电路仿真设计

综合设计1：设计二极管整流电路。

条件：输入正弦电压，有效值220v，频率50Hz；要求：输出直流电压20V+/-2V

电路图：

示波器显示图：

理论分析：先用变压器将220V的交流电转化为20V的交流电，再用二极管将20V交流电

的负值滤掉，因为电容充电很快（周期0.02S）而放电相对比较慢，所以电阻两端能维持一

个稳定的电压。将电容的C调的小一点可以使充放电的速度加快，就可以使得输出电压变

化幅度很小。

仿真结果：通过电路，将220V的交流电转化成了大约20V的直流电。

综合设计2：风扇转速与风扇电机的端电压成正比；风扇电机的电感线圈的内阻为200欧姆，线圈的电感系为500mH。风扇工作电源为市电，即有效值220V，频率50Hz的交流电。要求：无损调速

器，将风扇转速由最高至停止分为4档，即0，1，2，3档，其中0档停止，3档最高。

电路图：

各档电业波形图，分别为1、2、3档。

从图可以看出，换不同的档位电压的振幅大小不同，即是电压大小不同，越高档

振幅越大，电压越大，风速与电压成正比，所以风速越大。

接入1档时，串连一个1H的电感，风扇两端电压115.213v.如图所示：

接入3档时电路串连一个0.25H的电感。电压186V。如下图所示：

接入3档时，直接用市电。电压222.032V。如下图所示：

理论分析：用电感做为电路电压的分压，不消

耗功率，所以达到无损的条件。接入电路时分压大小

仿真结果：由图可知，当开关分别置1，2，3时，示波器电压波振幅依次增大，即风扇两端的电压依次增大，其中当风扇置0档时，电压为零，满足风扇转速与风扇电机的端电压成正比的条件。

设计4：降低电力传输损耗电路的设计

条件：一感性的电力传输线（包含电路损耗），负载为感性阻抗，传输电压可变。电路等效结构如图4。2-1所示。

电路图：

解：

有如下两种方案：

第一种：提高负载的电压。 对一个变压器：

001

110

,U N I U N I == 00U I ， 为原线圈电压，电流， 11,U I 为副线圈电压，电流。当我们降低

1

N N 的比值时，即相应的提高1U ，降低1I ，以提高了2U 。2

11P I r

=损耗 减少。 第二种：

当负载端口并联电容 ，若电容电流为c I （其超前电压0

90），原理电路图如下：

则线路电流为c L I I I =+其向量关系如图：

由图可以看出：线路电流I明显减少。由向量知道12

∠<∠，并联电容C后

cos1cos2

∠>∠，功率因数增加了，所以

2

2

11

22

2

cos

P

P I r r

Uθ

==

损耗

会减小。

仿真电路如下：

第一种方法：（提高负载的电压）

未升压前的功率对比，左边为传输前输出功率，右边为传输后的功率：消耗功率：P1=69.501-34.759=34.742(W)。T=34.742/69.501=499％.可见传送功率非常低。

升压后的前后功率对比，左边为传输前功率，右边为传输后功率：

P=P1-P2=0.128(W).功率非常接近。由结果看出，提高负载的电压，使的保证所需功率不变条件下，大大的减少了传输损耗，符合题意要求。

第二种方法：（加大功率因数法，即负载端口并联电容）

并联电容前：

功率也大约有50％。即是传送电能过程消耗了近50％的电能。 并联电容后：

线路消耗功率：P=P1-P2=3.943(W).传输功率：T=40.337/44.280=91.09％. 由结果看出，并联电容提高电力传输效率，减小电力传输损耗，符合题意要求。

结论分析：输电过程中，输电线损耗功率很大，为减少损耗，输电线应采用导电性能良好

的金属制成，并减小输电线电流，设负载的功率因数为cos θ

设负载电压2U 的初相为零，即 0220()U U V =∠ 由于负载吸收功率 2cos P U I θ=，故线路电流2cos P

I U θ

=

所以线路损耗功率为：2

2

1122

2cos P P I r r U θ

==损耗

； 所以，要减少损耗就应该提高2U 或功率因数cos θ。由上面的分析及电路仿真结果可知，两种降低电力传输损耗的功能，且未改变整个电路的阻抗性质，达到题目要。

设计9：闪光灯电路如下图所示。电路中的灯只有在等电压达到Vmax 值时开始导通。在灯导通期间可将其模拟成一个电阻Rl 灯一直导通到其电压降到V min 时为止。灯不导通是，相当于开。

电路图：

分析闪光灯原理：电源先给电容充电，这时LED电阻很大，相当于开路。当电容两端电压达到Vmax时LED开始导通,电容放电.一直到电容放电到两端电压为Vmin时。LED变为不导通，又相当于开路。电源再给电容充电。如此电容反复充放电，闪光灯就以达到效果。

（b）假设电源为4节1.5V的电池时。电容为10微法。设电压达到4V时开始导通，当电压降到1V时停止导通。当灯导通时，它的阻值为20千欧姆。当它不导通时，电阻无穷大。

1、假设两次闪光的时间间隔为10S，需要多大的R才能满足要求？

2、若要每分钟闪光12次，R应为多大？

解1：电容充电过程由三要素公式得：

,

R为未知。令Uc(t1)=4,求得t1=㏑3*R/100000;即是电容充电到4V时的时间；令Uc(t20)=1，求得t2=(㏑6-㏑5)*R/100000; 即是电容充电到1V时的时间；电容放电时，R与20K欧姆的电阻并联，等效电阻R0*C很小。即是放电时间很短。可以不计。所以t2-t1=10时，求得R=916.211K欧姆。

仿真电路图：