上海市医药学校 陈 欢

为了让学生充分的了解电路的故障现象，运用Multisim电路仿真软件，通过对正常工作电路和故障电路的观测，形成故障对照表（如表1所示），结合实际电路实验，丰富学生对电路故障现象的认识，在不断的试错过程中培养学生精益求精的学习态度。

随着科技的发展，各行各业对于电的需求越来越多，而电也在通过各种应用形式融入了我们的生活和工作中。电工和电子技术是很多专业的专业基础课程，在教学过程中也通常强调学生的动手能力的培养，但往往我们希望的是学生能够按照正确的步骤去完成正确的操作，却缺少对“错误”的正确认识，也缺少对“错误”的正确判断。而真正的技术能手正是在一次次“错误”的积累下培养起来的。基于此，笔者在教学过程中，借助Multisim的仿真电路实验，通过电路的故障实验，了解各种元件损坏后，对电路的影响，通过电路的故障实验，观察短路等特殊情况下的电路现象。

1 电路故障实验的意义与实现

电路故障分主要分为短路（Short）和断路（Open）两种，而短路故障中的电源短路和用电器短路两种，其中电源短路在实际电路中会产生严重的后果，导致电流过大而烧坏电源，而用电器短路会在一些特殊需求的电路中出现，从而起到不同的控制要求，一般不会造成较大的后果。而断路故障，除了导线的接触不良外，还有各种元器件的损坏引起的电路故障，其电路的表现形式与元器件在电路中的作用有关。此外，Multisim还为用户提供了漏电阻（Leakage）故障，不作为本文的重点。

对于大多数人，所看到的电路表现都是正常的，反而看到的故障电路现象比较少，有些现象可能只有一瞬间，根本无法捕捉到电路的具体表现。这就让电路故障只停留在电路分析上，无法使理论与实际联系起来，这不利于学生形成经验性知识。电路故障实验就是为了让学生能够看到在故障情况下，电路的具体表现，如负载两端的电压、流过负载的电流、中间电路各点的波形等等。通过正常电路和故障电路的参数比较，总结出故障的现象以及造成故障的原因。

鉴于电路故障的难以重现，以及电路故障可能造成的危险性等原因，借助Multisim进行仿真电路实验就成为了最佳方案。而Multisim强大的元件库，还为不同型号元件的替换提供了可能，可以通过调整元件值，观察到元件值大小对电路的影响，从而为实际电路中元件的选择提供了参考。

2 仿真电路故障实验的实施步骤

一方面在教学过程中需要培养学生不断去尝试的探究精神，另一方面也要引导学生形成正确的探究的路径，从而将理论与实践相结合，并总结出自己的经验。一般仿真电路故障实验可以按以下的步骤进行，对于初学者可以从单一故障逐步变为多故障观测。

（1）制定电路故障实验方案，设计故障比对表

在进行电路故障实验之前，首先制定出电路故障实验方案，分析原电路中易发生故障的元器件，以及电路的关键检测点。设计试错顺序，形成故障对比表。

（2）正确电路的搭建与参数检测

根据原电路进行仿真电路的搭建，检测关键点的电流、电压以及波形图，作为故障实验的对比参数。

（3）设置元件短路故障

在原电路上，设置元件短路故障，观察短路后电流和电压的变化，尤其是电流的变化，结合安全用电常识、用电设备额定电流的要求，分析该元件短路后对实际电路造成的影响和后果。此时，仿真电路上的能够观测到的现象，在实际电路的测试中极有可能是会造成电路或检测仪器损坏的。

（4）设置元件断路故障

元件断路故障，造成后果较小，但电路中会出现的现象更为丰富和多变，可以直接在元件上设置断路，也可以在电路的支路上设置开关元件，进行不同故障的组合，从而观察元件断路后的具体现象，并进行记录。

（5）完整记录试错过程，形成故障对比表在试错过程中，需客观真实地记录检测数据，与正常的电路参数形成对比，获得故障对比表。

3 仿真电路故障实验的实例分析

以变压器桥式整流滤波稳压电路为例，该电路是所有学习电路知识的人都会学习的一个电路，具有非常典型的意义，对于学习者来说通过该电路的故障实验，能够对变压器、整流二极管、电容、稳压二极管等元件损坏对电路的影响有较为深刻的理解。

（1）电路故障实验方案

该电路中的主要元件有变压器、整流二极管、电容、稳压二极管以及限流电阻和负载电阻，在搭建电路过程中，同时进行逐段电路功能的观测，强化每个元件在电路中的具体作用与表现。在对正常工作的电路的分解观察后，电路的故障实验也就有了可对比的依据，可根据电路的复杂程度，元件的易损性，从单故障点到多故障进行逐一观察。

根据对电路图的分析，预设出需要进行万用表测量和示波器观测的点，设计故障对照表框架，方便在观测过程中增加观测点。

（2）电路的搭建与观测

在Multisim中按图1搭建电路，并观测和记录UC、UL、A点、B点的电压波形，以便于后续故障实验中与故障后的观测值进行比较。

在搭建过程中，按电路功能可进行逐步的搭建与观测，可分步进行图1整流电路、图2整流滤波电路、图3整流滤波稳压电路的搭建与观测。

图1与图2只相差一个滤波电容，但是其A点的观测结果是不一样的，如图3和图4所示，图1中A点的观测波形在增加滤波电容后（图2）就无法观测到，但这两次观测的结果，对于学生理解电容不断地充放电所形成的滤波作用是有帮助的。

表1 桥式整流电路故障对照表

图1 单相桥式整流电路

图2 单相桥式整流滤波电路

同时借助Multisim强大的元件库，引导学生改变元件值大小，来观察电路的变化。如：（1）不改变负载的情况下，调整滤波电容的大小，通过示波器观察A点的波形变化，归纳滤波电容大小对滤波效果的影响，即电容越大滤波效果越好；（2）不改变滤波电容的情况下，将负载改为可变电阻，来观察负载变大或变小后，对滤波效果的影响，得出负载电阻越大滤波效果越好的结论。

Multisim的元件库也是实验室所无法具备的，丰富的元件类型和型号，以及各种检测分析的仪器仪表，足以满学生进行各种电路的实验探究。

图5为完整的实验电路，需要增加B点作为观测点，A、B两点间的电阻R1为限流电阻，保证稳压二极管的正常工作，同样可以根据上面的方法，在不改变其他元件的情况下，调整R1的大小，来观察对稳压二极管的影响。最后来改变负载RL的大小，来观察在不同负载的情况下，稳压二极管是否能够起到稳压的作用。

在正常电路的观测过程中，加入调整元件大小、元件型号等情况的观测，有助于学生理解电路原理，从而在归纳总结故障现象与故障原因时更准确、迅速，同时培养学生精益求精的精神，不仅要达到电路功能的要求，也要选用最为合理和经济的元件，以达到降本增效的目的。

（3）设置元件的短路故障

短路故障在实验室是不允许发生，如图5所示电路中，一旦变压器次级短路，即该电路的次级会产生大电流，而将次级线圈直接烧坏，同时初级线圈的保险丝会急速断开，以保护电源，学生无法看到大电流的现象。而在仿真电路中，可以观测在短路发生后，短时间内的电路现象。当某一个整流二极管的短路时，仿真软件上可观测到负载上没有电压，几乎同时变压器次级被短路，变压器初级的保险丝在几秒后断开。其后的电容短路，会使变压器次级电路中只有4个整流二极管，从而产生较大的电流，而使变压器初级和次级的保险丝断开。以上均为元件短路后形成的电源短路现象，会造成保险丝断开，如不设置保险丝，则会造成严重后果。仿真电路实验，在进行故障实验中可以不考虑设备的损坏、不考虑电路故障的危险性，而让学生看到完整的故障现象，这也是运用仿真电路进行电路故障实验的最大优势。

图3 整流电路A点波形

图4 整流滤波电路A点波形

图5 变压器桥式整流滤波稳压电路

此处以稳压二极管短路为例，可以观测A点（滤波）、B点（稳压/负载）的电压波形。当稳压二极管短路后，将负载RL短路，图6（b）中未显示红色波形，其观测值视为0。同时可以看到，由于负载被短路，滤波电路中的电阻值变小，也使得滤波效果变差。

图6 稳压二极管正常与短路时A点（绿色）与B点（红色）的波形比较

（4）设置元件的断路故障

元件的断路故障对电路的损伤比较小，而且一般元件的故障也是以断路为主，可以观测在元件断路后，负载上的现象以及对其他电路元件的影响。同样以图5为例，设置电容的断路，观察示波器波形的变化。

当电容断开后，电路中因缺少滤波过程，稳压二极管在低于它的稳定电压值时，不具备稳压作用，超出其稳压值时，可以获得短时稳压，但从波形上看，似被削去了所有的波峰，但是波动很大，并不是我们想要获得的稳恒直流电。这一现象也为学生解答了“为什么不能在整流后直接进行滤波”的问题。

（5）完整记录试错过程，形成故障对照表

在设计故障对比表时，要留出一定的拓展性，以保证能够将实验过程中观测点的电流、电压以及波形都能够记录下来，并能够与正常工作的电路观测值进行直接的对比。可以运用电子表格进行记录，在需要时增加行和列，以满足实验记录需要，在记录波形图时，可以直接将仿真软件中的示波器显示的波形记录到故障对照表中，Multisim中提供了多种示波器，可以对多个观测点进行同步观察和比较。

完成故障对照表的记录后，需对其中的故障现象进行归类和总结，从而在遇到实际电路故障时，能够根据故障现象来推断可能出现的故障原因。

图7 电容正常与断开时A点（绿色）与B点（红色）的波形比较

4 仿真电路故障实验与实际电路实验的结合

根据图5所示电路，在Multisim上观测了各种元件故障后，为了让学生有最为直观的感受，同时也是为了加强学生实践操作的能力，仍然需要开展实际电路实验。根据仿真电路的故障对照表，在提供给学生的元件中，设置故障元件（一般为断路故障），在学生将电路搭建完成后，通过示波器和万用表进行观测，主动分析故障原因，再与故障对照表进行对比，确定故障点后，更换新的元件，再次进行观测，以确定故障是否被排除。学生可通过仿真电路与实际电路的对比，将理论与实际紧密联系起来。

电路故障实验对学生认识电路故障现象有很大的帮助，是未来从事电器或电子产品维修等工作的基础，但在实际教学过程中难以将众多的电路故障展现出来，且实验室的条件也无法覆盖所有的元件型号，只能从理论计算的角度来讨论元件值大小（或型号）对电路的影响，而Multisim为开展电路故障实验提供了良好的仿真环境，使不可能成为可能。