基于Multisim 14 的单相整流滤波稳压电路及其故障仿真分析

邓红雷，张仙玲，汪娟娟

（华南理工大学 电力学院，广东 广州 510640）

0 引言

整流滤波稳压电路是电工学模电中的重要教学内容，各个知识点连贯性强，概率与相关参数多，波形与交直流间关系复杂，教材中有时会利用微积分知识给出计算公式，但有时只直接给出经验估算公式，缺乏事实依据或数据支持，学生不容易理解。另外，这些知识点散落在整流电路、整流滤波电路和稳压电路三个章节之间，迫切需要一条线将各个知识点串起来，以便帮助加深理解与记忆。

现场整流滤波稳压电路实验，由于变压器副边交流电压的负极和负载直流电压的负极电位不一致，而实际示波器的探头是共用一个接地，因此即便采用多通道示波器，也不能同时观察输入和输出的电压波形，无法直观验证各种参数之间的关系。采用多个示波器同时测量，不仅会增加额外的实验设备，而且由于信号显示在不同的示波器上，也不方便比较。此外，一般电工实验室配备的电流表只能测量电流的有效值和平均值，无法显示电流波形。现场实验无法进行破坏性故障实验，当接线错误，有可能造成严重事故，比如：整流二极管极性接线错误会造成电源短路，不仅烧坏二极管，严重时可能损害变压器；滤波电容极性接反，电容器会发生爆裂，造成人身伤害。Multism 14 是NI 公司推出的仿真软件，它可以方便地实现模拟/数字电路、集成运放、射频电路、电子测量、电源电路等众多电路的设计及仿真。该软件中多通道示波器探头的接地端是分开的，故可以同时测量输入和输出电压波形，并且示波器具有回溯功能，能记录从0 开始的波形，可以帮助理解电容的充放电过程；实验室不方便测量的电流波形，在该软件中可以通过电流探针将电流转换成电压，再通过示波器显示出来，这给本文电路原理的理解提供了很大的便利。

现有的整流滤波稳压仿真电路，实现整流、整流滤波、整流滤波稳压电路时，每次需要删除或添加元器件，非常不方便。本文设计的基于Multisim 14 的整流滤波稳压电路，通过开关的断开闭合控制，直接实现多种电路的原理验证与故障仿真，无需删除或添加元器件，克服了现场实验无法同时观察输入输出电压、电流波形和不能进行故障仿真的不足，能够进行电路的无损实验。

1 仿真电路

图1 单相半波全波整流滤波稳压及故障仿真电路

2 电路仿真分析

2.1 单相半波整流

断开S，S，S，S，S，闭合S，S，S，便可构建半波整流仿真电路，此时D，D，D截止，，，D，D均断开，变压器副边电压经二极管D和负载构成回路。

图2 半波整流输入u 输出电压uo波形图

图3 半波整流二极管电压uD1波形

2.2 单相半波整流+电容滤波

断开S，S，S，S，闭合S，S，S，S，得到半波整流电容滤波电路仿真电路。图4、图5 给出了和波形。由图可得到，在一个电源周期内，存在一次电容的充放电过程，测得此时的负载电压平均值为18.32 V；电流平均值为0.018 A。根据文献[1-2]的经验公式计算得到=1.0=14 V，计算值和测量值误差很大，这是因为时间常数很大，电容充放电很慢，使得值接近负载开路电压19.45 V，表明在时间常数很大的情况下，按照经验公式来计算是不合适的。

图4 半波整流电容滤波电路中u 和uo波形

图5 半波整流电容滤波电路负载开路时u 和uo波形

文献[1]直接指出，在半波整流电容滤波电路中：

但是根据KCL，有：

故：

两式明显有差异，学生经常会问到这个问题，答案其实很简单，这是因为电容具有通交流阻直流的作用，=0，仿真测得=0.097 mA，也验证了这一点。

负载电压和二极管电流波形图如图6 所示。由图6 可见，在一个电源周期内，二极管导通（即电容充电）的时间非常短，但是导通电流非常大，最大电流达到了335 mA，远大于平均电流对应的18 mA，为了安全，故要求二极管最大整流电流取≥2=2。

图6 半波整流电容滤波电路uo和二极管电流iD1波形

2.3 半波整流+电容滤波+稳压电路

图1 中，断开S，S，S，S，闭合S，S，S，S，得到半波整流电容滤波稳压电路仿真电路。图7 是对应的负载电压波形图。从图7中可以看出，此时输出电压已经是一个标准的直流，其值为7.55 V，等于稳压管稳压值。

图7 半波整流电容滤波稳压电路uo波形

2.4 单相桥式全波整流电路

图1 中，将开关S，S，S，S，S断开，S，S，S闭合，便可得到单相桥式全波整流电路，输出电压波形如图8 所示。可见，此时电源的正负半周都得到了充分利用，理论计算值为：

图8 单相桥式全波整流电路u 和uo波形

而测量得到为11.22 V，如果加上2 个二极管的导通压降0.73×2=1.46 V，理论值和计算值基本相等，说明仿真结果还是可信的。

图9 单相桥式全波整流电路uD1波形

2.5 全波整流+电容滤波

图10 单相桥式全波整流电容滤波uo波形

图11 单相桥式全波整流滤波电路i1和io波形

单相桥式全波整流电容滤波电路中，取二极管最大整流电流：

对应半波整流电容滤波电路中：

以下分析二者差别较大的原因。由图11 可知，全波整流电容滤波电路的二极管D中电流波形密集，在一个电源周期内，二极管导通2 次，为18.65 V 时，二极管D中最大电流仅为139.05 mA，所以按照正常方式，取≥=0.5即可。但在半波整流滤波电路中（见图6），二极管D中电流波形非常稀疏，为18.32 V时，很大，达到335 mA，故在输出电压接近，时间常数相同的情况下，半波整流滤波电路中二极管中电流最大值是全波中的2.4 倍，所以出于安全考虑，半波整流电容滤波电路中取≥2=2。

根据KVL，有：

故二极管承受的最大反向电压：

图12 桥式全波整流滤波电路二极管电压波形

2.6 全波整流+电容滤波+稳压电路

图1 中，将S，S，S，S断开，S，S，S，S闭合，得到单相桥式全波整流电容滤波稳压电路，此时稳压管被反向击穿，输出电压为一个标准的直流，等于7.55 V，等于稳压管稳压值7.5 V，其波形图和图8 非常类似。负载开路时，波形和图7 类似，不再赘述。

3 故障仿真分析

3.1 桥式全波整流电路中二极管极性接错

桥式整流电路中整流桥二极管极性接错是一种常见的错误，在图1 中，将开关S，S，S，S断开，S，S，S，S闭合，便可得到单相桥式全波整流电路二极管极性接错的仿真电路。由理论分析可知，此时会造成变压器副边短路，仿真测得二极管和变压器电流波形如图13 所示。图13 中电流峰值达到183.205 kA，很明显，在实际电路中，变压器和二极管将会被销毁。

图13 桥式整流电路二极管极性接错时变压器和二极管D1中电流

3.2 稳压管极性接反

图1 中，将开关S，S，S，S，S断开，S，S，S闭合，便得到稳压管极性接线错误时的单相桥式全波整流仿真电路，波形如图14 所示。

由图14 可知，负载电压恒定为0.51 V，等于BZV55-C7V5 稳压管正向导通压降，表明此时二极管正向导通，稳压管起不到应有的稳压作用。全波整流滤波稳压电路稳压管正向电流为55 mA，电流最大值为450 mA，查询该稳压管的参数，其允许通过的最大前向连续平均电流为250 mA，可见，该稳压管不会损坏，和实际实验过程完全相符合。

图14 桥式整流滤波稳压电路稳压管极性接反时uo波形

半波整流滤波稳压电路中稳压管极性接反时，负载电压值也为0.51 V，其输出电压和图14 完全一致，不再赘述。

3.3 电容极性接反

滤波电容极性接错，也是一种常见的接线错误。现场实验时，滤波电容一般采用的是电解电容器，如果极性接反，漏电电流很大，会严重发热，发生爆裂。但遗憾的是，在Multisim 中多次仿真结果表明，电容极性接错对仿真结果没有一点影响，这也是Multisim 仿真电路的不足。

4 结语

本文设计一种基于Multisim 14 的整流滤波稳压电路，该电路能够控制开关的闭合，模拟半波全波整流、整流滤波、整流滤波稳压电路，并能够模拟整流桥接错、稳压管极性接反等故障。本文对各种电路进行了仿真，验证了仿真电路的正确性。通过将仿真结果与理论及经验计算公式、二极管选择依据进行验证、对照与阐述，将相关知识点串成一条线，以加深对相关概率、公式与理论的理解。