Multisim仿真在耦合电感教学中的应用研究

童静 周冬婉

摘要：本文介绍了含有耦合电感的传统汽车点火系统的工作原理，在此基础上建立其简化的电路模型，并针对模型进行深入的理论分析和数值计算，由此更好地诠释了汽车点火系统的工作过程。针对电路模型设计了Multisim仿真电路，仿真实验的结果很好地验证了理论分析的正确性。

关键词：耦合电感；汽车点火系统；Multisim仿真

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）47-0176-02

“电路理论”课程中耦合电感一章是应用背景较强的章节之一，其中汽车点火系统就是包含有耦合电感电路的一个应用案例，学生在学习了相关基础知识之后，若能灵活应用并分析实例，将极大提升他们的理论水平和工程实践能力。传统的“电路理论”课程对于理论的讲解比较多，概念抽象，学生对教学内容缺乏感性认识，学习起来有难度。Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的问题[1]。通过在教学中引入Multisim仿真，将理论讲授与仿真实验相结合，可以让电路分析简单化、形象化，能够激发学生的学习興趣，取得良好的学习效果。

一、汽车点火系统的工作原理

点火系统是汽油发动机重要的组成部分，它的作用是在适当的时刻点燃被压缩的油气混合气并使其燃烧。汽车点火系统自从问世以来，发展较快，种类较多，但其基本原理是相似的。按发展过程来分，汽车点火系统主要有：传统触点式点火系统、普通电子点火系统和微机控制电子点火系统等三类[2]。下面就以传统触点式点火系统为例，介绍点火系统的组成和工作原理。

传统汽车点火系统一般由蓄电池、点火钥匙、点火触点与冷凝器、点火线圈、配电器和火花塞组成，如图1所示。

点火系统的目的就是为了产生一个火花，用以依次点燃引擎汽缸里的燃料空气混合气。未点火时，点火触点处于闭合状态，初级线圈有12A初始电流流过；当t=0时刻，汽车钥匙点火时，点火触点打开，12V蓄电池的电压通过冷凝器连接点火线圈，会在次级产生2万伏到5万伏左右的高压，这个高压通过配电器在恰当的时刻、按照恰当的顺序送至各个汽缸对应的火花塞，火花塞的顶部有一个很小的缺口，尖端接地，因此加上高压后会在这个缺口间产生电火花，以点燃汽缸中的燃料空气混合气。

二、电路模型的构建和理论分析

根据汽车点火系统的工作原理，可以得到它的简化的电路模型，如图2所示。

其中，串联的1欧姆的电阻用于分压，防止触点过度磨损。冷凝器由一个可以存储少量电能的电容构成，当触点打开时，触点两端的电流会寻找一切可能的路径越过触点的缺口，如果不加电容，这个触点会很快烧毁，为了避免这种情况，因而增加电容提供一条通路，使电流流过。

下面对该电路模型做理论分析。假定在初始时点火触点一直闭合，在t=0时，触点打开，则初级线圈上的初始电流为12/1=12A。由于次级接的是火花塞，相当于开路，不会对初级产生影响，因此可以构建电路的S域模型如图3所示。

从表达式（3）可以看出，这是一个二阶欠阻尼的振荡响应，次级升压达到了约3万6千伏，这个高电压足以在火花塞上产生电火花用以点火。

三、Multisim仿真分析

基于图2汽车点火系统的简化电路模型，我们构建了Multisim仿真电路，如图4所示。其中，点火线圈用互感模型来进行模拟，示波器的两个通道分别测量初级回路的电流和次级线圈上的电压。

正如电路模型的理论分析，t=0时开关S1由闭合到打开，此时初级回路相当于二阶电路，产生的是一个欠阻尼振荡响应的电流，再通过互感线圈，能在次级线圈上产生一个振荡衰减的高电压，用于产生电火花，振荡波形如图5、图6所示。

值得注意的是，运行仿真程序的过程和电路模型的理论分析略有不同。在电路模型分析中，假定初始时点火触点一直闭合，在t=0时，触点打开，通过计算得到初级线圈上的初始电流为12A。而在仿真过程中为了动态地得到这个12A的初始电流，在t=0之前，首先让开关S1打开，然后闭合开关S1，此时电容C1被开关短路，电路相当于一阶电路，电压源对初级线圈进行充电，电流呈指数增加，达到稳态后可得到这个12A的初始电流。这个过程如图5中t=0处左边波形所示，而对应的次级线圈上的电压突变后呈指数减小，如图6中t=0处左边波形所示。从幅值可以看出，虽然电流和电压有变化，但是次级并没有产生高压，即一阶电路不能产生振荡，无法通过互感线圈产生高电压。只有随后t=0时将开关由闭合到打开，初级回路变成二阶电路，得到一个二阶欠阻尼振荡电流，方能在次级线圈上产生高电压。

针对“电路理论”课程耦合电感一章设计一个仿真应用案例。应用案例以传统汽车点火系统的工作原理为基础，构建了其简化的电路模型，然后对电路模型进行了理论分析和数值计算，最后给出电路的Multisim仿真波形。通过应用案例的学习，学生可以从实际应用、理论分析和电路仿真三个角度深入理解汽车点火系统的工作原理，进一步理解含有耦合电感电路的分析和计算。

参考文献：

[1]颜芳，宋焱翼，谢礼莹，李新科.基于Multisim的电路原理课程仿真实验设计[J].实验技术与管理，2013，（05）：59-62.

[2]任庆平，李恒宾.汽车点火系统仿真分析[J].青海交通科技，2012，（01）：66-68.