基于Multisim的整流電路設計分析

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.007

摘? 要：整流電路是將交流電轉換為直流電的電路，是“模擬電子技術”中非常重要的知識。整流電路主要有單相半波整流、單相全波整流和單相橋式整流電路三種。Multisim軟件是電路設計中經常用的仿真工具，有助于演示和改進設計效果。文章主要介紹單相半波整流、單相全波整流和單相橋式整流電路的工作原理，并利用Multisim仿真軟件對三種整流電路進行電路仿真設計和效果分析。

關鍵詞：Multisim;整流電路;半波整流;全波整流;橋式整流

中圖分類號：TN7;TP391.4? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）09-0023-04

Design and Analysis of Rectifying Circuit Based on Multisim

ZHAO Wenjie

（Weifang University，Weifang? 261061，China）

Abstract：Rectifying circuit is a circuit that converts alternating current into direct current. It is a very important knowledge in “Analog Electronic Technology”. There are three kinds of rectifying circuits：single-phase half-wave rectification，single-phase full-wave rectification and single-phase bridge rectifier. Multisim software is a simulation tool often used in circuit design，which is helpful to demonstrate and improve the design effect. This paper mainly introduces the working principle of single-phase half-wave rectification，single-phase full-wave rectification and single-phase bridge rectifier circuit，and carries out circuit simulation design and effect analysis of three kinds of rectifier circuits by using Multisim simulation software.

Keywords：Multisim;rectifying circuit;half-wave rectification;full-wave rectification;bridge rectifier

0? 引? 言

“模擬電子技術”是電子信息、自動化、測控等專業的專業基礎課，主要對模擬電子器件的工作原理和參數以及常見模擬電路的特性進行分析，要求學生熟悉模擬器件和電路的特性，并掌握模擬電路的分析和設計方法。整流電路是模擬電子技術中出現最早也是非常重要的電路之一，其作用是將交流電轉換成單向脈動直流電，包括單相半波整流電路、單相全波整流電路和單相橋式整流電路三種。

整流電路中非常重要的器件是二極管，二極管具有單向導通特性，正向加壓導通，反向加壓截止，整流電路正是利用二極管的這一特性實現交流電到直流電的轉換。

Multisim是電路設計中常用的仿真軟件，其界面直觀、操作簡單，可增強學生對電路知識的理解和掌握，本文利用Multisim仿真軟件對三種整流電路進行仿真模擬，更加直觀。

1? 整流電路

1.1? 單相半波整流電路

單相半波整流電路通過在變壓器的次級繞組與負載相接，中間串聯1個整流二極管來實現整流，其電路圖如圖1所示。

當變壓器前端傳來正向電壓時，二極管VD導通，電路中有電流，電流分別通過VD和負載RL;當電壓反向加在變壓器時，二極管VD截止，電路中沒有電流。所以對于正弦交流電，一個周期內只有半個周期內有電流流過負載，另外半個周期因為二極管截止而沒有電流。

單相半波整流電路的特點：電路簡單，使用元件少;缺點是輸出電壓低、脈動大、效率低。

1.2? 單相全波整流電路

單相全波整流電路需要中心抽頭變壓器和2個二極管來實現，其電路如圖2所示。

當變壓器前端傳來正向電壓時，二極管VD1導通、VD2截止，電流通過次級繞組上端流向VD1和負載R_L后，流入次級繞組中心抽頭，負載RL兩端電壓為正向電壓;當電壓反向加在變壓器時，二極管VD2導通、VD1截止，電流通過次級繞組流向VD2和負載R_L后，流入中心抽頭，負載R_L兩端電壓同樣為正向電壓。所以對于正弦交流電，整個周期內都有電流，且都是正向電流。

單相全波整流電路的特點：輸出電壓的平均值大，且脈動小;缺點是對變壓器要求高，變壓器的利用率不高，二極管承受反向電壓大。

1.3? 單相橋式整流電路

單相橋式整流電路其實是全波整流電路的一種，但其無需使用帶抽頭的變壓器，只需普通變壓器和4個二極管來實現，其電路圖如圖3所示。

圖3? 單相橋式整流電路

當變壓器前端傳來正向電壓時，二極管VD1、VD2導通，VD3、VD4截止，電流依次通過VD1、R_L、VD2，負載R_L兩端電壓為正向電壓;當電壓反向加在變壓器時，二極管VD3、VD4導通，VD1、VD2截止，電流依次通過VD3、R_L、VD4，負載R_L兩端電壓同樣為正向電壓。所以對于正弦交流電，整個周期內都有電流，且都是正向電流。

單相橋式整流電路的特點：輸出電壓的平均值大，且脈動小;缺點是電路復雜，需要4個二極管實現。

2? Multisim整流電路仿真分析

本文采用Multisim14.0仿真軟件分別對三種整流電路進行模擬仿真，并對運行結果進行分析。主要涉及元器件為交流電源、變壓器、二極管、電阻、示波器、萬用表等。示波器用來測量負載兩端的輸出電壓波形，萬用表用來測量負載和二極管的電流和電壓數據。需要注意的是在電路連接時需要接地，否則運行時會報錯。

實驗所采用的元器件參數：交流電源為電壓220 V、頻率50 Hz;負載電阻為200 Ω;二極管為硅材料整流二極管1N4007G;變壓器為10：1的普通變壓器以及10：1：1帶中心抽頭變壓器。

2.1? 單相半波整流電路

單相半波整流電路連接圖如圖4所示，各元器件如下：交流電源V1、變壓器T1、整流二極管D1、負載電阻R1、示波器XSC1。

理想狀態下，整流二極管D1只有半個周期導通。D1導通時，電壓U_D1=OV，電壓都加在負載R1兩端;D1截止時，負載R1兩端的幅值電壓U_R1=OV，電壓都反向加在二極管兩端。半波整流電路只有半個周期有輸出電壓。

2.2? 單相全波整流電路

單相全波整流電路連接圖如圖5所示，各元器件如下：交流電源V1，帶中心抽頭變壓器T1，整流二極管D1、D2，負載電阻R1，示波器XSC1。

理想狀態下，D1和D2每半個周期交替導通。D1導通時，D2截止，電壓U_D1=OV，電壓都加在負載R1和二極管D2兩端，且U_D2=2U_R1;D2導通時，D1截止，電壓U_D2=OV，電電壓都加在負載R1和二極管D1兩端，且U_D1=2U_R1。全波整流在整個周期都有輸出電壓。

2.3? 單相橋式整流電路

單相橋波整流電路連接圖如圖6所示，各元器件如下：交流電源V1，帶中心抽頭變壓器T1，整流二極管D1、D2，負載電阻R1，示波器XSC1。

理想狀態下，D1、D2和D3、D4每半個周期兩兩交替導通。D1、D2導通時，D3、D4截止，電壓U_D1=U_D2=OV，電壓都加在負載R1和二極管D3、D4兩端，且U_D3=U_D4= U_R1;D3、D4導通時，D1、D2截止，電壓U_D3=U_D4=OV，電壓都加在負載R1和二極管D1、D2兩端，且U_D1=U_D2= U_R1。橋式整流在整個周期都有輸出電壓。

3? 仿真實驗結果分析

按照圖4、圖5、圖6分別進行單相半波整流、單相全波整流、單相橋式整流仿真電路的連接及測試，示波器波形圖如圖7、圖8、圖9所示。

利用萬用表對電路中負載和二極管的電流和電壓信息進行測量，數據如表1所示。表中，U₀表示負載輸出電壓的平均值，I₀表示負載輸出電流的平均值，I_D表示二極管正向平均電壓，U_RM表示二極管最大反向電壓。其中，左邊4列為仿真實驗測量值，右邊4列為忽略二極管自身壓降及其他損耗下的理想值。由表1可知，利用Multisim進行仿真模擬的數據與理論值非常接近，可以較好地反映電路的特性。

由電路連接圖及仿真實驗結果分析得知：

（1）就電路的難易程度而言，半波整流最為簡單，全波整流次之，最復雜的是橋式整流電路。

（2）就使用變壓器而言，半波整流和橋式整流所需變壓器均為普通變壓器;全波整流所需變壓器為帶中間抽頭的變壓器，其對變壓器要求高。

（3）就輸出波形而言，半波整流只有半個周期內有波形;全波整流和橋式整流在整個周期內都有波形，且均為正向。可見，全波整流和橋式整流波形脈動更小。

（4）就負載輸出電壓而言，半波整流為9.53 V，全波整流為18.86 V，橋式整流為18.26 V。全波整流、橋式整流為半波整流的兩倍，損失的電壓信息更小。

（5）就負載輸出電流而言，半波整流為47.65 mA，全波整流為94.29 mA，橋式整流為91.31 mA。全波整流、橋式整流為半波整流的兩倍，損失的電流信息更小。

（6）二極管承受的最大反向電壓而言，半波整流為30.67 V，全波整流為60.54 V，橋式整流為30.18 V。半波整流、橋式整流為全波整流的一半，電路更加安全。

4? 結? 論

利用Multisim對整流電路進行仿真模擬，其測量數據與理論值非常接近，可以較好地反映電路的特性，加深學生對整流電路工作原理的理解和掌握。

通過仿真實驗可以看出，單相半波整流、單相全波整流、單相橋式整流電路各有優缺點，在實際應用中，綜合各種因素，橋式整流電路是使用最多的一種整流電路，其輸出波形脈動性較小，無須采用帶中心抽頭的變壓器，輸出電壓、電流的損失較小，雖然使用4個整流二極管造成電壓的損失，但是二極管本身壓降極小，對整個電路的影響不是很大。

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作者簡介：趙文杰（1989.04—），女，漢族，山東青州人，助教，工學碩士，研究方向：計算機視覺、圖像處理等。

收稿日期：2021-04-15