Multisim仿真软件在电工电子技术课程教学中的应用研究*

2021-07-19罗杰单澜何群英

科学与信息化 2021年19期

罗杰单澜何群英

浙江同济科技职业学院浙江杭州 311231

引言

随着我国科学技术的不断发展，为了实现从劳动密集型向技术密集型转变[1]，社会对技术人才的要求已经从专业型人才向复合型人才方向转变。对于机械专业，已经不单单要求学生掌握扎实的机械知识，同时要求学生具备一定的电工电子方面的知识[2]。因此，需要高职院校改革课程教学体系，培养同时具备机械和电工电子知识的高素质技能人才。

1 电工电子技术教学现状

为了提高学生电工电子方面的技能水平，高职院校开设了电工电子技术课程并设立了实训室。但是随着高职扩招导致学生人数激增，同时受限于资金和场地原因，实训室并不能满足所有学生的实训教学任务。同时，学生的基础知识薄弱，实践动手能力较差，成绩也普遍较差[3]，在完成电工电子实训任务时存在很大的安全隐患，这极大地制约了学生动手能力的培养。

出于现状考虑，本课程决定引入Multisim仿真软件，Multisim具备较强的计算机仿真与虚拟仪器技术，学生通过仿真软件完成电路的搭建、仿真及实验，不仅保证了教学效果和安全性，同时提高了学生对电工电子元器件进行操作、搭建及调试的能力。本文以直流电路的电功率仿真实验为例阐述Multisim仿真软件在本课程中的具体教学实践。

2 基于Multisim的仿真实验

Multisim是由美国国家仪器有限公司开发的用于仿真电路设计的软件，它不仅支持电路原理图的图形输入，同时提供各类电子元器件和仪器仪表，具有仿真能力强大、界面直观等优点[5]。

2.1 直流电路的电功率仿真简介

在实际应用中，计算电子元器件的电功率是一项基本任务，为了学生能够更加直观地感受电功率的计算方法和原理，本文设计了一种直流电路的电功率仿真实验[4]。该电路结构简单且含有常用电子元器件，主要有电流表、电压表、负载灯泡和直流电源等。

2.2 测量灯泡的损耗功率仿真电路

2.2.1 设计电路。完整的灯泡的损耗功率仿真电路包含了以下电子元器件和仪器仪表：灯泡、电阻、直流电源、电流表、电压表、功率表等。为了测量灯泡的损耗功率，需要将灯泡、电阻、直流电源和电流表串联起来，同时需要将电压表与灯泡并联起来，电流表和电压表分别用来测量电路中的电流和电压的大小，最后根据损耗功率与电流和电压的关系得到损耗功率的大小。

2.2.2 绘制仿真电路图。利用Multisim仿真软件提供的丰富的元器件库与虚拟元器件，完成测量灯泡的损耗功率仿真电路的绘制，电路图如图1所示。其中A1为电流表，U1为电压表，XWM1为功率表，R1的电阻值为1Ω，灯泡的额定电压和额定功率分别为12V和25W，直流电源的电压为12V。

图1 直流电路的电功率仿真电路图

2.2.3 仿真运行。Multisim仿真软件提供了强大的仿真功能，对测量灯泡的损耗功率仿真电路进行仿真，得到的仿真结果如图2所示。测得流经该电路的电流大小为1.775A，灯泡两端的电压大小为10.225V，根据计算功率的公式得到灯泡的损耗功率为18.149W，与图中功率表的读数18.151W非常接近。经分析，该误差是由于电流和电压进行四舍五入导致的，因此验证仿真结果准确。

图2 仿真运行结果

2.3 负载电阻获得最大传输功率仿真电路

2.3.1 设计电路。为了对功率损耗有更加直观的感受，设计了一个负载电阻获得最大传输功率仿真电路，该电路图如图3所示。通过该电路，学生需要完成一项探究任务，探究负载电阻在什么条件下可以从电源处获得最大功率，以及负载电阻与传输效率之间的关系。

图3 负载电阻获得最大传输功率仿真电路

2.3.2 仿真运行。运行该电路，观察记录XWM1和XWM2显示的读数，得到XWM1和XWM2的值分别为72mW和36mW，因此该电路的传输效率η为50%。

2.3.3 探究。为了探究负载电阻R2的电阻值与传输效率之间的关系，因此需要改变负载电阻R2的电阻值，记录不同电阻值下负载电阻R2的损耗功率及该电路的传输效率，记录结果如表1所示。

根据表1的数据，可以得出以下结论：①当负载电阻R2电阻值小于1000Ω时，负载电阻R2的损耗功率随着电阻值的增大而增大；当负载电阻R2电阻值大于1000Ω时，负载电阻R2的损耗功率随着电阻值的增大而减小。因此只有当负载电阻R2电阻值与内阻R1相等时，负载电阻R2的损耗功率达到最大。②该电路的传输效率随着负载电阻R2电阻值的增大而增大，因此如果想要提高电路的传输效率，应当提高负载电阻的电阻值或降低内阻的电阻值。