实际电路是指由电阻器、电容器、线圈、变压器、晶体管、运算放大器、传输线、电池、发电机和信号发生器等电气器件和设备连接而成的电路。它的主要功能是实现电能或电信号的产生、传输、转换和处理。

中文名

实际电路

外文名

Actual circuit

研究范围

用电设备

应用

物理

描述

电气器件和设备连接而成的电路

学科

物理

学术概念

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。

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

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

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

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

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

。由于长度元

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

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

和G。其中R代表单位长度线（包括来线与回线）的电阻；L代表单位长度来线与回线形成的电感；C和G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。

设计应用

研究背景

图1 单片机信号控制电机正反转的电路

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。

Proteus在实际电路中的应用

图2 图1运行时的效果图

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R、R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，R、R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V，用来模拟单片机输出信号。当V有10V电压信号输出，光耦6N137工作。此时，如果R、R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R、R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。

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。

工作波形

图3 三相半波整流电路及其Simulink仿真接线示意

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。

三相半波变流电路

图4 三相半波有源逆变电路及其仿真接线示意

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

。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

才可以在逆变状态工作。晶闸管模型分析及仿真验证

图 5 晶闸管的线路及其在整流电路中的等效模型

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

吸收电路。各元件型号及参数如下：VT为 KP5；FUSE为2.5A；R为

；C为

。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

，等效电阻

。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

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

的变压器，在理想变压器中原副边只有磁联系，而无电联系。