串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的EWB仿真分析

戴燕琴

摘 要：本文詳細(xì)介紹了用電子工作平臺(tái)EWB對(duì)串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源各個(gè)部分進(jìn)行仿真分析的過(guò)程。通過(guò)仿真軟件中虛擬儀器和儀表觀察到的波形和讀出的數(shù)值，判斷電路的工作情況，可以很快地找到故障，排除故障。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源 EWB 仿真分析

目前，直流穩(wěn)壓電源的應(yīng)用非常廣泛，幾乎所有的電子設(shè)備都需要穩(wěn)定的直流電源。根據(jù)個(gè)人多年的經(jīng)驗(yàn)，直流穩(wěn)壓電源在一些常用的電子產(chǎn)品中較容易出故障，因?yàn)樵骷^容易損壞。且其輸出電壓會(huì)隨電網(wǎng)電壓的改變及負(fù)載的變動(dòng)而不穩(wěn)定，那將導(dǎo)致電子產(chǎn)品的使用效果不理想。因此，讓學(xué)生掌握好直流穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)及工作原理都是很重要的。筆者采用EWB電子工作平臺(tái)來(lái)對(duì)串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源各個(gè)部分進(jìn)行仿真研究。

眾所周知的，如果要做一個(gè)穩(wěn)壓電源，你得先采購(gòu)元器件，接著測(cè)試元器件的好壞，然后組裝焊接電路，最后調(diào)試，到最終成功得花上比較久的時(shí)間。但EWB電子工作平臺(tái)可以方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)，它有著豐富的電子元器件庫(kù)，還提供了多種虛似儀器，而且操作簡(jiǎn)單，一學(xué)就會(huì)，讓使用者仿佛置身于實(shí)驗(yàn)室使用真實(shí)的儀器。下面筆者以一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源為例進(jìn)行仿真說(shuō)明。

一、電路結(jié)構(gòu)和仿真電路圖

完整的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源一般分為四個(gè)部分：整流電路、濾波電路、串聯(lián)穩(wěn)壓電路和保護(hù)電路，如圖1所示。（注：圖1中的20V交流電源可由市電經(jīng)變壓器得到。）

圖1 串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源仿真電路

二、各部分電路仿真分析

1.整流電路

借助EWB仿真軟件，可以實(shí)時(shí)設(shè)置故障、排除故障。在橋式整流仿真電路中設(shè)置了一個(gè)二極管短路故障（雙擊其中一個(gè)二極管，在Fault中選擇Short）。通過(guò)觀察虛擬示波器波形，分析電路工作情況。仿真分析可知，四個(gè)整流二極管只要其中任何一個(gè)發(fā)生短路，就會(huì)使橋式全波整流變成半波整流；而四個(gè)整流二極管全部正常時(shí)，電路為全波整流，如表1所示。當(dāng)然還可以設(shè)置其他的故障，使用者自己可以試著設(shè)置。

表1 橋式整流電路輸入、輸出電壓波形

電壓 其中一個(gè)二極管短路時(shí) 四個(gè)二極管正常時(shí)

輸入電壓波形

輸出電壓波形

結(jié)論 半波整流 橋式全波整流

2.濾波電路

把混雜在直流電里的交流成分過(guò)濾出來(lái)，叫“濾波”。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是利用了電容的“隔直通交”特性實(shí)現(xiàn)濾波的。經(jīng)過(guò)濾波的交流成分都經(jīng)過(guò)電容器回到電源去了，電容器兩側(cè)剩下的就是沒(méi)有波動(dòng)的直流了。從表2仿真分析可知，濾波后輸出電壓平均值Uo的大小與濾波電容C及等效負(fù)載RL的大小有關(guān)。等效負(fù)載RL一定時(shí)，濾波電容C越大輸出電壓越平滑，輸出電壓平均值也越大；濾波電容C一定時(shí)，等效負(fù)載RL越大輸出電壓越平滑，輸出電壓平均值也越大。當(dāng)整流二極管其中之一短路時(shí)，輸出電壓波形的脈動(dòng)程度增大，輸出電壓平均值變小。但為了獲得良好的濾波效果，一般取：RLC≥（3～5）T/2，式中T為交流電源周期，此時(shí)濾波輸出電壓的平均值：Uo=1.2UI。

圖2 電容濾波仿真電路

表2 電容濾波電路輸入、輸出電壓波形

電壓 濾波電容、負(fù)載電阻工作情況

C=100μF

RL=100Ω C=470μF

RL=100Ω C=470μF

RL=∞

輸入電壓波形

輸出電壓波形

其中一個(gè)二極管短路時(shí)輸出電壓波形

3.串聯(lián)穩(wěn)壓電路

（1）輸出電壓范圍。如圖1所示，輸出電壓的調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)節(jié)電位器RP來(lái)實(shí)現(xiàn)的，輸出電壓從表3仿真分析可知，輸出電壓波形已變成一條直線，進(jìn)一步減小了輸出電壓中的脈動(dòng)成分。調(diào)節(jié)電位器RP的阻值，該串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓平均值為4V～23V可調(diào)。

表3 調(diào)節(jié)電位器RP阻值，輸入、輸出電壓波形及平均值

電壓 調(diào)節(jié)電位器RP阻值

0Ω 500Ω 1kΩ

輸入電壓波形

輸出電壓波形

輸出電壓平均值（負(fù)載開(kāi)路時(shí)） 4.023V 8.173V 23.13V

（2）輸出電壓的穩(wěn)壓仿真分析。輸出電壓發(fā)生變化的主要原因：①電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，②負(fù)載電阻的變化。從表4和表5的仿真結(jié)果分析可知，當(dāng)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)使輸入電壓UI變化，或者負(fù)載電阻改變，經(jīng)過(guò)串聯(lián)穩(wěn)壓后，都能使電路依然保持輸出電壓基本不變，從而達(dá)到了穩(wěn)壓的目的。

表4 負(fù)載RL=100Ω、電位器RP在中間時(shí)、輸入電壓改變時(shí)輸出電壓的波形及大小

電壓 輸入電壓UI（有效值）

38/ 20V 20/

穩(wěn)壓電路輸入電壓UI波形

輸出電壓Uo波形

輸出電壓Uo平均值 8.347V 8.172V 7.987V

表5 輸入有效值UI=20V，電位器RP在中間時(shí)，負(fù)載改變時(shí)輸出電壓波形及大小

電壓 負(fù)載電阻RL

1kΩ 100Ω 50Ω

穩(wěn)壓電路輸入電壓UI波形

輸出電壓Uo波形

輸出電壓Uo平均值 8.170V 8.163V 8.149V

4.保護(hù)電路

R2是提供D5、D6正向電流的限流電阻。R1是Q3的集電極負(fù)載電阻，又是復(fù)合調(diào)整管基極的偏流電阻。C2是考慮到在市電電壓降低的時(shí)候，為了減小輸出電壓的交流成分而設(shè)置的。C3的作用是降低穩(wěn)壓電源的交流內(nèi)阻和紋波。

三、小結(jié)

綜上所述，通過(guò)采用EWB電子工作平臺(tái)對(duì)圖1所示的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源各部分進(jìn)行仿真分析，初學(xué)者應(yīng)該能較快、較好地掌握串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的工作原理。筆者總結(jié)出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：EWB設(shè)計(jì)電路費(fèi)時(shí)較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)少；虛擬儀器效果好，仿真結(jié)果直觀；排除故障迅速；EWB簡(jiǎn)單、易學(xué)、經(jīng)濟(jì)、快捷。因此，熟練掌握EWB這種電子電路設(shè)計(jì)與仿真軟件對(duì)于設(shè)計(jì)人員是十分必要的。

參考文獻(xiàn)：

[1]鐘文耀.EWB電路設(shè)計(jì)入門與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.