基于Multisim10的一种触摸延时开关电路的设计及仿真分析

王 豪 谢应然 李本红 杨 伟

(佛山职业技术学院，广东 佛山 528137)

基于Multisim10的一种触摸延时开关电路的设计及仿真分析

王 豪 谢应然 李本红 杨 伟

(佛山职业技术学院，广东 佛山 528137)

触摸延时开关是一种基于人体漏电流触发、电容器放电延时而具有延时关断功能的自动开关，通过对触摸延时开关电路进行理论计算，并结合Multisim10对电路进行仿真分析，从而优化电路设计，并将Multisim10应用于课堂教学，提高课堂教学效率。

Multisim10；触摸延时开关；仿真分析

0 引言

触摸延时开关电路是模拟电路设计课程和电工电子实训教学中的一个重点和难点。本文基于Multisim10仿真软件对触摸延时开关电路进行仿真分析，研究电路中起延时作用的电容器的电容量C对电路延时效果的影响。同时，将Multisim10仿真软件应用于课堂教学，使原本枯燥乏味的理论教学课堂更形象、更直观[1]，加强学生对基础理论知识的掌握和理解，启发和拓宽学生的思路，是实现电工电子实验研究教学的一种行之有效的办法，也是当前实验教学改革的方向之一[2]。

1 电路组成及工作原理

1.1 电路组成

触摸延时开关电路如图1所示，主要由桥式整流电路、延时控制电路和夜间指示电路三部分组成。

图1 触摸延时开关电路图

1.2 电路工作原理

如图1所示，需要开灯时，用手指触摸电极片M，人体漏电流经R5流入晶体管VT1基极，VT1迅速导通。VT1导通后集电极C为低电平，VT2也随之导通，因此有触发电流经VT2流入晶闸管BT169的G极，晶闸管导通，电灯EL点亮。在VT1导通瞬间，电容C1通过VT1的C—E极并联在12 V稳压管VDz的两端，被迅速充满电。电灯点亮后，手指脱离电极片M，VT1恢复截止状态，电容C1储存的电荷通过R3向VT2发射极放电，维持VT2导通，使电灯继续点亮。当电容C1放电结束，VT2截止，晶闸管G极失去触发电流，当正向电流小于晶闸管维持电流IH时，晶闸管截止，电灯EL熄灭。

2 Multisim10仿真分析

2.1 桥式整流电路

图2所示桥式整流电路是由4个型号为IN4007的二极管VD1～VD4组成，其作用是将220 V的交流电转换为脉动直流电，作为延时控制电路的工作电源。图2所示双踪示波器A通道检测整流前的电源波形信号，B通道检测整流后的电源波形信号，Multisim10仿真分析结果如图3所示。

图2 桥式整流电路

图3 整流前、后波形图

图3所示双踪示波器扫描时基刻度设置为10 ms/Div，A通道刻度设置为200 V/Div，B通道刻度设置为200 V/Div。A通道显示整流前的正弦波幅值约为310.809 V；B通道显示整流后波形幅值约为300.745 V。

2.2 触摸延时控制电路

由于在Multisim10仿真软件中不能设定人体漏电流，因此拟采用频率为10 Hz(模拟触摸时间0.1 s)、占空比为50%、大小为500 V的矩形脉冲信号通过2.2 MΩ电阻R5和开关SB来模拟人体漏电流触发过程，如图4所示。

图4 Multisim10仿真电路图(SB断开)

图5 触发前VT1、VT2导通情况

(2) 开关SB闭合：如图6所示，晶体管VT1发射结电压UB-E1≈614.3 mV，VT2发射结电压UB-E2≈626.5 mV，VT1、VT2先后导通。触发电流经VT2流入晶闸管BT169控制极(G极)，晶闸管导通，此时通过晶闸管的正向电流IAK=169 mA(如图7电流表A1所示)，大于电灯额定电流值IEL≈91 mA，电灯EL点亮。断开SB后，依靠电容C1经R3向VT2发射结放电，继续维持VT2和晶闸管BT169导通，当C1放电完成，VT2和晶闸管BT169截止，电灯EL熄灭。

图6 触发后VT1、VT2导通情况

图7 Multisim10仿真电路图(SB闭合)

3 电路延时时间计算

电容器的漏阻是延时电路中影响延时精度的一个关键因素，以下公式的求解是建立在假设电容C1是理想状态、无漏电流的基础上。

如图8所示，电容C、电阻R与开关SB彼此相互串联，构成有源闭合回路。电容C充完电后两端电压为UC，闭合开关SB电容C开始放电，经过时间t，电容C两端的电压为Ut，It为RC放电回路中任意时刻电流。

图8 RC放电回路

根据回路电压定律，可得以下等式：

0=It·R+Ut

(1)

(2)

将等式(2)代入等式(1)中，可得：

(3)

将等式(3)进行分离变量，可得：

(4)

对等式(4)左右两边同时求积分，可得：

(5)

整理后可得：

(6)

对于等式(6)，其初始条件为：当t=0时，Ut=U0=UC，所以常数a=lnUC，代入等式(6)中，整理可得延时时间t的方程：

(7)

4 结语

在触摸延时开关电路教学中应用Multisim10仿真软件，研究电路中触发前后流过晶闸管的电流IAK的变化、三极管发射极电压UB—E的波动以及电路参数对延时效果的影响。通过仿真分析与理论计算相结合，加深学生对理论知识的理解，提高教学效率，使复杂深奥的理论知识形象化。

[1]罗庚兴，张艳.基于Multisim10的晶闸管调光电路的设计与仿真分析[J].现代电子技术，2012，35(10)：186～188

[2]付扬.Multisim仿真在电工电子实验中的应用[J].实验室研究与探索，2011，30(4)：120～123

项目名称：佛山职业技术学院2013年度校级科研课题“一种基于单片机控制的小型多功能教学机器人的研发”，项目编号KY2013Q10

2014-06-23

王豪(1986—)，男，湖北黄冈人，硕士研究生，助教，研究方向：机电一体化、电工电子应用技术。