LTspice在电工电子技术的应用

摘要：“电工电子技术”是机电类专业的一门基础课程，它主要包括电工技术和电子技术。该课程理论分析较多，同时也需要较多的波形展示，这给教师教学过程带来不便。本文利用LTspice仿真软件，可使课堂教学效果得到改善，同时也有助于提高学生的学习主动性。本文以几个经典电路为例介绍LTspice的使用方法及仿真实验分析，通过仿真所得波形结果验证理论分析，又通过理论分析加深理解波形结果，二者相符形成。仿真进课堂的教学方式提高了学生的学习兴趣与探索能力，有助于学生对后续实训实验课程的理解。

关键词：电工电子技术；LTspice；电路仿真

“电工电子技术”是机电类专业的基础课程，该课程主要介绍了电路原理、模拟电路、数字电路等方面的基本理论及应用技术[1]。它既具有较深的理论性，又具有较强的工程实用性，同时，电路及电路器件也与人们的日常生活息息相关，已经是现代社会不可或缺的基本组成部分。笔者在“电工电子技术”教学过程中发现，传统的教学方式，例如板书、课件播放等，在展示电路波形时，存在不直观、不灵活的缺点。尽管可以将部分电学实验器材带进课堂，实物演示并进行实验，但是能带进课堂并展示的电路非常有限，而且存在电路参数不易调节、电路器件容易损坏、电路结构及输出结果不易展示的缺点，同时，安全性也是一个必须考虑的问题。为改进教学手段，提高教学效果，加深学生对电路基本知识的理解，笔者尝试在课堂教学中引入电路仿真技术，在课堂上通过快速搭建仿真模型、合理修改电路参数对比输出结果，使理论分析得以验证。文献[2-5]讨论了Multisim、Proteus、Tina等电路仿真软件在电工电子技术教学、电路设计方面的应用。为避免版权纠纷、尊重软件知识产权，笔者使用LTspice进行课堂教学，相比于Multisim、Proteus、Tina等商业软件，它不仅免费，而且具有仿真精度高、易使用、可扩展性强的特点，能够满足课堂教学的需要。

1模拟电路仿真

1.1二极管保护电路

电路中若存在感性器件，如图1所示，则开关断开的瞬间，电感L1因电流突然中断会产生一个高于电压源很多倍的自感电动势。在LTspice中搭建仿真模型，如图2所示。开关S1由电压源B1触发，S1的触发正端电压值为正值时，开关导通；S1的触发正端电压值为负值时，开关截止。运行仿真后，在第1秒时S1截至，电感L1上的自感电动势如图3所示，从图可见，在开关截止的瞬间，电感产生了远超电压源的自感电动势，若不加保护措施，此自感电动势会对电路造成严重的冲击，甚至破坏元器件。为保护电路，延长其使用寿命，需要在电感L1上并联一个泄放二极管，如图4所示。这样，电感L1和二极管D1形成闭合回路，使自感电动势大幅减小，从而保护电路，开关截止瞬间的波形如图5所示。

1.2晶体管放大电路

在LTspice中，根据图6进行直流扫描，得到晶体管2N4401的伏安特性曲线，如图7所示，从而得到晶体管的一个直流静态工作点：搭建共射极分压式偏置放大电路，如图8所示，利用LTspice的“.op”命令，查看该电路的直流静态工作点，有IBQ40.0415A=µ，ICQ6.75272mA=，UCEQ4.97463V=，根据式（1）：由于10CCU=V，UCEQ5V≈，这表明此电路的静态工作点是合理的，能够避免信号波形失真。该放大电路的电压输入输出曲线如图9所示，从图中可见，输出波形符合共射极放大电路的波形特征，并且电压放大倍数20uA≈。

1.3同相比例运算电路

同相比例运算电路的仿真模型如图10所示，其电压放大倍数为式（2）：(2)平衡电阻312R=R//R=5kΩ，该电路的输入输出波形如图11所示。从图11可见，输出波形满足指定的电压放大倍数，并且符合同相比例运算电路的波形特征。

2数字电路仿真

由555定时器构成的施密特触发器如图12所示，其输入输出波形如图13所示，可见该电路的输入输出波形满足施密特触发器的波形特征。

3结语

电路仿真是深入理解电路原理的有效手段，对电路设计与电路分析也极具时效性。用好仿真，能使课堂教学生动形象，达到所见即所得的效果。运用仿真技术，学生在学习过程中能够验证自己的想法与创意，这是一个知识深化的过程。同时，也应该认识到，一项成功的仿真过程依赖于对电路原理的深刻理解。仿真技术与电路原理，二者相辅相成。在仿真进课堂的教学实践中，教师的角色，不仅在于引导学生正确使用仿真工具，更重要的是能够从众多的可能性中分辨与解释引起错误仿真结果的真正原因所在。

作者：王高腾 李永涛 单位：兰考三农职业学院 智能制造系 兰考三农职业学院