電工電子技術(shù) 課件 1任務(wù)二 基于Multisim的手電筒電路的仿真

任務(wù)二、基于Multisim的手電筒電路的仿真電工電子技術(shù)

黃燕華任務(wù)導(dǎo)學(xué)工程中經(jīng)常需要測(cè)量電路中電流的大小或某元器件的端電壓，通過查找電流、電壓的測(cè)量案例，思考在測(cè)量電流、電壓時(shí)儀表應(yīng)如何接線，以及是否需要考慮正、負(fù)極性。

任務(wù)導(dǎo)學(xué)在直流電路中要測(cè)量電路中的電壓應(yīng)將儀表并聯(lián)在電路中，要測(cè)量電流應(yīng)將儀表串聯(lián)在電路中，對(duì)于指針式儀表需要主要儀表的正負(fù)極性，否則指針偏擺方向?qū)⑾喾矗瑢?duì)于數(shù)字式儀表則會(huì)出現(xiàn)測(cè)量結(jié)果正負(fù)號(hào)不同的問題。任務(wù)情境基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真軟件(簡(jiǎn)稱Ｍｕｌｔｉｓｉｍ)繪制任務(wù)一中的手電筒電路模型并進(jìn)行仿真分析，測(cè)出白熾燈的端電壓和流過白熾燈的電流，觀察電位器改變時(shí)白熾燈亮度的變化情況，記錄過程中的數(shù)據(jù)，根據(jù)電路中電參數(shù)的大小和方向總結(jié)白熾燈的伏安特性。然后，更改直流電源的方向，觀察萬用表的測(cè)量值將如何變化。任務(wù)實(shí)施１)根據(jù)圖１-１６ａ所示手電筒電路的電路原理圖，基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ構(gòu)建仿真電路，進(jìn)行仿真接線，完成圖１-１６ｂ。2）圖１-１７所示為Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真軟件中的萬用表。寫出其測(cè)量模式和參數(shù)類型，完成表１-１和表１-２。圖1-17Multisim中萬用表示意圖電參數(shù)AVΩdB被測(cè)電參數(shù)

表1-1Multisim中萬用表電參數(shù)的含義交/直流模式~－被測(cè)模式

表1-2Multisim中萬用表交/直流模式選擇３)應(yīng)用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ中萬用表測(cè)量電參數(shù)時(shí)，如何選擇其測(cè)量模式和參數(shù)類型，寫出操作步驟。圖１-１８所示的萬用表ＸＭＭ１和ＸＭＭ２分別表示對(duì)什么電參數(shù)進(jìn)行測(cè)試?圖1-18Multisim中萬用表的測(cè)量模式和參數(shù)類型的選擇４)根據(jù)仿真結(jié)果完成表１-３，表中Ｕ１為白熾燈Ｘ的端電壓，Ｉ為流過白熾燈的電流，α為電位器的調(diào)節(jié)增量(０~１００％)。開關(guān)狀態(tài)電位器調(diào)節(jié)增量ɑ白熾燈的端電壓Ｕ１/Ｖ流過白熾燈的電流Ｉ/ｍＡ斷開50%

閉合0%

閉合20%

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表1-3基于Multisim的手電筒電路的電壓、電流仿真參數(shù)記錄表５)觀察調(diào)節(jié)電位器時(shí)白熾燈的亮滅變化情況，并總結(jié)規(guī)律。６)總結(jié)白熾燈的端電壓Ｕ1和流過的電流Ｉ與電位器調(diào)節(jié)增量α的變化之間的關(guān)系(提示:從電參數(shù)大小進(jìn)行分析)。７)總結(jié)該手電筒電路中的電壓和電流之間的數(shù)值關(guān)系(提示:從兩種電參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析)。８)通過仿真數(shù)據(jù)總結(jié)電路中各元器件的電壓之間的關(guān)系，用數(shù)學(xué)公式表示(假設(shè)直流電壓源用Ｅ表示，白熾燈等效電阻Ｒ的端電壓為Ｕ１，電路中流過的電流為Ｉ，各參數(shù)的參考方向已在圖１-１９中標(biāo)出)。圖1-19手電筒電路中各參數(shù)符號(hào)及參考方向９)僅更改直流電源的方向，如圖１-２０所示，保持萬用表的接線不變，重新記錄仿真中的參數(shù)，填入表１-４。圖1-20僅更改直流電源方向后的手電筒電路開關(guān)狀態(tài)電位器調(diào)節(jié)增量ɑ白熾燈的端電壓Ｕ１/Ｖ流過白熾燈的電流Ｉ/ｍＡ斷開50%

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表1-4更改直流電源方向后電壓、電流參數(shù)記錄表１０)分析更改直流電源方向后的電路仿真結(jié)果，總結(jié)規(guī)律并說明結(jié)果變化的原因(提示:從電流、電壓的方向進(jìn)行分析)。１１)電路中電流、電壓的實(shí)際方向如何確定?１２)根據(jù)歐姆定律、串聯(lián)回路方程，求解圖１-１９中電阻Ｒ的端電壓Ｕ１、電位器ＲＰ的端電壓Ｕ２、回路中的電流I完成表１-５。圖1-19理想化電路模型中各元器件的電參量符號(hào)和方向名稱計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果(ＲＰ中α＝５０％)串聯(lián)回路中各元器件之間的電壓方程

電路中電流I

電阻R兩端電壓U1

電位器RP兩端電壓U2

表１-５手電筒電路中各電參數(shù)的計(jì)算公式及結(jié)果１３)將ＲＰ中α＝５０％時(shí)各電參數(shù)的仿真結(jié)果填入表１-６中，與表１-５中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。直流電源電E電流I電阻R電壓U1電位器RP電壓U2

表1-6理想化電路模型中各元器件的電參數(shù)１４)根據(jù)圖１-２０，計(jì)算直流電源Ｅ、電阻Ｒ和電位器ＲＰ的功率，指出各元器件是吸收功率還是釋放功率，完成表１-７，驗(yàn)證回路中功率是否守恒。元器件名稱功率計(jì)算公式功率大小吸收功率還是釋放功率電壓源E

電阻R

電位器RP

結(jié)論：表1-7直流電路中各元器件的功率計(jì)算表知識(shí)鏈接一、電流的參考方向二、電壓的參考方向三、電流、電壓的關(guān)聯(lián)參考方向四、電功率

五、Multisim軟件中萬用表的使用

一、電流的參考方向電工電子技術(shù)

黃燕華電流的參考方向電流單位：安培（A

）電流的實(shí)際方向

正電荷的運(yùn)動(dòng)方向。帶電微粒有規(guī)則地定向運(yùn)動(dòng)形成電流。直流電流電流的方向和大小都不隨時(shí)間變化。在電流可能的兩個(gè)實(shí)際方向中，任選一個(gè)作為標(biāo)準(zhǔn)（參考），并用箭頭標(biāo)出。當(dāng)電流I的實(shí)際方向與之相同時(shí)，I為正值；反之，I是負(fù)值。電流的參考方向又稱為假定正方向或正方向。是確定電流實(shí)際方向的一種方法、手段。I＞0一段電路電流的實(shí)際方向?yàn)槲粗?guī)定的參考方向與實(shí)際方向相同，I＞0；反之，I＜0。規(guī)定其參考方向如圖示(紅色箭頭表示)I實(shí)際方向I實(shí)際方向I＜0參考方向與代數(shù)量結(jié)合，即可確定電流的實(shí)際方向。I＞0實(shí)際方向I實(shí)際方向II＜0結(jié)論相對(duì)于電流的參考方向（標(biāo)準(zhǔn)），電流I是一個(gè)代數(shù)量。表明該支路電流實(shí)際方向與圖示參考方向相同。例RI表明該支路電流實(shí)際方向與圖示參考方向相反。未標(biāo)出電流的參考方向，電流的正、負(fù)值沒有意義。若計(jì)算得到I=1.5A

若計(jì)算得到I=--1.5A分析、計(jì)算電路首先要在電路圖中標(biāo)出參考方向。二、電壓的參考方向電工電子技術(shù)

黃燕華電壓是衡量電場(chǎng)力推動(dòng)正電荷運(yùn)動(dòng),對(duì)正電荷作功能力的物理量。電壓的參考方向單位：伏（V）+-UAB電路中A、B兩點(diǎn)之間的電壓在數(shù)值上等于電場(chǎng)力把單位正電荷自A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)所做的功。A、B兩點(diǎn)之間的電壓高電位點(diǎn)A低電位點(diǎn)B電場(chǎng)力推動(dòng)正電荷沿電壓的實(shí)際方向運(yùn)動(dòng),對(duì)正電荷做正功。電位逐點(diǎn)降低，消耗電能。電壓的參考方向自假設(shè)的高電位點(diǎn)指向低電位點(diǎn)。電壓的實(shí)際方向與電壓的參考方向一致，為正值；反之，為負(fù)值。確定參考方向之后，電壓是代數(shù)量。UAB+--AB電壓的實(shí)際方向自高電位點(diǎn)指向低電位點(diǎn)用“+”、“--”分別表示假設(shè)的高電位點(diǎn)和低電位點(diǎn)。用雙下標(biāo)字母表示，如UAB，第一個(gè)字母A表示假設(shè)的高電位點(diǎn)，第二個(gè)字母B表示假設(shè)的低電位點(diǎn)。+--AB電壓參考方向的表示方法UABUAB+--AB如果計(jì)算出的UAB＞0,則電壓的實(shí)際方向與參考方向相同,A點(diǎn)是高電位點(diǎn),B點(diǎn)是低電位點(diǎn)。如果計(jì)算出的UAB＜0,則電壓的實(shí)際方向與參考方向相反,B點(diǎn)是高電位點(diǎn),A點(diǎn)是低電位點(diǎn)。+--+--+--U1U2U3I3I2I1AB例題已知:

U1=－10V，求電壓的實(shí)際方向。解：電壓的實(shí)際方向(B點(diǎn)是高電位點(diǎn),A點(diǎn)是低電位點(diǎn))。

三、電壓、電流的關(guān)聯(lián)參考方向電工電子技術(shù)

黃燕華電壓、電流的關(guān)聯(lián)參考方向ABAB關(guān)聯(lián)參考方向關(guān)聯(lián)參考方向電流的參考方向與電壓降的參考方向一致。IU+--IU+--非關(guān)聯(lián)參考方向電阻元件U+--ABIRU+--ABIR非關(guān)聯(lián)參考方向。關(guān)聯(lián)參考方向。BAUI+--例關(guān)聯(lián)參考方向與非關(guān)聯(lián)參考方向是對(duì)于某一段確定電路來說的。在圖示參考方向下對(duì)于元件A來說，所在支路參考電壓、參考電流是對(duì)于元件B來說，所在支路參考電壓、參考電流是圖示電路例題在圖示參考方向下，哪些是非關(guān)聯(lián)參考方向，哪些是關(guān)聯(lián)參考方向？+--+--+--U1U2U3I3I2I1AB123—AB+I1U11AB+I2U2—2U3、I3非關(guān)聯(lián)參考方向U1、I1—AB+I3U33關(guān)聯(lián)參考方向

U2、I2四、電功率電工電子技術(shù)

黃燕華一段電路或某一電路元件在單位時(shí)間內(nèi)所吸收（消耗）或提供（產(chǎn)生）的電能稱為電功率。在直流電路中電功率在國(guó)際單位制中，功率的單位是瓦［特］（W）。1瓦（W）功率等于每秒吸收或提供1焦［耳］（J）的能量。相對(duì)于確定的參考方向，U和I都有可能是正值或負(fù)值，所以用公式1-6算出的電功率P可能是正值，也可能是負(fù)值。以圖1-23所示電路為例，當(dāng)電流I和電壓U為關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，若計(jì)算得出的P為正值，則表明這一段電路是吸收電功率的。這是因?yàn)镻為正值，必然是U、I同為正或同為負(fù)。物理意義是這時(shí)電流(正電荷)在電場(chǎng)力作用下從高電位點(diǎn)流向低電位點(diǎn)，是電場(chǎng)力做功，將電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量。反之，在電流I和電壓U為關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，若計(jì)算得出的P為負(fù)值，則表明這一段電路是提供電功率。圖1-23電流、電壓的關(guān)聯(lián)參考方向與非關(guān)聯(lián)參考方向根據(jù)以上分析，我們可以得出以下結(jié)論：當(dāng)電流I和電壓U為關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，計(jì)算得出的P為正值，該段電路就是吸收電功率的。反之，計(jì)算得出的P是負(fù)值，則表明該段電路就是提供電功率的。當(dāng)電流I和電壓U取非關(guān)聯(lián)參考方向時(shí)，計(jì)算得出的P是正值，這一段電路是提供電功率的。反之，計(jì)算得出的P是負(fù)值，則表明這一段電路是吸收電功率的。因?yàn)殛P(guān)聯(lián)參考方向和非關(guān)聯(lián)參考方向的UI乘積只差一個(gè)“負(fù)”號(hào)，加上“負(fù)”號(hào)后即可將非關(guān)聯(lián)參考方向轉(zhuǎn)換為關(guān)聯(lián)參考方向。五、Multisim軟件中萬用表的使用電工電子技術(shù)

黃燕華Multisim14.0提供的普通虛擬數(shù)字萬用表外觀與實(shí)際的萬用表相似，但測(cè)量面板的操作更加方便、靈活，測(cè)試功能更加強(qiáng)大。圖數(shù)字萬用表圖標(biāo)及面板數(shù)字萬用表可以用來測(cè)電流A、電壓V、電阻Ω和分貝值dB等電參量，還可以對(duì)直流信號(hào)或交流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)被測(cè)參數(shù)的大小自動(dòng)修正量程。在Multisim14.0仿真軟件中，可以通過設(shè)置虛擬數(shù)字萬用表的內(nèi)部參數(shù)來真實(shí)地模擬實(shí)際儀表的測(cè)量結(jié)果。在功能設(shè)置區(qū)有7個(gè)按鈕，當(dāng)需要選擇某項(xiàng)功能時(shí)，只需單擊相應(yīng)的按鈕即可。1）A（電流檔）：測(cè)量電路中某支路的電流。測(cè)量時(shí)，數(shù)字萬用表應(yīng)串聯(lián)在待測(cè)支路中。用作電流表時(shí)，數(shù)字萬用表的內(nèi)阻非常?。?nΩ)。2）V（電壓檔）：測(cè)量電路兩節(jié)點(diǎn)之間的電壓（某段電路端電壓）。測(cè)量時(shí)，數(shù)字萬用表應(yīng)與兩節(jié)點(diǎn)并聯(lián)。用作電壓表時(shí)，數(shù)字萬用表的內(nèi)阻非常高，可以達(dá)到1GΩ。3）Ω（歐姆檔）：測(cè)量電路兩節(jié)點(diǎn)之間的電阻。被測(cè)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的所有元件當(dāng)作一個(gè)“元件網(wǎng)絡(luò)”。測(cè)量時(shí)，數(shù)字萬用表應(yīng)與“元件網(wǎng)絡(luò)”并聯(lián)。4）dB（分貝檔）：測(cè)量電路兩節(jié)點(diǎn)之間電壓降的分貝值。5）交流信號(hào)或直流信號(hào)：功能設(shè)置區(qū)的第2行按鈕用于被測(cè)交流信號(hào)或直流信號(hào)的選擇。6)Set：?jiǎn)螕鬝et按鈕，彈出如圖所示的Multimetersettings（數(shù)字萬用表設(shè)置）對(duì)話框，從中可以對(duì)數(shù)宇萬用表的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。①“Electronicsetting”（電氣特性設(shè)置）選項(xiàng)區(qū)各選項(xiàng)功能如下。Ammeterresistance(R)：設(shè)置測(cè)試電流時(shí)表頭的內(nèi)阻，其大小影響電流的測(cè)量精度。Voltmeterresistance(R)：設(shè)置測(cè)試電壓時(shí)表頭的內(nèi)阻。Ohmmetercurrent(I)：設(shè)置測(cè)試電阻時(shí)流過表頭的電流值。dBrelativevalue(V)：用于設(shè)置分貝相對(duì)值，預(yù)先設(shè)置為774.597mV數(shù)字萬用表設(shè)置對(duì)話框②“Displaysetting”（顯示特性設(shè)置）選項(xiàng)區(qū)各選項(xiàng)功能如下。Ammeteroverrange(I)：設(shè)置電流表的測(cè)量范圍。Voltmeteroverrange(V)：設(shè)置電壓表的測(cè)量范圍。Ohmmeteroverrange(R)：設(shè)置歐姆表的測(cè)量范圍。設(shè)置完成后，單擊“OK”按鈕保存設(shè)置；單擊“Cancel”按鈕取消本次設(shè)置。數(shù)字萬用表設(shè)置對(duì)話框任務(wù)實(shí)施１)根據(jù)圖１-１６ａ所示手電筒電路的電路原理圖，基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ構(gòu)建仿真電路，進(jìn)行仿真接線，完成圖１-１６ｂ。2）圖１-１７所示為Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真軟件中的萬用表。寫出其測(cè)量模式和參數(shù)類型，完成表１-１和表１-２。圖1-17Multisim中萬用表示意圖電參數(shù)AVΩdB被測(cè)電參數(shù)電流

電壓電阻

分貝

表1-1Multisim中萬用表電參數(shù)的含義交/直流模式~－被測(cè)模式

交流信號(hào)直流信號(hào)

表1-2Multisim中萬用表交/直流模式選擇３)應(yīng)用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ中萬用表測(cè)量電參數(shù)時(shí)，如何選擇其測(cè)量模式和參數(shù)類型，寫出操作步驟。圖１-１８所示的萬用表ＸＭＭ１和ＸＭＭ２分別表示對(duì)什么電參數(shù)進(jìn)行測(cè)試?圖1-18Multisim中萬用表的測(cè)量模式和參數(shù)類型的選擇3）首先，我們應(yīng)該根據(jù)被測(cè)量將測(cè)量?jī)x表正確的連接到電路中；其次，確定我們需要測(cè)量電量的類別：是直流電量還是交流電量；最后，我們?cè)俑鶕?jù)被測(cè)量的需要選擇測(cè)量的參數(shù)。圖中萬用表XMM1是對(duì)直流電壓進(jìn)行測(cè)量，圖中萬用表XMM2是對(duì)交流電流進(jìn)行測(cè)量。４)根據(jù)仿真結(jié)果完成表１-３，表中Ｕ１為白熾燈Ｘ的端電壓，Ｉ為流過白熾燈的電流，α為電位器的調(diào)節(jié)增量(０~１００％)。開關(guān)狀態(tài)電位器調(diào)節(jié)增量ɑ白熾燈的端電壓Ｕ１/Ｖ流過白熾燈的電流Ｉ/ｍＡ斷開50%

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閉合100%

表1-3基于Multisim的手電筒電路的電壓、電流仿真參數(shù)記錄表５)觀察調(diào)節(jié)電位器時(shí)白熾燈的亮滅變化情況，并總結(jié)規(guī)律。６)總結(jié)白熾燈的端電壓Ｕ1和流過的電流Ｉ與電位器調(diào)節(jié)增量α的變化之間的關(guān)系(提示:從電參數(shù)大小進(jìn)行分析)。７)總結(jié)該手電筒電路中的電壓和電流之間的數(shù)值關(guān)系(提示:從兩種電參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行分析)。5）當(dāng)開關(guān)QS斷開時(shí)燈泡不亮，當(dāng)開關(guān)QS閉合時(shí)，隨著電位器的調(diào)節(jié)增量由0%-100%增加的過程中燈泡的亮度由亮到暗變化。6）電壓U1和電流I在開關(guān)QS斷開時(shí)的值幾乎為0，當(dāng)開關(guān)QS閉合后，隨著電位器的調(diào)節(jié)增量的增加（電位器接入的電阻由0Ω到25Ω）時(shí)，燈泡兩端電壓U1的數(shù)值由大到小，流過的電流I數(shù)值也由大到小。7）由表1-3可知當(dāng)開關(guān)QS閉合時(shí)，燈泡兩端的電壓U1與流過燈泡X的電流I成線性關(guān)系，并且其比值為一固定值。８)通過仿真數(shù)據(jù)總結(jié)電路中各元器件的電壓之間的關(guān)系，用數(shù)學(xué)公式表示(假設(shè)直流電壓源用Ｅ表示，白熾燈等效電阻Ｒ的端電壓為Ｕ１，電路中流過的電流為Ｉ，各參數(shù)的參考方向已在圖１-１９中標(biāo)出)。圖1-19手電筒電路中各參數(shù)符號(hào)及參考方向8）燈泡的理想化電路模型中等效為一個(gè)電阻元件，其參數(shù)用電阻R表示，從表1-3可知該電阻模型中電壓和電流之間成線性關(guān)系，I為電路中的電流，且滿足U1=IR，即電阻元件的歐姆定律。９)僅更改直流電源的方向，如圖１-２０所示，保持萬用表的接線不變，重新記錄仿真中的參數(shù)，填入表１-４。圖1-20僅更改直流電源方向后的手電筒電路開關(guān)狀態(tài)電位器調(diào)節(jié)增量ɑ白熾燈的端電壓Ｕ１/Ｖ流過白熾燈的電流Ｉ/ｍＡ斷開50%

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表1-4更改直流電源方向后電壓、電流參數(shù)記錄表１０)分析