基于Multisim的直流穩壓電路仿真

張博文 林君

摘 要：本文分析了直流穩壓電路中的整流濾波電路和穩壓電路的組成。Multisim軟件通過選擇電路參數、紋波大小和輸出波形，可用于對直流穩壓電路進行仿真和分析。該軟件可用于分析并設計不同需求的電源系統，降低設計的復雜度，提高電源利用率，進而縮短開發周期。

關鍵詞：整流濾波電路;穩壓電路;Multisim;仿真

中圖分類號：TN86;TP391.9文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）05-0046-03

Abstract： This paper analyzed the DC voltage stabilizing circuit in the rectifier filter circuit and composition of the voltage stabilizing circuit. Multisim software can be used for simulation and analysis of DC voltage-stabilizing circuit， by selecting circuit parameters， ripple size and output waveform simulation and analysis. The software can be used to analyze and design power supply system with different requirements， reduce the complexity of design， improve power utilization and shorten the development cycle.

Keywords： rectifier filter circuit;voltage regulator circuit;Multisim;simulation

Multisim是一款仿真工具，具有極強的仿真分析能力。人們可以通過Multisim交互式搭建電路原理圖并對電路進行仿真。在進行仿真電子實驗創建電路時，需要的元器件及測試儀器均可直接從儀器欄中選取，儀器的設置使用和數據讀取方法均與真實儀表相似[1]。實際工作中，可利用此軟件進行電路仿真設計與虛擬實驗，設計與實驗可以同時進行且修改調試十分方便，可完成各種類型的電路實驗，電路參數測試和分析也非常方便，降低了實驗成本，提高了實驗效率[2-3]。本文利用Multisim軟件平臺對直流穩壓電源電路進行仿真，分析了不同電路參數對輸出電壓以及紋波大小的影響。

1 直流電源原理

直流穩壓電路將220V生活用交流電轉換為直流電。其結構經過交流電源、變壓、整流、濾波、穩壓再到負載。

直流穩壓電源由變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四部分組成。電源變壓器提供適用于用電設備的AC電壓;整流電路將交流電變為單相脈動直流電;濾波器將單相脈動直流電變為平穩的單相直流電;穩壓電路用來克服由電網電壓、負載及溫度變化所引起的輸出電壓變化，以提高輸出電壓的穩定性。

2 整流濾波電路

在電子電路和自動控制裝置中，通常需要一個非常穩定的直流電壓，一般通過直流發電機來得到直流電或將交流電轉換成直流電。由4只二極管構成的橋式整流電路將交流電轉換成單向脈動的直流電壓，然而，這種電壓不能滿足電子設備的要求，因而通常采取加接濾波器的方法來改善電壓的脈動程度。以橋式整流濾波電路為例，Multisim仿真如圖1所示。

變壓前后電壓分別為[U1]、[U2]，負載兩端電壓為[UO]。

當[C]=0時，整流電壓平均值為：

當電容[C]充電到最大值時，如圖1所示，二極管[D1]、[D3]將截止，電容器[C]將通過[R1]開始向外放電。

電容器的放電時間常數為：

由于[τ1]較大，放電比較緩慢，故當[|U2|>UC]時，二極管[D2]、[D4]導通，電容器[C]又開始充電直到達到其最大值。

輸出電壓平均值為：

電容濾波電路通過電容存儲電荷來抑制紋波，接入負載后在示波器中可以看到明顯的紋波。當紋波中電壓波形處于上升部分時，二極管導通，借助電流一部分經過負載另一部分為電容充電，其時間常數為[R'C]（[R'=R1//r]，[r]為輸入電路內阻）;下降部分時二極管截止，負載上的電流由電容放電來提供，其放電時間常數為[R1C]。一般有[R1>>r>R1//r]，所以濾波效果主要取決于放電時間常數，其數值越大，濾波后的輸出紋波就越小，電壓波形越平滑，平均值越大。

如圖2所示，前半部分是開關S1斷開時得到的全波直流電壓波形，后半部分是開關S1閉合所得到的整流濾波后的電壓波形。由此可見，加入濾波后的電壓平均值明顯上升，使得紋波系數變小且電壓波形變平滑。若增大負載或增大濾波電容，會使紋波系數減小更多。當改變電容參數，[C]的參數由100 F變為1 000 F時，濾波前后輸出電壓如圖3所示。可見，當[C]的參數不同時，產生的紋波大小也不同，增大濾波電容，會進一步降低紋波系數。

3 穩壓電路

穩壓電路的作用是保證直流電路在電網波動、負載變化、溫度變化等因素影響下的輸出電壓穩定。穩壓電源由整流電路、濾波電路和穩壓電路構成。穩壓管穩壓電路由穩壓二極管和限流電阻組成，通過借助穩壓管的電流調節作用以及限流電阻上的電流和電壓來進行補償，進而起到穩壓作用，故限流電阻必不可少。并聯穩壓管穩壓電路仿真電路如圖4所示，仿真結果如圖5所示。

圖5中，上方波形為整流濾波輸出波形，下方為穩壓輸出波形。為了保證穩壓電路的穩定，輸入電阻電壓必須高于輸出電壓的一定值，且限流電阻[R]在某個負載變化的范圍內不能任意選取，應根據負載范圍、輸入輸出電壓值計算得到一個合適的阻值。

若輸入電壓的變化為15～18 V，負載電流變化為5～15 mA，而穩壓二極管的穩壓值[UZ]=12 V，穩壓電流[IZmin]=0.25 mA，[IZmax]=50 mA，求限流電阻[R]的數值。

4 結語

本文分析了直流穩壓電路的模型，利用Multisim軟件對整流濾波電路和穩壓電路進行了仿真驗證。仿真結果和實驗結論比對表明，二者結果基本吻合，所以直流穩壓電路的仿真在電路設計過程是十分必要的，可通過仿真來模擬真實的實驗環境。當前，人們可以利用Multisim軟件分析并設計出不同需求的電源系統，降低設計的復雜度，提高設計效率，縮短開發周期。

參考文獻：

[1]黃麗賢.基于Multisim的直流穩壓電源的仿真分析[J].光盤技術，2008（10）：38.

[2]程建峰.基于Multisim直流穩壓電源的仿真分析[J].工業儀表與自動化裝置，2015（4）：65-67.

[3]曹春雷.基于Multisim的整流濾波電路分析[J].中國科技信息，2013（4）：87-88.