基于Multisim软件的串联型稳压电路设计

基于Multisim软件的串联型稳压电路设计第1页，共11页基于Multisim软件的串联型稳压电路设计解念念(安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆246011)指导教师：江巨浪摘要：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。，本文采用Multisim9仿真软件对串联型稳压电路的设计与参数的设定和分析，以及调整管的选择。关键字：Multisim9稳压电路串联型一、引言Multisim9是电子电路设计与仿真方面的EDA软件。由于Multisim9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Multisim9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Multisim9电路仿真软件进行验证。例如串联型直流稳压电路的设计，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，从而维持输出电压基本不变。二、稳压电路的理论分析与设计部分1电的组成和工作原理串联型稳压电路的原理图如图1.1所示，电路包括四个组成部分。采样电阻由电阻R1、R2和R3组成。当输入电压发生变化时，采样电阻对变化量进行采样，并传送到放大电路的反响输入端。放大电路放大电路的作用是将采样电阻送来的变化量进行放大，然后传送到调整管的基极。基准电压基准电压有稳压管ＶＤZ提供，接在放大电路的同向输入端。采样电压与基准电压进行比较，得到的差值再由放大电路进行放大。调整管调整管VT接在输入直流电压UI与输出端的负载电阻RL之间，当输出电压UO发生波动时，调整管的集电极电压产生相应的变化，使输出电压基本保持稳定。图1.1串联型稳压电路下面分析串联型直流稳压电路的稳压原理。假设由于Ui增大或IL减小而导致输出电压UO增大，则通过采样以后反馈到放大电路的反向输入端的电压UF也按比例的增大，但同相输入端的基准电压ＵＺ保持不变，故放大电路的差模输入电压Uid=UZ-UF将减小，于是放大电路的输出电压减小，使调整管的基极输入电压Ｕｂｅ减小，则调整管的集电极电流Ic随之减小，同时集电极电压Uce增大，最后使输出电压的UO保持基本不变。以上稳压过程可简明的表示如下：Ui或ILUOUFUidＵｂｅIcUOUce由此看出，串联型直流稳压电路的稳压过程，实质上是通过电压负反馈使输出电压保持基本稳定的过程。输出电压的调节部分串联型直流稳压电路的一个优点是允许输出电压在一定的范围内进行调节。这种调节可以通过改变采样电阻中电位器R2的滑动端位置来实现。定性的看，当R2的滑动端向上移动时，反馈电压UF增大，放大电路的差模输入电压减小，使调整管的Ube减小，则Uce增大，于是输入电压UO减小。反之，若R2的滑动端向下移动，则UO增大。在图1.1中，假设放大电路是理想运放，且工作在线性区，则可以认为其两个输入端“虚短”，则，在本电路中=Uz，=UF，故Uz=UF，而且两个输入端不取电流，则由图可得Uz=UF=则UO=（2.1）当R2的滑动端调至最上端时，R21=0，R22=R2，UO达到最小值，此时UO=(2.2)而当R2的滑动端调至最下端时，R21=R2，R22=0，UO达到最大值，可得UO=(2.3)调整管的选择调整管事串联型直流稳压电路的重要组成部分，担负着“调整”输出电压的重任。调整管不仅需要根据外界情况的变化，随时调整本身的管压降，以保持输出电压稳定，而且还要提供负载所要求的全部电流，因此管子的主要参数进行初步的估算。集电极最大允许电流ICM由图1,1可见，流过调整管集电极的电流，除负载电流IL以外，还有流入采样电阻的电流I，因此，调整管的集电极最大允许电流应为ICMIL+I（3.1）式中IL是负载电流的最大值。集电极和发射极之间的最大允许反向电压U稳压电路正常工作时，调整管上的电压降约为几伏。但若负载短路，则整流滤波电路的输出电压将全部加在调整管的两端。在电容滤波的电路中，输出电压最大值可能接近于变压器的二次电压的峰值，即U1，考虑电网电压可能有10的波动，因此，调整管的U应为UU=（3.2）式中U表示空载时的整流滤波电路的最大输出电压。集电极最大的耗散功率PCM调整管的功耗为Pc=UceIc=(Ui-UO)Ic可见，当电网电压最高，而输出电压最低，同时负载电流达到最大时，调整管的功耗最大。如果采用桥式整流、电容滤波电路，则U11.2U2。考虑到电网电压可能有10%的波动，因此，调整管的PCM应为PCM（U（3.3）另外，为了保证调整管工作在放大状态，通常使Uce=(3~8)V。由于Uce=U1-Uo，因此，整流滤波电路的输出电压，即稳压电路的输入直流电压应为Ui=+(3~8)V(3.4)则要求变压器二次电压为U21.1（3.5）电路设计及参数设定与求解在图1.1所示的稳压电路中，要求输出电压UO=（10~15）V。已选定基准电压的稳压管的稳定电压Uz=7V，最小电流I=5mA，最大电流=33mA。假设采样电阻的总阻值选定为2k左右，则R1、R2和R3三个电阻分别是多大估算基准稳压管的限流阻值R的阻值；估算稳压电路中的稳压管的极限参数。对于此设计分析与解答如下：由式（2.3）可知UO=故R3取R3=910。由式（2.2）可知UO=故则R2=取R2=510（电位器），则R1=取R1=560。在确定了采样电阻R1、R2、R3的阻值以后，再来验算输出电压的变化范围是否符合要求，此时输出电压的实际的变化范围为UO=（9.76~15.23）V,所以符合给定的要求。稳压电路的直流输入电压应为Ui=+(3~8)V=15V+(3~8)V=(18~23)V取Ui=23V,则变压器二次电压的有效值为基准电压支路的电阻R的作用是保证稳压管VDz的工作电流比较合适，通常使稳压管中的电流略大于其最小参考电流值。在图1.1中可认为Iz=故基准稳压管的限流电阻应为R取R=2。（4）根据稳压电路的各项参数，可知调整管的极限参数应为三稳压电路的仿真打开Multisim9的软件的工作界面，根据以上的例子画出原理图。在元件栏选择电阻电容等元器件，电阻的阻值根据以上的理论计算选取，运放选择AD644SH，以及调整管选择2N1711,稳压管选用1N4955（如图3.1）。利用电压表来测量输出的电压，并通过改变滑动变阻器的阻值来测量输出电压的范围，以及通过改变负载电阻的大小，来验证稳压电路的稳压特性。图3.1稳压电路的Multisim仿真原理图通过改变滑动变阻器的阻值来测量，输出电压UO的范围当滑动变阻器滑到100%时，按下仿真开关，观察并记录电压表示数，仿真结果如截图所示（图3.2）图3.2滑动变阻器滑到100%时的仿真当滑动变阻器滑到0%时，按下仿真开关，观察并记录电压表示数，仿真结果如截图所示（图3.3）图3.3滑动变阻器滑到0%是的仿真由上的仿真结果可以看出UO的范围在9.707~15.147而理论计算的结果是UO的范围是9.76~15.23因而仿真的结果与理论计算的结果相近，可见仿真结果是正确的。通过改变负载的电阻观察电压表的示数首先预置滑动变阻器R2的停留在50%上，断开负载，用电压表测量的UO=11.832V（如图3.4）图3.4断开负载时的仿真以下是接上负载后，变化负载而得到的输出电压值负载电阻百分比输出电压UO（V）0%11.83210%11.83220%11.83230%11.83240%11.83250%11.83260%11.83270%11.83280%11.83290%11.832100%3.158由上表可以看出，此电路的的输出电压UO基本不随负载大小的变化而变化，稳定性较好，但就是在100%时的输出电压骤然下降到3.158V。这可能是由于运放此时处于非线性区而造成的，但总体来讲，电压保持稳定，符合设计的要求。四结束语Multisim是一个非常有用的仿真软件，在实际搭电路之前，能够运用仿真软件进行仿真，能够减短设计的时间。此论题首先根据稳压电路的原理进行理论计算，计算出的元件参数，再用Multisim进行仿真，来验证理论计算的正确性。而后期的硬件搭建，主要是根据仿真的电路图进行。然而，使用稳压电路时，如果输出端过载甚至短路，将使通过的调整管的电流急剧增加，假如电