基于Multisim的直流稳压电源设计

2万 · 2014-8-19 22:30

　　0. 前言

　　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火的作用。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、性能分忻、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，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一射极间电压，补偿Uo的变化，从而维持输出电压慕本不变。

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　　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Sr<0.05，输出电阻RO=0.05。工作温度为25～40℃。

　　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。

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　　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U1和ID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BUCEO≥UOMAX，ICM≥1.5IOM，选取V1为2N6703。

　　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。

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　　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R7、RP、R8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。

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　　2. 编辑电路原理图

　　2.1 放置元器件

　　在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ComponentBrowser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90°。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。

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　　2 Multisim10在直流稳压电源设计中的应用
　　设计并制作一个连续可调的串联型直流稳压电源。技术参数要求：其输出电压0-18V连续可调，允许误差范围±0.2V，额定输出电流I=200 mA，AC：220V±10％ 50HZ±2HZ 输出电阻R0=0.05。稳压系数Sr<0.05，工作温度为25～40℃。
　　2.1 初选电路
　　本电路由整流、滤波电路、稳压电路、过流保护电路组成。根据原理图利用Multisim10建立仿真图，模拟仿真（如图1）。

　　　　　　　　　　　图1 可调式直流稳压电源原理图

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　2.2 元件的选择
　　2.2.1 电源变压器
　　变压器由两组次级线圈组成，一组变压为20V/0.9A，一组变压为14V/0.1A。根据变压比与匝数比的关系公式：
　　即：第一组线圈的匝数比为　
　　第二组线圈的匝数比为　
　　2.2.2 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=28V。考虑到IL=500mA，取样电路的电流取10mA。经过整流二极管的电流ID=510mA。在实际电路中根据计算出的U1和ID来选取整流二极管，本例中选取3N253，滤波电容选取2200μF／50V。
　　2.2.3 调整部分
　　调整管V1的选取原则是工作可靠性。根据BU≥U，I≥1.5I，选取V1为2N6740。
　　2.2.4 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U0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。

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　　2.2.5 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2N5551。
　　取样电路，为了提高稳定性，要使通过取样电阻R8、R9的电流比LM358的5脚（同相输入端）输入电流大得多，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10mA。根据计算选取R8=2KΩ，R9=1KΩ，R6=10KΩ。

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　　2.3 编辑电路仿真原理图
　打开multisim10软件，建立新的文件，按照电路原理图将元器件放置到文件中，连接电路。连接电路非常简单，器件间的连线直接点击引脚即可连接（如图2）。

图2 可调式直流稳压电源仿真原理图

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2.4 电路的仿真分析
2.4.1 电路仿真数据示意图
图2所示，电路连接完毕后通过软件仿真得到的数据。

图3 电路仿真数据示意图

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2.4.2 仿真数据结果
(1) 整流滤波
在输入端加人220V/ 50Hz的交流电压，RL=∞Ω，用Multisim10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。调节电压调节电位器使之最大，使输出U0为最大18V，从图3中可以看到用万用表测量出关键点的电压probe3( UI=25.9V)，probe1(基准点压=6V)，probe2(取样电压=6V),probe5(U0=18V)，用示波器A通道和B通道分别显示整流滤波后电压UI的交流分量波形和稳压输出电压U0的交流分量波形，从示波器显示窗口可以看出：输出的电压有交流成分，频率为100HZ，峰峰值为342mv。
(2) 稳压电路
模拟交流电网波动±10％分别为198V和242V，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，根据屏幕显示将其由220V，分别改变为198V、242V，这时测量的对应的UI分别为22.8V和28.7V，输出电压U0为18V和18V。

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(3) 过流保护电路
当UI=220V，频率为50Hz，分别改变RL。（如表1）
表1 负载变化对照输出电量变化情况表

	∞	100Ω	10Ω	5.1Ω	0Ω
输出电流IL	0	178.87mA	1.071A	760.313mA	302.408mA
输出电压UO	17.894V	17.885V	10.756V	3.88V	0V

从测量的数据看，本电路是一个利用Q3三极管进行对电路过流进行保护，当电路发生过流现象时则Q3烧坏。

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2.5 与设计指标校核
2.5.1 输出电压
理论计算U0==18V，式中R=2K，R=1k ,V=6V，利用运算放大器的虚断概念，电阻R上没有电流流过，或是很小。用Multisim10模拟仿真,使用万用表实测输出电压为U0=18V，测量稳压电源输出电压U0调节范围当UI=220V，频率50Hz，调节RW，即输出电压调节电位器，得到0至18V的直流电压。因为RW为2W高精度多圈电位器，因而能够实现0-18V连续可调。
　2.5.2 稳压系数Sr的理论计算
　理论值计算 A==－=1275
Sr===0.029＜0.05
式中取50，取200，n为取样电阻的分压比=1/3
用Multisim10模拟仿真电子线路，根据屏幕显示将其由220 V，改变为198V，这时测量的对应UI分别为25.9V和22.8V，输出电压U0为17.894V和17.874V。
Sr==≈0.008＜0.05

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2.5.3 输出电阻
用Multisim10模拟仿真测量的数据：当RL=∞，U0=17.894V 当 RL=100Ω，IL=178.87mA，U0=17.885V；计算得出：
R=0.009/178.87mA=0.05Ω
　　3 结论
　　通过以上分析，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，可通过逐渐改变元件参数，或更改元件型号，使设计符合要求，最终确定出元件参数。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。因而可以看出，对于工程技术人员，合理运用Multisim10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。