基于Multisim的5V直流電源仿真及現象分析

王文靜 劉 原 李小紅

（安徽醫學高等?？茖W校醫學技術系 安徽合肥 230001）

直流電源是電子產品設計中必備的供電模塊。在實驗室環境下，最常用的方法是利用變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路進行的直流電源的設計。本電路雖然簡單，但是對于初學模擬電路課程的學生來說，在實際電路設計及故障排查方面，還是會出現各種各樣的問題。如果借助Multisim進行電路現象仿真，總結仿真現象及數據值，將對學生在電源電路設計及制作上起到重要的指導作用，避免不必要的實驗時間消耗，且便于幫助學生排查故障，順利完成實驗設計[1]。

一、實驗原理

直流電源模塊總的來說包括整流電路、濾波電路和穩壓電路三個部分[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，變壓器二次側電壓9V左右，經橋式整流電路整流二極管D1、D4和D2、D3的分別導通，使電阻上獲得均為正向流動的電流，將交流電變為直流電，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較大，因此需要后續濾波電路進行濾波。對于小功率場合，濾波電路通常為濾波電容，通過電容的充放電，達到降低整流輸出電壓脈動的目的。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

穩壓電路保證電網電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩定，通常采用集成穩壓芯片[4]。集成穩壓芯片輸出電壓有固定式和可調式。兩種器件均可通過適當的電路連接實現輸出電壓可調。本實驗需要固定5V直流電壓，使用7805構成穩壓電路，總電路如圖2所示。

圖2 5V固定輸出式直流穩壓電源

二、電路仿真

（一）Multisim仿真。首先仿真變壓器輸出電壓，設置交流電源有效值為220V，頻率為50HZ，變壓器變比約25，仿真結果如圖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，四個二極管接成橋式結構，空載、接上50Ω載，分別利用示波器及萬用表測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?，負載的不同對整流波形是有影響的，負載電阻越大，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。改變電源電壓或負載電阻，利用萬用表測試濾波后的電壓值，見表1。通過仿真現象，可得，電網電壓的波動或負載的變化對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，不同負載得到的濾波輸出值

仿真穩壓電路，外接固定集成穩壓芯片7805，在不同負載形式下穩壓輸出電壓見圖6。其中萬用表3測量的是變壓器二次側電壓有效值，萬用表2測量的是濾波電容兩端的電壓，萬用表1測量的是穩壓芯片的輸出電壓?？梢?，通過穩壓芯片，使得負載發生變化時，整流輸出電壓基本維持不變。同時，改變交流電源有效值，測試電壓，會得出同樣結論。

圖6 穩壓后輸出電壓波形

（二）Multisim進行電路故障仿真。故障發生的類型較多，而Multisim中也只能仿真部分錯誤類型。

通常的故障類型有二極管接反，電解電容接反、穩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或多個二極管接反。其中，任何一個整流二極管方向接反，均會構成變壓器二次側短路，負載無電壓輸出。此種情況無法仿真，實際中應避免發生。兩個二極管接反（部分可仿真）、三個二極管接反（不可仿真）及四個二極管均接反（可仿真）的情況，在利用multisim進行仿真時，部分可出仿真結果，可借助電壓表測試輸出電壓。

（三）電路焊接調試。首先根據理論計算及仿真情況購買實驗耗材，識別各種元器件并分清各引腳功能，然后進行電路焊接。焊接過程分模塊進行。

1.進行變壓器與插座焊接，測試變壓器二次側電壓是否為9V。

2.焊接整流橋，并將變壓器二次側接整流橋的輸入側，注意方向不要接反，利用萬用表檢測電路焊接的正確性，上電，測試整流橋的輸出電壓是否為6V。上電后若出現變壓器二次側導線發熱情況，應立即斷電，排查故障，觀察是否有二極管接反的情況。若測試電壓為0，則可能發生斷路，檢查是否有虛焊。若無虛焊，則檢查是否有兩個二極管接反。若測試電壓為-6V，則為四個二極管均接反的情況（此時測試輸出的正、負端互換位置即可，后續的電路以更改后的為準）。

3.焊接濾波電容，注意正負極不能接反，測試電壓為6V左右。

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

（四）故障排查。一般在分模塊焊接測試、每一部分的數據值及注意事項都符合的情況下，電路是沒有問題的。但是存在部分學生未按照要求進行操作，導致最終無法得到5V直流電源。此時進行故障排查，可分模塊、由前向后依次進行。

首先，測試變壓器模塊，先利用萬用變測試變壓器一次側電壓和二次側電壓是否分別為220V和9V，若任何一個無電壓，則需檢查電源插座、變壓器一次側、二次側焊點是否虛焊等問題，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驗。

然后，測試整流電路輸出電壓是否為6V左右，如果不是，則需檢查四個二極管的方向及與交流電源端和后續負載端的接線是否正確，是否出現虛焊現象，若沒有問題，則繼續檢查電解電容正負極性有無接反，同時測試穩壓芯片的輸入電壓是否為6V左右，此處學聲出現故障問題最多的地方是穩壓芯片接地端未接地。故障排查后，一般測試穩壓芯片輸出均會得到5V左右的電壓。

三、結論

總之，雖然5V直流穩壓電源電路簡單，但故障類型也是千變萬化，實驗過程中尚需不斷的進行實驗總結，豐富經驗。本文僅就正常的數據類型及現象進行了Multisim仿真，總結了常見的故障類型排查方法，方便實驗教師和學生對常見故障的分析與判斷，從而提高在實驗過程中快速解決實驗故障的能力，確保實驗的順利進行[5][6]。