基于Multisim10的一種觸摸延時(shí)開關(guān)電路的設(shè)計(jì)及仿真分析

王 豪 謝應(yīng)然 李本紅 楊 偉

(佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137)

基于Multisim10的一種觸摸延時(shí)開關(guān)電路的設(shè)計(jì)及仿真分析

王 豪 謝應(yīng)然 李本紅 楊 偉

(佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137)

觸摸延時(shí)開關(guān)是一種基于人體漏電流觸發(fā)、電容器放電延時(shí)而具有延時(shí)關(guān)斷功能的自動(dòng)開關(guān)，通過(guò)對(duì)觸摸延時(shí)開關(guān)電路進(jìn)行理論計(jì)算，并結(jié)合Multisim10對(duì)電路進(jìn)行仿真分析，從而優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，并將Multisim10應(yīng)用于課堂教學(xué)，提高課堂教學(xué)效率。

Multisim10；觸摸延時(shí)開關(guān)；仿真分析

0 引言

觸摸延時(shí)開關(guān)電路是模擬電路設(shè)計(jì)課程和電工電子實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文基于Multisim10仿真軟件對(duì)觸摸延時(shí)開關(guān)電路進(jìn)行仿真分析，研究電路中起延時(shí)作用的電容器的電容量C對(duì)電路延時(shí)效果的影響。同時(shí)，將Multisim10仿真軟件應(yīng)用于課堂教學(xué)，使原本枯燥乏味的理論教學(xué)課堂更形象、更直觀[1]，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的掌握和理解，啟發(fā)和拓寬學(xué)生的思路，是實(shí)現(xiàn)電工電子實(shí)驗(yàn)研究教學(xué)的一種行之有效的辦法，也是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)開關(guān)電路如圖1所示，主要由橋式整流電路、延時(shí)控制電路和夜間指示電路三部分組成。

圖1 觸摸延時(shí)開關(guān)電路圖

1.2 電路工作原理

如圖1所示，需要開燈時(shí)，用手指觸摸電極片M，人體漏電流經(jīng)R5流入晶體管VT1基極，VT1迅速導(dǎo)通。VT1導(dǎo)通后集電極C為低電平，VT2也隨之導(dǎo)通，因此有觸發(fā)電流經(jīng)VT2流入晶閘管BT169的G極，晶閘管導(dǎo)通，電燈EL點(diǎn)亮。在VT1導(dǎo)通瞬間，電容C1通過(guò)VT1的C—E極并聯(lián)在12 V穩(wěn)壓管VDz的兩端，被迅速充滿電。電燈點(diǎn)亮后，手指脫離電極片M，VT1恢復(fù)截止?fàn)顟B(tài)，電容C1儲(chǔ)存的電荷通過(guò)R3向VT2發(fā)射極放電，維持VT2導(dǎo)通，使電燈繼續(xù)點(diǎn)亮。當(dāng)電容C1放電結(jié)束，VT2截止，晶閘管G極失去觸發(fā)電流，當(dāng)正向電流小于晶閘管維持電流IH時(shí)，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(gè)型號(hào)為IN4007的二極管VD1～VD4組成，其作用是將220 V的交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電，作為延時(shí)控制電路的工作電源。圖2所示雙蹤示波器A通道檢測(cè)整流前的電源波形信號(hào)，B通道檢測(cè)整流后的電源波形信號(hào)，Multisim10仿真分析結(jié)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(shí)基刻度設(shè)置為10 ms/Div，A通道刻度設(shè)置為200 V/Div，B通道刻度設(shè)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(shí)控制電路

由于在Multisim10仿真軟件中不能設(shè)定人體漏電流，因此擬采用頻率為10 Hz(模擬觸摸時(shí)間0.1 s)、占空比為50%、大小為500 V的矩形脈沖信號(hào)通過(guò)2.2 MΩ電阻R5和開關(guān)SB來(lái)模擬人體漏電流觸發(fā)過(guò)程，如圖4所示。

圖4 Multisim10仿真電路圖(SB斷開)

圖5 觸發(fā)前VT1、VT2導(dǎo)通情況

(2) 開關(guān)SB閉合：如圖6所示，晶體管VT1發(fā)射結(jié)電壓UB-E1≈614.3 mV，VT2發(fā)射結(jié)電壓UB-E2≈626.5 mV，VT1、VT2先后導(dǎo)通。觸發(fā)電流經(jīng)VT2流入晶閘管BT169控制極(G極)，晶閘管導(dǎo)通，此時(shí)通過(guò)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(diǎn)亮。斷開SB后，依靠電容C1經(jīng)R3向VT2發(fā)射結(jié)放電，繼續(xù)維持VT2和晶閘管BT169導(dǎo)通，當(dāng)C1放電完成，VT2和晶閘管BT169截止，電燈EL熄滅。

圖6 觸發(fā)后VT1、VT2導(dǎo)通情況

圖7 Multisim10仿真電路圖(SB閉合)

3 電路延時(shí)時(shí)間計(jì)算

電容器的漏阻是延時(shí)電路中影響延時(shí)精度的一個(gè)關(guān)鍵因素，以下公式的求解是建立在假設(shè)電容C1是理想狀態(tài)、無(wú)漏電流的基礎(chǔ)上。

如圖8所示，電容C、電阻R與開關(guān)SB彼此相互串聯(lián)，構(gòu)成有源閉合回路。電容C充完電后兩端電壓為UC，閉合開關(guān)SB電容C開始放電，經(jīng)過(guò)時(shí)間t，電容C兩端的電壓為Ut，It為RC放電回路中任意時(shí)刻電流。

圖8 RC放電回路

根據(jù)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(jìn)行分離變量，可得：

(4)

對(duì)等式(4)左右兩邊同時(shí)求積分，可得：

(5)

整理后可得：

(6)

對(duì)于等式(6)，其初始條件為：當(dāng)t=0時(shí)，Ut=U0=UC，所以常數(shù)a=lnUC，代入等式(6)中，整理可得延時(shí)時(shí)間t的方程：

(7)

4 結(jié)語(yǔ)

在觸摸延時(shí)開關(guān)電路教學(xué)中應(yīng)用Multisim10仿真軟件，研究電路中觸發(fā)前后流過(guò)晶閘管的電流IAK的變化、三極管發(fā)射極電壓UB—E的波動(dòng)以及電路參數(shù)對(duì)延時(shí)效果的影響。通過(guò)仿真分析與理論計(jì)算相結(jié)合，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，提高教學(xué)效率，使復(fù)雜深?yuàn)W的理論知識(shí)形象化。

[1]羅庚興，張艷.基于Multisim10的晶閘管調(diào)光電路的設(shè)計(jì)與仿真分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(10)：186～188

[2]付揚(yáng).Multisim仿真在電工電子實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30(4)：120～123

項(xiàng)目名稱：佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院2013年度校級(jí)科研課題“一種基于單片機(jī)控制的小型多功能教學(xué)機(jī)器人的研發(fā)”，項(xiàng)目編號(hào)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(jī)電一體化、電工電子應(yīng)用技術(shù)。