DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.007
摘 要：整流电路是将交流电转换为直流电的电路，是“模拟电子技术”中非常重要的知识。整流电路主要有单相半波整流、单相全波整流和单相桥式整流电路三种。Multisim软件是电路设计中经常用的仿真工具，有助于演示和改进设计效果。文章主要介绍单相半波整流、单相全波整流和单相桥式整流电路的工作原理，并利用Multisim仿真软件对三种整流电路进行电路仿真设计和效果分析。
关键词：Multisim;整流电路;半波整流;全波整流;桥式整流
中图分类号：TN7;TP391.4 文献标识码：A 文章编号：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
“模拟电子技术”是电子信息、自动化、测控等专业的专业基础课，主要对模拟电子器件的工作原理和参数以及常见模拟电路的特性进行分析，要求学生熟悉模拟器件和电路的特性，并掌握模拟电路的分析和设计方法。整流电路是模拟电子技术中出现最早也是非常重要的电路之一，其作用是将交流电转换成单向脉动直流电，包括单相半波整流电路、单相全波整流电路和单相桥式整流电路三种。
整流电路中非常重要的器件是二极管，二极管具有单向导通特性，正向加压导通，反向加压截止，整流电路正是利用二极管的这一特性实现交流电到直流电的转换。
Multisim是电路设计中常用的仿真软件，其界面直观、操作简单，可增强学生对电路知识的理解和掌握，本文利用Multisim仿真软件对三种整流电路进行仿真模拟，更加直观。
1 整流电路
1.1 单相半波整流电路
单相半波整流电路通过在变压器的次级绕组与负载相接，中间串联1个整流二极管来实现整流，其电路图如图1所示。
当变压器前端传来正向电压时，二极管VD导通，电路中有电流，电流分别通过VD和负载RL;当电压反向加在变压器时，二极管VD截止，电路中没有电流。所以对于正弦交流电，一个周期内只有半个周期内有电流流过负载，另外半个周期因为二极管截止而没有电流。
单相半波整流电路的特点：电路简单，使用元件少;缺点是输出电压低、脉动大、效率低。
1.2 单相全波整流电路
单相全波整流电路需要中心抽头变压器和2个二极管来实现，其电路如图2所示。
当变压器前端传来正向电压时，二极管VD1导通、VD2截止，电流通过次级绕组上端流向VD1和负载RL后，流入次级绕组中心抽头，负载RL两端电压为正向电压;当电压反向加在变压器时，二极管VD2导通、VD1截止，电流通过次级绕组流向VD2和负载RL后，流入中心抽头，负载RL两端电压同样为正向电压。所以对于正弦交流电，整个周期内都有电流，且都是正向电流。
单相全波整流电路的特点：输出电压的平均值大，且脉动小;缺点是对变压器要求高，变压器的利用率不高，二极管承受反向电压大。
1.3 单相桥式整流电路
单相桥式整流电路其实是全波整流电路的一种，但其无需使用带抽头的变压器，只需普通变压器和4个二极管来实现，其电路图如图3所示。
图3 单相桥式整流电路
当变压器前端传来正向电压时，二极管VD1、VD2导通，VD3、VD4截止，电流依次通过VD1、RL、VD2，负载RL两端电压为正向电压;当电压反向加在变压器时，二极管VD3、VD4导通，VD1、VD2截止，电流依次通过VD3、RL、VD4，负载RL两端电压同样为正向电压。所以对于正弦交流电，整个周期内都有电流，且都是正向电流。
单相桥式整流电路的特点：输出电压的平均值大，且脉动小;缺点是电路复杂，需要4个二极管实现。
2 Multisim整流电路仿真分析
本文采用Multisim14.0仿真软件分别对三种整流电路进行模拟仿真，并对运行结果进行分析。主要涉及元器件为交流电源、变压器、二极管、电阻、示波器、万用表等。示波器用来测量负载两端的输出电压波形，万用表用来测量负载和二极管的电流和电压数据。需要注意的是在电路连接时需要接地，否则运行时会报错。
实验所采用的元器件参数：交流电源为电压220 V、频率50 Hz;负载电阻为200 Ω;二极管为硅材料整流二极管1N4007G;变压器为10：1的普通变压器以及10：1：1带中心抽头变压器。
2.1 单相半波整流电路
单相半波整流电路连接图如图4所示，各元器件如下：交流电源V1、变压器T1、整流二极管D1、负载电阻R1、示波器XSC1。
理想状态下，整流二极管D1只有半个周期导通。D1导通时，电压UD1=OV，电压都加在负载R1两端;D1截止时，负载R1两端的幅值电压UR1=OV，电压都反向加在二极管两端。半波整流电路只有半个周期有输出电压。
2.2 单相全波整流电路
单相全波整流电路连接图如图5所示，各元器件如下：交流电源V1，带中心抽头变压器T1，整流二极管D1、D2，负载电阻R1，示波器XSC1。
理想状态下，D1和D2每半个周期交替导通。D1导通时，D2截止，电压UD1=OV，电压都加在负载R1和二极管D2两端，且UD2=2UR1;D2导通时，D1截止，电压UD2=OV，电电压都加在负载R1和二极管D1两端，且UD1=2UR1。全波整流在整个周期都有输出电压。
2.3 单相桥式整流电路
单相桥波整流电路连接图如图6所示，各元器件如下：交流电源V1，带中心抽头变压器T1，整流二极管D1、D2，负载电阻R1，示波器XSC1。
理想状态下，D1、D2和D3、D4每半个周期两两交替导通。D1、D2导通时，D3、D4截止，电压UD1=UD2=OV，电压都加在负载R1和二极管D3、D4两端，且UD3=UD4= UR1;D3、D4导通时，D1、D2截止，电压UD3=UD4=OV，电压都加在负载R1和二极管D1、D2两端，且UD1=UD2= UR1。桥式整流在整个周期都有输出电压。
3 仿真实验结果分析
按照图4、图5、图6分别进行单相半波整流、单相全波整流、单相桥式整流仿真电路的连接及测试，示波器波形图如图7、图8、图9所示。
利用万用表对电路中负载和二极管的电流和电压信息进行测量，数据如表1所示。表中，U0表示负载输出电压的平均值，I0表示负载输出电流的平均值，ID表示二极管正向平均电压，URM表示二极管最大反向电压。其中，左边4列为仿真实验测量值，右边4列为忽略二极管自身压降及其他损耗下的理想值。由表1可知，利用Multisim进行仿真模拟的数据与理论值非常接近，可以较好地反映电路的特性。
由电路连接图及仿真实验结果分析得知：
（1）就电路的难易程度而言，半波整流最为简单，全波整流次之，最复杂的是桥式整流电路。
（2）就使用变压器而言，半波整流和桥式整流所需变压器均为普通变压器;全波整流所需变压器为带中间抽头的变压器，其对变压器要求高。
（3）就输出波形而言，半波整流只有半个周期内有波形;全波整流和桥式整流在整个周期内都有波形，且均为正向。可见，全波整流和桥式整流波形脉动更小。
（4）就负载输出电压而言，半波整流为9.53 V，全波整流为18.86 V，桥式整流为18.26 V。全波整流、桥式整流为半波整流的两倍，损失的电压信息更小。
（5）就负载输出电流而言，半波整流为47.65 mA，全波整流为94.29 mA，桥式整流为91.31 mA。全波整流、桥式整流为半波整流的两倍，损失的电流信息更小。
（6）二极管承受的最大反向电压而言，半波整流为30.67 V，全波整流为60.54 V，桥式整流为30.18 V。半波整流、桥式整流为全波整流的一半，电路更加安全。
4 结 论
利用Multisim对整流电路进行仿真模拟，其测量数据与理论值非常接近，可以较好地反映电路的特性，加深学生对整流电路工作原理的理解和掌握。
通过仿真实验可以看出，单相半波整流、单相全波整流、单相桥式整流电路各有优缺点，在实际应用中，综合各种因素，桥式整流电路是使用最多的一种整流电路，其输出波形脉动性较小，无须采用带中心抽头的变压器，输出电压、电流的损失较小，虽然使用4个整流二极管造成电压的损失，但是二极管本身压降极小，对整个电路的影响不是很大。
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作者简介：赵文杰（1989.04—），女，汉族，山东青州人，助教，工学硕士，研究方向：计算机视觉、图像处理等。
收稿日期：2021-04-15
