基于Multisim的直流穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

濰坊學(xué)院 趙文杰

中國采用的市電標(biāo)準(zhǔn)為220V/50Hz的交流電,但是一些家用電子元器件設(shè)備都需要采用低壓直流電進(jìn)行工作,因此需要有一個(gè)交流到直流的變換過程,這一過程可通過直流穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)。直流穩(wěn)壓電路主要包括降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四部分。本文對(duì)直流穩(wěn)壓電路的工作原理進(jìn)行了介紹,并利用Multisim仿真軟件對(duì)直流穩(wěn)壓電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

0 引言

電力傳輸系統(tǒng)一般采用高壓交流電進(jìn)行電力輸送,通過配電系統(tǒng)降壓到市電標(biāo)準(zhǔn)后分配給各個(gè)終端用戶。在我國,市電標(biāo)準(zhǔn)為220V/50Hz的交流電。對(duì)家用電器而言,洗衣機(jī)、電冰箱、電風(fēng)扇、電飯煲等電器可直接使用交流電進(jìn)行工作;而對(duì)于像電視、電腦、音響等電子元器件設(shè)備必須使用直流電進(jìn)行工作,對(duì)于這部分設(shè)備需要對(duì)市電進(jìn)行交流到直流的變換,直流穩(wěn)壓電路可實(shí)現(xiàn)這一變換。

直流穩(wěn)壓電路[1]主要包括降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四步。降壓主要通過變壓器實(shí)現(xiàn),將市電電壓按比例降壓;整流通過整流電路實(shí)現(xiàn),將交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電,包括半波整流、全波整流、橋式整流;濾波通過濾波電路實(shí)現(xiàn),將脈動(dòng)直流電進(jìn)行平滑處理,包括電容濾波、電感濾波、復(fù)式濾波;穩(wěn)壓通過穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn),主要利用穩(wěn)壓二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)。

本文對(duì)直流穩(wěn)壓電路的工作原理進(jìn)行分析,并利用Multisim[2]對(duì)直流穩(wěn)壓電路進(jìn)行仿真設(shè)計(jì),可增強(qiáng)學(xué)生對(duì)直流穩(wěn)壓電路的理解和掌握。

1 直流穩(wěn)壓電路

1.1 降壓電路

降壓電路主要通過變壓器實(shí)現(xiàn)降壓。變壓器可以將一定數(shù)值的交流電壓變換為頻率相同但是幅度不同的交流電壓,根據(jù)電子設(shè)備使用電壓標(biāo)準(zhǔn)要求,選擇合適變壓器將市電220V降低到一定幅度,并保證其輸出電壓高于電子設(shè)備工作電壓,因?yàn)楹罄m(xù)整流、濾波、穩(wěn)壓環(huán)節(jié)都存在電壓的損耗。

1.2 整流電路

整流電路是將交流電轉(zhuǎn)換為脈動(dòng)直流電的電路,分為半波整流、全波整流、橋式整流三種。整流電路主要利用整流二級(jí)管(簡稱整流管)的正向?qū)ㄌ匦詫?shí)現(xiàn)。半波整流在一個(gè)周期內(nèi)只有半個(gè)周期有電流通過;全波整流和橋式整流在一個(gè)周期內(nèi)都有電流。全波整流需要使用中間帶抽頭的變壓器,對(duì)變壓器要求較高;半波整流和橋式整流只需采用普通變壓器即可。綜合各因素,一般采用橋式整流實(shí)現(xiàn)由交流電到脈動(dòng)直流電的轉(zhuǎn)換。橋式整流電路圖如圖1所示。

圖1 橋式整流電路Fig.1 Bridge rectifier circuit

1.3 濾波電路

濾波電路可將整流電路輸出的脈動(dòng)直流電壓轉(zhuǎn)換為平滑的直流電壓,分為電容濾波、電感濾波、復(fù)式濾波。電容濾波主要利用電容C隔直流通交流的特性,電容充電快放電慢,濾波效果的好壞取決于放電回路的時(shí)間常數(shù)τ,τ=RC其值越大放電越慢,電壓波形越平滑,適用于負(fù)載電流較小且變化也較小的場合;電感濾波主要利用電感L通直流隔交流的特性,電感L越大,濾波效果越好,電感適用于負(fù)載電流較大的場合,但是其體積大、笨重、成本高;復(fù)式濾波采用電感L、電容C的組合進(jìn)行濾波,濾波效果更好,輸出波形更加平滑,常見的復(fù)式濾波有Г型濾波、LC-Π型濾波、RC-Π型濾波。綜合考慮各濾波電路的特點(diǎn),一般情況下采用電容濾波,電容濾波電路如圖2所示,其整流環(huán)節(jié)采用的是橋式整流。

圖2 電容濾波電路Fig.2 Capacitor filter circuit

1.4 穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓電路主要通過穩(wěn)壓二極管實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。二極管具有正向特性、反向特向、反向擊穿特性。一般二極管,我們應(yīng)用正向特性;穩(wěn)壓二極管,我們應(yīng)用其反向擊穿特性。穩(wěn)壓二極管簡稱穩(wěn)壓管,是一種特殊的面接觸型硅半導(dǎo)體二極管,也稱為齊納二極管。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓效果主要是由于在反向擊穿區(qū),電流增量ΔIZ變化區(qū)間很大,卻只引起很小的電壓變化ΔUZ,當(dāng)越小,穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓效果越好。穩(wěn)壓電路一般由穩(wěn)壓管和限流電阻組成。

2 Multisim直流穩(wěn)壓電路仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本文運(yùn)用Multisim仿真軟件對(duì)直流穩(wěn)壓電路進(jìn)行設(shè)計(jì)及仿真運(yùn)行。所用Multisim軟件版本為14.0,主要涉及元器件為交流電源、變壓器、整流二極管、穩(wěn)壓二級(jí)管、電容、電阻、示波器、萬用表等,示波器用來顯示輸出電壓的波形,萬用表用來測量輸出電壓值。

直流穩(wěn)壓電路連接圖如圖3所示,實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^Multisim仿真實(shí)驗(yàn),直觀展示如何將將220V/50Hz的市電轉(zhuǎn)換為12V的直流電,供電子設(shè)備使用。

圖3 直流穩(wěn)壓電路Fig.3 DC voltage regulator circuit

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選取

在元件參數(shù)選取時(shí)需要注意的是:整流二極管選取時(shí),其所承受最大反向電壓URM≥31.1V;電容選取時(shí),其電容值C≥250μF;穩(wěn)壓二級(jí)管選取時(shí),其穩(wěn)定電壓應(yīng)為12V。經(jīng)過不斷仿真調(diào)試,最終確定本實(shí)驗(yàn)各元件參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照?qǐng)D3連接電路并運(yùn)行后,示波器顯示輸出電壓波形如圖4所示,萬用表測量電壓為11.926V。

圖4 輸出電壓波形圖Fig.4 Output voltage waveform

由實(shí)驗(yàn)分析如下:

(1)輸出波形一開始有一段上升過程,這是由于在濾波過程中電容充電需要一定的時(shí)間,所以電壓在一開始會(huì)緩慢上升。

(2)最終輸出電壓穩(wěn)定在11.926V左右,與理想數(shù)據(jù)12V有些許差異,但是相差不大,主要是由于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值并不是固定的,會(huì)根據(jù)電路情況有些許波動(dòng),我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程中要注意參數(shù)選取是否合適,并根據(jù)輸出情況進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)論

通過Multisim仿真實(shí)驗(yàn)可以對(duì)直流穩(wěn)壓過程進(jìn)行很好的實(shí)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論值相差較小,有助于加深對(duì)直流穩(wěn)壓電路的理解,也方便進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

直流穩(wěn)壓電路通過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后,可以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電,在日常生活中應(yīng)用廣泛。在實(shí)現(xiàn)過程中,各元件參數(shù)的選取需要經(jīng)過多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)以達(dá)到最好的效果,因此利用Multisim仿真軟件進(jìn)行電路仿真是進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和改進(jìn)的有效方法,值得推廣和學(xué)習(xí)。

引用

[1] 江冰,林善明,江琴,等.模擬電子技術(shù)及其應(yīng)用[M].南京:南京大學(xué)出版社,2019(12):266.

[2] 趙文杰.Multisim仿真實(shí)驗(yàn)在電路分析中的應(yīng)用[J].電子制作,2020,4(1):45-46.