基于Multisim的整流滤波电路仿真分析

杨威，左月明，吴海云

（1.山西农业大学 信息学院，山西 太谷030800；2.山西农业大学 工学院，山西 太谷030801）

通常的整流滤波电路实验是通过示波器观察实验电路板上器件产生的波形来了解电路的性质。实验电路传统的设计方法是首先通过设计人员的经验根据现有通用元器件搭建出电路，再进行反复调试达到规定的指标。如果改变电路板上的器件参数，则必须重新制作电路板。这种方法效率低，费用高，周期长。随着计算机技术的发展，计算机辅助设计在电子电路领域的应用越来越广泛。Multisim10是美国NI公司推出的一款电子线路仿真软件［1～2］。利用 Multisim10系统工具的模拟功能对所搭建的电路环境和电路过程进行仿真，可以实现设计与实验同步进行，使整流滤波电路实验所需器件的种类和数量不受限制，无需反复制作电路板，降低了实验成本，提高了做实验的速度和效率［3，4］。并且通过仿真结果能够直观的观察到电路原理图、实验数据、测试参数和仿真曲线。为电子电路的学习者和设计者熟悉线路的特性和性能提供了良好的平台［5］。

1 整流电路的仿真分析

整流电路是利用二极管的单向导电性来实现的，将大小和方向都随时间变化的工频交流转换成单方向的脉动直流。

1.1 半波整流电路

1.1.1 工作原理

半波整流电路是把一个二极管连接到电路中，当输入电压为正半周期时，u2的瞬时极性是上正下负，二极管正向导通，电阻上有电流通过；当输入电压为负半周期时，u2的瞬时极性是上负下正，二极管反向截止，电阻上没有电流通过，因此只有半个周期的电流流过，从而有效的滤除正弦交流电的负半周信号。半波整流电路的脉动成分很大，降低了电路的效率，适用在脉动程度大，系统要求低的场合。

启动Multisim10，在电源库中选择交流电源（输入电压有效值14.14V，频率50Hz）及公共接地端；在基本元件库中选择二极管和电阻、1∶1变压器、两通道示波器［6～8］。A通道为输入电压波形，B通道为半波整流后的输出电压波形。电路原理图如图1所示。仿真后的输出电压波形如图2所示。

图1 半波整流电路原理图Fig.1 The half－wave rectifier circuit diagram

图2 半波整流电路输入输出曲线Fig.2 The input－output curve of half－wave rectifier circuit

1.1.2 参数计算

从图2中可以观察到半波整流后的电压为正值，当输出电压的有效值U2为14.14V，频率为50Hz，则输出脉动电压的平均值为：

经过半波整流后流过负载的脉动电压成分较大，其中包含有直流分量和交流分量，下面将脉动电压作傅里叶级数分解进行分析。直流电中的脉动成分的大小通常用脉动系数来表示，即脉动系数（S）＝输出电压交流分量的基波最大值／输出电压的直流分量［9］。将输出电压表达式作傅里叶级数展开：

通过脉动系数来衡量整流的效果。半波整流输出电压的脉动系数较大，说明整流后的效果差。

1.2 桥式整流电路

1.2.1 工作原理

单向桥式电路是最基本的将交流转换为直流的电路。当副边电压u2在正半周期时，D1、D3导通，D2、D4截止，电流由变压器的次级上端经D1→R1→D3回到变压器次级下端，在负载R1上得到一个半波整流电压。当u2在负半周期时，D1、D3截止，D2、D4导通，电流由变压器的次级下端经D2→R1→D4回到变压器的次级上端，在负载R1上得到另一半波整流电压。在负载电阻上正负半周经过合成，得到了同一个方向的单向脉动电压。这样就在负载R1上得到一个与全波整流电路相同的电压波形。同时，桥式整流电路避免了变压器次级线圈要有中心抽头和降低了二极管要承受的反向压降。桥式整流电路在实际应用中较为广泛。

启动Multisim10，参数选择与半波整流电路相同，加入二极管组成的电桥1B4B42。电路原理图如图3所示，仿真后的输出电压波形如图4所示。

1.2.2 参数计算

交流电压经过桥式整流电路后输出的电压是单相脉动电压。当输出电压的有效值U2为14.14 V，频率为50Hz，则输出脉动电压的平均值为：

图3 桥式整流电路原理图Fig.3 Bridge rectifier circuit diagram

图4 桥式整流电路输入输出曲线Fig.4 The input－output curve of bridge rectifier circuit

对输出电压进行傅里叶级数分析，可知脉动系数为：

通过比较可知，桥式整流电路输出电压的脉动系数小于半波整流电路输出电压的脉动系数，则桥式整流电路的滤波器效果好于半波整流电路的滤波效果。即脉动系数越小，整流效果越好。

2 整流滤波电路的仿真分析

滤波电路是在整流电路的基础上，利用电容器的充放电过程实现滤波，将脉动的直流电压变为平稳的直流电压。整流后的电路输出不是平滑的直流电压，从示波器中观察到输出电压与平稳的直流电压相差很大，波形中含有较大的脉动成分。为了获得比较理想趋于平滑的电压，需要加入具有储能作用的原件组成滤波电路，用来滤除整流电路中输出电压的脉动成分，以获得平稳直流电压。实验采用无源滤波中的电容滤波形式。在原电路中（如图5所示）分别接入不同数值的电容，当R1＝100Ω；T＝0.001s时，滤波电容分别为100uF、200uF、1000uF、4700uF，得到输出电压曲线如图6所示。通过软件仿真，可以观察到不同电容滤波的效果。直观的定性理解电容滤波的性质。随着接入电路中电容的不断增大，输出电压的脉动幅度越来越小，波形趋于平滑。如表2所示，大大减小了整流滤波电路输出的直流电压中的交流成分。

图5 整流滤波电路原理图Fig.5 Rectifier filter circuit diagram

图6 整流滤波电路输入输出曲线Fig.6 The input－output curve of rectifier filter circuit

表1 整流滤波电路中参数比较Table 1 The parameter comparison of rectifier filter circuit

滤波电路尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压脉动系数降低，波形变得比较平滑［10］。

3 结论

整流滤波电路是最常用的电子线路之一。通过对半波整流和桥式整流滤波电路的仿真分析，定性的掌握了电路的特性，通过对不同参数下脉动系数的定量比较，可知，全波整流电路的输出电压优于半波整流电路，加入不同量值的电容后，从仿真图中直观的观察到增加电容值有效的减小了脉动系数，增强了滤波效果。利用Multisim10对电子线路进行仿真分析，有效地提高了电子线路设计的质量和效率，可为电子线路的设计分析者提供参考。

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