基于Multisim電路仿真軟件的電路故障實驗教學探究

上海市醫藥學校 陳 歡

為了讓學生充分的了解電路的故障現象，運用Multisim電路仿真軟件，通過對正常工作電路和故障電路的觀測，形成故障對照表（如表1所示），結合實際電路實驗，豐富學生對電路故障現象的認識，在不斷的試錯過程中培養學生精益求精的學習態度。

隨著科技的發展，各行各業對于電的需求越來越多，而電也在通過各種應用形式融入了我們的生活和工作中。電工和電子技術是很多專業的專業基礎課程，在教學過程中也通常強調學生的動手能力的培養，但往往我們希望的是學生能夠按照正確的步驟去完成正確的操作，卻缺少對“錯誤”的正確認識，也缺少對“錯誤”的正確判斷。而真正的技術能手正是在一次次“錯誤”的積累下培養起來的。基于此，筆者在教學過程中，借助Multisim的仿真電路實驗，通過電路的故障實驗，了解各種元件損壞后，對電路的影響，通過電路的故障實驗，觀察短路等特殊情況下的電路現象。

1 電路故障實驗的意義與實現

電路故障分主要分為短路（Short）和斷路（Open）兩種，而短路故障中的電源短路和用電器短路兩種，其中電源短路在實際電路中會產生嚴重的后果，導致電流過大而燒壞電源，而用電器短路會在一些特殊需求的電路中出現，從而起到不同的控制要求，一般不會造成較大的后果。而斷路故障，除了導線的接觸不良外，還有各種元器件的損壞引起的電路故障，其電路的表現形式與元器件在電路中的作用有關。此外，Multisim還為用戶提供了漏電阻（Leakage）故障，不作為本文的重點。

對于大多數人，所看到的電路表現都是正常的，反而看到的故障電路現象比較少，有些現象可能只有一瞬間，根本無法捕捉到電路的具體表現。這就讓電路故障只停留在電路分析上，無法使理論與實際聯系起來，這不利于學生形成經驗性知識。電路故障實驗就是為了讓學生能夠看到在故障情況下，電路的具體表現，如負載兩端的電壓、流過負載的電流、中間電路各點的波形等等。通過正常電路和故障電路的參數比較，總結出故障的現象以及造成故障的原因。

鑒于電路故障的難以重現，以及電路故障可能造成的危險性等原因，借助Multisim進行仿真電路實驗就成為了最佳方案。而Multisim強大的元件庫，還為不同型號元件的替換提供了可能，可以通過調整元件值，觀察到元件值大小對電路的影響，從而為實際電路中元件的選擇提供了參考。

2 仿真電路故障實驗的實施步驟

一方面在教學過程中需要培養學生不斷去嘗試的探究精神，另一方面也要引導學生形成正確的探究的路徑，從而將理論與實踐相結合，并總結出自己的經驗。一般仿真電路故障實驗可以按以下的步驟進行，對于初學者可以從單一故障逐步變為多故障觀測。

（1）制定電路故障實驗方案，設計故障比對表

在進行電路故障實驗之前，首先制定出電路故障實驗方案，分析原電路中易發生故障的元器件，以及電路的關鍵檢測點。設計試錯順序，形成故障對比表。

（2）正確電路的搭建與參數檢測

根據原電路進行仿真電路的搭建，檢測關鍵點的電流、電壓以及波形圖，作為故障實驗的對比參數。

（3）設置元件短路故障

在原電路上，設置元件短路故障，觀察短路后電流和電壓的變化，尤其是電流的變化，結合安全用電常識、用電設備額定電流的要求，分析該元件短路后對實際電路造成的影響和后果。此時，仿真電路上的能夠觀測到的現象，在實際電路的測試中極有可能是會造成電路或檢測儀器損壞的。

（4）設置元件斷路故障

元件斷路故障，造成后果較小，但電路中會出現的現象更為豐富和多變，可以直接在元件上設置斷路，也可以在電路的支路上設置開關元件，進行不同故障的組合，從而觀察元件斷路后的具體現象，并進行記錄。

（5）完整記錄試錯過程，形成故障對比表在試錯過程中，需客觀真實地記錄檢測數據，與正常的電路參數形成對比，獲得故障對比表。

3 仿真電路故障實驗的實例分析

以變壓器橋式整流濾波穩壓電路為例，該電路是所有學習電路知識的人都會學習的一個電路，具有非常典型的意義，對于學習者來說通過該電路的故障實驗，能夠對變壓器、整流二極管、電容、穩壓二極管等元件損壞對電路的影響有較為深刻的理解。

（1）電路故障實驗方案

該電路中的主要元件有變壓器、整流二極管、電容、穩壓二極管以及限流電阻和負載電阻，在搭建電路過程中，同時進行逐段電路功能的觀測，強化每個元件在電路中的具體作用與表現。在對正常工作的電路的分解觀察后，電路的故障實驗也就有了可對比的依據，可根據電路的復雜程度，元件的易損性，從單故障點到多故障進行逐一觀察。

根據對電路圖的分析，預設出需要進行萬用表測量和示波器觀測的點，設計故障對照表框架，方便在觀測過程中增加觀測點。

（2）電路的搭建與觀測

在Multisim中按圖1搭建電路，并觀測和記錄UC、UL、A點、B點的電壓波形，以便于后續故障實驗中與故障后的觀測值進行比較。

在搭建過程中，按電路功能可進行逐步的搭建與觀測，可分步進行圖1整流電路、圖2整流濾波電路、圖3整流濾波穩壓電路的搭建與觀測。

圖1與圖2只相差一個濾波電容，但是其A點的觀測結果是不一樣的，如圖3和圖4所示，圖1中A點的觀測波形在增加濾波電容后（圖2）就無法觀測到，但這兩次觀測的結果，對于學生理解電容不斷地充放電所形成的濾波作用是有幫助的。

表1 橋式整流電路故障對照表

圖1 單相橋式整流電路

圖2 單相橋式整流濾波電路

同時借助Multisim強大的元件庫，引導學生改變元件值大小，來觀察電路的變化。如：（1）不改變負載的情況下，調整濾波電容的大小，通過示波器觀察A點的波形變化，歸納濾波電容大小對濾波效果的影響，即電容越大濾波效果越好；（2）不改變濾波電容的情況下，將負載改為可變電阻，來觀察負載變大或變小后，對濾波效果的影響，得出負載電阻越大濾波效果越好的結論。

Multisim的元件庫也是實驗室所無法具備的，豐富的元件類型和型號，以及各種檢測分析的儀器儀表，足以滿學生進行各種電路的實驗探究。

圖5為完整的實驗電路，需要增加B點作為觀測點，A、B兩點間的電阻R1為限流電阻，保證穩壓二極管的正常工作，同樣可以根據上面的方法，在不改變其他元件的情況下，調整R1的大小，來觀察對穩壓二極管的影響。最后來改變負載RL的大小，來觀察在不同負載的情況下，穩壓二極管是否能夠起到穩壓的作用。

在正常電路的觀測過程中，加入調整元件大小、元件型號等情況的觀測，有助于學生理解電路原理，從而在歸納總結故障現象與故障原因時更準確、迅速，同時培養學生精益求精的精神，不僅要達到電路功能的要求，也要選用最為合理和經濟的元件，以達到降本增效的目的。

（3）設置元件的短路故障

短路故障在實驗室是不允許發生，如圖5所示電路中，一旦變壓器次級短路，即該電路的次級會產生大電流，而將次級線圈直接燒壞，同時初級線圈的保險絲會急速斷開，以保護電源，學生無法看到大電流的現象。而在仿真電路中，可以觀測在短路發生后，短時間內的電路現象。當某一個整流二極管的短路時，仿真軟件上可觀測到負載上沒有電壓，幾乎同時變壓器次級被短路，變壓器初級的保險絲在幾秒后斷開。其后的電容短路，會使變壓器次級電路中只有4個整流二極管，從而產生較大的電流，而使變壓器初級和次級的保險絲斷開。以上均為元件短路后形成的電源短路現象，會造成保險絲斷開，如不設置保險絲，則會造成嚴重后果。仿真電路實驗，在進行故障實驗中可以不考慮設備的損壞、不考慮電路故障的危險性，而讓學生看到完整的故障現象，這也是運用仿真電路進行電路故障實驗的最大優勢。

圖3 整流電路A點波形

圖4 整流濾波電路A點波形

圖5 變壓器橋式整流濾波穩壓電路

此處以穩壓二極管短路為例，可以觀測A點（濾波）、B點（穩壓/負載）的電壓波形。當穩壓二極管短路后，將負載RL短路，圖6（b）中未顯示紅色波形，其觀測值視為0。同時可以看到，由于負載被短路，濾波電路中的電阻值變小，也使得濾波效果變差。

圖6 穩壓二極管正常與短路時A點（綠色）與B點（紅色）的波形比較

（4）設置元件的斷路故障

元件的斷路故障對電路的損傷比較小，而且一般元件的故障也是以斷路為主，可以觀測在元件斷路后，負載上的現象以及對其他電路元件的影響。同樣以圖5為例，設置電容的斷路，觀察示波器波形的變化。

當電容斷開后，電路中因缺少濾波過程，穩壓二極管在低于它的穩定電壓值時，不具備穩壓作用，超出其穩壓值時，可以獲得短時穩壓，但從波形上看，似被削去了所有的波峰，但是波動很大，并不是我們想要獲得的穩恒直流電。這一現象也為學生解答了“為什么不能在整流后直接進行濾波”的問題。

（5）完整記錄試錯過程，形成故障對照表

在設計故障對比表時，要留出一定的拓展性，以保證能夠將實驗過程中觀測點的電流、電壓以及波形都能夠記錄下來，并能夠與正常工作的電路觀測值進行直接的對比。可以運用電子表格進行記錄，在需要時增加行和列，以滿足實驗記錄需要，在記錄波形圖時，可以直接將仿真軟件中的示波器顯示的波形記錄到故障對照表中，Multisim中提供了多種示波器，可以對多個觀測點進行同步觀察和比較。

完成故障對照表的記錄后，需對其中的故障現象進行歸類和總結，從而在遇到實際電路故障時，能夠根據故障現象來推斷可能出現的故障原因。

圖7 電容正常與斷開時A點（綠色）與B點（紅色）的波形比較

4 仿真電路故障實驗與實際電路實驗的結合

根據圖5所示電路，在Multisim上觀測了各種元件故障后，為了讓學生有最為直觀的感受，同時也是為了加強學生實踐操作的能力，仍然需要開展實際電路實驗。根據仿真電路的故障對照表，在提供給學生的元件中，設置故障元件（一般為斷路故障），在學生將電路搭建完成后，通過示波器和萬用表進行觀測，主動分析故障原因，再與故障對照表進行對比，確定故障點后，更換新的元件，再次進行觀測，以確定故障是否被排除。學生可通過仿真電路與實際電路的對比，將理論與實際緊密聯系起來。

電路故障實驗對學生認識電路故障現象有很大的幫助，是未來從事電器或電子產品維修等工作的基礎，但在實際教學過程中難以將眾多的電路故障展現出來，且實驗室的條件也無法覆蓋所有的元件型號，只能從理論計算的角度來討論元件值大小（或型號）對電路的影響，而Multisim為開展電路故障實驗提供了良好的仿真環境，使不可能成為可能。