二极管与变压器联姻问题的Multisim仿真研究

(1. 江西省赣州市南康区第三中学，江西 赣州 341400；2. 江西省赣州市南康区第五中学，江西 赣州 341400；3. 江西省赣州市南康区大岭中学，江西 赣州 341400)

二极管与变压器联姻问题的Multisim仿真研究

黄北京1陈富源2王齐祥3

(1. 江西省赣州市南康区第三中学，江西 赣州 341400；2. 江西省赣州市南康区第五中学，江西 赣州 341400；3. 江西省赣州市南康区大岭中学，江西 赣州 341400)

针对含有二极管、变压器的交流电路有效值计算中产生的争议，笔者用Multisim对两个典型问题进行了仿真研究，通过比较发现从能量守恒或功率定义式计算出的有效值可靠。

有效值；二极管；变压器；Mulitisim仿真

描述交变电流的物理量很多，通常采用有效值来描述交变电流的大小，它是从电流的热效应这一角度用等效的方法定义出来的。要准确理解这一概念，可不是件容易的事，当涉及含有二极管的交流变压器电路问题时尤其如此，导致大量学生无法判断，教师之间也会由于理解上的偏差出现激烈争辩。其实解决这类问题的方法很简单——做实验用数据说话。可实验室并没有理想的变压器与二极管，无法获得精确的结果。为了解决这一困难，笔者利用Multisim对这类问题进行仿真研究，供同行参考。

Multisim是美国国家仪器有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具软件，适用于模拟、数字电路板的设计工作。Multisim12.0包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力，还结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、高效地对电路进行设计和验证。

例1：如图1所示，一理想变压器原、副线圈的匝数分别为n1、n2。原线圈通过一理想电流表A接正弦交流电源，一个二极管和阻值为R的负载电阻串联后接到副线圈的两端；假设该二极管的正向电阻为零，反向电阻为无穷大；用交流电压表测得a、b端和c、d端的电压分别为Uab和Ucd，则( )。

图1

A．Uab∶Ucd=n1∶n2

B． 增大负载电阻的阻值R，电流表的读数变小

C． 负载电阻的阻值越小，cd间的电压Ucd越大

D． 将二极管短路，电流表的读数加倍

解析：这一问题争论在于选项D。设原线圈、副线圈电压峰值分别为Um1、Um2，两种截然不同的解析如下：

图2

图3

图4

A． 电阻R1两端的电压为50V

C． 原线圈的输入功率为200W

D． 通过副线圈的电流为3A

解析：本问题的争论在于选项D，也存在两个不同的解法。

图5

我们依然根据题中所给电路用Multisim12.0搭建如图6所示的电路，并用虚拟电流表A1测量原线圈中的电流、用A2测量副线圈中的电流，用虚拟示波器XSC1比较二极管与电阻R2两端电压的波形，为了直观比较副线圈的两条支路电流情况，在支路中串联了电流表。通过仿真，可以观察到交变电压交替加在二极管D与电阻R2上，读取副线圈中的电流I2=3.016A，考虑引起误差的因素，通过副线圈的电流可以确定为3A，因此可判定选项D正确。

图6

从2014年这类含有二极管与变压器的交变电路的试题出现后，陆续有文章针对有效值的计算进行讨论，争议的焦点就在于有效值的定义在这类电路中是否依然有效。而通过Multisim12.0实验仿真，可以发现：从变压器原副线圈所在回路能量守恒或功率的定义式出发，可计算出正确的有效值，若采用有效值的定义来计算，则应注意一个周期内负载是否发生了变化。

[1] 俞伯根.对2014年两道高考物理题参考答案的看法[J].中学物理教学参考,2014,(10):68-69.

[2] 姚光桥.从一道含有二极管的交流电路看有效值定义的准确理解[J].物理教学,2014,(1):55.

[3] 许冬保.二极管与变压器联姻所带来的困惑[J].物理之友,2015,(3):3-6.

[4] 王荣汉,于正荣.也谈二极管与变压器联姻问题[J].物理之友,2015,(7):17-19.

[5] 赵坚,马亚鹏,李俊成.含有理想二极管交变电路的有效值问题再探讨[J].物理教师,2015,(9),64-69.

[6] 吕康社.在质疑中探寻真相——对《对2014两道高考物理题参考的看法》的斧正[J].中学物理教学参考,2016,(1-2):33.