基于Multisim的直流稳压电路设计

潍坊学院 赵文杰

中国采用的市电标准为220V/50Hz的交流电,但是一些家用电子元器件设备都需要采用低压直流电进行工作,因此需要有一个交流到直流的变换过程,这一过程可通过直流稳压电路实现。直流稳压电路主要包括降压、整流、滤波、稳压四部分。本文对直流稳压电路的工作原理进行了介绍,并利用Multisim仿真软件对直流稳压电路进行仿真设计。

0 引言

电力传输系统一般采用高压交流电进行电力输送,通过配电系统降压到市电标准后分配给各个终端用户。在我国,市电标准为220V/50Hz的交流电。对家用电器而言,洗衣机、电冰箱、电风扇、电饭煲等电器可直接使用交流电进行工作;而对于像电视、电脑、音响等电子元器件设备必须使用直流电进行工作,对于这部分设备需要对市电进行交流到直流的变换,直流稳压电路可实现这一变换。

直流稳压电路[1]主要包括降压、整流、滤波、稳压四步。降压主要通过变压器实现,将市电电压按比例降压;整流通过整流电路实现,将交流电转换为脉动直流电,包括半波整流、全波整流、桥式整流;滤波通过滤波电路实现,将脉动直流电进行平滑处理,包括电容滤波、电感滤波、复式滤波;稳压通过稳压电路实现,主要利用稳压二极管反向击穿特性实现。

本文对直流稳压电路的工作原理进行分析,并利用Multisim[2]对直流稳压电路进行仿真设计,可增强学生对直流稳压电路的理解和掌握。

1 直流稳压电路

1.1 降压电路

降压电路主要通过变压器实现降压。变压器可以将一定数值的交流电压变换为频率相同但是幅度不同的交流电压,根据电子设备使用电压标准要求,选择合适变压器将市电220V降低到一定幅度,并保证其输出电压高于电子设备工作电压,因为后续整流、滤波、稳压环节都存在电压的损耗。

1.2 整流电路

整流电路是将交流电转换为脉动直流电的电路,分为半波整流、全波整流、桥式整流三种。整流电路主要利用整流二级管(简称整流管)的正向导通特性实现。半波整流在一个周期内只有半个周期有电流通过;全波整流和桥式整流在一个周期内都有电流。全波整流需要使用中间带抽头的变压器,对变压器要求较高;半波整流和桥式整流只需采用普通变压器即可。综合各因素,一般采用桥式整流实现由交流电到脉动直流电的转换。桥式整流电路图如图1所示。

图1 桥式整流电路Fig.1 Bridge rectifier circuit

1.3 滤波电路

滤波电路可将整流电路输出的脉动直流电压转换为平滑的直流电压,分为电容滤波、电感滤波、复式滤波。电容滤波主要利用电容C隔直流通交流的特性,电容充电快放电慢,滤波效果的好坏取决于放电回路的时间常数τ,τ=RC其值越大放电越慢,电压波形越平滑,适用于负载电流较小且变化也较小的场合;电感滤波主要利用电感L通直流隔交流的特性,电感L越大,滤波效果越好,电感适用于负载电流较大的场合,但是其体积大、笨重、成本高;复式滤波采用电感L、电容C的组合进行滤波,滤波效果更好,输出波形更加平滑,常见的复式滤波有Г型滤波、LC-Π型滤波、RC-Π型滤波。综合考虑各滤波电路的特点,一般情况下采用电容滤波,电容滤波电路如图2所示,其整流环节采用的是桥式整流。

图2 电容滤波电路Fig.2 Capacitor filter circuit

1.4 稳压电路

稳压电路主要通过稳压二极管实现稳压。二极管具有正向特性、反向特向、反向击穿特性。一般二极管,我们应用正向特性;稳压二极管,我们应用其反向击穿特性。稳压二极管简称稳压管,是一种特殊的面接触型硅半导体二极管,也称为齐纳二极管。稳压管的稳压效果主要是由于在反向击穿区,电流增量ΔIZ变化区间很大,却只引起很小的电压变化ΔUZ,当越小,稳压管的稳压效果越好。稳压电路一般由稳压管和限流电阻组成。

2 Multisim直流稳压电路仿真实验

2.1 实验目的

本文运用Multisim仿真软件对直流稳压电路进行设计及仿真运行。所用Multisim软件版本为14.0,主要涉及元器件为交流电源、变压器、整流二极管、稳压二级管、电容、电阻、示波器、万用表等,示波器用来显示输出电压的波形,万用表用来测量输出电压值。

直流稳压电路连接图如图3所示,实验目的是通过Multisim仿真实验,直观展示如何将将220V/50Hz的市电转换为12V的直流电,供电子设备使用。

图3 直流稳压电路Fig.3 DC voltage regulator circuit

2.2 实验参数的选取

在元件参数选取时需要注意的是:整流二极管选取时,其所承受最大反向电压URM≥31.1V;电容选取时,其电容值C≥250μF;稳压二级管选取时,其稳定电压应为12V。经过不断仿真调试,最终确定本实验各元件参数如表1所示。

表1 实验参数Tab.1 Experimental parameters

3 仿真实验结果分析

按照图3连接电路并运行后,示波器显示输出电压波形如图4所示,万用表测量电压为11.926V。

图4 输出电压波形图Fig.4 Output voltage waveform

由实验分析如下:

(1)输出波形一开始有一段上升过程,这是由于在滤波过程中电容充电需要一定的时间,所以电压在一开始会缓慢上升。

(2)最终输出电压稳定在11.926V左右,与理想数据12V有些许差异,但是相差不大,主要是由于稳压管的稳压值并不是固定的,会根据电路情况有些许波动,我们在实验过程中要注意参数选取是否合适,并根据输出情况进行调整。

4 结论

通过Multisim仿真实验可以对直流稳压过程进行很好的实现,实验数据与理论值相差较小,有助于加深对直流稳压电路的理解,也方便进行电路的设计和改进。

直流稳压电路通过变压、整流、滤波、稳压后,可以将交流电转换为直流电,在日常生活中应用广泛。在实现过程中,各元件参数的选取需要经过多次反复实验以达到最好的效果,因此利用Multisim仿真软件进行电路仿真是进行电路设计和改进的有效方法,值得推广和学习。

引用

[1] 江冰,林善明,江琴,等.模拟电子技术及其应用[M].南京:南京大学出版社,2019(12):266.

[2] 赵文杰.Multisim仿真实验在电路分析中的应用[J].电子制作,2020,4(1):45-46.