基于Multisim 10的晶闸管调光电路的设计与仿真分析

摘要：晶闸管调光电路是模拟电路的课程教学和中级维修电工电子技术实训教学中的一个重点和难点内容。在教学中应用Multisim 10仿真软件，研究控制角对输出电压的影响，仿真结果与理论分析计算一致。计算机仿真辅助教学可以使课堂教学更形象、更直观，使复杂深奥的知识简单化，从而加深学生对理论知识的理解，提高教学效率，取得很好的教学效果。
关键词：Multisim 10；晶闸管；调光电路；计算机仿真

调光电路在日常生活中应用较为广泛。在教学中，它不仅是学习晶闸管应用的入门电路，也是中级维修电工电子技能实训的经典项目。调光电路内容涉及广，具体包括晶闸管、单相半波可控整流电路、单结晶体管触发电路等工作原理，以及控制角和同步触发的概念、控制角对被控电压的影响等。对于学生来说，要理解和掌握这些知识点，借助传统的仪器仪表获取波形图来分析无疑具有很大的挑战性。利用Mult isim 10软件进行实验仿真，可以动态直观地观察不同参数对调光电路性能的影响，对于理解原理，熟悉调试过程具有很大的帮助。

1 Multisim 10简介
Multisim 10是美国国家仪器公司最新推出的版本。Multisim 10用软件的方法虚拟电子与电工元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元器件”、“软件即仪器”，是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。
Multisim 10的元器件库提供了千种电路元器件供实验选用，也可以新建或扩充已有的元器件库，因此也很方便的在工程设计中使用。Mu ltisim 10的虚拟测试仪器仪表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源；而且还有一般实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器等。
Multisim 10不仅可以设计、测试和演示各种电子电路，而且还具有较为详细的电路分析功能。可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。

2 调光电路设计
2．1 电路组成
调光电路如图1所示，由整流电路、触发电路和主电路3部分组成。VD1～VD4组成的桥式整流电路和稳压管VD2组成的稳压电路产生一个梯形波电压，用来作为单结晶体管的电源电压，也用来保证触发电路与主电路同步。充电回路(R2+R3)C1和可编程单结晶体管PUT构成触发电路，用来产生晶闸管的同步触发脉冲。主电路由晶闸管VT1和照明灯X1组成，电源直接由220 V市电提供。
2．2 调光原理
接通电源前，电容C1上电压为零。接通电源后，电容C1经由R2、R3充电，电容的电压uC逐渐升高。当达到峰点电压UP时，PUT的e～b1间导通，电容上电压uC经e～b1向电阻R5放电。当电容上的电压uC降到谷点电压UV时，PUT恢复阻断状态。此后，电容C1又重新充电，重复上述过程，结果在电容C1上形成锯齿状电压，在R5上则形成脉冲电压。此脉冲电压作为可控硅VT1的触发信号。在VD1～VD4桥式整流输出的每一个半波时间内，振荡器产生的第一个脉冲为有效触发信号。调节R2的阻值，可改变触发脉冲的相位，控制晶闸管VT1的导通角，调节负载电压UX1的大小，从而控制灯泡亮度。

3 搭建仿真电路
按如图1所示电路搭建仿真电路。

”→单结晶体管“”。程控单结晶体管PUT，又称可编程单结晶体管，实质上是一个N极门控晶闸管的功能，但因它与单结晶体管BUJ的用途相近，故纳入单结管之列。程控单结晶体管可用外部电阻取代内部基极电阻Rb1和Rb2，只需改变二者的电阻比，即可从外部调整其参数值。图1中PUT的分压比为：

照明灯的选择与参数设置。选择路径为：指示器库“”→虚拟灯“”。参数设置为：220V，5W。
电位器R2的增量步长“Increment”设为1％。其余元器件的型号和参数选择与设置参考图1。

4 仿真分析
单击仿真按钮“”，启动仿真。开启示波器的面板，设置合适的参数，观察稳压后的波形和电容C1的充放电波形。按键盘上的“A”键，改变R2的值，观察电容C1两端的电压波形变化情况。图2是R2为某一值时示波器的波形图，可知，稳压后的波形是梯形波，电容电压uC是锯齿波。

将示波器的输入通道A连接到线号8，这样通道A显示的就是R5两端的电压波形，即触发电压的波形，如图3所示。显然，触发脉冲是一系列尖脉冲。每半周的第一个尖脉冲是触发脉冲。拉动2个游标坐标，使游标T1与梯形波的零点重合，游标T2与零点后的第一个尖脉冲重合，此时，T2-T1的读数即为触发控制角的时间t(单位：ms)。

根据公式α=2πt／T(T为交流电源的周期，这里T=1／50 Hz=20 ms)，即可求取控制角α的大小。记录R2不同位置对应的触发时间t。打开直流电压表XMM1，记录R2不同位置对应的负载电压值UX1。根据公式，计算不同触发角对应的负载电压理论计算值。结果如表1所示。

根据表1数据分析，当充电时间常数(R2+R3)C1增大，触发时间t也延长，触发角α增大，负载电压值UX1减小。负载上的电压测量值与理论计算值在误差允许范围内近似相等。

5 结语
利用Multisim 10工具对电路环境和电路过程进行仿真，花费少，效率高，而且结果快捷、准确、形象。在晶闸管调光电路的教学中应用Multisim 10仿真软件，研究电路参数对充电时间和波形的影响、控制角对输出电压的影响，仿真结果与理论分析计算一致，从而加深
学生对理论知识的理解，提高教学效率，取得很好的教学效果。计算机仿真辅助教学可以使课堂教学更形象、更直观，使复杂深奥的知识简单化。