实际电路

实际电路研究背景

传统的电子设计流程是先设计电路图、购买元器件，然后制板、调试，最后进行测试。这个过程一般需要反复多次进行，以达到设计要求。若采用EDA技术，则在原理图设计阶段就可以进行评估，验证所设计的电路是否达到要求的技术指标，还可以通过改变元器件参数使整个电路的性能最优化，则在很大程度上缩短调试时间，并节省耗材。

Proteus就是一种基于标准仿真引擎的混合电路仿真工具，是将电路仿真软件，PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，能够满足我们平时设计的需求。

实际电路Proteus在实际电路中的应用

模拟电子线路中，理论知识抽象、概念多、工程实践性强，设计中不仅要考虑电路的理论知识还要考虑电路的具体结构及电路信号的特点等因素。我们设计一个用单片机信号控制电机正反转的电路，电路图如图1所示。印制板焊接完成，进行调试。由于没有这方面的经验，只是根据理论计算和元器件特性设计了电阻R₂、R₃的具体阻值。在调试中始终没能使电机旋转。因此浪费了好多时间。

将原理图移植到Proteus软件中，在电路中分别加入了信号源（模拟单片机输出信号）、电压表和电流表（监测电路特性）。Io1有高电平信号即10V，Io2没有信号即0V，电机正转。相反，电机反转。在电路原理图中，R₂、R₃处分别并联模拟电压表，仿真时可以看到两处的电压值大小。在Io1处添加了模拟电压源V₂，用来模拟单片机输出信号。当V₂有10V电压信号输出，光耦6N137工作。此时，如果R₂、R₃的电阻取值不够合理，电机不能旋转。我们可以通过反复仿真调试，不断改变两个电阻的阻值。实践证明，要实现电机的正向旋转必须保证R₂、R₃两端的电压足够大。

图2为电路仿真时的效果图。通过仿真得出了准确的电阻阻值，后面进行了印制板绘制，焊接电路板，顺利完成电路所需功能的实现。

实际电路研究结论

在实际电路过程中引入了Proteus软件后，一方面能很好的验证所设计电路理论上的正确与否，解决了电路设计后焊接时调试成功率低及耗材消耗过多的问题。另一方面通过Proteus的接近实际电路的仿真分析，为今后从事研究设计工作打下坚实基础。

实际电路定义

研究实际电路，往往将其抽象为电路模型，用电路理论的方法分析计算出电路的电器特性。

实际电路分类

根据实际电路的几何尺寸(d)与其工作信号波长(λ)的关系，可以将它们分为两大类：

(1)集总参数电路：满足d<<λ条件的电路。

以电路电气器件的实际尺寸(d)和工作信号的波长(λ)为标准划分，实际电路又可分为集总参数电路和分布参数电路。

满足d<<λ条件的电路称为集总参数电路。其特点是电路中任意两个端点间的电压和流入任一器件端钮的电流完全确定，与器件的几何尺寸和空间位置无关。

不满足d<<λ条件的电路称为分布参数电路。其特点是电路中的电压和电流是时间的函数而且与器件的几何尺寸和空间位置有关。

(2)分布参数电路：不满足d<<λ条件的电路。

在电路理论中，对分布参数电路进行分析时：首先是建立模型。建立模型采用的是无限逼近法。这种方法是将分析对象（例如均匀传输线）设想为许多个无穷小长度元dχ。由于长度元dχ是无穷小量，在这些长度元的范围内参数可以集中。于是，每个长度元可以抽象成一个集总参数电路。而这些集总参数电路级联而成的链形电路就成为整个均匀传输线的电路模型。

显然，只有无穷小长度元dχ的个数为无限多时，链形电路才能准确地代表均匀传输线。

接着是根据模型写方程。方程是参照长度元dχ抽象成的集总参数电路，利用KCL和KVL(见基尔霍夫定律)写出的。它是一个偏微分方程组。

最后是解方程求解答，再根据解答讨论电路（即传输线）的性能。如果建模完成后，再用合适的实际电阻器、电感器和电容器来实现，便可得到一个线性尺寸很小的称为人工线的实际链形电路。这就提供了对传输线进行实验研究的条件。人们可以在实验室内利用很短的人工线实现对长达几百公里，甚而上千公里的输电线上的各种工作状态的观察和各种数据的测量。

分布参数电路作为一个电磁系统当然还可采用电磁场理论进行分析。这样做虽然严格与精确，但并不方便，因为求解电磁场方程组要比求解电路方程组困难得多。因此，通常是采用电路理论来分析分布参数电路。传输线传送能量或信号的各种传输线的总称。其中包括电力传输线、电信传输线、天线等。传输线又称长线。由于它具有在空间某个方向上其长度已可与其内部电压、电流的波长相比拟，而必须考虑参数分布性的特征，所以是典型的分布参数电路。在电路理论中讨论传输线时以均匀传输线作为对象。均匀传输线是指参数沿线均匀分布的二线传输线，其基本参数，或称原参数是R₀、L₀、C₀和G₀。其中R₀代表单位长度线（包括来线与回线）的电阻；L₀代表单位长度来线与回线形成的电感；C₀和G₀分别代表单位长度来线与回线间的电容和漏电导。这些参数是由导线所用的材料、截面的几何形状与尺寸、导线间的距离，以及导线周围介质决定的。在高频和低频高电压下它们都有近似的计算公式。

整流电路是电力电子学中最早的一种电能变换方式，现代电网中应用的各种变流装置一般均具有整流环节，如三相全桥整流电路、 带双反星可控整流电路和12脉波可控整流电路等均可以看作是三相半波整流电路的不同组合形式。因此，对最基础的三相半波可控整流电路进行仿真及实验研究将有助于后续的复杂整流电路的研究。在实践中，存在着与整流过程相反的工作状态，即逆变，如电力机车下坡行驶时，直流电动机作为发电机制动运行，电机发出交流电。在该种情况下，变流装置的主电路形式并未发生变化，只要适当调整电路工作状态即可满足有源逆变产生的条件，因此常将有源逆变作为整流电路的一种工作状态进行分析。

整流电路一般有相控式与PWM控制方式两种，前者属于低频电路，后者为高频电路。本文中的DJDK-1型电力电子技术实验装置平台为相控式。笔者在以上两种电路实验过程中发现了两种异常现象：一是在三相半波整流电路阻感性负载下，当3个晶闸管均关断时负载中会流过负向电流；二是在三相半波有源逆变电路中，开关管切换时刻，开关管两端与负载两端均出现电压振荡现象。本文对这两种现象进行分析，并建立相关元件的改进等效仿真模型。

实际电路三相半波变流电路

基于DJDK- 1型电力电子技术实验装置平台的三相半波整流实验电路及其Simulink仿真接线如图3所示。

实验电路中，取三相对称交流电源相电压有效值为130 V，频率为50 Hz。通过依次触发各个晶闸管导通，在负载上可以得到期望的波形。实验中负载R=450 Ω，L=700 mH。DJK02-3为晶闸管控制驱动模块，同步信号取自交流电源。仿真图中晶闸管的并联电压吸收支路已设定在模块内部。

三相半波有源逆变电路及仿真连接如图4所示。与整流电路相比，逆变电路的不同之处在于：在负载端接入的是反向的直流电动势，且电势稍大于变流电路直流电压的平均值。电路需要满足触发角90°<α<180°才可以在逆变状态工作。

实际电路晶闸管模型分析及仿真验证

一般将晶闸管作为整流电路的理想器件，即：晶闸管只具有对电流的开通和关断作用，当阳极与阴极电压差大于零时，只要提供有效触发脉冲即可导通，当电流低于维持电流时，晶闸管就会关断。

上海电力学院电力电子实验装置中晶闸管及其保护电路模型如图5a所示，其中FUSE为过流保护用保险丝，电容C与电阻R组成了du/dt吸收电路。各元件型号及参数如下：VT为 KP5；FUSE为2.5A；R为120 Ω/8 W；C为0.047 μF/250 V。当三相晶闸管均关断时，电路中存在3个吸收电路先并联再与负载电路串联工作的情况。假设3条支路器件参数完全相同，简化电路模型如图5b所示。其中，等效电路有如下数量关系: 等效电容C_e=C₁//C₂//C₃=C₁ C₂ C₃，等效电阻R_e=R₁//R₂//R₃ R。

实际电路变压器模型分析及仿真验证

对于有源逆变电路中开关切换时刻出现的电压振荡现象，由电路知识可知，该现象必然与电感和电容有关。通过本文对晶闸管模型的分析可知，晶闸管本身并联的du/dt吸收电路含有电容，而且逆变电路始终工作在连续状态，即任意时刻有且只有一个晶闸管导通。当晶闸管处于导通状态时，缓冲电路被短路，电容不参与振荡。因此，电路中必然存在其他元件含有电容参数，而且这一电容参数就在变压器中。

在实验过程中发现，三相市电需经过三相变压器降压至电路工作电压。而原始仿真中只是通过等效出的工作电压接入电路，因此将导致变压器模型理想化，并将引入仿真误差。理想的变压器是指忽略磁路饱和、磁滞损耗、涡流损耗、分布参数等因素，只要满足关系V₁/V₂=n₁/n₂，I₁/I₂=n₂/n₁的变压器，在理想变压器中原副边只有磁联系，而无电联系。 2100433B

( 1)有源电路和无源电路术语在理想电路和实际电路中的含义有所不同。因此，理想电路应使用理想有源电路和理想无源电路术语，实际电路应使用实际有源电路和实际无源电路术语。在不会造成不良后果的情况下，方可将理想有源电路和实际有源电路术语统一简称为有源电路，将理想无源电路和实际无源电路术语统一简称为无源电路。

( 2) 实际有源电路和实际无源电路术语的定义是明确的，同实际电路的对应是直接的; 理想有源电路和理想无源电路术语的定义是明确的，但在电路中是否存在有源元件方面，与电路模型之间不能建立明确的对应关系，容易引起歧义。因此，在电路教材以及其他的电路理论文献中，应小心使用有源电 路和无源电路这样的术语。在必要时应使用有独立 源电路、无独立源电路、无独立源有受控源电路和无 独立源无受控源电路等术语，以避免产生问题。

《模拟电路及其实际操作技能问答》以问答形式，深入浅出地讲述了模拟电路的基础知识及其实用技能。《模拟电路及其实际操作技能问答》主要内容有：半导体器件、晶体管放大器、放大器中的负反馈、正弦波振荡器、集成运算放大器、低频功率放大器、直流稳压电源以及模拟电路在音响设备中的应用。 《模拟电路及其实际操作技能问答》可作为模拟电路初学者特别是初级无线电爱好者的自学读物，也可作为电子技术职业学校的教材，还可供音响设备维修人员参考。

电池

假设电池组内部的几个单电池以串联方式连接成电源，则此电源两端的电压是所有单电池两端的电压的代数和。例如，一个电动势为12伏特的汽车电池（automotive battery）是由六个2伏特单电池以串联方式构成。