淺談串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的仿真與改進(jìn)

羊佳芃

摘 要：現(xiàn)階段，最主要的電源研究方向集中在直流電源與交流電源。而交流電源因其自身周期性變化的特點(diǎn)，在電路中提供的電流極其不穩(wěn)定，不能應(yīng)用于一些精密儀器以及部分電子設(shè)備。故而，直流電源正在受到更多青睞，地位與研究比重也愈發(fā)提高。直流電源中，應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬直流穩(wěn)壓電源，又細(xì)分為串聯(lián)型穩(wěn)壓電源、開關(guān)型穩(wěn)壓電源、穩(wěn)壓管直流穩(wěn)壓電源以及集成電路等。然而穩(wěn)壓電源因過長的工作時(shí)間，極其容易出現(xiàn)元件損壞的現(xiàn)象，造成儀器報(bào)廢或引起安全隱患等顧慮。同時(shí)，穩(wěn)壓電源的輸出電壓也可能因?yàn)樨?fù)載電流改動(dòng)與電壓波動(dòng)等原因產(chǎn)生不穩(wěn)定，導(dǎo)致放大器的零點(diǎn)漂移，引起額外的噪音，損傷精度。通過對Multisum2010電子電路的仿真分析，從而設(shè)計(jì)出更加穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電源，將會(huì)對電路設(shè)計(jì)行業(yè)、電子元件器械維修行業(yè)提供極大的便利。在對電路分析檢測的過程中，也能很好地鍛煉學(xué)生動(dòng)手操作能力，開拓學(xué)生自主學(xué)習(xí)創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)穩(wěn)壓電源 Multisum2010 仿真

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）10（a）-0055-02

最為簡單的直流穩(wěn)壓電源——穩(wěn)壓管直流穩(wěn)壓電源因?yàn)橛泄潭ù笮∠拗频妮敵鲭娏鳎裕诤芏鄨龊舷聼o法滿足用電器要求，又兼電壓固定不可調(diào)節(jié)，無法呈現(xiàn)元件的變化特性，使得應(yīng)用比較單一。然而將穩(wěn)壓管直流穩(wěn)壓電源當(dāng)作基礎(chǔ)，加以有放大電流作用的晶體管，就可以增加負(fù)載電流。同時(shí)晶體管的負(fù)反饋也可以穩(wěn)定電路電壓，輸出電壓也可以通過改變反饋而來的參數(shù)來達(dá)到調(diào)節(jié)的目的，從而適合更多的條件場合。這樣改進(jìn)過的串聯(lián)穩(wěn)壓直流電源，操作簡單靈活，成本低廉輕便，方便使用人員學(xué)習(xí)操作，也方便針對電路進(jìn)行維修檢修，減少了工作量，極大地提高了工作效率，也能應(yīng)用于教學(xué)舉例分析，極大地?cái)U(kuò)大了適用受眾。而利用Multisum2010電路仿真分析工具，可以對串聯(lián)直流穩(wěn)壓電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行較為完全詳盡的仿真分析。通過模擬相關(guān)測量儀器對電源內(nèi)部不同部位的輸入電壓的示波器顯示模型，輸出電壓的示波器顯示模型，從而計(jì)算分析出相關(guān)輸入電壓值、輸入電流值、輸出電壓值、輸出電壓值等不同參數(shù)。進(jìn)而可在教學(xué)中作為驗(yàn)證相關(guān)定理定律的有效工具手段。

1 運(yùn)用Multisum2010對串聯(lián)型穩(wěn)壓電路的仿真分析

通常實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用的是較為簡化的串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源，基本涵蓋了最主要的4個(gè)部分，即整流部分、濾波部分、串聯(lián)穩(wěn)壓部分、保護(hù)部分。

1.1 整流電路分部

由于Multisum2010電子電路仿真工具能夠較好地還原電路實(shí)況，也能很好地模擬出給定的不同場景條件，相對所需的反應(yīng)時(shí)間也比較短，所以，我們假定在特定模擬電路不同位置中加入整流二極管4只，（如圖1），并將信號(hào)輸出端用合適的成像示波器模擬出波譜形狀，來對不同情況下的假設(shè)做出鑒定。

通過仿真分析的譜圖可知，無論哪個(gè)部位的整流二極管發(fā)生開路，都會(huì)破壞原有完好的全波整流，形成新的只有一半周期的不完整半波整流，輸出電壓的大小也會(huì)變成原有的一半，仿真模擬得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)前的理論預(yù)測十分契合，也從側(cè)面證明了該模擬仿真的相似度十分高，可以作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相信代入計(jì)算。

根據(jù)如上舉例，還可以舉一反三探究其他相關(guān)問題，比如：若是任意一個(gè)位置整流二極管發(fā)生短路，又或是兩個(gè)位置同時(shí)發(fā)生短路等，均是很有研究探討價(jià)值的問題，在此不作重復(fù)演示。

1.2 濾波電路分部

將濾波電容也加入到整流電路中，由于電容器具有儲(chǔ)存電荷的特性與容抗特點(diǎn)，會(huì)阻礙電壓降與電流的改變趨勢，所以會(huì)使得輸出電壓的波動(dòng)幅度減小，相對增大平均輸出電壓。根據(jù)計(jì)算公式可知，電阻R值越大，相同電容量的電容器放電時(shí)間會(huì)更長，放電速度也相對減緩，輸出的電壓變動(dòng)曲線也愈發(fā)平滑緩和，平均輸出電壓值也就越大。當(dāng)R值無窮時(shí)，平均輸出電壓的平方值正好是最大輸出電壓平方的一半，而濾波電容一定時(shí)，負(fù)載電阻R阻值越大，同理輸出電壓曲線也變的平緩，平均值也同比增加。

1.3 串聯(lián)穩(wěn)壓電路分布與保護(hù)電路分部

穩(wěn)壓電路分部是通過晶體管的負(fù)反饋?zhàn)饔脕硐魅踺斎腚妷簩敵鲭妷翰ㄐ闻c平均值的影響。

保護(hù)電路分部的作用主要是在電路中串聯(lián)負(fù)載過了底線值時(shí)，又或者輸出發(fā)生短路時(shí)，通過限流型保護(hù)分部和截流型保護(hù)分部，通過截?cái)嚯娐吠ǖ溃瑏肀Ｗo(hù)相關(guān)電子元件。

2 運(yùn)用Multisum2010電子電路模擬軟件模擬晶體管負(fù)反饋串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源

以電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)EWB為前身的Multisum2010電子電路模擬仿真，最為突出的改進(jìn)莫過于增加了虛擬儀表讀數(shù)觀察的直觀性，與各類電子元件、集成電路芯片庫的豐富性，并且擁有較為友好的用戶操作界面。使得整個(gè)軟件的處理信息功能強(qiáng)大卻便于操作，是新入門的電子操作設(shè)計(jì)，電路檢修人員增加理解熟悉操作的首選工具。其擁有虛擬儀器涵蓋了示波器以及顯示分析裝置、函數(shù)模擬發(fā)生器、萬用表、波特圖圖示儀器、針對失真度、譜頻、邏輯、網(wǎng)絡(luò)等必要參數(shù)的分析裝置等專業(yè)儀器，極大地方便了實(shí)驗(yàn)要求與設(shè)計(jì)。

2.1 創(chuàng)建模擬電路

注意：（1）要選擇AC_VOLTACE_SOURSE此選項(xiàng)作為交流電源，并且接地。（2）在元件庫中選好相應(yīng)的變壓器、橋堆，2只穩(wěn)壓二極管，2只三極管，相應(yīng)阻值的6只電阻，合適的2只電容，并按照示意圖連接好電路，在如圖位置放置好選擇2只萬用表作為測量用表。

2.2 仿真分析負(fù)反饋穩(wěn)壓

雙擊交流電源按鍵，調(diào)整電壓值為220 V，頻率為50 Hz，將萬用表調(diào)整到量程為15 V的電壓表模式，讀取電壓值為12 V。另取萬用表2，調(diào)整量程為15 V的電壓表，分別連接入電路測得電壓值如表1。通過對R4阻值的調(diào)整可以發(fā)現(xiàn)，其阻值的改變會(huì)相應(yīng)的輸出電壓值。

當(dāng)輸出電壓顯示值升高時(shí)，同樣操作調(diào)整相關(guān)參數(shù)為240 V，50 Hz，改變?nèi)f用表2位置，進(jìn)行對相關(guān)阻值的測量，并且記下萬用表1的電壓讀數(shù)。

當(dāng)輸出電壓顯示值降低時(shí)，同樣操作調(diào)整相關(guān)參數(shù)為200 V，50 Hz，改變?nèi)f用表2位置，進(jìn)行對相關(guān)阻值的測量，并且記下萬用表1的電壓讀數(shù)。

通過表1可以看出，當(dāng)輸入電壓的波動(dòng)范圍控制在20 V以內(nèi)的時(shí)候，晶體管串聯(lián)得到的穩(wěn)壓電源能夠很好地利用晶體管負(fù)反饋的特性，將輸出電壓維持在固定數(shù)值保持不變。

假若調(diào)整輸入電壓以及其他電子元件參數(shù)數(shù)值，按照同樣的電路結(jié)構(gòu)，就可以類似得出不同參數(shù)的晶體管，以及晶體管數(shù)量安裝方式不同時(shí)改造的串聯(lián)型穩(wěn)恒電壓的最大波動(dòng)幅度和穩(wěn)定性，可以作為改進(jìn)串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的深入性探究，具有很大的教學(xué)與商業(yè)價(jià)值。

3 結(jié)語

串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源因其穩(wěn)恒的輸出電壓，簡單的構(gòu)造、方便的操作在精密儀器、電子元件領(lǐng)域扮演著不可替代的角色，對它的分析改進(jìn)也一直是教學(xué)之重和企業(yè)創(chuàng)新賣點(diǎn)。然而在現(xiàn)階段，高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室與中小型的企業(yè)電子電路實(shí)驗(yàn)室依然存在儀器老舊不完備等缺陷，故而不能很好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)與設(shè)計(jì)檢修等工作。通過Multisum2010電子電路的模擬分析，能較好地理解掌握相關(guān)的原理，也能相對地熟悉操作，從而將串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的作用發(fā)揮到更好。提高教學(xué)質(zhì)量并且激發(fā)學(xué)生興趣，也能再次促進(jìn)電子電路設(shè)計(jì)維修行業(yè)的發(fā)展。

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