基于Multisim的5V直流电源仿真及现象分析

王文静 刘 原 李小红

（安徽医学高等专科学校医学技术系 安徽合肥 230001）

直流电源是电子产品设计中必备的供电模块。在实验室环境下，最常用的方法是利用变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路进行的直流电源的设计。本电路虽然简单，但是对于初学模拟电路课程的学生来说，在实际电路设计及故障排查方面，还是会出现各种各样的问题。如果借助Multisim进行电路现象仿真，总结仿真现象及数据值，将对学生在电源电路设计及制作上起到重要的指导作用，避免不必要的实验时间消耗，且便于帮助学生排查故障，顺利完成实验设计[1]。

一、实验原理

直流电源模块总的来说包括整流电路、滤波电路和稳压电路三个部分[2]。

整流电路通常采用单相桥式整流电路，如图1所示，输入电压为日常用电220V，变压器变比约为25，变压器二次侧电压9V左右，经桥式整流电路整流二极管D1、D4和D2、D3的分别导通，使电阻上获得均为正向流动的电流，将交流电变为直流电，R1开路情况下电压理论值约为8.1V。

由于整流电路输出电压脉动较大，因此需要后续滤波电路进行滤波。对于小功率场合，滤波电路通常为滤波电容，通过电容的充放电，达到降低整流输出电压脉动的目的。电容通常选择容值较大的低频电解电容，以期获得较为平滑的电压曲线。为得到平滑的负载电压，通常选择C≥(3～5)T/(2RL)[3]。若电阻RL为50Ω，取C≥ 5T/(2RL)，则工频情况下C≥1000μF，此处取C=1000μF。

图1 单相桥式整流电路原理图

稳压电路保证电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定，通常采用集成稳压芯片[4]。集成稳压芯片输出电压有固定式和可调式。两种器件均可通过适当的电路连接实现输出电压可调。本实验需要固定5V直流电压，使用7805构成稳压电路，总电路如图2所示。

图2 5V固定输出式直流稳压电源

二、电路仿真

（一）Multisim仿真。首先仿真变压器输出电压，设置交流电源有效值为220V，频率为50HZ，变压器变比约25，仿真结果如图3所示，变压器输出约为9V。

图3 变比为25的变压器变压输出

仿真整流电路，四个二极管接成桥式结构，空载、接上50Ω载，分别利用示波器及万用表测试整流输出电压波形及输出电压值，比较异同。波形图见图4。可见，负载的不同对整流波形是有影响的，负载电阻越大，整流波形与电源波形越接近。

图4 整流输出波形

仿真滤波电路波形，分别使用100μF、1000μF电容进行滤波，利用示波器观察滤波后的电压波形及输出电压值，见图5。改变电源电压或负载电阻，利用万用表测试滤波后的电压值，见表1。通过仿真现象，可得，电网电压的波动或负载的变化对于整流滤波电路的输出电压是有较大影响的，电容越大，滤波效果越好。

图5 滤波后输出电压波形

表1 不同电源电压，不同负载得到的滤波输出值

仿真稳压电路，外接固定集成稳压芯片7805，在不同负载形式下稳压输出电压见图6。其中万用表3测量的是变压器二次侧电压有效值，万用表2测量的是滤波电容两端的电压，万用表1测量的是稳压芯片的输出电压。可见，通过稳压芯片，使得负载发生变化时，整流输出电压基本维持不变。同时，改变交流电源有效值，测试电压，会得出同样结论。

图6 稳压后输出电压波形

（二）Multisim进行电路故障仿真。故障发生的类型较多，而Multisim中也只能仿真部分错误类型。

通常的故障类型有二极管接反，电解电容接反、稳压芯片未接地或输入输出端接反等。二极管接反又包括一个或多个二极管接反。其中，任何一个整流二极管方向接反，均会构成变压器二次侧短路，负载无电压输出。此种情况无法仿真，实际中应避免发生。两个二极管接反（部分可仿真）、三个二极管接反（不可仿真）及四个二极管均接反（可仿真）的情况，在利用multisim进行仿真时，部分可出仿真结果，可借助电压表测试输出电压。

（三）电路焊接调试。首先根据理论计算及仿真情况购买实验耗材，识别各种元器件并分清各引脚功能，然后进行电路焊接。焊接过程分模块进行。

1.进行变压器与插座焊接，测试变压器二次侧电压是否为9V。

2.焊接整流桥，并将变压器二次侧接整流桥的输入侧，注意方向不要接反，利用万用表检测电路焊接的正确性，上电，测试整流桥的输出电压是否为6V。上电后若出现变压器二次侧导线发热情况，应立即断电，排查故障，观察是否有二极管接反的情况。若测试电压为0，则可能发生断路，检查是否有虚焊。若无虚焊，则检查是否有两个二极管接反。若测试电压为-6V，则为四个二极管均接反的情况（此时测试输出的正、负端互换位置即可，后续的电路以更改后的为准）。

3.焊接滤波电容，注意正负极不能接反，测试电压为6V左右。

4.焊接7805，注意不要忘记接地，同时，输入端和输出输入端和输出端不要接反。测试输出电压为5V左右。

（四）故障排查。一般在分模块焊接测试、每一部分的数据值及注意事项都符合的情况下，电路是没有问题的。但是存在部分学生未按照要求进行操作，导致最终无法得到5V直流电源。此时进行故障排查，可分模块、由前向后依次进行。

首先，测试变压器模块，先利用万用变测试变压器一次侧电压和二次侧电压是否分别为220V和9V，若任何一个无电压，则需检查电源插座、变压器一次侧、二次侧焊点是否虚焊等问题，若均没有问题，则可能是变压器自身问题，可更换变压器重新实验。

然后，测试整流电路输出电压是否为6V左右，如果不是，则需检查四个二极管的方向及与交流电源端和后续负载端的接线是否正确，是否出现虚焊现象，若没有问题，则继续检查电解电容正负极性有无接反，同时测试稳压芯片的输入电压是否为6V左右，此处学声出现故障问题最多的地方是稳压芯片接地端未接地。故障排查后，一般测试稳压芯片输出均会得到5V左右的电压。

三、结论

总之，虽然5V直流稳压电源电路简单，但故障类型也是千变万化，实验过程中尚需不断的进行实验总结，丰富经验。本文仅就正常的数据类型及现象进行了Multisim仿真，总结了常见的故障类型排查方法，方便实验教师和学生对常见故障的分析与判断，从而提高在实验过程中快速解决实验故障的能力，确保实验的顺利进行[5][6]。