基于Multisim 10的晶闸管调光电路的设计与仿真分析

    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。

    变压器T1的选择与参数设置。选择路径为：双击基本元器件库快捷图标“”，打开“Select a Component”(选择一个元件)对话框，选择“”(变压器)，在元件列表中选择“TS_IDEAL”(理想变压器)，“OK”确定。参数设置的目的是要把原边的交流220 V变成副边的交流36 V。因此，变比n=36／220=0．163 636 36≈0．163 4，所以在理想变压器属性对话框的“Vahle"选项卡中，设置“coefficient of coupling”(耦合系数)为0．163 4，其他参数不变。
    稳压管VDZ选择型号为1N4745A(对应国产型号2CW112-16 V、2DW6E)，其稳定电流为15 mA，功率为1 W，稳定电压为16 V。
    可编程单结晶体管PUT的选择。Mutilsim 10中可提供的PUT只有2N6027和2N6028两种，路径为：三极管元件库“”→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。