LTspice在“電工電子技術”課堂教學中的應用

王高騰，李永濤

（1.蘭考三農(nóng)職業(yè)學院 智能制造系，河南蘭考，475300；2.蘭考三農(nóng)職業(yè)學院 科研規(guī)劃處，河南蘭考，475300）

0 引言

“電工電子技術”是機電類專業(yè)的基礎課程，該課程主要介紹了電路原理、模擬電路、數(shù)字電路等方面的基本理論及應用技術[1]。它既具有較深的理論性，又具有較強的工程實用性，同時，電路及電路器件也與人們的日常生活息息相關，已經(jīng)是現(xiàn)代社會不可或缺的基本組成部分。

筆者在“電工電子技術”教學過程中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的教學方式，例如板書、課件播放等，在展示電路波形時，存在不直觀、不靈活的缺點。盡管可以將部分電學實驗器材帶進課堂，實物演示并進行實驗，但是能帶進課堂并展示的電路非常有限，而且存在電路參數(shù)不易調節(jié)、電路器件容易損壞、電路結構及輸出結果不易展示的缺點，同時，安全性也是一個必須考慮的問題。

為改進教學手段，提高教學效果，加深學生對電路基本知識的理解，筆者嘗試在課堂教學中引入電路仿真技術，在課堂上通過快速搭建仿真模型、合理修改電路參數(shù)對比輸出結果，使理論分析得以驗證。文獻[2-5]討論了Multisim、Proteus、Tina等電路仿真軟件在電工電子技術教學、電路設計方面的應用。

為避免版權糾紛、尊重軟件知識產(chǎn)權，筆者使用LTspice進行課堂教學，相比于Multisim、Proteus、Tina等商業(yè)軟件，它不僅免費，而且具有仿真精度高、易使用、可擴展性強的特點，能夠滿足課堂教學的需要。

1 模擬電路仿真

■1.1 二極管保護電路

電路中若存在感性器件，如圖1所示，則開關斷開的瞬間，電感L1因電流突然中斷會產(chǎn)生一個高于電壓源很多倍的自感電動勢。

圖1 未加二極管保護的測試電路

在LTspice中搭建仿真模型，如圖2所示。開關S1由電壓源B1觸發(fā)，S1的觸發(fā)正端電壓值為正值時，開關導通；S1的觸發(fā)正端電壓值為負值時，開關截止。運行仿真后，在第1秒時S1截至，電感L1上的自感電動勢如圖3所示，從圖可見，在開關截止的瞬間，電感產(chǎn)生了遠超電壓源的自感電動勢，若不加保護措施，此自感電動勢會對電路造成嚴重的沖擊，甚至破壞元器件。

圖2 未加二極管保護的測試電路仿真模型

圖3 電感瞬間產(chǎn)生的自感電動勢

為保護電路，延長其使用壽命，需要在電感L1上并聯(lián)一個泄放二極管，如圖4所示。這樣，電感L1和二極管D1形成閉合回路，使自感電動勢大幅減小，從而保護電路，開關截止瞬間的波形如圖5所示。

圖4 加入二極管保護的測試電路仿真模型

圖5 加入二極管后電感自感電動勢

■1.2 晶體管放大電路

在LTspice中，根據(jù)圖6進行直流掃描，得到晶體管2N4401的伏安特性曲線，如圖7所示，從而得到晶體管的一個直流靜態(tài)工作點：

圖6 2N4401伏安特性曲線仿真原理圖

圖7 2N4401的伏安特性曲線

搭建共射極分壓式偏置放大電路，如圖8所示，利用LTspice的“.op”命令，查看該電路的直流靜態(tài)工作點，有根據(jù)式（1）：

圖8 共射極分壓式偏置放大電路

圖9 放大電路的輸入輸出電壓波形

■1.3 同相比例運算電路

同相比例運算電路的仿真模型如圖10所示，其電壓放大倍數(shù)為式（2）：

圖10 同相比例運算電路

從圖11可見，輸出波形滿足指定的電壓放大倍數(shù)，并且符合同相比例運算電路的波形特征。

圖11 同相比例運算電路輸入輸出波形

2 數(shù)字電路仿真

由555定時器構成的施密特觸發(fā)器如圖12所示，其輸入輸出波形如圖13所示，可見該電路的輸入輸出波形滿足施密特觸發(fā)器的波形特征。

圖12 施密特觸發(fā)器

圖13 施密特觸發(fā)器的輸入輸出波形

3 結語

電路仿真是深入理解電路原理的有效手段，對電路設計與電路分析也極具時效性。用好仿真，能使課堂教學生動形象，達到所見即所得的效果。運用仿真技術，學生在學習過程中能夠驗證自己的想法與創(chuàng)意，這是一個知識深化的過程。

同時，也應該認識到，一項成功的仿真過程依賴于對電路原理的深刻理解。仿真技術與電路原理，二者相輔相成。在仿真進課堂的教學實踐中，教師的角色，不僅在于引導學生正確使用仿真工具，更重要的是能夠從眾多的可能性中分辨與解釋引起錯誤仿真結果的真正原因所在。