串聯型穩壓電路的虛擬測試研究

摘 ?要： 利用NI Multisim 12.0仿真軟件對串聯型穩壓電路的穩壓系數和輸出電阻等參數進行測試分析，在輸入電壓不變時，調節電位器測試輸出電壓的變化范圍;在輸入電壓變化時，計算穩壓系數來判斷穩壓電路的穩壓性能。同時通過外接可調電阻的變化，測試輸出電壓和輸出電流的變化值，進而計算輸出電阻的大小，發現虛擬測試結果與理論計算結果相吻合。仿真結果表明，將電子電路NI Multisim 12.0仿真軟件引入到電子教學中，能豐富學生分析和設計電子電路的手段，有利于學生創新意識的培養和競爭能力的提升。

關鍵詞： 串聯型穩壓電路; 虛擬測試; 輸出電壓; 穩壓系數; 輸出電阻; 電子教學

中圖分類號： TN710.9; TN721?34 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）10?0083?05

Virtual test research of series?type voltage stabilizing circuit

HOU Weizhou

（School of Physics and Electronics， Henan University， Kaifeng 475003， China）

Abstract： The parameters such as voltage regulation coefficient and output resistance of the series?type voltage stabilizing circuit are tested and analyzed by using the NI Multisim 12.0 simulation software. The variation range of the output voltage is tested by adjusting the potentiometer when the input voltage is constant. The voltage regulation performance of the voltage regulation circuit is judged by calculating the voltage regulation coefficient when the input voltage is not constant. The variation values of the output voltage and current are tested by means of the variation of the circumscribed adjustable resistance. The value of the output resistance is calculated， and it is found that the virtual test results are consistent with the theoretical calculation results. The simulation results show that the introduction of the electronic circuit simulation software NI Multisim 12.0 to the electronic teaching can enrich students′ analysis and design means of electronic circuits， and is beneficial to the cultivation of students′ innovation consciousness and improvement of competitive ability.

Keywords： series?type voltage stabilizing circuit; virtual test; output voltage; voltage regulation coefficient; output resistance; electronic teaching

0 ?引 ?言

在直流電源中，當電網電壓發生波動或負載變化時，會導致其輸出電壓發生變化。為獲得穩定的輸出電壓，提出了直流穩壓電源。直流穩壓電路種類繁多，其中串聯型穩壓電路是直流穩壓電路中的一種，它在實際電子設備中應用極其廣泛，其主要利用串聯于電路中的調整管（即晶體管）進行動態分壓而使負載得到穩定電壓的電路。本文采用NI Multisim 12.0仿真軟件，當串聯型穩壓電路中的電源參數、負載參數發生變化時，測試穩壓電路輸出電壓的變化，從而更好地分析串聯型穩壓電路的穩壓性能。為進一步掌握直流穩壓電路的研發與設計，先介紹串聯型直流穩壓電路的工作原理。

1 ?串聯型穩壓電路的工作原理

串聯型穩壓電路以穩壓管穩壓電路為基礎，利用晶體管的放大作用，增大負載電流，在電路中引入深度負電壓反饋使其輸出電壓穩定，并且通過改變反饋網絡參數使輸出電壓達到可調的效果。

1.1 ?直流電源的穩壓系數和輸出電阻

由交流市電（或稱電網電壓）變壓、整流后，進一步濾波、穩壓而構成直流電源，穩壓電路在電子設備中被廣泛使用。然而實踐表明，直流電源輸出的電壓Vo，會因市電電壓Vi的變化或負載電阻阻值的變化而變化，反映它們在這兩方面性能優劣的指標[1]，常用穩壓系數Sr和輸出電阻Ro來表征。

穩壓系數Sr定義為：在負載電阻RL不變的情況下，輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比稱為穩壓系數。Sr表達式為：

[Sr=ΔVoVoΔViViRL=常數] ? （1）

Sr值越小[2]，則輸出電壓受市電電壓變化的影響越小。

輸出電阻Ro的定義為：在輸入電壓Vi不變的情況下，輸出電壓的變化量與輸出電流的變化量之比稱為穩壓電源的輸出電阻。輸出電阻Ro的表達式為：

[Ro=-ΔVoΔIoVi=常數] ? ? （2）

Ro值越小[3]，則輸出電壓Vo受負載變化的影響就越小，輸出電壓Vo越穩定。

1.2 ?串聯型穩壓電路工作原理

僅由整流濾波電路構成的直流電源，其穩壓系數Sr和輸出電阻Ro均較大[1，3]，不能滿足在這兩方面要求較高的電子設備場合中，而當采用穩壓電路后，則這兩個質量指標Sr和Ro會明顯改善。常用的穩壓電路（又稱穩壓器）為串聯型穩壓電路，其原理如圖1所示。它主要由基準穩壓產生電路（由電阻R3和穩壓二極管DZ組成）、調整環節（由電阻R4和三極管T1組成）、取樣電路（由電阻R1和R2組成）和比較放大環節（由三極管T2組成）等部分構成。串聯型穩壓電路的工作原理如下：

圖1 ?串聯型穩壓電路原理圖

由于輸入電壓Vi或負載電阻RL的變化，會使輸出電壓Vo變化。當輸出電壓Vo減小時，電阻R1，R2取樣后T2基極電壓將下降，這個電壓與穩壓二極管DZ的基準電壓VZ比較后，使VBE2減小，從而使T2的基極電流iB2減小，使T2的集電極電流iC2也減小，這樣一來，T2的集電極電壓（T1的基極電位）抬高，T1基極電流iB1增大，T1的管壓降VCE1減小，使得電路的輸出電壓Vo=Vi-VCE1下降受到抑制，Vo趨于穩定;反之，當Vo升高時，T1的管壓降VCE1上升，抑制了Vo的上升，Vo趨于穩定?？傊?，由于反饋控制的作用，使輸出電壓Vo基本保持穩定。該電路的輸出電壓Vo表達式為：

[Vo=1n·VZ] ? ? ? ?（3）

式中，n為取樣比，n的表達式為：

[n=R2R1+R2] ? ? ? （4）

穩壓管選定后，VZ也就確定了，所以此時要改變輸出電壓Vo的大小，可以改變取樣比的大小。

2 ?串聯型穩壓電路的虛擬測試目的及要求

為分析串聯型直流穩壓電路的穩壓性能，在改變電網電壓Vi的大小或負載電阻RL的大小時，分析和研究串聯型穩壓電路的輸出電壓Vo是否具有穩定性，從而對仿真電路提出一些測試要求。

2.1 ?NI Multisim 12.0虛擬仿真軟件

NI Multisim 12.0電子電路虛擬仿真軟件是由美國國家儀器有限公司開發的較新版本，該仿真軟件不局限于電子電路的虛擬仿真[4?6]，其在LabVIEW虛擬儀器、單片機仿真、VHDL和VerilogHDL建模、Ultiboard設計電路板等技術方面有更多的創新和提高，屬于EDA更高層次的范疇。

由于NI Multisim 12.0仿真軟件對電路原理、模/數電子技術、通信電子線路等課程的實驗教學具有積極的輔助作用[7?8]，學生和教師反應良好。故本文利用NI Multisim 12.0仿真軟件，對串聯型直流穩壓電路的輸出電壓Vo受電網電壓的波動和負載電阻變化的影響進行一些虛擬測試分析和研究。

2.2 ?搭建串聯型穩壓電路的測試目的

依據電路參數和必需的元器件創建了仿真測試電路。

1） 熟悉串聯型穩壓電路的組成及一些元器件的參數大小和作用，從0～100%調整電位器的百分比，觀察并記錄電壓表U1（即輸出電壓Vo）讀數的變化范圍。

2） 正確理解當輸入電壓的大小改變（即電網電壓的波動），記錄輸出電壓Vo及ΔVo的大小，計算穩壓系數Sr;恢復至輸入電壓的原來值，改變負載，測試輸出電阻Ro的值，依據Ro的大小來判別輸出電壓是否穩定，最終分析虛擬測試結果與理論計算結果的吻合程度。

2.3 ?串聯型穩壓電路測試的仿真內容

1） 依據仿真目的來確定電路的元件參數;

2） 調整電位器百分比，記錄輸出電壓的變化范圍;

3） 模擬電網電壓的變化，記錄輸出電壓的值和計算穩壓系數的大小;

4） 在原來仿真電路的基礎上，添加一些電阻、電位器和電流源組建新的虛擬測試電路，改變電位器大小，利用式（2）計算輸出電阻的大小。

3 ?NI Multisim 12.0仿真軟件對串聯型穩壓電路的測試與分析

3.1 ?輸入電壓變化時，輸出電壓變化范圍和穩壓系數的數據測試

1） 組建串聯型直流穩壓電路測試電路

組建如圖2所示的串聯型直流穩壓測試電路。在圖2中，穩壓電路主要由放大管Q1、Q2（這兩個管子的特性完全相同，作為調整環節）、Q3（作為比較放大器）、穩壓二極管D1和電阻R2（作為基準電壓電路）、電阻R4、R5及RP（作為采樣環節）等部分組成，這些元器件（包括電位器RP1，RP2，型號為RD2.7S的穩壓二極管D1等）均從NI Multisim 12.0軟件的元器件庫中調出，Q1，Q2 和Q3型號均為2N2222;模擬的輸入電源電壓Vi=9 V;在NI Multisim 12.0仿真軟件基本界面的平臺上，將調出的電位器的“Incretance”欄改為1%。

圖2 ?串聯型穩壓電路（一）

僅改變輸入電壓Vi的大小，測試輸出電壓Vo及穩壓系數Sr的值。

2） 輸出電壓變化范圍的數據測試

打開仿真開關，調整電位器RP使其百分比在0～100%變化，記錄對應的電壓表U1的值（即串聯型穩壓電源電路輸出電壓Vo的變化范圍），在3.733～7.665 V之間;然后調整電位器RP的百分比，使電壓表U1的讀數約為6 V，具體為6.004 V，詳見表1。

3） 穩壓系數Sr的測試及計算

關閉圖2電路的仿真開關，雙擊電壓源圖標，電壓表U1的讀數仍為6.004 V，將輸入電壓Vi的大小從9 V變為10 V，即模擬電網電壓上升約10%;然后重新打開仿真開關，記錄此時U1的讀數等于輸出電壓Vo的大小，并計算ΔVo值，依據式（2）計算串聯穩壓電路的穩壓系數Sr的大小。

當Vi從9 V變到10 V后，Vo從6.004 V變到6.08 V，此時可知：[ΔViVi=19，ΔVoVo=0.0766.004，]穩壓系數Sr=11.25%，Sr值很小，說明Vo變化很小，輸出電壓Vo很穩定。

3.2 ?輸入電壓不變時，串聯型穩壓電路輸出電阻的數據測試

1） 在上述圖2的基礎上，恢復Vi=9 V，電壓表U1讀數仍為6 V左右，斷開仿真開關，從NI Multisim 12.0仿真軟件基本界面工具條中再調出12 Ω電阻一只、電位器一只和電流表U2一只，并雙擊電位器，把彈出對話框“Value”頁中的“Key”欄改為“B”，“Incretance”欄改為1%;再切換到“Lable”頁，將“Reference ID”欄改為“RP2”。然后單擊對話框下方的“OK”按鈕退出，再從NI Multisim 12.0仿真軟件基本界面工具條調出一只電流表，與輸出端的負載電阻串接在一起，組成新的仿真電路，如圖3所示。

圖3 ?串聯型穩壓電路（二）

2） 電流表U2數據測試。開啟仿真開關，按鍵盤上的B鍵（控制電位器RP2），電流表數據上升，當電流表U2數據等于0.097 A時，記錄電壓表U1的讀數;然后先按住鍵盤上的shift鍵，再按住B鍵，使電位器RP2的百分比減小，電流表數據也減小，當電流表U2數據等于0.111 A時，記錄電壓表U1的讀數。由于負載的變化，導致輸出電壓有變化，為了保證輸出電壓Vo在6 V 左右，調節RP2使百分比在50%～60%變化時，Vo變化范圍如表2所示。

通過表2發現，RP2的百分比從52%逐次遞增時，電壓表U1讀數增量約為-0.002 V，電流表U2增量約0.002 mA。

3.3 ?測試結果分析

1） 在圖2中，當Vi=9 V時，從0～100%調整電位器RP百分比，電壓表U1讀數（即輸出電壓Vo）的變化范圍在3.733～7.665 V之間。

理論計算：假設穩壓二極管D1的基準電壓VZ=2.7 V（電壓極性上“+”下“-”），VBE3 = 0.7 V，利用式（3）和式（4），可計算出Vo電壓變化范圍。當電位器RP在最上端時，輸出電壓的值（單位：V）為：

[Vo=（VZ+VBE3）·[1+（R4+RP）R5]=8.87]

當電位器[RP]在最下端時，輸出電壓的值（單位：V）為：

[Vo=（VZ+VBE3）·[1+R4R5]=3.77]

調節電位器[RP]，可使串聯型穩壓電路的輸出電壓在3.77～8.87 V范圍內變化?？紤]到基準電壓VZ約為2.7 V和VBE3約為0.7 V，電壓表U1測試結果有一定誤差，但與理論計算結果基本吻合。

2） 在圖2中，當電位器[RP]變化時，采樣比[n=R5R4+RP]值越大（越接近100%）時，通過表1發現，Vo變化越小，ΔVo很小，說明穩壓系數Sr小，而Sr越小，Vo越穩定;同樣當采樣比n越?。ㄔ浇咏?）時，通過表1結果發現，Vo變化較大，ΔVo大，Sr越大，Vo越不穩定。

綜上，穩壓系數Sr的值大小是反映串聯型穩壓電路的穩壓性能的一個重要指標，一般要求Sr的值越小越好，即采樣比n越大越好。

3） 對串聯型穩壓電路的輸出電阻Ro測試分析。圖3中的電阻R6和電位器RP2共同作為串聯型穩壓電路的負載電阻，計算穩壓電路的輸出電阻Ro（輸出電阻的計算不應包括負載在內）。從電容C3向左看，將晶體管Q3等效為h參數，理論計算輸出電阻Ro是利用[VoIo]的比值求得，輸出電阻Ro ≈1.42 Ω （串聯型穩壓電路輸出電阻Ro的理論計算過程可查閱相關參考文獻），Ro的值非常小。

從表2可看出，電位器RP2百分比取54%和56%，利用式（2）計算輸出電阻Ro（單位：Ω）的大?。?/p>

[Ro=-（6.003-5.998）（0.103-0.107）=1.25]

當取電位器RP2百分比為52%和58%，利用式（2）計算輸出電阻Ro（單位：Ω）的大?。?/p>

[Ro=-（6.007-5.992）（0.100-0.111）=1.36]

鑒于電子電路中電阻常為kΩ級單位，測試的輸出電阻[Ro]與理論計算的輸出電阻[Ro]結果基本吻合，其值均很小且是Ω級單位。一般[Ro]越小，[ΔVo]將越小，輸出電壓[Vo]就越穩定，表2恰恰驗證了這一結論;為使輸出電壓可調，調整電位器RP2的大小就可以做到。

4 ?結 ?論

串聯型穩壓電路是獲得穩定直流電壓必不可少的一部分。由于電源電壓的波動、負載的變化均會影響輸出電壓的穩定性，因此在模擬電源電壓（即輸入電壓Vi）變化時，通過調整采樣電阻的大小，測試輸出電壓Vo的變化范圍及穩壓系數Sr。當輸入電壓不變時，外接一定的電阻和電位器，模擬負載變化，通過測試[ΔVo]和[ΔIo]，計算穩壓電路的輸出電阻[Ro]大小，[Ro]越小，輸出電壓[Vo]越穩定。通過將電子電路仿真測試運用到文中的實例中，發現測試結果與理論計算的結果相吻合，這說明將電路仿真軟件引入到實際的課堂教學中，有助于學生對模擬電路理論知識的掌握和電路設計。把電子電路的虛擬測試和實驗教學相結合[9?10]，不但能彌補傳統電子電路綜合設計實踐的不足[11]，更能讓學生豐富電子電路的分析及設計手段，進一步提升學生課外實踐活動的創新和競爭能力。

參考文獻

[1] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].5版.北京：高等教育出版社，2015.

TONG Shibai， HUA Chengying. Fundamentals of simulation electronic technology [M]. 5th ed. Beijing： Higher Education Press， 2015.

[2] 王麗.模擬電子電路[M].北京：人民郵電出版社，2010.

WANG Li. Analog electronic circuits [M]. Beijing： Posts & Telecom Press， 2010.

[3] 康華光.電子技術基礎（模擬部分）[M].6版.北京：高等教育出版社，2013.

KANG Huaguang. Fundamentals of electronic technology （simulation part） [M]. 6th ed. Beijing： Higher Education Press， 2013.

[4] 關樸芳.基于Multisim2001 的串聯型穩壓電源故障仿真[J].常州信息職業技術學院學報，2013，12（5）：23?25.

GUAN Pufang. Series stabilized voltage supply circuit fault simulation based on Multisim2001 [J]. Journal of Changzhou Vocational College of Information Technology， 2013， 12（5）： 23?25.

[5] 蔣俊華，侯衛周.互補輸出級交越失真消除方法的仿真測試研究[J].實驗技術與管理，2016，33（6）：121?125.

JIANG Junhua， HOU Weizhou. Research on simulation test by elimination method of complementary output stage crossover distortion [J]. Experimental technology and management， 2017， 33（6）： 121?125.

[6] 馬樂萍.基于Protel DXP軟件設計串聯型直流穩壓電源電路[J].現代制造技術與裝備，2017（12）：32.

MA Leping. Design of series DC regulated power supply circuit based on Protel DXP software [J]. Modern manufacturing technology and equipment， 2017（12）： 32.

[7] 張冬梅，馬玉麗.基于Multisim10 的直流穩壓電路與光控電路仿真實驗教學研究[J].青島遠洋船員職業學院學報，2017，38（1）：51?54.

ZHANG Dongmei， MA Yuli. Research on DC voltage stabilizing circuit and light control circuit based on Multisim10 simulation [J]. Journal of Qingdao Ocean Shipping Mariners College， 2017， 38（1）： 51?54.

[8] 王朝紅.串聯型穩壓電源的設計與Multisim仿真[J].中國新技術新產品，2009（23）：46?47.

WANG Chaohong. Design of series regulated power supply and Multisim simulation [J]. China new technologies and products， 2009（23）： 46?47.

[9] 程秀英，侯衛周.基于Multisim 10.1的靜態工作點穩定電路的頻率響應的虛擬仿真[J].現代電子技術，2014，37（11）：161?166.

CHENG Xiuying， HOU Weizhou. Virtual simulation for frequency response of quiescent point stabilizing circuit based on Multisim 10.1 [J]. Modern electronics technique， 2014， 37（11）： 161?166.

[10] 羊佳芃.淺談串聯型穩壓電源的仿真與改進[J].科技創新導報，2016，13（28）：55?56.

YANG Jiapeng. Simply analysis on the simulation and improvement of the series voltage stabilizing power supply [J]. Science and technology innovation herald， 2016， 13（28）： 55?56.

[11] 侯衛周，楊毅.基于NI Multisim 12.0的OCL功率放大電路仿真測試[J].實驗室研究與探索，2016，35（9）：86?90.

HOU Weizhou， YANG Yi. The simulation test research of the OCL power amplifier circuit based on NI Multisim 12.0 [J]. Research and exploration in laboratory， 2016， 35（9）： 86?90.