基于Multisim的整流滤波电路分析

曹春雷

金华广播电视大学（浙江商贸学校）浙江金华市商业技工学校，浙江金华 321000

整流电路的作用是将交流电变换成直流电。其中整流滤波电路在电子线路中应用非常广泛，而单相桥式整流滤波电路在小功率整流电路中应用更为普及。所以分析整流滤波电路的原理和研究元件参数对整流滤波电路的影响显得尤为重要。而在分析整流滤波电路时电路图多，波形图多，如果采用传统的“粉笔+书本”的教学手段，板书费时费力，绘制的图形不工整，不规范。但是如果采用仿真软件Multisim，则可以快捷、直观而方便的观察到元件参数变化对整流滤波电路的影响。

1 Multisim简介

Multisim的前身是加拿大Interactive ImageTechnologies公司（简称IIT公司）20世纪90年代初推出的EWB软件，从EWB 6.0开始，专用于电路仿真与设计的模块更名为Multisim，在2006年年初被美国NI(National Instrument)公司收购后，推出了Multisim 9，功能得到了极大的提升和转变，实现了Multisim 9与LabVIEW 8的完美结合。2007年8月又发行了NI系列电子电路设计软件，Multisim 10成为其中一个极具特色的组成部分，成为全球独一无二的交互式电路仿真软件。Multisim软件有着无可比拟的易用性和独特的强大功能，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。

Multisim整个操作界面如同一个实验工作台，有虚拟电子元器件库、虚拟仪器仪表库和进行仿真分析的各种操作命令。该软件提供的元器件品种齐全、内容丰富，包括各种分立元件库、模拟集成电路库、数字集成电路库以及混合集成电路库等，提供的虚拟仪器有常用的电压表、电流表、万用表、示波器等仪器以及不常用的甚至实验室没有配备的如波特图仪、逻辑分析仪、频率计等仪器，且与实际仪器外型和操作基本一致，使用者使用虚拟仪器对电路进行仿真实验，如同置身于实验室使用真实仪器调试电路一样，非常真实。

2 整流滤波电路分析

整流电路输出脉动的直流电，其中含有很大的交流成分，为了使输出电压接近于理想的直流电压，滤除它的交流成分，此过程称为滤波，完成这一任务的电路称为滤波电路，也称滤波器。

滤波器通常由电容器、电感器和电阻器按一定的方式组合成多种形式的滤波电路。本文以桥式整流电容滤波电路为例进行相关研究。

1）利用瞬态分析功能分析电容滤波电路原理

首先利用Multisim仿真软件绘制整流滤波电路，选用参数RL＝1kΩ，C=47uF的元器件，设置交流电压源的电压为20v，频率为50HZ，绘制如图1的整流滤波电路。然后通过“放置”菜单命令在滤波之前的变压器二次侧和滤波后放置节点1和节点3，执行“仿真”→“分析”→“瞬态分析”命令，在弹出的对话框中设置仿真参数开始时间和终止时间等参数，关键是在“输出”选项卡中将节点1和节点3设置成待分析的节点，然后单击“仿真”按钮，即出现瞬态分析的结果也即电路中节点1和节点3的波形。即可观察到如图2的电容滤波的波形图。通过观察波形图可以得出电容滤波的工作原理如下：

当输入电压u2为正半周时，VD2、VD3导通，VD1、VD4截止，u2给负载供电的同时对电容C充电，充电电压uc与上升的输出电压u2一致，uc和 u2一起达到最大值，而当u2按正弦规律下降，电容通过负载电阻放电，uc按指数规律放电而逐渐下降，当u2的负半周幅度大于uc时，VD1、VD4导通，VD2、VD3截止，u2再次给电容C充电，uc上升到u2的峰值后开始下降，下降到一定数值时，VD1、VD4截止，电容C又通过负载电阻放电。电容滤波电路就是在不断的充放电过程中使输出电压趋于平滑。

图1 电容滤波电路图

图2 C=47uF电容滤波电压输出波形图

2）通过观察示波器的波形变化来研究元件参数变化对桥式整流电容滤波电路的影响

从图2中可以看出，虽然通过电容滤波使输出电压变得较平滑，但与平直的稳恒直流电压波形相去甚远，设想在负载电阻和U2不变的情况下，增大和减少电容量，通过示波器观察输出电压的波形来研究电容元件参数变化对桥式整流电容滤波电路的影响。

为了与图2的C=47uF形成可比性，分别修改电容参数为4.7uF和470uF，观察到波形的变化如下：

图3 C=4.7uF电容滤波电压输出波形图

图4 C=470uF电容滤波电压输出波形图

对比图2、3、4电容量从4.7uF→47uF→470uF的波形变化，随着电容量的增大，可以看出输出电压波形越来越平滑，当电容量为470uF时可以从示波器显示的波形上看出输出电压波形基本接近理想的稳恒直流电压波形。这是因为随着电容量增大，放电时间参数RLC增大，放电逐渐变慢，所以输出电压波形越来越平滑。滤波电容C的取值，工程上一般按经验公式计算，应当取RLC=（3～5）T/2(T为变压器二次电压u2的周期，T＝0.02s)。在已知负载RL的情况下，滤波电容C的取值一般在几百至几千微法。具体滤波电容的电容量选择还应根据参考负载电流的大小进行选择。下表即在桥式整流电容滤波电路参考负载电流的大小且电压参考值UL=12～36V时的滤波电容的选择表。

表1

由于滤波电容较大，需采用电解电容。使用电解电容时要注意它的极性，不能接错，否则电解电容会被击穿。滤波电容在电路中承受最高电压U2，所以电容的耐压值一般取整流输出电压的1.5倍左右。

电容滤波一般用大小两个电容，大电容用来稳定输出，可以使输出平滑；小电容用来滤除高频干扰，使输出电压纯净。

3）利用Multisim仿真软件推导输出电压计算公式

通过观察示波器波形，可以直观的看到随着电容量的增大，输出电压波形越来越平滑，提高了输出电压平均值，教材中会直接给出桥式整流电容滤波前和滤波后的输出直流电压平均值的经验估算公式，或是利用微积分知识给出计算公式，缺乏事实依据或数据支持，学生难以接受。而在Multisim仿真软件中，可以利用瞬态分析中的将数据“导出到Excel”功能，将电压值数据导出到Excel表格后，求解其在设定的瞬态分析时间参数段内的平均值，即可得到输出电压的平均值。图5和图6即是在输入电压最大值为20V，对输出节点3进行瞬态分析，设定时间参数为0.1s，自动生成时间步长即为100个时间取样点，点击“导出到Excel”命令，即得到图6的对应100个时间取样点的输出电压值，然后利用平均函数求解输出电压的平均值为16.77 V，刚好与输出直流电压平均值的经验估算公式UL≈1.2U2吻合。Multisim仿真软件能以事实依据说服学生，加深学生对公式的印象。

图5 节点3电压波形图

图6 导出到Excel表格的数据

3 结语

同样的研究方法可以推广到其他电路的性能研究，例如通过修改元器件参数调整不同的静态工作点，利用示波器等虚拟仪器可以实时动态的观察到静态工作点的变化而引起共射级放大器的输出波形的失真。利用Multisim仿真软件，可以快速的创建原理图，通过虚拟仪器观察电路波形图，可以通过任意修改元器件参数来研究参数变化对电路的影响，即方便快捷又直观可信，在提高课堂教学效率同时，也激发学生的学习积极性，把学生的感知过程、理解过程、运用过程融为一体。

[1]陈晓平，李长杰.电路实验与仿真设计[M].南京:东南大学出版社，2008年

[2]董玉冰. Multisim9在电子电工技术中的应用[M].北京：清华大学出版社，2008年

[3]周金球等.基于Multisim软件的项目式教学[J].西安:民办教育研究，2009年第9期

[4]曹春雷.基于Multisim的整流滤波电路分析.2011年浙江省技工院校教学论文二等奖，2011