基于Multisim 10的晶閘管調(diào)光電路的設(shè)計與仿真分析

摘要：晶閘管調(diào)光電路是模擬電路的課程教學(xué)和中級維修電工電子技術(shù)實訓(xùn)教學(xué)中的一個重點和難點內(nèi)容。在教學(xué)中應(yīng)用Multisim 10仿真軟件，研究控制角對輸出電壓的影響，仿真結(jié)果與理論分析計算一致。計算機(jī)仿真輔助教學(xué)可以使課堂教學(xué)更形象、更直觀，使復(fù)雜深奧的知識簡單化，從而加深學(xué)生對理論知識的理解，提高教學(xué)效率，取得很好的教學(xué)效果。
關(guān)鍵詞：Multisim 10；晶閘管；調(diào)光電路；計算機(jī)仿真

調(diào)光電路在日常生活中應(yīng)用較為廣泛。在教學(xué)中，它不僅是學(xué)習(xí)晶閘管應(yīng)用的入門電路，也是中級維修電工電子技能實訓(xùn)的經(jīng)典項目。調(diào)光電路內(nèi)容涉及廣，具體包括晶閘管、單相半波可控整流電路、單結(jié)晶體管觸發(fā)電路等工作原理，以及控制角和同步觸發(fā)的概念、控制角對被控電壓的影響等。對于學(xué)生來說，要理解和掌握這些知識點，借助傳統(tǒng)的儀器儀表獲取波形圖來分析無疑具有很大的挑戰(zhàn)性。利用Mult isim 10軟件進(jìn)行實驗仿真，可以動態(tài)直觀地觀察不同參數(shù)對調(diào)光電路性能的影響，對于理解原理，熟悉調(diào)試過程具有很大的幫助。

1 Multisim 10簡介
Multisim 10是美國國家儀器公司最新推出的版本。Multisim 10用軟件的方法虛擬電子與電工元器件，虛擬電子與電工儀器和儀表，實現(xiàn)了“軟件即元器件”、“軟件即儀器”，是一個原理電路設(shè)計、電路功能測試的虛擬仿真軟件。
Multisim 10的元器件庫提供了千種電路元器件供實驗選用，也可以新建或擴(kuò)充已有的元器件庫，因此也很方便的在工程設(shè)計中使用。Mu ltisim 10的虛擬測試儀器儀表種類齊全，有一般實驗用的通用儀器，如萬用表、函數(shù)信號發(fā)生器、雙蹤示波器、直流電源；而且還有一般實驗室少有或沒有的儀器，如波特圖儀、字信號發(fā)生器等。
Multisim 10不僅可以設(shè)計、測試和演示各種電子電路，而且還具有較為詳細(xì)的電路分析功能?？梢酝瓿呻娐返乃矐B(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時域和頻域分析等電路分析方法，以幫助設(shè)計人員分析電路的性能。

2 調(diào)光電路設(shè)計
2．1 電路組成
調(diào)光電路如圖1所示，由整流電路、觸發(fā)電路和主電路3部分組成。VD1～VD4組成的橋式整流電路和穩(wěn)壓管VD2組成的穩(wěn)壓電路產(chǎn)生一個梯形波電壓，用來作為單結(jié)晶體管的電源電壓，也用來保證觸發(fā)電路與主電路同步。充電回路(R2+R3)C1和可編程單結(jié)晶體管PUT構(gòu)成觸發(fā)電路，用來產(chǎn)生晶閘管的同步觸發(fā)脈沖。主電路由晶閘管VT1和照明燈X1組成，電源直接由220 V市電提供。
2．2 調(diào)光原理
接通電源前，電容C1上電壓為零。接通電源后，電容C1經(jīng)由R2、R3充電，電容的電壓uC逐漸升高。當(dāng)達(dá)到峰點電壓UP時，PUT的e～b1間導(dǎo)通，電容上電壓uC經(jīng)e～b1向電阻R5放電。當(dāng)電容上的電壓uC降到谷點電壓UV時，PUT恢復(fù)阻斷狀態(tài)。此后，電容C1又重新充電，重復(fù)上述過程，結(jié)果在電容C1上形成鋸齒狀電壓，在R5上則形成脈沖電壓。此脈沖電壓作為可控硅VT1的觸發(fā)信號。在VD1～VD4橋式整流輸出的每一個半波時間內(nèi)，振蕩器產(chǎn)生的第一個脈沖為有效觸發(fā)信號。調(diào)節(jié)R2的阻值，可改變觸發(fā)脈沖的相位，控制晶閘管VT1的導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)負(fù)載電壓UX1的大小，從而控制燈泡亮度。

3 搭建仿真電路
按如圖1所示電路搭建仿真電路。

”→單結(jié)晶體管“”。程控單結(jié)晶體管PUT，又稱可編程單結(jié)晶體管，實質(zhì)上是一個N極門控晶閘管的功能，但因它與單結(jié)晶體管BUJ的用途相近，故納入單結(jié)管之列。程控單結(jié)晶體管可用外部電阻取代內(nèi)部基極電阻Rb1和Rb2，只需改變二者的電阻比，即可從外部調(diào)整其參數(shù)值。圖1中PUT的分壓比為：

照明燈的選擇與參數(shù)設(shè)置。選擇路徑為：指示器庫“”→虛擬燈“”。參數(shù)設(shè)置為：220V，5W。
電位器R2的增量步長“Increment”設(shè)為1％。其余元器件的型號和參數(shù)選擇與設(shè)置參考圖1。

4 仿真分析
單擊仿真按鈕“”，啟動仿真。開啟示波器的面板，設(shè)置合適的參數(shù)，觀察穩(wěn)壓后的波形和電容C1的充放電波形。按鍵盤上的“A”鍵，改變R2的值，觀察電容C1兩端的電壓波形變化情況。圖2是R2為某一值時示波器的波形圖，可知，穩(wěn)壓后的波形是梯形波，電容電壓uC是鋸齒波。

將示波器的輸入通道A連接到線號8，這樣通道A顯示的就是R5兩端的電壓波形，即觸發(fā)電壓的波形，如圖3所示。顯然，觸發(fā)脈沖是一系列尖脈沖。每半周的第一個尖脈沖是觸發(fā)脈沖。拉動2個游標(biāo)坐標(biāo)，使游標(biāo)T1與梯形波的零點重合，游標(biāo)T2與零點后的第一個尖脈沖重合，此時，T2-T1的讀數(shù)即為觸發(fā)控制角的時間t(單位：ms)。

根據(jù)公式α=2πt／T(T為交流電源的周期，這里T=1／50 Hz=20 ms)，即可求取控制角α的大小。記錄R2不同位置對應(yīng)的觸發(fā)時間t。打開直流電壓表XMM1，記錄R2不同位置對應(yīng)的負(fù)載電壓值UX1。根據(jù)公式，計算不同觸發(fā)角對應(yīng)的負(fù)載電壓理論計算值。結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析，當(dāng)充電時間常數(shù)(R2+R3)C1增大，觸發(fā)時間t也延長，觸發(fā)角α增大，負(fù)載電壓值UX1減小。負(fù)載上的電壓測量值與理論計算值在誤差允許范圍內(nèi)近似相等。

5 結(jié)語
利用Multisim 10工具對電路環(huán)境和電路過程進(jìn)行仿真，花費少，效率高，而且結(jié)果快捷、準(zhǔn)確、形象。在晶閘管調(diào)光電路的教學(xué)中應(yīng)用Multisim 10仿真軟件，研究電路參數(shù)對充電時間和波形的影響、控制角對輸出電壓的影響，仿真結(jié)果與理論分析計算一致，從而加深
學(xué)生對理論知識的理解，提高教學(xué)效率，取得很好的教學(xué)效果。計算機(jī)仿真輔助教學(xué)可以使課堂教學(xué)更形象、更直觀，使復(fù)雜深奧的知識簡單化。