí)驗(yàn)記錄需要，在記錄波形圖時(shí)，可以直接將仿真軟件中的示波器顯示的波形記錄到故障對照表中，Multisim中提供了多種示波器，可以對多個(gè)觀測點(diǎn)進(jìn)行同步觀察和比較。

完成故障對照表的記錄后，需對其中的故障現(xiàn)象進(jìn)行歸類和總結(jié)，從而在遇到實(shí)際電路故障時(shí)，能夠根據(jù)故障現(xiàn)象來推斷可能出現(xiàn)的故障原因。

圖7 電容正常與斷開時(shí)A點(diǎn)（綠色）與B點(diǎn)（紅色）的波形比較

4 仿真電路故障實(shí)驗(yàn)與實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)的結(jié)合

根據(jù)圖5所示電路，在Multisim上觀測了各種元件故障后，為了讓學(xué)生有最為直觀的感受，同時(shí)也是為了加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐操作的能力，仍然需要開展實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)。根據(jù)仿真電路的故障對照表，在提供給學(xué)生的元件中，設(shè)置故障元件（一般為斷路故障），在學(xué)生將電路搭建完成后，通過示波器和萬用表進(jìn)行觀測，主動分析故障原因，再與故障對照表進(jìn)行對比，確定故障點(diǎn)后，更換新的元件，再次進(jìn)行觀測，以確定故障是否被排除。學(xué)生可通過仿真電路與實(shí)際電路的對比，將理論與實(shí)際緊密聯(lián)系起來。

電路故障實(shí)驗(yàn)對學(xué)生認(rèn)識電路故障現(xiàn)象有很大的幫助，是未來從事電器或電子產(chǎn)品維修等工作的基礎(chǔ)，但在實(shí)際教學(xué)過程中難以將眾多的電路故障展現(xiàn)出來，且實(shí)驗(yàn)室的條件也無法覆蓋所有的元件型號，只能從理論計(jì)算的角度來討論元件值大小（或型號）對電路的影響，而Multisim為開展電路故障實(shí)驗(yàn)提供了良好的仿真環(huán)境，使不可能成為可能。