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基于Multisim的直流稳压电源设计

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基于Multisim的直流稳压电源设计


  杨瑞兰   翟学东


0.引言 


EDA技术发展迅猛,已在科研、产品设计与制造及教学等各方面都发挥着巨大的作用。EDA代表了当今电子产品设计的最新发展方向,利用EDA工具,电子工程师不仅可以在计算机上设计电子产品,还可以将电子产品从电路设计、模拟实验、性能分析、到设计出PCB印制板的整个过程在计算机上处理完成。在教学方面,几乎所有理工科的高校都开设了EDA课程,学生通过EDA的学习演练,掌握用EDA技术进行电子电路的设计、《电子技术基础》课程的模拟仿真实验,从而为今后从事电子技术设计工作打下基础。


Multisim2001是电子电路设计与仿真方面的EDA软件。由于Multisim2001的最强大功能是用于电路的设计与仿真,因此称这种软件叫做虚拟电子实验室或电子工作平台。在任一台计算机上,利用Multisim2001均可以创建《电子技术基础》虚拟实验室,从而改变传统的教学模式,学生可把学到的《电子技术基础》知识,应用Multisim2001电路仿真软件进行验证。例如串联型直流稳压电源的设计,该系统是由整流、滤波和稳压三部分组成,桥式整流电路加上电容滤波后,使输出的波形更平滑,并能够提高输出的直流电压;稳压部分,一般有四个环节:调整环节、基准电压、比较放大器和取样电路。当电网电压或负载变动引起输出电压Uo变化时,取样电路将输出电压Uo的一部分馈送给比较放大器与基准电压进行比较,产生的误差电压经放大后去控制调整管的基极电流,自动地改变调整管的集—射极间电压,补偿Uo的变化,从而维持输出电压基本不变。


1.直流稳压电源设计 


设计并制作串联型直流稳压电源,其输出电压UO=10V,输出调整范围为8~12V,额定输出电流IL=100 mA,电网电源波动±10%,稳压系数Sr005,输出电阻RO=005。工作温度为2540℃。


1.1初选电路


根据设计题目要求,输出电流为100mA较大,所以选用由两个三极管组成的复合管,从稳压调节范围考虑,选择带有可变电阻器的取样电路,由此初选一个电路原理图如图1,通过参数计算和仿真测试,再重新考虑所选电路,使之满足要求。最后在调试过程中进一步确定电路及元件参数。


1.2元件参数选择


1.2.1整流滤波电路


采用桥式整流,电容滤波电路。为了保证调整管始终工作在放大区,需要有一定的管压降,根据计算得出U1=15V。考虑到IL=100mA,加上通过R6、稳压管VZ的电流(取10mA),取样电路的电流(取20mA)。经过整流二极管的电流ID=130mA。在实际电路中根据计算出的U1ID来选取整流二极管,本例中选取3N259,滤波电容选取470μF/30V


1.2.2调整部分


   调整管V1的选取原则是工作可靠。根据BUCEOUOMAXICM1.5IOM,选取V12N6703


1.2.3基准电压


选择原则是使取样电压尽可能高一些,以更好地反映UO的变化,一般取分压比为(0.5~0.8),稳压值在6V左右较好。所以选取稳压值为6.2V,型号为IN4735A的稳压管。


1.2.4放大电路和取样电路


选择放大电路参数的原则是保证在电网电压或负载电流变化时放大电路都应工作在放大区并且尽量提高放大倍数,以满足稳压精度的要求。这里选取2N2222


取样电路,为了提高稳定性,要使通过取样电阻R7RPR8的电流比V4基极电流大得多,这样才能保证分压比的要求。但是电流太大时,取样电阻上的损耗也大,这里取电流为20mA。根据计算选取R7=100Ω,R8=200Ω,RP=220Ω。


2编辑电路原理图


2.1  放置元器件   Windows桌面上,双击Multisim2001图标进入程序主窗口,主窗口中最大的区域是电路工作区,在此可对电路原理图进行编辑和测试。首先,将初选电路原理图中的所有元器件,分类从元器件库中调出来。方法是在元器件库工具栏中,单击包含该元器件的图标,打开该元器件库,从元器件库中将该元器件拖拽至电路工作区。例如:放置V1,单击三极管元器件库图标,打开Transistors三极管元器件库,三极管图标下的底纹有灰色和绿色,灰色是表示现实中存在的元器件,绿色表示在现实中不存在,是虚拟元器件。单击灰色底纹的NPN型三极管,打开Component Browser对话框,选择2N6703,单击OK,移动鼠标到合适位置,单击鼠标放下三极管。元器件方向不合适,在其上右键单击,出现快捷菜单,在菜单上根据需要选择镜像、旋转……。元器件V1需要执行90CounterCW命令,逆时针旋转90o。到此为止,元器件V1放置完毕。利用此方法依次放置所有元器件。元器件放置完后,要精心布局元器件的放置位置,以确保元器件分布合理、美观。








1  串联型直流稳压电源原理图







UI







UO

2.2导线的连接  元器件放置完毕后,进行连线,按照原理图,将鼠标指向元器件的管脚使其出现实心小十字,按下鼠标左键,拖拽出一根导线并连接至相关元器件的管脚,同样方法,正确完成所有导线的连接。至此原理图编辑完成,如图1所示。


 









 

2.3 仪器的调入


选用仪器可以从仪器库中将相应的仪器图标拖拽至电路工作区,仪器图标上有连接端,用于将仪器连入电路,如图1所示。本例中使用了万用表、示波器。万用表有两个输入端,示波器共有4个接线端(A通道端、B通道端、T触发端、G接地端)。需要观察测试波形时,可以双击仪器图标打开仪器面板, 如图2a),示波器显示的是桥式整流后没有滤波的波形,图2b)万用表显示的是输出UO的数值。仪器的使用方法和实际仪器基本相同,万用表的使用方法,首先要根据被测两点的实际情况,用鼠标选择测量直流—还是交流~,然后选择测量电压V、电流I或电阻R。示波器的使用方法,首先选择工作模式Y/T,然后选择A B通道的输入耦合开关,是直流DC、交流AC还是接地零。









(b)







2  仪器工作状态







(a)

3 电路的仿真分析


3.1 仿真步骤


仿真分析开始前可双击仪器图标打开仪器面板,准备观察被测试波形。按下程序窗口右上角的启动/停止开关状态为1,仿真分析开始。若再次按下,启动/停止开关状态为0,仿真分析停止。电路启动后,需要调整示波器的时基和通道控制,使波形显示正常。仿真后的的仪器工作状态如图3所示。


3.2 仿真输出结果








UI

3.2.1整流滤波 在输入端加入幅度U1=15V,频率为50Hz的交流电压, RL=100Ω,可用Multisim2001电子工作台上提供的万用表、示波器观察滤波电路输出结果。这时调节RP,使输出UO10V左右,从图3中可以看到用万用表测量出关键点的电压U1=14.998V, UI=18.381VUO=10.156V,用示波器A通道和B通道分别显示整流滤波后电压UI的波形和稳压输出电压UO的波形,从示波器显示窗口可以看出:上面一条锯齿波曲线为UI波形,下面一条线为UO波形。








3 仿真时电路关键点电压值、波形图







UI







UO

3.2.2稳压电路 模拟交流电网波动±10%分别为13.5V16.5V,频率为50Hz交流电压时的情况。首先改变输入电压信号,模拟电网波动,用Multisim2001工作平台操作比较简单,只需用鼠标对准电压源双击,根据屏幕显示将其由15 V,分别改变为13.5V16.5V,这时测量的对应的UI分别为16.280V20.406V,输出电压UO10.133V10.181V



3.2.3过流保护电路  U1=15V,频率为50Hz,分别改变RL


RL=∞, UO=10.160V


RL=100Ω,IL=101.816mA UO=10.156V


RL=10Ω,IL=160.075mA UO=1.601V


RL=5.1Ω,IL=158.433mA UO=808.005mV


当负载短路时IL=156.741mA UO=156.741pV


从测量的数据看,本电路是一个限流型保护电路。


4 与设计指标比较校核


4.1 输出电压


 理论计算U0=(R7ˊ+R8ˊ)(VZUbe4)/R8ˊ=10196V。式中R7ˊ=R7+RPˊ=265Ω,


R8ˊ=R8+RP”=255Ω,VZ=4.3V,Ube4=0.7V。式中RPˊ是RP的上半部分阻值,RP”RP的下半部分阻值。


Multisim2001模拟仿真,使用万用表实测输出电压为UO10.160V,


测量稳压电源输出电压UO 调节范围


U1=15V,频率为50Hz,调节RP,即当键盘字母为小写状态,连续按下A键,电位器滑动头向下移动,直至最下端,这时测量UO=13.29V;反之,当键盘字母为大写状态,连续按下A键,电位器滑动头向上移动,直至最上端,这时测量UO=6.064V


4.2  稳压系数Sr理论值的计算


 


  
   式中β4取值30[rbe4+(1+β4)rz] 取值1K 为取样电路的分压比。用Multisim2001模拟仿真电子线路,根据屏幕显示将其由15 V,改变为13.5 V,这时测量的对应UI分别为18.381V16.280V,输出电压UO10.156V10.133V由此得出:

 



4.3输出电阻


Multisim2001模拟仿真测量的数据:RL=∞, UO=10.160V;当RL=100Ω,IL=101.816mA UO=10.156V;计算得出:


    (Ω)  


 


通过以上分析,串联型直流稳压电源的测量值和理论计算相符,实际线路满足设计指标要求。如果以上设计的电路通过模拟仿真分析,不符合设计要求,可通过逐渐改变元器件参数,或更改元器件型号,使设计符合要求,最终确定出元器件参数。并可对更改的电路立即进行仿真分析,观察虚拟结果是否满足设计要求,这在实际的电路板中是难以做到的。


5 结束语


从上述例子可见,是一个开放的虚拟电子实验平台。既有它的优越性,又有它的局限性。设计人员可以做各种类型的电子线路实验和实际电子产品设计,但不能完全取代最终电路和实物测试,因为实际电子线路,干扰现象是一个不好解决的难题,特别是高频电路。之所以用Multisim2001模拟仿真,就是在制成实际电路之前能够保证电路有大致正确的参数属性,从而减少设计中不必要的弯路。在《电子技术基础》教学中,运用Multisim2001电路仿真软件进行教学,一方面可以验证理论知识,另一方面还可以设置一些故障,例如串联型直流稳压电源中,调整管V1c-e极断路,先提问学生从理论上分析会出现什么问题,然后让学生应用仿真软件进行仿真,来验证结果,从而拓展学生思维,进一步促进《电子技术基础》的教学。因而我们可以看到,对于工程技术人员,合理运用Multisim2001电路仿真软件,可以节省大量人力、物力,缩短设计周期;对于教师教学,能够理论联系实际,强化学生实践能力,培养出实用型人才。

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