串联型直流稳压电源的EWB仿真分析
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摘 要：本文详细介绍了用电子工作平台EWB对串联型直流稳压电源各个部分进行仿真分析的过程。通过仿真软件中虚拟仪器和仪表观察到的波形和读出的数值，判断电路的工作情况，可以很快地找到故障，排除故障。
目前，直流稳压电源的应用非常广泛，几乎所有的电子设备都需要稳定的直流电源。根据个人多年的经验，直流稳压电源在一些常用的电子产品中较容易出故障，因为元器件较容易损坏。且其输出电压会随电网电压的改变及负载的变动而不稳定，那将导致电子产品的使用效果不理想。因此，让学生掌握好直流稳压电路的设计及工作原理都是很重要的。笔者采用EWB电子工作平台来对串联型直流稳压电源各个部分进行仿真研究。
众所周知的，如果要做一个稳压电源，你得先采购元器件，接着测试元器件的好坏，然后组装焊接电路，最后调试，到最终成功得花上比较久的时间。但EWB电子工作平台可以方便地进行设计，它有着丰富的电子元器件库，还提供了多种虚似仪器，而且操作简单，一学就会，让使用者仿佛置身于实验室使用真实的仪器。下面笔者以一个简单的串联型直流稳压电源为例进行仿真说明。
一、电路结构和仿真电路图
完整的串联型直流稳压电源一般分为四个部分：整流电路、滤波电路、串联稳压电路和保护电路，如图1所示。（注：图1中的20V交流电源可由市电经变压器得到。）
图1 串联型直流稳压电源仿真电路
二、各部分电路仿真分析
1.整流电路
借助EWB仿真软件，可以实时设置故障、排除故障。在桥式整流仿真电路中设置了一个二极管短路故障（双击其中一个二极管，在Fault中选择Short）。通过观察虚拟示波器波形，分析电路工作情况。仿真分析可知，四个整流二极管只要其中任何一个发生短路，就会使桥式全波整流变成半波整流；而四个整流二极管全部正常时，电路为全波整流，如表1所示。当然还可以设置其他的故障，使用者自己可以试着设置。
表1 桥式整流电路输入、输出电压波形
电压 其中一个二极管短路时 四个二极管正常时
输入电压波形
输出电压波形
结论 半波整流 桥式全波整流
2.滤波电路
把混杂在直流电里的交流成分过滤出来，叫“滤波”。简单地说就是利用了电容的“隔直通交”特性实现滤波的。经过滤波的交流成分都经过电容器回到电源去了，电容器两侧剩下的就是没有波动的直流了。从表2仿真分析可知，滤波后输出电压平均值Uo的大小与滤波电容C及等效负载RL的大小有关。等效负载RL一定时，滤波电容C越大输出电压越平滑，输出电压平均值也越大；滤波电容C一定时，等效负载RL越大输出电压越平滑，输出电压平均值也越大。当整流二极管其中之一短路时，输出电压波形的脉动程度增大，输出电压平均值变小。但为了获得良好的滤波效果，一般取：RLC≥（3～5）T/2，式中T为交流电源周期，此时滤波输出电压的平均值：Uo=1.2UI。
图2 电容滤波仿真电路
表2 电容滤波电路输入、输出电压波形
电压 滤波电容、负载电阻工作情况
C=100μF
RL=100Ω C=470μF
RL=100Ω C=470μF
RL=∞
输入电压波形
输出电压波形
其中一个二极管短路时输出电压波形
3.串联稳压电路
（1）输出电压范围。如图1所示，输出电压的调节是通过调节电位器RP来实现的，输出电压从表3仿真分析可知，输出电压波形已变成一条直线，进一步减小了输出电压中的脉动成分。调节电位器RP的阻值，该串联型直流稳压电源的输出电压平均值为4V～23V可调。
表3 调节电位器RP阻值，输入、输出电压波形及平均值
电压 调节电位器RP阻值
0Ω 500Ω 1kΩ
输入电压波形
输出电压波形
输出电压平均值（负载开路时） 4.023V 8.173V 23.13V
（2）输出电压的稳压仿真分析。输出电压发生变化的主要原因：①电网电压的波动，②负载电阻的变化。从表4和表5的仿真结果分析可知，当电网电压的波动使输入电压UI变化，或者负载电阻改变，经过串联稳压后，都能使电路依然保持输出电压基本不变，从而达到了稳压的目的。
表4 负载RL=100Ω、电位器RP在中间时、输入电压改变时输出电压的波形及大小
电压 输入电压UI（有效值）
38/ 20V 20/
稳压电路输入电压UI波形
输出电压Uo波形
输出电压Uo平均值 8.347V 8.172V 7.987V
表5 输入有效值UI=20V，电位器RP在中间时，负载改变时输出电压波形及大小
电压 负载电阻RL
1kΩ 100Ω 50Ω
稳压电路输入电压UI波形
输出电压Uo波形
输出电压Uo平均值 8.170V 8.163V 8.149V
4.保护电路
R2是提供D5、D6正向电流的限流电阻。R1是Q3的集电极负载电阻，又是复合调整管基极的偏流电阻。C2是考虑到在市电电压降低的时候，为了减小输出电压的交流成分而设置的。C3的作用是降低稳压电源的交流内阻和纹波。
三、小结
综上所述，通过采用EWB电子工作平台对图1所示的串联型直流稳压电源各部分进行仿真分析，初学者应该能较快、较好地掌握串联型直流稳压电源的工作原理。笔者总结出以下几点经验：EWB设计电路费时较传统实验少；虚拟仪器效果好，仿真结果直观；排除故障迅速；EWB简单、易学、经济、快捷。因此，熟练掌握EWB这种电子电路设计与仿真软件对于设计人员是十分必要的。
参考文献：
[1]钟文耀.EWB电路设计入门与应用[M].北京：电子工业出版社，2005.