基于Multisim的5V直流電源仿真及現(xiàn)象分析

王文靜 劉 原 李小紅

（安徽醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校醫(yī)學(xué)技術(shù)系 安徽合肥 230001）

直流電源是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中必備的供電模塊。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，最常用的方法是利用變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路進(jìn)行的直流電源的設(shè)計(jì)。本電路雖然簡(jiǎn)單，但是對(duì)于初學(xué)模擬電路課程的學(xué)生來說，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)及故障排查方面，還是會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題。如果借助Multisim進(jìn)行電路現(xiàn)象仿真，總結(jié)仿真現(xiàn)象及數(shù)據(jù)值，將對(duì)學(xué)生在電源電路設(shè)計(jì)及制作上起到重要的指導(dǎo)作用，避免不必要的實(shí)驗(yàn)時(shí)間消耗，且便于幫助學(xué)生排查故障，順利完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[1]。

一、實(shí)驗(yàn)原理

直流電源模塊總的來說包括整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路三個(gè)部分[2]。

整流電路通常采用單相橋式整流電路，如圖1所示，輸入電壓為日常用電220V，變壓器變比約為25，變壓器二次側(cè)電壓9V左右，經(jīng)橋式整流電路整流二極管D1、D4和D2、D3的分別導(dǎo)通，使電阻上獲得均為正向流動(dòng)的電流，將交流電變?yōu)橹绷麟?，R1開路情況下電壓理論值約為8.1V。

由于整流電路輸出電壓脈動(dòng)較大，因此需要后續(xù)濾波電路進(jìn)行濾波。對(duì)于小功率場(chǎng)合，濾波電路通常為濾波電容，通過電容的充放電，達(dá)到降低整流輸出電壓脈動(dòng)的目的。電容通常選擇容值較大的低頻電解電容，以期獲得較為平滑的電壓曲線。為得到平滑的負(fù)載電壓，通常選擇C≥(3～5)T/(2RL)[3]。若電阻RL為50Ω，取C≥ 5T/(2RL)，則工頻情況下C≥1000μF，此處取C=1000μF。

圖1 單相橋式整流電路原理圖

穩(wěn)壓電路保證電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定，通常采用集成穩(wěn)壓芯片[4]。集成穩(wěn)壓芯片輸出電壓有固定式和可調(diào)式。兩種器件均可通過適當(dāng)?shù)碾娐愤B接實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)。本實(shí)驗(yàn)需要固定5V直流電壓，使用7805構(gòu)成穩(wěn)壓電路，總電路如圖2所示。

圖2 5V固定輸出式直流穩(wěn)壓電源

二、電路仿真

（一）Multisim仿真。首先仿真變壓器輸出電壓，設(shè)置交流電源有效值為220V，頻率為50HZ，變壓器變比約25，仿真結(jié)果如圖3所示，變壓器輸出約為9V。

圖3 變比為25的變壓器變壓輸出

仿真整流電路，四個(gè)二極管接成橋式結(jié)構(gòu)，空載、接上50Ω載，分別利用示波器及萬用表測(cè)試整流輸出電壓波形及輸出電壓值，比較異同。波形圖見圖4?？梢?，負(fù)載的不同對(duì)整流波形是有影響的，負(fù)載電阻越大，整流波形與電源波形越接近。

圖4 整流輸出波形

仿真濾波電路波形，分別使用100μF、1000μF電容進(jìn)行濾波，利用示波器觀察濾波后的電壓波形及輸出電壓值，見圖5。改變電源電壓或負(fù)載電阻，利用萬用表測(cè)試濾波后的電壓值，見表1。通過仿真現(xiàn)象，可得，電網(wǎng)電壓的波動(dòng)或負(fù)載的變化對(duì)于整流濾波電路的輸出電壓是有較大影響的，電容越大，濾波效果越好。

圖5 濾波后輸出電壓波形

表1 不同電源電壓，不同負(fù)載得到的濾波輸出值

仿真穩(wěn)壓電路，外接固定集成穩(wěn)壓芯片7805，在不同負(fù)載形式下穩(wěn)壓輸出電壓見圖6。其中萬用表3測(cè)量的是變壓器二次側(cè)電壓有效值，萬用表2測(cè)量的是濾波電容兩端的電壓，萬用表1測(cè)量的是穩(wěn)壓芯片的輸出電壓?？梢姡ㄟ^穩(wěn)壓芯片，使得負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，整流輸出電壓基本維持不變。同時(shí)，改變交流電源有效值，測(cè)試電壓，會(huì)得出同樣結(jié)論。

圖6 穩(wěn)壓后輸出電壓波形

（二）Multisim進(jìn)行電路故障仿真。故障發(fā)生的類型較多，而Multisim中也只能仿真部分錯(cuò)誤類型。

通常的故障類型有二極管接反，電解電容接反、穩(wěn)壓芯片未接地或輸入輸出端接反等。二極管接反又包括一個(gè)或多個(gè)二極管接反。其中，任何一個(gè)整流二極管方向接反，均會(huì)構(gòu)成變壓器二次側(cè)短路，負(fù)載無電壓輸出。此種情況無法仿真，實(shí)際中應(yīng)避免發(fā)生。兩個(gè)二極管接反（部分可仿真）、三個(gè)二極管接反（不可仿真）及四個(gè)二極管均接反（可仿真）的情況，在利用multisim進(jìn)行仿真時(shí)，部分可出仿真結(jié)果，可借助電壓表測(cè)試輸出電壓。

（三）電路焊接調(diào)試。首先根據(jù)理論計(jì)算及仿真情況購買實(shí)驗(yàn)耗材，識(shí)別各種元器件并分清各引腳功能，然后進(jìn)行電路焊接。焊接過程分模塊進(jìn)行。

1.進(jìn)行變壓器與插座焊接，測(cè)試變壓器二次側(cè)電壓是否為9V。

2.焊接整流橋，并將變壓器二次側(cè)接整流橋的輸入側(cè)，注意方向不要接反，利用萬用表檢測(cè)電路焊接的正確性，上電，測(cè)試整流橋的輸出電壓是否為6V。上電后若出現(xiàn)變壓器二次側(cè)導(dǎo)線發(fā)熱情況，應(yīng)立即斷電，排查故障，觀察是否有二極管接反的情況。若測(cè)試電壓為0，則可能發(fā)生斷路，檢查是否有虛焊。若無虛焊，則檢查是否有兩個(gè)二極管接反。若測(cè)試電壓為-6V，則為四個(gè)二極管均接反的情況（此時(shí)測(cè)試輸出的正、負(fù)端互換位置即可，后續(xù)的電路以更改后的為準(zhǔn)）。

3.焊接濾波電容，注意正負(fù)極不能接反，測(cè)試電壓為6V左右。

4.焊接7805，注意不要忘記接地，同時(shí)，輸入端和輸出輸入端和輸出端不要接反。測(cè)試輸出電壓為5V左右。

（四）故障排查。一般在分模塊焊接測(cè)試、每一部分的數(shù)據(jù)值及注意事項(xiàng)都符合的情況下，電路是沒有問題的。但是存在部分學(xué)生未按照要求進(jìn)行操作，導(dǎo)致最終無法得到5V直流電源。此時(shí)進(jìn)行故障排查，可分模塊、由前向后依次進(jìn)行。

首先，測(cè)試變壓器模塊，先利用萬用變測(cè)試變壓器一次側(cè)電壓和二次側(cè)電壓是否分別為220V和9V，若任何一個(gè)無電壓，則需檢查電源插座、變壓器一次側(cè)、二次側(cè)焊點(diǎn)是否虛焊等問題，若均沒有問題，則可能是變壓器自身問題，可更換變壓器重新實(shí)驗(yàn)。

然后，測(cè)試整流電路輸出電壓是否為6V左右，如果不是，則需檢查四個(gè)二極管的方向及與交流電源端和后續(xù)負(fù)載端的接線是否正確，是否出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象，若沒有問題，則繼續(xù)檢查電解電容正負(fù)極性有無接反，同時(shí)測(cè)試穩(wěn)壓芯片的輸入電壓是否為6V左右，此處學(xué)聲出現(xiàn)故障問題最多的地方是穩(wěn)壓芯片接地端未接地。故障排查后，一般測(cè)試穩(wěn)壓芯片輸出均會(huì)得到5V左右的電壓。

三、結(jié)論

總之，雖然5V直流穩(wěn)壓電源電路簡(jiǎn)單，但故障類型也是千變?nèi)f化，實(shí)驗(yàn)過程中尚需不斷的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)總結(jié)，豐富經(jīng)驗(yàn)。本文僅就正常的數(shù)據(jù)類型及現(xiàn)象進(jìn)行了Multisim仿真，總結(jié)了常見的故障類型排查方法，方便實(shí)驗(yàn)教師和學(xué)生對(duì)常見故障的分析與判斷，從而提高在實(shí)驗(yàn)過程中快速解決實(shí)驗(yàn)故障的能力，確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行[5][6]。