Multisim仿真在耦合電感教學中的應用研究

童靜 周冬婉

摘要：本文介紹了含有耦合電感的傳統汽車點火系統的工作原理，在此基礎上建立其簡化的電路模型，并針對模型進行深入的理論分析和數值計算，由此更好地詮釋了汽車點火系統的工作過程。針對電路模型設計了Multisim仿真電路，仿真實驗的結果很好地驗證了理論分析的正確性。

關鍵詞：耦合電感；汽車點火系統；Multisim仿真

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）47-0176-02

“電路理論”課程中耦合電感一章是應用背景較強的章節之一，其中汽車點火系統就是包含有耦合電感電路的一個應用案例，學生在學習了相關基礎知識之后，若能靈活應用并分析實例，將極大提升他們的理論水平和工程實踐能力。傳統的“電路理論”課程對于理論的講解比較多，概念抽象，學生對教學內容缺乏感性認識，學習起來有難度。Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術可以很好地解決理論教學與實際動手實驗相脫節的問題[1]。通過在教學中引入Multisim仿真，將理論講授與仿真實驗相結合，可以讓電路分析簡單化、形象化，能夠激發學生的學習興趣，取得良好的學習效果。

一、汽車點火系統的工作原理

點火系統是汽油發動機重要的組成部分，它的作用是在適當的時刻點燃被壓縮的油氣混合氣并使其燃燒。汽車點火系統自從問世以來，發展較快，種類較多，但其基本原理是相似的。按發展過程來分，汽車點火系統主要有：傳統觸點式點火系統、普通電子點火系統和微機控制電子點火系統等三類[2]。下面就以傳統觸點式點火系統為例，介紹點火系統的組成和工作原理。

傳統汽車點火系統一般由蓄電池、點火鑰匙、點火觸點與冷凝器、點火線圈、配電器和火花塞組成，如圖1所示。

點火系統的目的就是為了產生一個火花，用以依次點燃引擎汽缸里的燃料空氣混合氣。未點火時，點火觸點處于閉合狀態，初級線圈有12A初始電流流過；當t=0時刻，汽車鑰匙點火時，點火觸點打開，12V蓄電池的電壓通過冷凝器連接點火線圈，會在次級產生2萬伏到5萬伏左右的高壓，這個高壓通過配電器在恰當的時刻、按照恰當的順序送至各個汽缸對應的火花塞，火花塞的頂部有一個很小的缺口，尖端接地，因此加上高壓后會在這個缺口間產生電火花，以點燃汽缸中的燃料空氣混合氣。

二、電路模型的構建和理論分析

根據汽車點火系統的工作原理，可以得到它的簡化的電路模型，如圖2所示。

其中，串聯的1歐姆的電阻用于分壓，防止觸點過度磨損。冷凝器由一個可以存儲少量電能的電容構成，當觸點打開時，觸點兩端的電流會尋找一切可能的路徑越過觸點的缺口，如果不加電容，這個觸點會很快燒毀，為了避免這種情況，因而增加電容提供一條通路，使電流流過。

下面對該電路模型做理論分析。假定在初始時點火觸點一直閉合，在t=0時，觸點打開，則初級線圈上的初始電流為12/1=12A。由于次級接的是火花塞，相當于開路，不會對初級產生影響，因此可以構建電路的S域模型如圖3所示。

從表達式（3）可以看出，這是一個二階欠阻尼的振蕩響應，次級升壓達到了約3萬6千伏，這個高電壓足以在火花塞上產生電火花用以點火。

三、Multisim仿真分析

基于圖2汽車點火系統的簡化電路模型，我們構建了Multisim仿真電路，如圖4所示。其中，點火線圈用互感模型來進行模擬，示波器的兩個通道分別測量初級回路的電流和次級線圈上的電壓。

正如電路模型的理論分析，t=0時開關S1由閉合到打開，此時初級回路相當于二階電路，產生的是一個欠阻尼振蕩響應的電流，再通過互感線圈，能在次級線圈上產生一個振蕩衰減的高電壓，用于產生電火花，振蕩波形如圖5、圖6所示。

值得注意的是，運行仿真程序的過程和電路模型的理論分析略有不同。在電路模型分析中，假定初始時點火觸點一直閉合，在t=0時，觸點打開，通過計算得到初級線圈上的初始電流為12A。而在仿真過程中為了動態地得到這個12A的初始電流，在t=0之前，首先讓開關S1打開，然后閉合開關S1，此時電容C1被開關短路，電路相當于一階電路，電壓源對初級線圈進行充電，電流呈指數增加，達到穩態后可得到這個12A的初始電流。這個過程如圖5中t=0處左邊波形所示，而對應的次級線圈上的電壓突變后呈指數減小，如圖6中t=0處左邊波形所示。從幅值可以看出，雖然電流和電壓有變化，但是次級并沒有產生高壓，即一階電路不能產生振蕩，無法通過互感線圈產生高電壓。只有隨后t=0時將開關由閉合到打開，初級回路變成二階電路，得到一個二階欠阻尼振蕩電流，方能在次級線圈上產生高電壓。

針對“電路理論”課程耦合電感一章設計一個仿真應用案例。應用案例以傳統汽車點火系統的工作原理為基礎，構建了其簡化的電路模型，然后對電路模型進行了理論分析和數值計算，最后給出電路的Multisim仿真波形。通過應用案例的學習，學生可以從實際應用、理論分析和電路仿真三個角度深入理解汽車點火系統的工作原理，進一步理解含有耦合電感電路的分析和計算。

參考文獻：

[1]顏芳，宋焱翼，謝禮瑩，李新科.基于Multisim的電路原理課程仿真實驗設計[J].實驗技術與管理，2013，（05）：59-62.

[2]任慶平，李恒賓.汽車點火系統仿真分析[J].青海交通科技，2012，（01）：66-68.