李洋洋

（遼寧工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，遼寧 錦州 121001）

基于Multisim12可調(diào)直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)與仿真

李洋洋

（遼寧工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，遼寧 錦州 121001）

通過Multisim12虛擬電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用虛擬儀表測(cè)量電路參數(shù)、分析電路性能、完善電路設(shè)計(jì)。經(jīng)仿真測(cè)試，該可調(diào)直流穩(wěn)壓電源性能良好、工作可靠，輸出電壓和電流、穩(wěn)壓系數(shù)等重要性能指標(biāo)均滿足電工電路實(shí)驗(yàn)對(duì)直流電源的需要。運(yùn)用Multisim12設(shè)計(jì)電路，有效地提高了設(shè)計(jì)速度，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，降低了設(shè)計(jì)成本。

Multisim12；直流穩(wěn)壓；實(shí)驗(yàn)電源；仿真測(cè)試

電工電路實(shí)驗(yàn)中，常需要直流電源供電，本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，設(shè)計(jì)了一款以集成器件為核心的可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，電壓0～30 V連續(xù)可調(diào)，并使用Multisim12虛擬電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行仿真分析［1］、電路優(yōu)化改進(jìn)，極大地提高了設(shè)計(jì)速度，降低了設(shè)計(jì)成本［2］。

1 制定設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案如圖1所示，包括降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓和基準(zhǔn)源等5部分。1）首先，利用變壓器將220 V交流市電降壓成合適的交流電；2）將降壓后的交流電整流成單向脈動(dòng)的直流電；3）將整流后電壓濾除交流成分，得到較為平滑的直流電；4）將濾波后的直流電接到穩(wěn)壓電路，穩(wěn)壓電路避免輸出電壓隨市電、負(fù)載、溫度等因素變化而變化，同時(shí)，在穩(wěn)壓電路中添加輸出電壓調(diào)節(jié)電路，實(shí)現(xiàn)電壓可調(diào)；5）最后通過基準(zhǔn)源電路實(shí)現(xiàn)電壓從零可調(diào)。

圖1 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源方框圖

2 元器件選擇及仿真分析

2.1 變壓器

變壓器起降壓的作用，將220 V交流市電降為整流電路所需的低壓交流電。變壓器的選擇需要考慮最大輸出電流Iomax=1 A，傳輸效率η=0.7，并結(jié)合整流、濾波、穩(wěn)壓等電路的電壓降，確定變壓器二次繞阻電壓的有效值及變壓器原邊的功率［3］。綜合以上參數(shù)，變壓器選用單相輸入220 V，輸出35 V，功率100 W。利用Multisim12對(duì)降壓進(jìn)行仿真［4］，設(shè)置輸入為220 V AC，頻率為50 Hz，變壓器耦合系數(shù)為0.159。利用虛擬示波器觀察降壓前后波形，如圖2所示，兩波形相位相同，幅值不同，實(shí)現(xiàn)降壓功能，符合設(shè)計(jì)要求。

圖2 降壓電路及仿真結(jié)果

2.2 整流電路

整流電路將降壓后的正弦電壓轉(zhuǎn)為單向的脈動(dòng)信號(hào)［5］。整流電路選擇單相橋式整流，具有輸出電壓高、紋波較小等特點(diǎn)，并且能夠承受的最大反向電壓較高。利用Multisim12對(duì)整流進(jìn)行仿真，選用1B4B42虛擬整流器，并用虛擬示波器觀察整流后波形，如圖3所示。

圖3 整流電路及仿真結(jié)果

2.3 濾波電路

濾波電路將整流后的單向脈動(dòng)信號(hào)中交流成分濾除，獲得較為平滑的直流電［6］。濾波電容的類型多為電解電容，具體指標(biāo)參數(shù)的選擇需要考慮多方面，如電容耐壓值要高于實(shí)際工作電壓的1.5～2倍，容值的選擇要滿足電路放電時(shí)間常數(shù)RLC大于充電周期1.5～3倍，其中RL為整流后的等效負(fù)載電阻。綜合以上因素，設(shè)計(jì)方案中的濾波電容選擇為4 700 μF的電解電容。

2.4 穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路解決了濾波輸出電壓易隨負(fù)載、溫度變化而變化，保障直流電壓輸出穩(wěn)定［7］。穩(wěn)壓電路的核心是集成穩(wěn)壓器，設(shè)計(jì)方案選用三端可調(diào)集成穩(wěn)壓器LM317，通過調(diào)節(jié)懸浮端電位器，可使輸出電壓在1.25～37 V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，輸出Vo= 1.25（1+R2/R1），取R1=200 Ω，R2選用 5 kΩ電位器串聯(lián)構(gòu)成。

由于濾波電路中使用大容量值的電解電容，而電解電容具有一定的分布電感，易引起自激振蕩，形成高頻干擾，所以在LM317的輸入端和輸出端并聯(lián)0.1μF瓷介質(zhì)小電容，用來抵消電感效應(yīng)，抑制高頻干擾。另外，設(shè)計(jì)方案中二極管D2、D3的作用是防止短路燒壞LM317［8］。

利用Multisim12對(duì)穩(wěn)壓電路進(jìn)行仿真，并用萬用表測(cè)量仿真結(jié)果，如圖4所示。

圖4 穩(wěn)壓電路及仿真結(jié)果

2.5 基準(zhǔn)源電路

基準(zhǔn)源電路提供-2.5 V基準(zhǔn)電壓，解決LM317無法從0調(diào)節(jié)輸出，其核心是三端可調(diào)分流基準(zhǔn)源TL431［9］。通過搭建TL431典型應(yīng)用基準(zhǔn)電壓電路，可輸出2.5 V基準(zhǔn)電壓，再將2.5 V基準(zhǔn)電壓的正極性端與地相連構(gòu)成負(fù)電壓，即實(shí)現(xiàn)-2.5 V基準(zhǔn)源電路。利用Multisim12對(duì)基準(zhǔn)源電路進(jìn)行仿真，并用萬用表測(cè)量仿真結(jié)果，如圖5所示。

2.6 電壓跟隨電路

電壓跟隨電路有效避免電位器R2變化影響LM317懸浮端，設(shè)計(jì)方案采用LM324構(gòu)成電壓跟隨電路，進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。

3 電路仿真分析與調(diào)試

根據(jù)上述選擇的元器件和電路形式，利用Multisim12搭建整體仿真電路，并用虛擬實(shí)驗(yàn)儀器觀測(cè)仿真結(jié)果，如圖6所示。

圖5 基準(zhǔn)源電路及仿真結(jié)果

圖6 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源電路

3.1 輸出電壓仿真測(cè)試

調(diào)節(jié)電位器R3的阻值，用虛擬萬用表進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表1所示。

表1 輸出電壓仿真測(cè)試結(jié)果

3.2 輸出穩(wěn)壓仿真測(cè)試

穩(wěn)壓系數(shù)是輸出電壓和輸入電壓的相對(duì)變化的比值，體現(xiàn)了電路的穩(wěn)壓性能。穩(wěn)壓系數(shù)Sr= ΔUo/ΔUi。影響穩(wěn)壓性能的主要因素之一是電網(wǎng)電壓波動(dòng)，假設(shè)電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍±10，仿真結(jié)果如表2所示。由仿真結(jié)果可見，設(shè)計(jì)電源穩(wěn)壓性能良好、工作可靠，誤差較低。

表2 輸出穩(wěn)壓仿真測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文通過Multisim12虛擬電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行仿真測(cè)試，滿足設(shè)計(jì)要求，可作為獨(dú)立的電源模塊為電工電路實(shí)驗(yàn)提供直流電能。設(shè)計(jì)電路簡單，易實(shí)現(xiàn)，抗電網(wǎng)電壓波動(dòng)性能較好，并且解決了LM317無法從0開始調(diào)節(jié)的問題。利用Multisim12進(jìn)行電路設(shè)計(jì)不受設(shè)備、場所等外在條件的限制，可充分發(fā)揮創(chuàng)造力，并且能夠直觀地反映設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和仿真結(jié)果，縮減了設(shè)計(jì)周期和節(jié)省了花費(fèi)。

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Design and Simulation of Adjustable DC Stabilized Voltage Supply Based on Multisim12

LI Yangyang
（Engineering Training Center，Liaoning University of Technology，Jinzhou 121001，China）

We design the adjustable DC stabilized voltage supply based on Multisim12 virtual electronic experimental platform，and use virtual instrument measure circuit parameters，analyze circuit performance and improve the design.Through simulation test，the voltage supply is good performance and reliable.The important performance indexes of voltage supply meet the requirement of electric circuit experiments，such as output voltage and current，voltage stability coefficient，etc.Using Multisim12 design circuit effectively improve the design speed，save design time，and reduce the design cost.

Multisim12；DC stabilized voltage；experiment power supply；simulation test

TM02

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.012

2015-07-13；修改日期：2015-09-09

李洋洋（1987-），女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事電工、電路方面的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研工作。