楊威，左月明，吳海云

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，山西 太谷030800；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷030801）

通常的整流濾波電路實(shí)驗(yàn)是通過(guò)示波器觀察實(shí)驗(yàn)電路板上器件產(chǎn)生的波形來(lái)了解電路的性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)電路傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是首先通過(guò)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)根據(jù)現(xiàn)有通用元器件搭建出電路，再進(jìn)行反復(fù)調(diào)試達(dá)到規(guī)定的指標(biāo)。如果改變電路板上的器件參數(shù)，則必須重新制作電路板。這種方法效率低，費(fèi)用高，周期長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在電子電路領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。Multisim10是美國(guó)NI公司推出的一款電子線路仿真軟件［1～2］。利用 Multisim10系統(tǒng)工具的模擬功能對(duì)所搭建的電路環(huán)境和電路過(guò)程進(jìn)行仿真，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)同步進(jìn)行，使整流濾波電路實(shí)驗(yàn)所需器件的種類和數(shù)量不受限制，無(wú)需反復(fù)制作電路板，降低了實(shí)驗(yàn)成本，提高了做實(shí)驗(yàn)的速度和效率［3，4］。并且通過(guò)仿真結(jié)果能夠直觀的觀察到電路原理圖、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、測(cè)試參數(shù)和仿真曲線。為電子電路的學(xué)習(xí)者和設(shè)計(jì)者熟悉線路的特性和性能提供了良好的平臺(tái)［5］。

1 整流電路的仿真分析

整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娦詠?lái)實(shí)現(xiàn)的，將大小和方向都隨時(shí)間變化的工頻交流轉(zhuǎn)換成單方向的脈動(dòng)直流。

1.1 半波整流電路

1.1.1 工作原理

半波整流電路是把一個(gè)二極管連接到電路中，當(dāng)輸入電壓為正半周期時(shí)，u2的瞬時(shí)極性是上正下負(fù)，二極管正向?qū)ǎ娮枭嫌须娏魍ㄟ^(guò)；當(dāng)輸入電壓為負(fù)半周期時(shí)，u2的瞬時(shí)極性是上負(fù)下正，二極管反向截止，電阻上沒(méi)有電流通過(guò)，因此只有半個(gè)周期的電流流過(guò)，從而有效的濾除正弦交流電的負(fù)半周信號(hào)。半波整流電路的脈動(dòng)成分很大，降低了電路的效率，適用在脈動(dòng)程度大，系統(tǒng)要求低的場(chǎng)合。

啟動(dòng)Multisim10，在電源庫(kù)中選擇交流電源（輸入電壓有效值14.14V，頻率50Hz）及公共接地端；在基本元件庫(kù)中選擇二極管和電阻、1∶1變壓器、兩通道示波器［6～8］。A通道為輸入電壓波形，B通道為半波整流后的輸出電壓波形。電路原理圖如圖1所示。仿真后的輸出電壓波形如圖2所示。

圖1 半波整流電路原理圖Fig.1 The half－wave rectifier circuit diagram

圖2 半波整流電路輸入輸出曲線Fig.2 The input－output curve of half－wave rectifier circuit

1.1.2 參數(shù)計(jì)算

從圖2中可以觀察到半波整流后的電壓為正值，當(dāng)輸出電壓的有效值U2為14.14V，頻率為50Hz，則輸出脈動(dòng)電壓的平均值為：

經(jīng)過(guò)半波整流后流過(guò)負(fù)載的脈動(dòng)電壓成分較大，其中包含有直流分量和交流分量，下面將脈動(dòng)電壓作傅里葉級(jí)數(shù)分解進(jìn)行分析。直流電中的脈動(dòng)成分的大小通常用脈動(dòng)系數(shù)來(lái)表示，即脈動(dòng)系數(shù)（S）＝輸出電壓交流分量的基波最大值／輸出電壓的直流分量［9］。將輸出電壓表達(dá)式作傅里葉級(jí)數(shù)展開：

通過(guò)脈動(dòng)系數(shù)來(lái)衡量整流的效果。半波整流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)較大，說(shuō)明整流后的效果差。

1.2 橋式整流電路

1.2.1 工作原理

單向橋式電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路。當(dāng)副邊電壓u2在正半周期時(shí)，D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止，電流由變壓器的次級(jí)上端經(jīng)D1→R1→D3回到變壓器次級(jí)下端，在負(fù)載R1上得到一個(gè)半波整流電壓。當(dāng)u2在負(fù)半周期時(shí)，D1、D3截止，D2、D4導(dǎo)通，電流由變壓器的次級(jí)下端經(jīng)D2→R1→D4回到變壓器的次級(jí)上端，在負(fù)載R1上得到另一半波整流電壓。在負(fù)載電阻上正負(fù)半周經(jīng)過(guò)合成，得到了同一個(gè)方向的單向脈動(dòng)電壓。這樣就在負(fù)載R1上得到一個(gè)與全波整流電路相同的電壓波形。同時(shí)，橋式整流電路避免了變壓器次級(jí)線圈要有中心抽頭和降低了二極管要承受的反向壓降。橋式整流電路在實(shí)際應(yīng)用中較為廣泛。

啟動(dòng)Multisim10，參數(shù)選擇與半波整流電路相同，加入二極管組成的電橋1B4B42。電路原理圖如圖3所示，仿真后的輸出電壓波形如圖4所示。

1.2.2 參數(shù)計(jì)算

交流電壓經(jīng)過(guò)橋式整流電路后輸出的電壓是單相脈動(dòng)電壓。當(dāng)輸出電壓的有效值U2為14.14 V，頻率為50Hz，則輸出脈動(dòng)電壓的平均值為：

圖3 橋式整流電路原理圖Fig.3 Bridge rectifier circuit diagram

圖4 橋式整流電路輸入輸出曲線Fig.4 The input－output curve of bridge rectifier circuit

對(duì)輸出電壓進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分析，可知脈動(dòng)系數(shù)為：

通過(guò)比較可知，橋式整流電路輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)小于半波整流電路輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)，則橋式整流電路的濾波器效果好于半波整流電路的濾波效果。即脈動(dòng)系數(shù)越小，整流效果越好。

2 整流濾波電路的仿真分析

濾波電路是在整流電路的基礎(chǔ)上，利用電容器的充放電過(guò)程實(shí)現(xiàn)濾波，將脈動(dòng)的直流電壓變?yōu)槠椒€(wěn)的直流電壓。整流后的電路輸出不是平滑的直流電壓，從示波器中觀察到輸出電壓與平穩(wěn)的直流電壓相差很大，波形中含有較大的脈動(dòng)成分。為了獲得比較理想趨于平滑的電壓，需要加入具有儲(chǔ)能作用的原件組成濾波電路，用來(lái)濾除整流電路中輸出電壓的脈動(dòng)成分，以獲得平穩(wěn)直流電壓。實(shí)驗(yàn)采用無(wú)源濾波中的電容濾波形式。在原電路中（如圖5所示）分別接入不同數(shù)值的電容，當(dāng)R1＝100Ω；T＝0.001s時(shí)，濾波電容分別為100uF、200uF、1000uF、4700uF，得到輸出電壓曲線如圖6所示。通過(guò)軟件仿真，可以觀察到不同電容濾波的效果。直觀的定性理解電容濾波的性質(zhì)。隨著接入電路中電容的不斷增大，輸出電壓的脈動(dòng)幅度越來(lái)越小，波形趨于平滑。如表2所示，大大減小了整流濾波電路輸出的直流電壓中的交流成分。

圖5 整流濾波電路原理圖Fig.5 Rectifier filter circuit diagram

圖6 整流濾波電路輸入輸出曲線Fig.6 The input－output curve of rectifier filter circuit

表1 整流濾波電路中參數(shù)比較Table 1 The parameter comparison of rectifier filter circuit

濾波電路盡可能減小脈動(dòng)的直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，使輸出電壓脈動(dòng)系數(shù)降低，波形變得比較平滑［10］。

3 結(jié)論

整流濾波電路是最常用的電子線路之一。通過(guò)對(duì)半波整流和橋式整流濾波電路的仿真分析，定性的掌握了電路的特性，通過(guò)對(duì)不同參數(shù)下脈動(dòng)系數(shù)的定量比較，可知，全波整流電路的輸出電壓優(yōu)于半波整流電路，加入不同量值的電容后，從仿真圖中直觀的觀察到增加電容值有效的減小了脈動(dòng)系數(shù)，增強(qiáng)了濾波效果。利用Multisim10對(duì)電子線路進(jìn)行仿真分析，有效地提高了電子線路設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，可為電子線路的設(shè)計(jì)分析者提供參考。

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