基于Multisim10的一種觸摸延時開關電路的設計及仿真分析

王 豪 謝應然 李本紅 楊 偉

(佛山職業技術學院，廣東 佛山 528137)

基于Multisim10的一種觸摸延時開關電路的設計及仿真分析

王 豪 謝應然 李本紅 楊 偉

(佛山職業技術學院，廣東 佛山 528137)

觸摸延時開關是一種基于人體漏電流觸發、電容器放電延時而具有延時關斷功能的自動開關，通過對觸摸延時開關電路進行理論計算，并結合Multisim10對電路進行仿真分析，從而優化電路設計，并將Multisim10應用于課堂教學，提高課堂教學效率。

Multisim10；觸摸延時開關；仿真分析

0 引言

觸摸延時開關電路是模擬電路設計課程和電工電子實訓教學中的一個重點和難點。本文基于Multisim10仿真軟件對觸摸延時開關電路進行仿真分析，研究電路中起延時作用的電容器的電容量C對電路延時效果的影響。同時，將Multisim10仿真軟件應用于課堂教學，使原本枯燥乏味的理論教學課堂更形象、更直觀[1]，加強學生對基礎理論知識的掌握和理解，啟發和拓寬學生的思路，是實現電工電子實驗研究教學的一種行之有效的辦法，也是當前實驗教學改革的方向之一[2]。

1 電路組成及工作原理

1.1 電路組成

觸摸延時開關電路如圖1所示，主要由橋式整流電路、延時控制電路和夜間指示電路三部分組成。

圖1 觸摸延時開關電路圖

1.2 電路工作原理

如圖1所示，需要開燈時，用手指觸摸電極片M，人體漏電流經R5流入晶體管VT1基極，VT1迅速導通。VT1導通后集電極C為低電平，VT2也隨之導通，因此有觸發電流經VT2流入晶閘管BT169的G極，晶閘管導通，電燈EL點亮。在VT1導通瞬間，電容C1通過VT1的C—E極并聯在12 V穩壓管VDz的兩端，被迅速充滿電。電燈點亮后，手指脫離電極片M，VT1恢復截止狀態，電容C1儲存的電荷通過R3向VT2發射極放電，維持VT2導通，使電燈繼續點亮。當電容C1放電結束，VT2截止，晶閘管G極失去觸發電流，當正向電流小于晶閘管維持電流IH時，晶閘管截止，電燈EL熄滅。

2 Multisim10仿真分析

2.1 橋式整流電路

圖2所示橋式整流電路是由4個型號為IN4007的二極管VD1～VD4組成，其作用是將220 V的交流電轉換為脈動直流電，作為延時控制電路的工作電源。圖2所示雙蹤示波器A通道檢測整流前的電源波形信號，B通道檢測整流后的電源波形信號，Multisim10仿真分析結果如圖3所示。

圖2 橋式整流電路

圖3 整流前、后波形圖

圖3所示雙蹤示波器掃描時基刻度設置為10 ms/Div，A通道刻度設置為200 V/Div，B通道刻度設置為200 V/Div。A通道顯示整流前的正弦波幅值約為310.809 V；B通道顯示整流后波形幅值約為300.745 V。

2.2 觸摸延時控制電路

由于在Multisim10仿真軟件中不能設定人體漏電流，因此擬采用頻率為10 Hz(模擬觸摸時間0.1 s)、占空比為50%、大小為500 V的矩形脈沖信號通過2.2 MΩ電阻R5和開關SB來模擬人體漏電流觸發過程，如圖4所示。

圖4 Multisim10仿真電路圖(SB斷開)

圖5 觸發前VT1、VT2導通情況

(2) 開關SB閉合：如圖6所示，晶體管VT1發射結電壓UB-E1≈614.3 mV，VT2發射結電壓UB-E2≈626.5 mV，VT1、VT2先后導通。觸發電流經VT2流入晶閘管BT169控制極(G極)，晶閘管導通，此時通過晶閘管的正向電流IAK=169 mA(如圖7電流表A1所示)，大于電燈額定電流值IEL≈91 mA，電燈EL點亮。斷開SB后，依靠電容C1經R3向VT2發射結放電，繼續維持VT2和晶閘管BT169導通，當C1放電完成，VT2和晶閘管BT169截止，電燈EL熄滅。

圖6 觸發后VT1、VT2導通情況

圖7 Multisim10仿真電路圖(SB閉合)

3 電路延時時間計算

電容器的漏阻是延時電路中影響延時精度的一個關鍵因素，以下公式的求解是建立在假設電容C1是理想狀態、無漏電流的基礎上。

如圖8所示，電容C、電阻R與開關SB彼此相互串聯，構成有源閉合回路。電容C充完電后兩端電壓為UC，閉合開關SB電容C開始放電，經過時間t，電容C兩端的電壓為Ut，It為RC放電回路中任意時刻電流。

圖8 RC放電回路

根據回路電壓定律，可得以下等式：

0=It·R+Ut

(1)

(2)

將等式(2)代入等式(1)中，可得：

(3)

將等式(3)進行分離變量，可得：

(4)

對等式(4)左右兩邊同時求積分，可得：

(5)

整理后可得：

(6)

對于等式(6)，其初始條件為：當t=0時，Ut=U0=UC，所以常數a=lnUC，代入等式(6)中，整理可得延時時間t的方程：

(7)

4 結語

在觸摸延時開關電路教學中應用Multisim10仿真軟件，研究電路中觸發前后流過晶閘管的電流IAK的變化、三極管發射極電壓UB—E的波動以及電路參數對延時效果的影響。通過仿真分析與理論計算相結合，加深學生對理論知識的理解，提高教學效率，使復雜深奧的理論知識形象化。

[1]羅庚興，張艷.基于Multisim10的晶閘管調光電路的設計與仿真分析[J].現代電子技術，2012，35(10)：186～188

[2]付揚.Multisim仿真在電工電子實驗中的應用[J].實驗室研究與探索，2011，30(4)：120～123

項目名稱：佛山職業技術學院2013年度校級科研課題“一種基于單片機控制的小型多功能教學機器人的研發”，項目編號KY2013Q10

2014-06-23

王豪(1986—)，男，湖北黃岡人，碩士研究生，助教，研究方向：機電一體化、電工電子應用技術。