二極管與變壓器聯(lián)姻問題的Multisim仿真研究

(1. 江西省贛州市南康區(qū)第三中學(xué)，江西 贛州 341400；2. 江西省贛州市南康區(qū)第五中學(xué)，江西 贛州 341400；3. 江西省贛州市南康區(qū)大嶺中學(xué)，江西 贛州 341400)

二極管與變壓器聯(lián)姻問題的Multisim仿真研究

黃北京1陳富源2王齊祥3

(1. 江西省贛州市南康區(qū)第三中學(xué)，江西 贛州 341400；2. 江西省贛州市南康區(qū)第五中學(xué)，江西 贛州 341400；3. 江西省贛州市南康區(qū)大嶺中學(xué)，江西 贛州 341400)

針對含有二極管、變壓器的交流電路有效值計(jì)算中產(chǎn)生的爭議，筆者用Multisim對兩個典型問題進(jìn)行了仿真研究，通過比較發(fā)現(xiàn)從能量守恒或功率定義式計(jì)算出的有效值可靠。

有效值；二極管；變壓器；Mulitisim仿真

描述交變電流的物理量很多，通常采用有效值來描述交變電流的大小，它是從電流的熱效應(yīng)這一角度用等效的方法定義出來的。要準(zhǔn)確理解這一概念，可不是件容易的事，當(dāng)涉及含有二極管的交流變壓器電路問題時尤其如此，導(dǎo)致大量學(xué)生無法判斷，教師之間也會由于理解上的偏差出現(xiàn)激烈爭辯。其實(shí)解決這類問題的方法很簡單——做實(shí)驗(yàn)用數(shù)據(jù)說話?？蓪?shí)驗(yàn)室并沒有理想的變壓器與二極管，無法獲得精確的結(jié)果。為了解決這一困難，筆者利用Multisim對這類問題進(jìn)行仿真研究，供同行參考。

Multisim是美國國家儀器有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具軟件，適用于模擬、數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。Multisim12.0包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力，還結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、高效地對電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

例1：如圖1所示，一理想變壓器原、副線圈的匝數(shù)分別為n1、n2。原線圈通過一理想電流表A接正弦交流電源，一個二極管和阻值為R的負(fù)載電阻串聯(lián)后接到副線圈的兩端；假設(shè)該二極管的正向電阻為零，反向電阻為無窮大；用交流電壓表測得a、b端和c、d端的電壓分別為Uab和Ucd，則( )。

圖1

A．Uab∶Ucd=n1∶n2

B． 增大負(fù)載電阻的阻值R，電流表的讀數(shù)變小

C． 負(fù)載電阻的阻值越小，cd間的電壓Ucd越大

D． 將二極管短路，電流表的讀數(shù)加倍

解析：這一問題爭論在于選項(xiàng)D。設(shè)原線圈、副線圈電壓峰值分別為Um1、Um2，兩種截然不同的解析如下：

圖2

圖3

圖4

A． 電阻R1兩端的電壓為50V

C． 原線圈的輸入功率為200W

D． 通過副線圈的電流為3A

解析：本問題的爭論在于選項(xiàng)D，也存在兩個不同的解法。

圖5

我們依然根據(jù)題中所給電路用Multisim12.0搭建如圖6所示的電路，并用虛擬電流表A1測量原線圈中的電流、用A2測量副線圈中的電流，用虛擬示波器XSC1比較二極管與電阻R2兩端電壓的波形，為了直觀比較副線圈的兩條支路電流情況，在支路中串聯(lián)了電流表。通過仿真，可以觀察到交變電壓交替加在二極管D與電阻R2上，讀取副線圈中的電流I2=3.016A，考慮引起誤差的因素，通過副線圈的電流可以確定為3A，因此可判定選項(xiàng)D正確。

圖6

從2014年這類含有二極管與變壓器的交變電路的試題出現(xiàn)后，陸續(xù)有文章針對有效值的計(jì)算進(jìn)行討論，爭議的焦點(diǎn)就在于有效值的定義在這類電路中是否依然有效。而通過Multisim12.0實(shí)驗(yàn)仿真，可以發(fā)現(xiàn)：從變壓器原副線圈所在回路能量守恒或功率的定義式出發(fā)，可計(jì)算出正確的有效值，若采用有效值的定義來計(jì)算，則應(yīng)注意一個周期內(nèi)負(fù)載是否發(fā)生了變化。

[1] 俞伯根.對2014年兩道高考物理題參考答案的看法[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2014,(10):68-69.

[2] 姚光橋.從一道含有二極管的交流電路看有效值定義的準(zhǔn)確理解[J].物理教學(xué),2014,(1):55.

[3] 許冬保.二極管與變壓器聯(lián)姻所帶來的困惑[J].物理之友,2015,(3):3-6.

[4] 王榮漢,于正榮.也談二極管與變壓器聯(lián)姻問題[J].物理之友,2015,(7):17-19.

[5] 趙堅(jiān),馬亞鵬,李俊成.含有理想二極管交變電路的有效值問題再探討[J].物理教師,2015,(9),64-69.

[6] 呂康社.在質(zhì)疑中探尋真相——對《對2014兩道高考物理題參考的看法》的斧正[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2016,(1-2):33.