基于Multisim的直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

0. 前言

EDA技術(shù)發(fā)展迅猛，已在科研、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造及教學(xué)等各方面都發(fā)揮著巨火的作用。EDA代表了當(dāng)今電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最新發(fā)展方向，利用EDA工具，電子工程師不僅可以在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品，還可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計(jì)、模擬實(shí)驗(yàn)、性能分忻、到設(shè)計(jì)出PCB印制板的整個(gè)過程在計(jì)算機(jī)上處理完成。在教學(xué)方面，幾乎所有理工科的高校都開設(shè)了EDA課程，學(xué)生通過EDA的學(xué)習(xí)演練，掌握用EDA技術(shù)進(jìn)行電子電路的設(shè)計(jì)、《電子技術(shù)基礎(chǔ)》課程的模擬仿真實(shí)驗(yàn)，從而為今后從事電子技術(shù)設(shè)計(jì)工作打下基礎(chǔ)。

2001是電子電路設(shè)計(jì)與仿真方面的EDA軟件。由于Multisim2001的最強(qiáng)大功能是用于電路的設(shè)計(jì)與仿真，因此稱這種軟件叫做虛擬電子實(shí)驗(yàn)室或電子工作平臺(tái)。在任一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，利用Multisim2001均可以創(chuàng)建《電子技術(shù)基礎(chǔ)》虛擬實(shí)驗(yàn)室，從而改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，學(xué)生可把學(xué)到的《電子技術(shù)基礎(chǔ)》知識(shí)，應(yīng)用Multisim2001電路仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證。例如串聯(lián)型的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)是由整流、濾波和穩(wěn)壓三部分組成，橋式整流電路加上電容濾波后，使輸出的波形更平滑，穩(wěn)壓部分，一般有四個(gè)環(huán)節(jié)：調(diào)整環(huán)節(jié)、基準(zhǔn)電壓、比較放大器和取樣電路。當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載變動(dòng)引起輸出電壓Uo變化時(shí)，取樣電路將輸出電壓Uo的一部分饋送給比較放大器與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生的誤差電壓經(jīng)放大后去控制調(diào)整管的基極電流，自動(dòng)地改變調(diào)整管的集一射極間電壓，補(bǔ)償U(kuò)o的變化，從而維持輸出電壓慕本不變。

1. 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)并制作串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源，其輸出電壓UO=10V，輸出調(diào)整范圍為8～12V，額定輸出電流IL=100 mA，電網(wǎng)電源波動(dòng)±10%，穩(wěn)壓系數(shù)Sr<0.05，輸出電阻RO=0.05。工作溫度為25～40℃。

1.1 初選電路

根據(jù)設(shè)計(jì)題目要求，輸出電流為100mA較大，所以選用由兩個(gè)三極管組成的復(fù)合管，從穩(wěn)壓調(diào)節(jié)范圍考慮，選擇帶有可變電阻器的取樣電路，由此初選一個(gè)電路原理圖如圖1，通過參數(shù)計(jì)算和仿真測試，再重新考慮所選電路，使之滿足要求。最后在調(diào)試過程中進(jìn)一步確定電路及元件參數(shù)。

1.2 元件參數(shù)選擇

1.2.1 整流濾波電路

采用橋式整流，電容濾波電路。為了保證調(diào)整管始終工作在放大區(qū)，需要有一定的管壓降，根據(jù)計(jì)算得出U1=15V?？紤]到IL=100mA，加上通過R6、穩(wěn)壓管VZ的電流(取10mA)，取樣電路的電流(取20mA)。經(jīng)過整流二極管的電流ID=130mA。在實(shí)際電路中根據(jù)計(jì)算出的U1和ID來選取整流二極管，本例中選取3N259，濾波電容選取470μF/30V。

1.2.2 調(diào)整部分

調(diào)整管V1的選取原則是工作可靠。根據(jù)BUCEO≥UOMAX，ICM≥1.5IOM，選取V1為2N6703。

1.2.3 基準(zhǔn)電壓

選擇原則是使取樣電壓盡可能高一些，以更好地反映Uo的變化，一般取分壓比為(0.5～0.8)，穩(wěn)壓值在6V左右較好。所以選取穩(wěn)壓值為6.2V，型號(hào)為IN4735A的穩(wěn)壓管。

1.2.4 放大電路和取樣電路

選擇放大電路參數(shù)的原則是保證在電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流變化時(shí)放大電路都應(yīng)工作在放大區(qū)并且盡量提高放大倍數(shù)，以滿足穩(wěn)壓精度的要求。這里選取2N2222。

取樣電路，為了提高穩(wěn)定性，要使通過取樣電阻R7、RP、R8的電流比V4基極電流大得多，這樣才能保證分壓比的要求。但是電流太大時(shí)，取樣電阻上的損耗也大，這里取電流為20mA。根據(jù)計(jì)算選取R7=100Ω，R8=200Ω，RP=220Ω。

2. 編輯電路原理圖

2.1 放置元器件

在Windows桌面上，雙擊Multisim2001圖標(biāo)進(jìn)入程序主窗口，主窗口中最大的區(qū)域是電路工作區(qū)，在此可對(duì)電路原理圖進(jìn)行編輯和測試。首先，將初選電路原理圖中的所有元器件，分類從元器件庫中調(diào)出來。方法是在元器件庫工具欄中，單擊包含該元器件的圖標(biāo)，打開該元器件庫，從元器件庫中將該元器件拖拽至電路工作區(qū)。例如：放置V1，單擊三極管元器件庫圖標(biāo)，打開Transistors三極管元器件庫，三極管圖標(biāo)下的底紋有灰色和綠色，灰色是表示現(xiàn)實(shí)中存在的元器件，綠色表示在現(xiàn)實(shí)中不存在，是虛擬元器件。單擊灰色底紋的NPN型三極管，打開ComponentBrowser對(duì)話框，選擇2N6703，單擊OK，移動(dòng)鼠標(biāo)到合適位置，單擊鼠標(biāo)放下三極管。元器件方向不合適，在其上右鍵單擊，出現(xiàn)快捷菜單，在菜單上根據(jù)需要選擇鏡像、旋轉(zhuǎn)……。元器件V1需要執(zhí)行90CounterCW命令，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。到此為止，元器件V1放置完畢。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，以確保元器件分布合理、美觀。[!--empirenews.page--]

2.2 導(dǎo)線的連接

元器件放置完畢后，進(jìn)行連線，按照原理圖，將鼠標(biāo)指向元器件的管腳使其出現(xiàn)實(shí)心小十字，按下鼠標(biāo)左鍵，拖拽出一根導(dǎo)線并連接至相關(guān)元器件的管腳，同樣方法，正確完成所有導(dǎo)線的連接。至此原理圖編輯完成，如圖1所示。

2.3 儀器的調(diào)入

選用儀器可從儀器庫中將相應(yīng)的儀器圖標(biāo)拖拽至電路工作區(qū)，儀器圖標(biāo)上有連接端，用于將儀器連入電路，如圖2所示。本例中使用了萬用表、示波器。萬用表有兩個(gè)輸入端，示波器共有4個(gè)接線端(A通道端、B通道端、T觸發(fā)端、G接地端)。需要觀察測試波形時(shí)，可以雙擊儀器圖標(biāo)打開儀器面板，如圖2(a)，示波器顯示的是橋式整流后沒有濾波的波形，圖2(b)萬用表顯示的是輸出UO的數(shù)值。儀器的使用方法和實(shí)際儀器基本相同，萬用表的使用方法，首先要根據(jù)被測兩點(diǎn)的實(shí)際情況，用鼠標(biāo)選擇測量-還是交流～，然屙選抒測量電壓V、電流I或電阻R。示波器的使用方法，首先選擇工作模式Y(jié)/T，然后選擇A、B通道的輸入耦合開關(guān)，是直流DC、交流AC還是接地零。

3. 電路的仿真分析

3.1 仿真步驟

仿真分析開始前可雙擊儀器圖標(biāo)打開儀器面板。準(zhǔn)備觀察被測試波形。按下程序窗口右上角的啟動(dòng)/停止開關(guān)狀態(tài)為1，仿真分析開始。若再次按下，啟動(dòng)/停止升關(guān)狀態(tài)為0，仿真分析停止。電路啟動(dòng)后，需要調(diào)整示波器的時(shí)基和通道控制，使波形顯示正常。仿真后的的儀器工作狀態(tài)如圖3所示。

3.2 仿真輸出結(jié)果

3.2.1 整流濾波

在輸入端加人幅度U1=15V，頻率為50Hz的交流電壓，RL=100Ω，可用2001電子工作臺(tái)上提供的萬用表、示波器觀察濾波電路輸出結(jié)果。這時(shí)調(diào)節(jié)RP，使輸出UO在10V左右，從圖3中可以看到用萬用表測量出關(guān)鍵點(diǎn)的電壓U1=14.998V，UI=18.381V，UO=10.156V，用示波器A通道和B通道分別顯示整流濾波后電壓UI的波形和穩(wěn)壓輸出電壓Uo的波形，從示波器顯示窗口可以看山：上面一條鋸齒波曲線為UI波形，下面一條線為Uo波形。

3.2.2 穩(wěn)壓電路

模擬交流電網(wǎng)波動(dòng)±10%分別為13.5V和16.5V，頻率為50Hz交流電壓時(shí)的情況。首先改變輸入電壓信號(hào)，模擬電網(wǎng)波動(dòng)，用Multi-sim2001工作平臺(tái)操作比較簡單，只需用鼠標(biāo)對(duì)準(zhǔn)電壓源雙擊，根據(jù)屏幕顯示將其由15 V，分別改變?yōu)?3.5V、16.5V，這時(shí)測量的對(duì)應(yīng)的UI分別為16.280V和20.406V，輸出電壓UO為10.133V和10.181V。

3.2.3 過流保護(hù)電路

當(dāng)U1=15V，頻率為50Hz，分別改變RL。

當(dāng)RL=∞，Uo=10.160V;

當(dāng)RL=100Ω，IL=101.816mA，Uo=10.156V;

當(dāng)RL=10Ω，IL=160.075mA，Uo=1.601V;

當(dāng)RL=5.1Ω，IL=158.433mA，Uo=808.005mV，

當(dāng)當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，IL=156.741mA，Uo=156.74lpV。

從測量的數(shù)據(jù)看，本電路是一個(gè)限流型保護(hù)電路。

4. 與設(shè)計(jì)指標(biāo)比較校核[!--empirenews.page--]

4.1 輸出電壓

理論計(jì)算Uo=(R7′+R8′)(Vz+Ube4)/R8=10.196V。式中R7′=R7+RP′=265Ω，R8′=R8+RP″=255Ω，VZ=4.3V，Ube4=0.7V。式中RP′是RP的上半部分阻值，RP″是RP的下半部分阻值。用Multisim2001模擬仿真。使用萬用表實(shí)測輸出電壓為Uo=10.160V，測量輸出電壓Uo調(diào)節(jié)范圍當(dāng)U1=15V，頻率為50Hz，調(diào)節(jié)RP，即當(dāng)鍵盤字母為小寫狀態(tài)，連續(xù)按下A鍵，電位器滑動(dòng)頭向下移動(dòng)，直至最下端，這時(shí)測量Uo=13.29V：反之，當(dāng)鍵盤字母為大寫狀態(tài)，連續(xù)按下A鍵，電位器滑動(dòng)頭向上移動(dòng)，直至最上端，這時(shí)測量Uo=6.064V。

4.2 穩(wěn)壓系數(shù)Sr理論值的計(jì)算

本文相關(guān)DataSheet：

式中β4取值30，[rbe4+(1+β4)rz]取值1K， 為取樣電路的分壓比。用2001模擬仿真電子線路，根據(jù)屏幕顯示將其由15 V，改變?yōu)?3.5 V，這時(shí)測量的對(duì)應(yīng)UI分別為18.381V和16.280V，輸出電壓UO為10.156V和10.133V。

由此得出：

4.3 輸出電阻

用Multisim2001模擬仿真測量的數(shù)據(jù)：當(dāng)RL=∞， UO="10".160V; 當(dāng) RL="100"Ω，IL=101.816mA，Uo=10.156V;計(jì)算得出：

通過以上分析，串聯(lián)型的測量值和理論計(jì)算相符。實(shí)際線路滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。如果以上設(shè)計(jì)的電路通過模擬仿真分析，不符合設(shè)計(jì)要求，可通過逐漸改變?cè)骷?shù)，或更改元器件型號(hào)，使設(shè)計(jì)符合要求，最終確定出元器件參數(shù)。并可對(duì)更改的電路立即進(jìn)行仿真分析，觀察虛擬結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求，這在實(shí)際的電路板中是難以做到的。

5. 結(jié)束語

從上述例子可見，Multisim2001是一個(gè)開放的虛擬電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。既有它的優(yōu)越性，又有它的局限件。設(shè)計(jì)人員可以做各種類型的電子線路實(shí)驗(yàn)和實(shí)際電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)，但不能完全取代最終電路和實(shí)物測試，因?yàn)閷?shí)際電子線路，干擾現(xiàn)象是一個(gè)不好解決的難題，特別是高頻電路。之所以用Multi-sim2001模擬仿真，就是在制成實(shí)際電路之前能夠保證電路有大致正確的參數(shù)屬性，從而減少設(shè)計(jì)中不必要的彎路。在《電子技術(shù)基礎(chǔ)》教學(xué)中，運(yùn)用Multisim2001電路仿真軟件進(jìn)行教學(xué)，一方面可以驗(yàn)證理論知識(shí)，另一方面還可以設(shè)置一些故障，例如串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源中，調(diào)整管V1的c-e極斷路。先提問學(xué)生從理論上分析會(huì)出現(xiàn)什么問題，然后讓學(xué)生應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行仿真，來驗(yàn)證結(jié)果，從而拓展學(xué)生思維，進(jìn)一步促進(jìn)《電子技術(shù)基礎(chǔ)》的教學(xué)。因而我們可以看到，對(duì)于工程技術(shù)人員，合理運(yùn)用Multisim2001電路仿真軟件，可以節(jié)省大量人力、物力，縮短設(shè)計(jì)周期;對(duì)于教師教學(xué)，能夠理論聯(lián)系實(shí)際，強(qiáng)化學(xué)生實(shí)踐能力，培養(yǎng)出實(shí)用型人才。[!--empirenews.page--]