基于multisim直流稳压电源设计_第1页
基于multisim直流稳压电源设计_第2页
基于multisim直流稳压电源设计_第3页
基于multisim直流稳压电源设计_第4页
基于multisim直流稳压电源设计_第5页
已阅读5页,还剩10页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

I基于MULTISIM直流稳压电源设计春芽电子科技春芽ING摘要电源是所有电子设备的基础,没有电源所有的电子设备都无法正常运行,因此研究电源电路的课题非常有意义,特别是直流稳压电源。本课题主要研究串联负反馈直流稳压电源,分别从工作原理,硬件电路设计,仿真分析等方面深入研究。然后运用MULTISIM仿真软件进行电路分析,很容易读出各部分电流电压,输入输出波形,判断电路工作情况,进而完善硬件电路,实现直流稳压电源设计。关键词直流稳压电源,MULTISIM仿真,串联负反馈ABSTRACTPOWERSUPPLYISTHEBASISOFALLELECTRONICEQUIPMENT,NOPOWERSUPPLYALLOFTHEELECTRONICEQUIPMENTCANNOTBENORMALOPERATION,SOTHESTUDYOFTHEPOWERSUPPLYCIRCUITISVERYMEANINGFUL,ESPECIALLYTHEDCREGULATEDPOWERSUPPLYTHISTOPICMAINLYSTUDIESTHESERIESNEGATIVEFEEDBACKDCREGULATEDPOWERSUPPLY,FROMTHEWORKINGPRINCIPLE,THEHARDWARECIRCUITDESIGN,SIMULATIONANALYSISANDSOONTHENTHECIRCUITANALYSISUSINGMULTISIMSOFTWARE,ITISEASYTOREADEACHPARTOFCURRENTANDVOLTAGE,INPUTANDOUTPUTWAVEFORM,TOJUDGETHEWORKOFCIRCUIT,ANDTOIMPROVETHEHARDWARECIRCUITDESIGNOFDCPOWERSUPPLYKEYWORDSDCREGULATEDPOWERSUPPLY,MULTISIMSIMULATION,SERIESNEGATIVEFEEDBACKII目录摘要IABSTRACTI1绪论111课题研究背景112课题研究意义113课题主要内容22MULTISIM仿真软件介绍221MULTISIM仿真软件发展222MULTISIM仿真软件特点223MULTISIM软件仿真分析43串联稳压电源原理分析531简易串联稳压电源532串联负反馈稳压电源6321工作原理分析6322调节输出电压7323增加输出电流74串联稳压电源设计941确定调整管942确定复合管943输入电压的确定944确定基准电压945确定取样电阻946确定比较放大器105串联稳压电源仿真分析106总结与展望11参考文献12致谢13III第1页共13页1绪论11课题研究背景电力电子技术如今已经发展成为一门自成体系的、完整的高科技技术,电源技术就属于电力电子技术方面。众所周知电源技术主要服务于信息产业,信息技术的快速发展对电源技术提出要的求越来越高,直接促进电源技术蓬勃发展,两者相辅相成成就现如今飞速发展的信息产业和电源产业。从日常生活电器到最尖端的飞机导弹都离不开电源技术基础支持,而电源技术的提高意味着一个国家劳动生产率水平的提高,即一个国家单位能耗的产出水平的提高,因此国民经济电源技术具有举足轻重的作用。在这方面我国与世界先进国家的水平还有差距,作为电源技术学习者,不仅应该完成课题安排的内容,还应该通过各种信息渠道及时掌握电源技术最新发展方向和相关的元器件的最新发展技术,学习国内外先进的薄膜工艺、厚膜工艺、集成化工艺等1。电源设备是实现电能变换和功率传递的产品,技术含量高、知识面宽、更新换代快。然而电力电子技术的发展带动电源新技术的发展,电源新技术的发展有效地促进电源产业的蓬勃发展。目前为止电源已经算是重要的基础科技和产业,广泛应用于各行各业,朝着高频、高效、高密度化、低压、大电流化和多元化方向发展。同时电源的封装结构、外形尺寸也向国际标准化迈进,更容易适应全球一体化的市场需求2。电源是介于市电与负载中间,向负载提供持续不断电能的供电设备,是一切工业的基础。现在电源技术交叉应用功率半导体器件,综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术等多学科技术。随着科学技术的迅速发展,电源技术与材料科学、现代控制理论、电机工程、微电子技术等许多技术领域关系。因此电源技术慢慢发展为一门多学科相互渗透的综合性学科,对电子仪器、电力工程、计算机、现代通讯、工业自动化、国防及某些电源新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源发挥举足轻重的作用3。目前许多高新技术都与交流电源的波形电压、相位、频率、电流等参数的变换和控制有关,只有电源技术能够完成对这些参数的精确控制和高效率处理,特别是大功率电源的频率变换,可以为很多高新技术的快速发展提供保障。所以电源技术本身不但是一项高新技术,而且还是其他很多高新技术的坚实基础。电源技术产业链不断向前发展将有利于大大节约电能、降低材料消耗和大幅度提高生产效率,为现代便捷的生活和现代化产业带来积极的进步。由此不难看出,电源技术的不断创新必将促进电源技术迅速发展,进而为生产生活和科技进步做出巨大贡献。因此,电源技术和电源设备将成为二十一世纪的主导技术和主流产品4。12课题研究意义如今社会大众都享受到形形色色电子设备给生活带来的方便,但是所有电子设备都必须有电源电路这个共同的组成部分。大到功能强大的计算机、小到微型的计算器,所有的电子设备都必须有电源电路保证才能正常运行。然而这些电源电路的大小、难易程度各不相同。功能强大的计算机电源电路可能是是一套特别复杂的电源管理系统。通过电源管理系统运行,功能强大计算机各模块才可以得到稳定持续、符合各种规范要求的电源供应。微型计算器则具有纽扣电池电源电路。不过这个纽扣电池电源电路也很复杂,最新的电池电路已经具备掉电保护、电池能量提醒等许多功能。因此可以说电源电路绝对是一切电第2页共13页子设备的基础电路,没有电源电路就不会有出现如此品种多样的电子设备5。因为电子设备的技术特性,所以要求电源电路的必须能够保证稳定持续、满足负载要求的电能,当然一般情况下都是要求具有稳定的直流电能。提供如此稳定的直流电能的电源便是课题所研究的直流稳压电源。众所周知,直流稳压电源在电源技术中占有无足轻重的地位,许多电子专业学生初学电子设计首先就要解决直流稳压电源问题,否则电子电路无法运行、电子制作无从谈起6。13课题主要内容直流稳压电源有很多种分类方法,按电路类型可以分为简单稳压电源和反馈型稳压电源;按调整管的工作状态不同可以线性稳压电源和开关稳压电源;按稳压电路与负载的连接方式不同可以分为串联稳压电源和并联稳压电源;按输出电源的不同可以分为直流稳压电源和交流稳压电源等。本课题主要研究串联反馈型稳压电源的工作原理及电路设计注意事项,然后运用MULTISIM仿真软件对硬件电路进行仿真分析,与理论计算数值相比较得到实际电路参数7。2MULTISIM仿真软件介绍21MULTISIM仿真软件发展MULTISIM仿真软件前身是加拿大图像交互技术公司推出的EWB软件,二十世纪九十年代就在我国得到迅速推广,受到广大电子行业技术人员的青睐。MULTISIM仿真软件可以对模拟电路、数字电路、电工电路、射频电路、单片机电路等许许多多电路进行仿真,克服传统电子设计客观局限性,选用MULTISIM仿真软件的虚拟元器件搭建各种电子电路,用虚拟仪表进行各种参数和性能指标的测试,费用少效率高,而且结果快速、准确、直观8。22MULTISIM仿真软件特点(1)MULTISIM软件采用直观图形界面创建电路,操作简便。整个操作界面如同一个实验平台,软件中的仪器控制面板和操作方式都与实物相似,测量数据、波形和特性曲线直观形象,连线方便、简单易学。如图21所示。图21MULTISIM操作界面(2)MULTISIM软件元器件库有13000多种元器件供用户选择。虽然元器件库看起来很大,但被分成不同系列元器件,因此查找元件特别方便。元件库中的每一个器件都有具体的符号、仿真模型和封装,用于电路图的建立、仿真和印刷电路板的制作。还有许多虚拟元器件、交互元器件、额定元器件、指示元器件第3页共13页和三维立体元器件,MULTISIM元件库如图22所示9。图22MULTISIM元件库(3)MULTISIM软件还提供失真分析仪、逻辑分析仪、波特分析仪、频率计数器、安捷伦仪器、函数信号发生器、数字万用表、网络分析仪、频谱分析仪、瓦特表和数字信号发生器等十八种虚拟仪器,所有仪器功能不仅与实际仪器功能相同,而且控制面板外形和操作方式与实际基本相同。(4)MULTISIM软件元器件放置迅速和连线简捷方便。在虚拟仿真平台上建立硬件电路的仿真,相对比较耗费精力的步骤是放置元器件和连线,但是初学者几乎不需要指导就可以轻易地完成元器件的放置、元器件的连线,只是单击两个元器件引脚就可以完成电路连接。当元件发生移动和旋转时电路仍可以保持它们的连接,同时连线可以随意拖动和微调。(5)MULTISIM软件既可以对模拟、数字电路进行仿真还可以对模数混合电路进行仿真,还提供RF射频电路的仿真,提供专门用于射频电路仿真的元器件模型库和仪表,因此搭建射频电路并进行实验非常方便,仿真电路准确性也很高。(6)MULTISIM软件兼容性好。MULTISIM作为电路硬件仿真设计工具,可以与流行的电路分析、设计和制板软件交换数据,比如PROTEL99SE、SPICE等。(7)MULTISIM软件具有强大的电路分析能力,实时显示测量结果。MULTISIM不但提供虚拟仪表,为了更好地掌握电路的性能,而且提供失真分析、噪声分析、直流工作点分析、交流分析、温度扫描分析、傅里叶分析、传输函数分析、用户自定义分析和最坏情况分析等十九种分析,这些分析方法足够满足电子电路的分析和设计要求,如果是在实际电路设计行业有些分析功能是无法实现的。(8)MULTISIM软件具有强大的作图功能,可以将仿真分析结果进行显示、调节、存储、打印和输出。使用作图器还可以对仿真结果进行测量、设置标记、重建坐标系以及添加网格。所有显示都可以被EXCEL以及LABVIEW软件调用。(9)MULTISIM软件利用后处理器对仿真结果和波形进行传统的数学和工程运算。如代数运算、布尔运算、算术运算、三角运算、矢量运算和复杂的数学函数运算。(10)MULTISIM是良好的电子技术训练工具,利用虚拟元器件、仪器可以用比第4页共13页实验室中更灵活的方式进行电路实验,仿真硬件电路的实际运行情况,熟悉常用仪器测量方法。能够完美解决传统电子实验过程中不便进行开路、短路、漏电和过载观测等问题,非常适合电子类课程的仿真教学和实验10。23MULTISIM软件仿真分析MULTISIM软件的功能主要体现在硬件电路分析方面,可以提供十九种仿真分析功能,电子设计者可根据仿真电路、仿真目的和功能要求任意选择。仿真分析类型有直流工作点分析、交流频率分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、直流扫描分析、参数扫描分析、温度扫描分析、传递函数分析等如图23所示。图23MULTISIM仿真分析类型3串联稳压电源原理分析31简易串联稳压电源简易串联稳压电源如图31所示,D1是基准电压源,T1是调整管,R1是限流电阻,R2是负载电阻。由于T1基极电压被D1固定在UD1,T1发射结电压(UT1)BE在T1正常工作时基本是不变的固定值(一般硅二极管为07V,锗二极管为03V),所以输出电压UOUD1(UT1)BE。当输出电压远大于T1发射结电压时,可以忽略(UT1)BE,则UOUD1。串联稳压电源的稳压工作原理如下。第5页共13页图31简易串联稳压电源假如由于某种原因引起输出电压UO降低,即T1的发射极电压(UT1)E降低,由于UD1保持不变,从而造成T1发射极电压(UT1)BE上升,引起T1基极电流(IT1)B上升,从而造成T1发射极电流(IT1)E被放大倍上升,由晶体管的负载特性可知,这时T1导通更加充分管压降(UT1)CE将迅速减小,输入电压UI更多的加到负载上,UO得到快速回升。这个调整过程可以使用下面的变化关系图表示UO(UT1)EUD1恒定(UT1)BE(IT1)B(IT1)E(UT1)CEUO当输出电压上升时,整个分析过程与上面过程的变化相反,这里我们就不再重复,只是简单的用下面的变化关系图表示UO(UT1)EUD1恒定(UT1)BE(IT1)B(IT1)E(UT1)CEUO上述只是分析输出电压UO降低的稳压工作原理,还有输入电压UI降低等其他情况下的稳压工作原理都是类似分析,最终都是反应在输出电压UO降低上,因此工作原理大致相同。从上述电路的工作原理不难得出稳压的关键有两点一是稳压管D1的稳压值UD1要保证稳定;二是调整管T1要工作在放大区且工作特性良好。其实还可以用反馈的原理来说明简易串联稳压电源的工作原理。由于电路是一个射极输出器是电压串联负反馈电路,电路的输出电压为UO(UT1)E(UT1)B,由于(UT1)B保持稳定,所以输出电压UO也保持稳定。简易串联稳压电源由于使用固定的基准电压源D1,所以当需要改变输出电压时只有更换稳压管D1,这样调整输出电压非常不方便。另外由于直接通过输出电压UO的变化来调节T1的管压降(UT1)CE,这样控制作用较小,稳压效果还不够理想,因此这种稳压电源仅仅适合比较简单的电路应用场合。32串联负反馈稳压电源由于简易串联稳压电源输出电压受稳压管稳压值的限制无法调节,当需要改变输出电压时必须更换稳压管,造成电路的灵活性较差;同时由输出电压直接控制调整管的工作,造成电路的稳压效果也不够理想。所以必须对简易稳压电源进行改进,增加一级放大电路,专门负责将输出电压的变化量放大后控制调整管的工作。由于整个控制过程是一个负反馈过程,所以这种稳压电源叫做串联负反馈稳压电源。321工作原理分析串联负反馈稳压电路如图32所示,其中D1和R2组成基准电压,R3R5组成取样电路,T2为比较放大器,T1是调整管,R6是负载电阻。假如由于某种原因引起输出电压UO降低时,通过R3R5的取样电路,引起T2基极电压(UT2)O成比例下降,由于T2发射极电压(UT2)E受稳压管D1的稳压值控制保持不变,所以T2发射结电压(UT2)BE将减小,于是T2基极电流(IT2)B减小,T2发射极电流(IT2)E跟随减小,T2管压降(UT2)CE增加,导致其发射极电压(UT2)C上升,即调整管T1基极电压(UT1)B将上升,T1管压降(UT1)CE减小,使输入电压UI更多的加到负载上,这样输出电压UO就上升。这个调整过程可以使用下面的变化关系图表示UO(UT2)OUD1恒定(UT2)BE(IT2)B(IT2)E(UT2)CE(UT2)C(UT1)B(UT1)CEUO第6页共13页当输出电压升高时整个变化过程与上面完全相反,这里就不再赘述,简单的用下图表示UO(UT2)OUD1恒定(UT2)BE(IT2)B(IT2)E(UT2)CE(UT2)C(UT1)B(UT1)CEUO与简易串联稳压电源相似,当输入电压UI或者负载等其他情况发生时,都会引起输出电压UO的相应变化,最终可以用上面分析的过程说明其工作原理。图32串联负反馈稳压电路串联负反馈稳压电源电路的整个稳压控制过程中,因为增加比较放大电路T2,输出电压UO的变化经过T2放大后再去控制调整管T1的基极输出,使得电源电路的稳压性能得到提高。T2的值越大稳压电源输出电压稳定性越好11。322调节输出电压如图32所示取样电路并联于直流稳压电路的输出端,主要是由R3、R4、R5组成,其实取样电压就是三个电阻分压后得出。当选取R3、R4、R5三个阻值时可以通过选择适当的电阻值来使流过分压电阻的电流远大于流过T2基极的电流,也就是说T2基极电流的分流作用可以直接忽略,于是就可以用电阻分压的计算方法来确定T2基极电压(UT2)B。当R4电位器调到最上端时T2基极电压(UT2)B为输出电压为此时输出电压是最小值。当R4电位器调到最下端时T2基极电压(UT2)B为第7页共13页输出电压为此时输出电压是最大值。通过上面的计算当(UT2)BE三极管,式中是在点网电压最高时的有载整流电压。BVOMAX调整管输电压最大时产生功耗最大,负载电压此时最低,输出电流此时最大MAXPMINAXI即选择三极管,式中是稳压管的分流电流,包括基准稳压管电流。IC42确定复合管当负载电流值很大,如果调整管的基极控制电流/还是比较大,OI1BIO则比较放大器无法直接推动,比如05MA通常调整管需要采用复合管,1BI/,如果,的小功率管。通常尽管选用值大的三极管,以CMBV2UCMI1B减小放大管的基极电源12。5串联稳压电源仿真分析图51串联稳压电源仿真电路串联反馈型稳压电路如图51所示,仿真分析可知四个整流二极管只要任何第10页共13页一个开路,桥式全波整流就会变成半波整流,此时输出电压的平均值045OU;当四个整流二极管全部正常时电路为全波整流,输出电压的平均值09IU,仿真结果与理论分析一致。当整流电路接入滤波电容时,由于电容能够存储电荷,则输出电压会逐渐平滑,电压纹波明显减少,同时输出电压的平均值逐渐变大。输出电压平均值的大小与滤波电容C和等效负载R数值有关。当电容C的容量一定时,电O阻R越大,电容C的放电时间常数就越大,其放电速度越慢,输出电压就越平滑,值就越大。当电阻R开路时,输出电压平均值1414。UOUI要使稳压电路具有更好的滤波效果一般取RC大于等于35T/2,T为交流电源周期,此时输出电压的平均值12。在负载电阻R确定时滤波电容COUI越大其放电速度越慢,输出电压就越平滑,输出电压平均似就越大。滤波电容C确定时,等效负载R越大输出电压也越平滑,输出电压平均值也越大。当整流二极管其中之一开路时输出电压波形的脉动程度增大,输出电压平均值变小。串联型稳压电路中由于调整管与负载是串联连接,当电流过载时,极限是输出端短路时,调整管将要承受全部输入电压和流过全部的电流,直接导致调整管功耗猛增而可能烧毁,所以应该将调整管进行保护。保护电路一般分为限流型保护电路和截流型保护电路两种。如图三极管Q3就是限流保护管,在串联型稳压电路过流时起保护作用。通过以上分析可知当负载电阻减小时输出电压的平均值减小,但电流却基本不变,于是起到保护作用13。串联稳压电源的仿真电路如图51所示,通过电流仿真分析可知,输出电压波形几乎是一条直线,可以逐步减少输出电压中的脉冲成分。并且向上和向下调节电位器R8时可调节输出电压值,仿真分析与理论计算值基本一致。通过仿真分析得出输入电压为18V,经过整流滤波后的电压为2268V,最后稳定后的电压为1088V。输入电流约184A,而最后稳定时的输出电流约为445MA。通过计算可得出输入电阻为1233欧,而最后稳定输出电阻约为245K欧。6总结与展望通过参数计算和元器件选择,可以得到所有元件的参数。这样就得到完整的稳压电源电路图,这里计算其实都还只是初步的参数,实际组装完毕后应该仔细测量电源的各项指标是否符合要求,各部分元件工作是否正常。如果发现问题,应该根据实际情况做出调整。根据调整结果来修正原理图中的电路参数,最终完成稳压电源的设计。由于串联稳压电源输出电压受稳压管稳压值得限制无法调节,当需要改变输出电压时必须更换稳压管,造成电路的灵活性差;同时由输出电压直接控制调整管的工作,造成电路的稳压效果也不够理想。所以可以对稳压电源进行改进,增加一级放大电路,专门负责将输出电压的变化量放大后控制调整管的工作。由于串联负反馈稳压电路是通过输出电压的变化量,经放大后来调节调整管的管压降达到稳压的目的。当放大倍数越高,电源的稳定度就越高。对于三极管放大器,当集电极电阻越大同时输入电阻越小时,放大倍数就越大。但集电极电阻过大会造成集电极电流过小,会造成输入电阻增大。为解决这个矛盾可以使用恒流源负载代替集电极电阻。第11页共13页由于当放大电路的放大倍数越高时,电源的稳定度就越高。一般单管放大电路的放大倍数有限,可以采用增加放大电路级数的方法来提高放大倍数,这样也可以大大提高电源的稳定度。不过增加放大电路的级数后,电路更容易产生自激振荡,在设计放大电路时需要采取手段避免电路产生自激。参考文献1严

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论