串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的虛擬測試研究

摘 ?要： 利用NI Multisim 12.0仿真軟件對串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓系數(shù)和輸出電阻等參數(shù)進(jìn)行測試分析，在輸入電壓不變時(shí)，調(diào)節(jié)電位器測試輸出電壓的變化范圍;在輸入電壓變化時(shí)，計(jì)算穩(wěn)壓系數(shù)來判斷穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能。同時(shí)通過外接可調(diào)電阻的變化，測試輸出電壓和輸出電流的變化值，進(jìn)而計(jì)算輸出電阻的大小，發(fā)現(xiàn)虛擬測試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。仿真結(jié)果表明，將電子電路NI Multisim 12.0仿真軟件引入到電子教學(xué)中，能豐富學(xué)生分析和設(shè)計(jì)電子電路的手段，有利于學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)和競爭能力的提升。

關(guān)鍵詞： 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路; 虛擬測試; 輸出電壓; 穩(wěn)壓系數(shù); 輸出電阻; 電子教學(xué)

中圖分類號： TN710.9; TN721?34 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）10?0083?05

Virtual test research of series?type voltage stabilizing circuit

HOU Weizhou

（School of Physics and Electronics， Henan University， Kaifeng 475003， China）

Abstract： The parameters such as voltage regulation coefficient and output resistance of the series?type voltage stabilizing circuit are tested and analyzed by using the NI Multisim 12.0 simulation software. The variation range of the output voltage is tested by adjusting the potentiometer when the input voltage is constant. The voltage regulation performance of the voltage regulation circuit is judged by calculating the voltage regulation coefficient when the input voltage is not constant. The variation values of the output voltage and current are tested by means of the variation of the circumscribed adjustable resistance. The value of the output resistance is calculated， and it is found that the virtual test results are consistent with the theoretical calculation results. The simulation results show that the introduction of the electronic circuit simulation software NI Multisim 12.0 to the electronic teaching can enrich students′ analysis and design means of electronic circuits， and is beneficial to the cultivation of students′ innovation consciousness and improvement of competitive ability.

Keywords： series?type voltage stabilizing circuit; virtual test; output voltage; voltage regulation coefficient; output resistance; electronic teaching

0 ?引 ?言

在直流電源中，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)或負(fù)載變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其輸出電壓發(fā)生變化。為獲得穩(wěn)定的輸出電壓，提出了直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電路種類繁多，其中串聯(lián)型穩(wěn)壓電路是直流穩(wěn)壓電路中的一種，它在實(shí)際電子設(shè)備中應(yīng)用極其廣泛，其主要利用串聯(lián)于電路中的調(diào)整管（即晶體管）進(jìn)行動(dòng)態(tài)分壓而使負(fù)載得到穩(wěn)定電壓的電路。本文采用NI Multisim 12.0仿真軟件，當(dāng)串聯(lián)型穩(wěn)壓電路中的電源參數(shù)、負(fù)載參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，測試穩(wěn)壓電路輸出電壓的變化，從而更好地分析串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能。為進(jìn)一步掌握直流穩(wěn)壓電路的研發(fā)與設(shè)計(jì)，先介紹串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的工作原理。

1 ?串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理

串聯(lián)型穩(wěn)壓電路以穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路為基礎(chǔ)，利用晶體管的放大作用，增大負(fù)載電流，在電路中引入深度負(fù)電壓反饋使其輸出電壓穩(wěn)定，并且通過改變反饋網(wǎng)絡(luò)參數(shù)使輸出電壓達(dá)到可調(diào)的效果。

1.1 ?直流電源的穩(wěn)壓系數(shù)和輸出電阻

由交流市電（或稱電網(wǎng)電壓）變壓、整流后，進(jìn)一步濾波、穩(wěn)壓而構(gòu)成直流電源，穩(wěn)壓電路在電子設(shè)備中被廣泛使用。然而實(shí)踐表明，直流電源輸出的電壓Vo，會(huì)因市電電壓Vi的變化或負(fù)載電阻阻值的變化而變化，反映它們在這兩方面性能優(yōu)劣的指標(biāo)[1]，常用穩(wěn)壓系數(shù)Sr和輸出電阻Ro來表征。

穩(wěn)壓系數(shù)Sr定義為：在負(fù)載電阻RL不變的情況下，輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比稱為穩(wěn)壓系數(shù)。Sr表達(dá)式為：

[Sr=ΔVoVoΔViViRL=常數(shù)] ? （1）

Sr值越小[2]，則輸出電壓受市電電壓變化的影響越小。

輸出電阻Ro的定義為：在輸入電壓Vi不變的情況下，輸出電壓的變化量與輸出電流的變化量之比稱為穩(wěn)壓電源的輸出電阻。輸出電阻Ro的表達(dá)式為：

[Ro=-ΔVoΔIoVi=常數(shù)] ? ? （2）

Ro值越小[3]，則輸出電壓Vo受負(fù)載變化的影響就越小，輸出電壓Vo越穩(wěn)定。

1.2 ?串聯(lián)型穩(wěn)壓電路工作原理

僅由整流濾波電路構(gòu)成的直流電源，其穩(wěn)壓系數(shù)Sr和輸出電阻Ro均較大[1，3]，不能滿足在這兩方面要求較高的電子設(shè)備場合中，而當(dāng)采用穩(wěn)壓電路后，則這兩個(gè)質(zhì)量指標(biāo)Sr和Ro會(huì)明顯改善。常用的穩(wěn)壓電路（又稱穩(wěn)壓器）為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，其原理如圖1所示。它主要由基準(zhǔn)穩(wěn)壓產(chǎn)生電路（由電阻R3和穩(wěn)壓二極管DZ組成）、調(diào)整環(huán)節(jié)（由電阻R4和三極管T1組成）、取樣電路（由電阻R1和R2組成）和比較放大環(huán)節(jié)（由三極管T2組成）等部分構(gòu)成。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的工作原理如下：

圖1 ?串聯(lián)型穩(wěn)壓電路原理圖

由于輸入電壓Vi或負(fù)載電阻RL的變化，會(huì)使輸出電壓Vo變化。當(dāng)輸出電壓Vo減小時(shí)，電阻R1，R2取樣后T2基極電壓將下降，這個(gè)電壓與穩(wěn)壓二極管DZ的基準(zhǔn)電壓VZ比較后，使VBE2減小，從而使T2的基極電流iB2減小，使T2的集電極電流iC2也減小，這樣一來，T2的集電極電壓（T1的基極電位）抬高，T1基極電流iB1增大，T1的管壓降VCE1減小，使得電路的輸出電壓Vo=Vi-VCE1下降受到抑制，Vo趨于穩(wěn)定;反之，當(dāng)Vo升高時(shí)，T1的管壓降VCE1上升，抑制了Vo的上升，Vo趨于穩(wěn)定。總之，由于反饋控制的作用，使輸出電壓Vo基本保持穩(wěn)定。該電路的輸出電壓Vo表達(dá)式為：

[Vo=1n·VZ] ? ? ? ?（3）

式中，n為取樣比，n的表達(dá)式為：

[n=R2R1+R2] ? ? ? （4）

穩(wěn)壓管選定后，VZ也就確定了，所以此時(shí)要改變輸出電壓Vo的大小，可以改變?nèi)颖鹊拇笮　?/p>

2 ?串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的虛擬測試目的及要求

為分析串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能，在改變電網(wǎng)電壓Vi的大小或負(fù)載電阻RL的大小時(shí)，分析和研究串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的輸出電壓Vo是否具有穩(wěn)定性，從而對仿真電路提出一些測試要求。

2.1 ?NI Multisim 12.0虛擬仿真軟件

NI Multisim 12.0電子電路虛擬仿真軟件是由美國國家儀器有限公司開發(fā)的較新版本，該仿真軟件不局限于電子電路的虛擬仿真[4?6]，其在LabVIEW虛擬儀器、單片機(jī)仿真、VHDL和VerilogHDL建模、Ultiboard設(shè)計(jì)電路板等技術(shù)方面有更多的創(chuàng)新和提高，屬于EDA更高層次的范疇。

由于NI Multisim 12.0仿真軟件對電路原理、模/數(shù)電子技術(shù)、通信電子線路等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有積極的輔助作用[7?8]，學(xué)生和教師反應(yīng)良好。故本文利用NI Multisim 12.0仿真軟件，對串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的輸出電壓Vo受電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載電阻變化的影響進(jìn)行一些虛擬測試分析和研究。

2.2 ?搭建串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的測試目的

依據(jù)電路參數(shù)和必需的元器件創(chuàng)建了仿真測試電路。

1） 熟悉串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的組成及一些元器件的參數(shù)大小和作用，從0～100%調(diào)整電位器的百分比，觀察并記錄電壓表U1（即輸出電壓Vo）讀數(shù)的變化范圍。

2） 正確理解當(dāng)輸入電壓的大小改變（即電網(wǎng)電壓的波動(dòng)），記錄輸出電壓Vo及ΔVo的大小，計(jì)算穩(wěn)壓系數(shù)Sr;恢復(fù)至輸入電壓的原來值，改變負(fù)載，測試輸出電阻Ro的值，依據(jù)Ro的大小來判別輸出電壓是否穩(wěn)定，最終分析虛擬測試結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果的吻合程度。

2.3 ?串聯(lián)型穩(wěn)壓電路測試的仿真內(nèi)容

1） 依據(jù)仿真目的來確定電路的元件參數(shù);

2） 調(diào)整電位器百分比，記錄輸出電壓的變化范圍;

3） 模擬電網(wǎng)電壓的變化，記錄輸出電壓的值和計(jì)算穩(wěn)壓系數(shù)的大小;

4） 在原來仿真電路的基礎(chǔ)上，添加一些電阻、電位器和電流源組建新的虛擬測試電路，改變電位器大小，利用式（2）計(jì)算輸出電阻的大小。

3 ?NI Multisim 12.0仿真軟件對串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的測試與分析

3.1 ?輸入電壓變化時(shí)，輸出電壓變化范圍和穩(wěn)壓系數(shù)的數(shù)據(jù)測試

1） 組建串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路測試電路

組建如圖2所示的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓測試電路。在圖2中，穩(wěn)壓電路主要由放大管Q1、Q2（這兩個(gè)管子的特性完全相同，作為調(diào)整環(huán)節(jié)）、Q3（作為比較放大器）、穩(wěn)壓二極管D1和電阻R2（作為基準(zhǔn)電壓電路）、電阻R4、R5及RP（作為采樣環(huán)節(jié)）等部分組成，這些元器件（包括電位器RP1，RP2，型號為RD2.7S的穩(wěn)壓二極管D1等）均從NI Multisim 12.0軟件的元器件庫中調(diào)出，Q1，Q2 和Q3型號均為2N2222;模擬的輸入電源電壓Vi=9 V;在NI Multisim 12.0仿真軟件基本界面的平臺上，將調(diào)出的電位器的“Incretance”欄改為1%。

圖2 ?串聯(lián)型穩(wěn)壓電路（一）

僅改變輸入電壓Vi的大小，測試輸出電壓Vo及穩(wěn)壓系數(shù)Sr的值。

2） 輸出電壓變化范圍的數(shù)據(jù)測試

打開仿真開關(guān)，調(diào)整電位器RP使其百分比在0～100%變化，記錄對應(yīng)的電壓表U1的值（即串聯(lián)型穩(wěn)壓電源電路輸出電壓Vo的變化范圍），在3.733～7.665 V之間;然后調(diào)整電位器RP的百分比，使電壓表U1的讀數(shù)約為6 V，具體為6.004 V，詳見表1。

3） 穩(wěn)壓系數(shù)Sr的測試及計(jì)算

關(guān)閉圖2電路的仿真開關(guān)，雙擊電壓源圖標(biāo)，電壓表U1的讀數(shù)仍為6.004 V，將輸入電壓Vi的大小從9 V變?yōu)?0 V，即模擬電網(wǎng)電壓上升約10%;然后重新打開仿真開關(guān)，記錄此時(shí)U1的讀數(shù)等于輸出電壓Vo的大小，并計(jì)算ΔVo值，依據(jù)式（2）計(jì)算串聯(lián)穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓系數(shù)Sr的大小。

當(dāng)Vi從9 V變到10 V后，Vo從6.004 V變到6.08 V，此時(shí)可知：[ΔViVi=19，ΔVoVo=0.0766.004，]穩(wěn)壓系數(shù)Sr=11.25%，Sr值很小，說明Vo變化很小，輸出電壓Vo很穩(wěn)定。

3.2 ?輸入電壓不變時(shí)，串聯(lián)型穩(wěn)壓電路輸出電阻的數(shù)據(jù)測試

1） 在上述圖2的基礎(chǔ)上，恢復(fù)Vi=9 V，電壓表U1讀數(shù)仍為6 V左右，斷開仿真開關(guān)，從NI Multisim 12.0仿真軟件基本界面工具條中再調(diào)出12 Ω電阻一只、電位器一只和電流表U2一只，并雙擊電位器，把彈出對話框“Value”頁中的“Key”欄改為“B”，“Incretance”欄改為1%;再切換到“Lable”頁，將“Reference ID”欄改為“RP2”。然后單擊對話框下方的“OK”按鈕退出，再從NI Multisim 12.0仿真軟件基本界面工具條調(diào)出一只電流表，與輸出端的負(fù)載電阻串接在一起，組成新的仿真電路，如圖3所示。

圖3 ?串聯(lián)型穩(wěn)壓電路（二）

2） 電流表U2數(shù)據(jù)測試。開啟仿真開關(guān)，按鍵盤上的B鍵（控制電位器RP2），電流表數(shù)據(jù)上升，當(dāng)電流表U2數(shù)據(jù)等于0.097 A時(shí)，記錄電壓表U1的讀數(shù);然后先按住鍵盤上的shift鍵，再按住B鍵，使電位器RP2的百分比減小，電流表數(shù)據(jù)也減小，當(dāng)電流表U2數(shù)據(jù)等于0.111 A時(shí)，記錄電壓表U1的讀數(shù)。由于負(fù)載的變化，導(dǎo)致輸出電壓有變化，為了保證輸出電壓Vo在6 V 左右，調(diào)節(jié)RP2使百分比在50%～60%變化時(shí)，Vo變化范圍如表2所示。

通過表2發(fā)現(xiàn)，RP2的百分比從52%逐次遞增時(shí)，電壓表U1讀數(shù)增量約為-0.002 V，電流表U2增量約0.002 mA。

3.3 ?測試結(jié)果分析

1） 在圖2中，當(dāng)Vi=9 V時(shí)，從0～100%調(diào)整電位器RP百分比，電壓表U1讀數(shù)（即輸出電壓Vo）的變化范圍在3.733～7.665 V之間。

理論計(jì)算：假設(shè)穩(wěn)壓二極管D1的基準(zhǔn)電壓VZ=2.7 V（電壓極性上“+”下“-”），VBE3 = 0.7 V，利用式（3）和式（4），可計(jì)算出Vo電壓變化范圍。當(dāng)電位器RP在最上端時(shí)，輸出電壓的值（單位：V）為：

[Vo=（VZ+VBE3）·[1+（R4+RP）R5]=8.87]

當(dāng)電位器[RP]在最下端時(shí)，輸出電壓的值（單位：V）為：

[Vo=（VZ+VBE3）·[1+R4R5]=3.77]

調(diào)節(jié)電位器[RP]，可使串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的輸出電壓在3.77～8.87 V范圍內(nèi)變化?？紤]到基準(zhǔn)電壓VZ約為2.7 V和VBE3約為0.7 V，電壓表U1測試結(jié)果有一定誤差，但與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。

2） 在圖2中，當(dāng)電位器[RP]變化時(shí)，采樣比[n=R5R4+RP]值越大（越接近100%）時(shí)，通過表1發(fā)現(xiàn)，Vo變化越小，ΔVo很小，說明穩(wěn)壓系數(shù)Sr小，而Sr越小，Vo越穩(wěn)定;同樣當(dāng)采樣比n越?。ㄔ浇咏?）時(shí)，通過表1結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Vo變化較大，ΔVo大，Sr越大，Vo越不穩(wěn)定。

綜上，穩(wěn)壓系數(shù)Sr的值大小是反映串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能的一個(gè)重要指標(biāo)，一般要求Sr的值越小越好，即采樣比n越大越好。

3） 對串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的輸出電阻Ro測試分析。圖3中的電阻R6和電位器RP2共同作為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的負(fù)載電阻，計(jì)算穩(wěn)壓電路的輸出電阻Ro（輸出電阻的計(jì)算不應(yīng)包括負(fù)載在內(nèi)）。從電容C3向左看，將晶體管Q3等效為h參數(shù)，理論計(jì)算輸出電阻Ro是利用[VoIo]的比值求得，輸出電阻Ro ≈1.42 Ω （串聯(lián)型穩(wěn)壓電路輸出電阻Ro的理論計(jì)算過程可查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)），Ro的值非常小。

從表2可看出，電位器RP2百分比取54%和56%，利用式（2）計(jì)算輸出電阻Ro（單位：Ω）的大?。?/p>

[Ro=-（6.003-5.998）（0.103-0.107）=1.25]

當(dāng)取電位器RP2百分比為52%和58%，利用式（2）計(jì)算輸出電阻Ro（單位：Ω）的大?。?/p>

[Ro=-（6.007-5.992）（0.100-0.111）=1.36]

鑒于電子電路中電阻常為kΩ級單位，測試的輸出電阻[Ro]與理論計(jì)算的輸出電阻[Ro]結(jié)果基本吻合，其值均很小且是Ω級單位。一般[Ro]越小，[ΔVo]將越小，輸出電壓[Vo]就越穩(wěn)定，表2恰恰驗(yàn)證了這一結(jié)論;為使輸出電壓可調(diào)，調(diào)整電位器RP2的大小就可以做到。

4 ?結(jié) ?論

串聯(lián)型穩(wěn)壓電路是獲得穩(wěn)定直流電壓必不可少的一部分。由于電源電壓的波動(dòng)、負(fù)載的變化均會(huì)影響輸出電壓的穩(wěn)定性，因此在模擬電源電壓（即輸入電壓Vi）變化時(shí)，通過調(diào)整采樣電阻的大小，測試輸出電壓Vo的變化范圍及穩(wěn)壓系數(shù)Sr。當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，外接一定的電阻和電位器，模擬負(fù)載變化，通過測試[ΔVo]和[ΔIo]，計(jì)算穩(wěn)壓電路的輸出電阻[Ro]大小，[Ro]越小，輸出電壓[Vo]越穩(wěn)定。通過將電子電路仿真測試運(yùn)用到文中的實(shí)例中，發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果相吻合，這說明將電路仿真軟件引入到實(shí)際的課堂教學(xué)中，有助于學(xué)生對模擬電路理論知識的掌握和電路設(shè)計(jì)。把電子電路的虛擬測試和實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合[9?10]，不但能彌補(bǔ)傳統(tǒng)電子電路綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐的不足[11]，更能讓學(xué)生豐富電子電路的分析及設(shè)計(jì)手段，進(jìn)一步提升學(xué)生課外實(shí)踐活動(dòng)的創(chuàng)新和競爭能力。

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