电工电子技术 课件 1任务二 基于Multisim的手电筒电路的仿真

任务二、基于Multisim的手电筒电路的仿真电工电子技术

黄燕华任务导学工程中经常需要测量电路中电流的大小或某元器件的端电压，通过查找电流、电压的测量案例，思考在测量电流、电压时仪表应如何接线，以及是否需要考虑正、负极性。

任务导学在直流电路中要测量电路中的电压应将仪表并联在电路中，要测量电流应将仪表串联在电路中，对于指针式仪表需要主要仪表的正负极性，否则指针偏摆方向将相反，对于数字式仪表则会出现测量结果正负号不同的问题。任务情境基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真软件(简称Ｍｕｌｔｉｓｉｍ)绘制任务一中的手电筒电路模型并进行仿真分析，测出白炽灯的端电压和流过白炽灯的电流，观察电位器改变时白炽灯亮度的变化情况，记录过程中的数据，根据电路中电参数的大小和方向总结白炽灯的伏安特性。然后，更改直流电源的方向，观察万用表的测量值将如何变化。任务实施１)根据图１-１６ａ所示手电筒电路的电路原理图，基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ构建仿真电路，进行仿真接线，完成图１-１６ｂ。2）图１-１７所示为Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真软件中的万用表。写出其测量模式和参数类型，完成表１-１和表１-２。图1-17Multisim中万用表示意图电参数AVΩdB被测电参数

表1-1Multisim中万用表电参数的含义交/直流模式~－被测模式

表1-2Multisim中万用表交/直流模式选择３)应用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ中万用表测量电参数时，如何选择其测量模式和参数类型，写出操作步骤。图１-１８所示的万用表ＸＭＭ１和ＸＭＭ２分别表示对什么电参数进行测试?图1-18Multisim中万用表的测量模式和参数类型的选择４)根据仿真结果完成表１-３，表中Ｕ１为白炽灯Ｘ的端电压，Ｉ为流过白炽灯的电流，α为电位器的调节增量(０~１００％)。开关状态电位器调节增量ɑ白炽灯的端电压Ｕ１/Ｖ流过白炽灯的电流Ｉ/ｍＡ断开50%

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表1-3基于Multisim的手电筒电路的电压、电流仿真参数记录表５)观察调节电位器时白炽灯的亮灭变化情况，并总结规律。６)总结白炽灯的端电压Ｕ1和流过的电流Ｉ与电位器调节增量α的变化之间的关系(提示:从电参数大小进行分析)。７)总结该手电筒电路中的电压和电流之间的数值关系(提示:从两种电参数之间的关系进行分析)。８)通过仿真数据总结电路中各元器件的电压之间的关系，用数学公式表示(假设直流电压源用Ｅ表示，白炽灯等效电阻Ｒ的端电压为Ｕ１，电路中流过的电流为Ｉ，各参数的参考方向已在图１-１９中标出)。图1-19手电筒电路中各参数符号及参考方向９)仅更改直流电源的方向，如图１-２０所示，保持万用表的接线不变，重新记录仿真中的参数，填入表１-４。图1-20仅更改直流电源方向后的手电筒电路开关状态电位器调节增量ɑ白炽灯的端电压Ｕ１/Ｖ流过白炽灯的电流Ｉ/ｍＡ断开50%

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表1-4更改直流电源方向后电压、电流参数记录表１０)分析更改直流电源方向后的电路仿真结果，总结规律并说明结果变化的原因(提示:从电流、电压的方向进行分析)。１１)电路中电流、电压的实际方向如何确定?１２)根据欧姆定律、串联回路方程，求解图１-１９中电阻Ｒ的端电压Ｕ１、电位器ＲＰ的端电压Ｕ２、回路中的电流I完成表１-５。图1-19理想化电路模型中各元器件的电参量符号和方向名称计算公式计算结果(ＲＰ中α＝５０％)串联回路中各元器件之间的电压方程

电路中电流I

电阻R两端电压U1

电位器RP两端电压U2

表１-５手电筒电路中各电参数的计算公式及结果１３)将ＲＰ中α＝５０％时各电参数的仿真结果填入表１-６中，与表１-５中的计算结果进行对比。直流电源电E电流I电阻R电压U1电位器RP电压U2

表1-6理想化电路模型中各元器件的电参数１４)根据图１-２０，计算直流电源Ｅ、电阻Ｒ和电位器ＲＰ的功率，指出各元器件是吸收功率还是释放功率，完成表１-７，验证回路中功率是否守恒。元器件名称功率计算公式功率大小吸收功率还是释放功率电压源E

电阻R

电位器RP

结论：表1-7直流电路中各元器件的功率计算表知识链接一、电流的参考方向二、电压的参考方向三、电流、电压的关联参考方向四、电功率

五、Multisim软件中万用表的使用

一、电流的参考方向电工电子技术

黄燕华电流的参考方向电流单位：安培（A

）电流的实际方向

正电荷的运动方向。带电微粒有规则地定向运动形成电流。直流电流电流的方向和大小都不随时间变化。在电流可能的两个实际方向中，任选一个作为标准（参考），并用箭头标出。当电流I的实际方向与之相同时，I为正值；反之，I是负值。电流的参考方向又称为假定正方向或正方向。是确定电流实际方向的一种方法、手段。I＞0一段电路电流的实际方向为未知规定的参考方向与实际方向相同，I＞0；反之，I＜0。规定其参考方向如图示(红色箭头表示)I实际方向I实际方向I＜0参考方向与代数量结合，即可确定电流的实际方向。I＞0实际方向I实际方向II＜0结论相对于电流的参考方向（标准），电流I是一个代数量。表明该支路电流实际方向与图示参考方向相同。例RI表明该支路电流实际方向与图示参考方向相反。未标出电流的参考方向，电流的正、负值没有意义。若计算得到I=1.5A

若计算得到I=--1.5A分析、计算电路首先要在电路图中标出参考方向。二、电压的参考方向电工电子技术

黄燕华电压是衡量电场力推动正电荷运动,对正电荷作功能力的物理量。电压的参考方向单位：伏（V）+-UAB电路中A、B两点之间的电压在数值上等于电场力把单位正电荷自A点移动到B点所做的功。A、B两点之间的电压高电位点A低电位点B电场力推动正电荷沿电压的实际方向运动,对正电荷做正功。电位逐点降低，消耗电能。电压的参考方向自假设的高电位点指向低电位点。电压的实际方向与电压的参考方向一致，为正值；反之，为负值。确定参考方向之后，电压是代数量。UAB+--AB电压的实际方向自高电位点指向低电位点用“+”、“--”分别表示假设的高电位点和低电位点。用双下标字母表示，如UAB，第一个字母A表示假设的高电位点，第二个字母B表示假设的低电位点。+--AB电压参考方向的表示方法UABUAB+--AB如果计算出的UAB＞0,则电压的实际方向与参考方向相同,A点是高电位点,B点是低电位点。如果计算出的UAB＜0,则电压的实际方向与参考方向相反,B点是高电位点,A点是低电位点。+--+--+--U1U2U3I3I2I1AB例题已知:

U1=－10V，求电压的实际方向。解：电压的实际方向(B点是高电位点,A点是低电位点)。

三、电压、电流的关联参考方向电工电子技术

黄燕华电压、电流的关联参考方向ABAB关联参考方向关联参考方向电流的参考方向与电压降的参考方向一致。IU+--IU+--非关联参考方向电阻元件U+--ABIRU+--ABIR非关联参考方向。关联参考方向。BAUI+--例关联参考方向与非关联参考方向是对于某一段确定电路来说的。在图示参考方向下对于元件A来说，所在支路参考电压、参考电流是对于元件B来说，所在支路参考电压、参考电流是图示电路例题在图示参考方向下，哪些是非关联参考方向，哪些是关联参考方向？+--+--+--U1U2U3I3I2I1AB123—AB+I1U11AB+I2U2—2U3、I3非关联参考方向U1、I1—AB+I3U33关联参考方向

U2、I2四、电功率电工电子技术

黄燕华一段电路或某一电路元件在单位时间内所吸收（消耗）或提供（产生）的电能称为电功率。在直流电路中电功率在国际单位制中，功率的单位是瓦［特］（W）。1瓦（W）功率等于每秒吸收或提供1焦［耳］（J）的能量。相对于确定的参考方向，U和I都有可能是正值或负值，所以用公式1-6算出的电功率P可能是正值，也可能是负值。以图1-23所示电路为例，当电流I和电压U为关联参考方向时，若计算得出的P为正值，则表明这一段电路是吸收电功率的。这是因为P为正值，必然是U、I同为正或同为负。物理意义是这时电流(正电荷)在电场力作用下从高电位点流向低电位点，是电场力做功，将电能转换成其他形式的能量。反之，在电流I和电压U为关联参考方向时，若计算得出的P为负值，则表明这一段电路是提供电功率。图1-23电流、电压的关联参考方向与非关联参考方向根据以上分析，我们可以得出以下结论：当电流I和电压U为关联参考方向时，计算得出的P为正值，该段电路就是吸收电功率的。反之，计算得出的P是负值，则表明该段电路就是提供电功率的。当电流I和电压U取非关联参考方向时，计算得出的P是正值，这一段电路是提供电功率的。反之，计算得出的P是负值，则表明这一段电路是吸收电功率的。因为关联参考方向和非关联参考方向的UI乘积只差一个“负”号，加上“负”号后即可将非关联参考方向转换为关联参考方向。五、Multisim软件中万用表的使用电工电子技术

黄燕华Multisim14.0提供的普通虚拟数字万用表外观与实际的万用表相似，但测量面板的操作更加方便、灵活，测试功能更加强大。图数字万用表图标及面板数字万用表可以用来测电流A、电压V、电阻Ω和分贝值dB等电参量，还可以对直流信号或交流信号进行测量，并根据被测参数的大小自动修正量程。在Multisim14.0仿真软件中，可以通过设置虚拟数字万用表的内部参数来真实地模拟实际仪表的测量结果。在功能设置区有7个按钮，当需要选择某项功能时，只需单击相应的按钮即可。1）A（电流档）：测量电路中某支路的电流。测量时，数字万用表应串联在待测支路中。用作电流表时，数字万用表的内阻非常小（1nΩ)。2）V（电压档）：测量电路两节点之间的电压（某段电路端电压）。测量时，数字万用表应与两节点并联。用作电压表时，数字万用表的内阻非常高，可以达到1GΩ。3）Ω（欧姆档）：测量电路两节点之间的电阻。被测节点与节点之间的所有元件当作一个“元件网络”。测量时，数字万用表应与“元件网络”并联。4）dB（分贝档）：测量电路两节点之间电压降的分贝值。5）交流信号或直流信号：功能设置区的第2行按钮用于被测交流信号或直流信号的选择。6)Set：单击Set按钮，弹出如图所示的Multimetersettings（数字万用表设置）对话框，从中可以对数宇万用表的内部参数进行设置。①“Electronicsetting”（电气特性设置）选项区各选项功能如下。Ammeterresistance(R)：设置测试电流时表头的内阻，其大小影响电流的测量精度。Voltmeterresistance(R)：设置测试电压时表头的内阻。Ohmmetercurrent(I)：设置测试电阻时流过表头的电流值。dBrelativevalue(V)：用于设置分贝相对值，预先设置为774.597mV数字万用表设置对话框②“Displaysetting”（显示特性设置）选项区各选项功能如下。Ammeteroverrange(I)：设置电流表的测量范围。Voltmeteroverrange(V)：设置电压表的测量范围。Ohmmeteroverrange(R)：设置欧姆表的测量范围。设置完成后，单击“OK”按钮保存设置；单击“Cancel”按钮取消本次设置。数字万用表设置对话框任务实施１)根据图１-１６ａ所示手电筒电路的电路原理图，基于Ｍｕｌｔｉｓｉｍ构建仿真电路，进行仿真接线，完成图１-１６ｂ。2）图１-１７所示为Ｍｕｌｔｉｓｉｍ仿真软件中的万用表。写出其测量模式和参数类型，完成表１-１和表１-２。图1-17Multisim中万用表示意图电参数AVΩdB被测电参数电流

电压电阻

分贝

表1-1Multisim中万用表电参数的含义交/直流模式~－被测模式

交流信号直流信号

表1-2Multisim中万用表交/直流模式选择３)应用Ｍｕｌｔｉｓｉｍ中万用表测量电参数时，如何选择其测量模式和参数类型，写出操作步骤。图１-１８所示的万用表ＸＭＭ１和ＸＭＭ２分别表示对什么电参数进行测试?图1-18Multisim中万用表的测量模式和参数类型的选择3）首先，我们应该根据被测量将测量仪表正确的连接到电路中；其次，确定我们需要测量电量的类别：是直流电量还是交流电量；最后，我们再根据被测量的需要选择测量的参数。图中万用表XMM1是对直流电压进行测量，图中万用表XMM2是对交流电流进行测量。４)根据仿真结果完成表１-３，表中Ｕ１为白炽灯Ｘ的端电压，Ｉ为流过白炽灯的电流，α为电位器的调节增量(０~１００％)。开关状态电位器调节增量ɑ白炽灯的端电压Ｕ１/Ｖ流过白炽灯的电流Ｉ/ｍＡ断开50%

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表1-3基于Multisim的手电筒电路的电压、电流仿真参数记录表５)观察调节电位器时白炽灯的亮灭变化情况，并总结规律。６)总结白炽灯的端电压Ｕ1和流过的电流Ｉ与电位器调节增量α的变化之间的关系(提示:从电参数大小进行分析)。７)总结该手电筒电路中的电压和电流之间的数值关系(提示:从两种电参数之间的关系进行分析)。5）当开关QS断开时灯泡不亮，当开关QS闭合时，随着电位器的调节增量由0%-100%增加的过程中灯泡的亮度由亮到暗变化。6）电压U1和电流I在开关QS断开时的值几乎为0，当开关QS闭合后，随着电位器的调节增量的增加（电位器接入的电阻由0Ω到25Ω）时，灯泡两端电压U1的数值由大到小，流过的电流I数值也由大到小。7）由表1-3可知当开关QS闭合时，灯泡两端的电压U1与流过灯泡X的电流I成线性关系，并且其比值为一固定值。８)通过仿真数据总结电路中各元器件的电压之间的关系，用数学公式表示(假设直流电压源用Ｅ表示，白炽灯等效电阻Ｒ的端电压为Ｕ１，电路中流过的电流为Ｉ，各参数的参考方向已在图１-１９中标出)。图1-19手电筒电路中各参数符号及参考方向8）灯泡的理想化电路模型中等效为一个电阻元件，其参数用电阻R表示，从表1-3可知该电阻模型中电压和电流之间成线性关系，I为电路中的电流，且满足U1=IR，即电阻元件的欧姆定律。９)仅更改直流电源的方向，如图１-２０所示，保持万用表的接线不变，重新记录仿真中的参数，填入表１-４。图1-20仅更改直流电源方向后的手电筒电路开关状态电位器调节增量ɑ白炽灯的端电压Ｕ１/Ｖ流过白炽灯的电流Ｉ/ｍＡ断开50%

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表1-4更改直流电源方向后电压、电流参数记录表１０)分析