基于Multisim10的直流稳压电源的设计

1万 · 2014-8-26 20:14

　　1 引言
　　Multisim10是NI公司下属Electronics Workbench Group近期发布的，是交互式SPICE仿真和电路分析软件的最新版本，专用于原理图的捕获、交互式仿真、电路板设计和集成测试。这个平台将虚拟仪器技术的灵活性扩展到了电子设计者的工作台上，弥补了测试与设计功能之间的缺口。工程师能够非常方便地比较仿真和真实的数据，回避了设计上的反复，减少原型错误并缩短产品上市时间。
　　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

1万 · 2014-8-26 20:14

　　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。
　　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。

1万 · 2014-8-26 20:15

　　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。

1万 · 2014-8-26 20:15

(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。

基于Multisim10的直流稳压电源的设计

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