PartSim教程:電源仿真

PartSim 是一個基于網(wǎng)絡(luò)的程序，使用戶無需安裝任何軟件即可創(chuàng)建和模擬電子電路。本文將繼續(xù)探索這個復雜的模擬系統(tǒng)所提供的可能性。

電源

這一次，我們將研究并模擬基本電源的行為。一個變壓器、一個二極管電橋、一些平滑電容器、一個用于精確調(diào)節(jié)電壓的齊納二極管和一個功率晶體管構(gòu)成了這個傳統(tǒng)的 5V 電源。當連接到微型 USB 端口時，它可用于為小型設(shè)備供電或為智能手機充電。請記住，您無需下載任何軟件即可使用 PartSim；您只需要一個互聯(lián)網(wǎng)連接和一個瀏覽器。這意味著可以成功使用運行任何操作系統(tǒng)的任何 PC。

傳統(tǒng)電源示意圖

登錄 www.partsim.com 后，我們就可以開始搭建電路了。該網(wǎng)站的主頁允許我們通過按“新建項目”按鈕立即創(chuàng)建一個新電路。在這里，我們可以在工作表上設(shè)置各種組件。由于電子元器件的樹形結(jié)構(gòu)特別豐富，相關(guān)搜索可能有點難，所以網(wǎng)站提供的“搜索”框就派上用場了。如圖 1 所示，我們可以鍵入要搜索的元素的第一個字符。

圖 1：組件搜索工具

選擇合適的類別后，通過在圖紙上拖動來定位電子元件。只需在組件的各個端子之間拖動鼠標即可創(chuàng)建電氣連接。圖 2 顯示了一個簡單電源的接線圖。使用以下電子元件：

• V1：325 V (230 VRMS) 和 50 Hz 的正弦電壓源
• K1：大約 16 V (10 VRMS) 的變壓器（實際上，它由兩個耦合電感組成；初級的電感為 4 H，次級的電感為 7 mH）
• D1：? 1N 4004?二極管（或等效）
• D2：1N 4004二極管（或等效）
• D3：1N 4004二極管（或等效）
• D4：1N 4004二極管（或等效）
• C1：4,700μF 和 25V 電解電容器
• R1：1K 和 0.25W 電阻器
• Q1：? 2N3055 ?NPN功率晶體管
• Z2：? 5.6 V 和 0.5 W 的1N5232B?齊納二極管，或同等產(chǎn)品
• C2：1,000 μF 和 16 V 的電解電容器
• R2：通用負載（示例中為 20 Ω）

圖 2：電源接線圖，使用 PartSim 創(chuàng)建

該程序允許查看原理圖中使用的組件的材料清單 (BOM)，如圖 3 所示。

圖3：電源圖BOM

模擬

我們可以在繪制接線圖并確保所有連接正確后立即開始仿真。我們要檢查電路各個節(jié)點處的連續(xù)和交替電信號。為此，請轉(zhuǎn)到“Probes”選項卡并選擇要查看其數(shù)據(jù)的組件或電源線。如圖 4 所示，可以：

• 點擊電源線知道電壓
• 點擊電子元件可以知道通過它的電流

圖 4：電壓和電流的測量

可能的模擬是：

• 直流偏壓
• 直流甜
• 交流分析
• 瞬態(tài)響應(yīng)

只選擇最后一個選項，然后單擊“運行”按鈕指定模擬時間為 0 毫秒（開始時間）到 0.25 秒（停止時間）。系統(tǒng)在幾秒鐘內(nèi)顯示給定點的波形（取決于服務(wù)器過載）。當您將光標移到波形圖上時，您將看到有關(guān)信號的更多信息。

電壓測量

該分析旨在檢查電路中各個點的電壓。這些是最重要的節(jié)點，在這些節(jié)點中可以驗證和控制電子元件的工作點。讓我們從觀察節(jié)點 A 和 B 處可測量的交流電壓開始。測量涉及以下幾點：

• 節(jié)點 A 是 230-VRMS 家庭交流電網(wǎng)的電壓。它的零峰值為 325 V。這可能很危險。
• 節(jié)點 B 是變壓器輸出端的電壓。它更低，最重要的是，它與初級電流隔離。

在這些點上創(chuàng)建兩個“探針”，然后通過按 Web 界面上的“運行”按鈕開始模擬。片刻之后，您將觀察到痕跡，?如圖 5所示。每條電源線都可以重命名，使相關(guān)的波形圖更清晰易讀。

?

圖 5：波形圖

在這種特定情況下，我們將名稱“Transf_IN”分配給變壓器輸入，將“Transf_OUT”分配給其輸出。由于使用了光標，我們可以在變壓器輸入端測量 325 V 的峰值電壓，在輸出端測量 13.6 V 的峰值電壓。這兩個正弦信號（即初級和次級電壓）明顯同相，因為變壓器降低了電壓但不改變相對相位。下面，您可以看到從正弦信號的零峰值電壓開始計算 RMS 電壓的公式：

現(xiàn)在讓我們可視化兩個整流信號：

• 節(jié)點 C 是二極管電橋輸出端（以及晶體管集電極）的信號，包含整流后的信號。
• 節(jié)點 E 是晶體管發(fā)射極的實際輸出信號，也是負載使用的信號。由于晶體管和齊納二極管的工作，它得以穩(wěn)定。

如圖 6 所示，節(jié)點 C 上的信號約為 12.5 V，并包含輕微的“紋波”，在輸出端幾乎完全消失。另一方面，節(jié)點 E 處的信號與電源的輸出有關(guān)，約為 5 V。實際上，通過將齊納二極管替換為不同值的一個（連同電阻 R1 )，您可以選擇設(shè)備輸出的電壓。最后，由于發(fā)射極和基極之間的電位差約為 0.7 V，節(jié)點 D 上的電壓（對應(yīng)于晶體管的基極）略高于節(jié)點 E 的電壓。

圖 6：二極管電橋輸出和電源輸出的波形圖

“漣漪”

輸出電壓上的殘余紋波是由于連接到輸出的負載吸收的電流造成的。這是由平滑電解電容器的連續(xù)充電和放電階段決定的。負載吸收的電流越低，電容器的電容越大，紋波越低。圖 7 顯示了紋波信號的放大圖。它的幅度很低，即：

此時，計算其百分比很簡單。

?

圖 7：電源輸出端的紋波信號

電流測量

現(xiàn)在讓我們檢查通過各個組件的電流。此信息非常有用，因為它允許您評估電子組件是否正常工作或在壓力條件下工作，超過制造商設(shè)定的操作限制。此信息可在?www.datasheets.com上找到。要獲取設(shè)備上的電流，只需在探針定義期間單擊它即可。指針變成電流鉗。以下結(jié)果顯示了電源圖中某些電子元件中的電流通過：

• I(R1)為穩(wěn)壓二極管的極化電阻：6.9 mA
• I (Zener) 是通過齊納二極管的電流：約 5 mA
• I（發(fā)射極）是流過晶體管發(fā)射極的電流：240 mA
• I (R2) 是流過負載的電流：240 mA

結(jié)論

PartSim 再次被證明是一款出色的模擬器，并提供了可靠和準確的結(jié)果。它是一個強大的工具，用于在線創(chuàng)建具有各種可用組件的電氣和電子電路。可以從頭開始創(chuàng)建項目或?qū)胍郧皹?gòu)建的模型并添加許多其他組件。

　　審核編輯：湯梓紅