PartSim教程:电源仿真

PartSim 是一个基于网络的程序，使用户无需安装任何软件即可创建和模拟电子电路。本文将继续探索这个复杂的模拟系统所提供的可能性。

电源

这一次，我们将研究并模拟基本电源的行为。一个变压器、一个二极管电桥、一些平滑电容器、一个用于精确调节电压的齐纳二极管和一个功率晶体管构成了这个传统的 5V 电源。当连接到微型 USB 端口时，它可用于为小型设备供电或为智能手机充电。请记住，您无需下载任何软件即可使用 PartSim；您只需要一个互联网连接和一个浏览器。这意味着可以成功使用运行任何操作系统的任何 PC。

传统电源示意图

登录 www.partsim.com 后，我们就可以开始搭建电路了。该网站的主页允许我们通过按“新建项目”按钮立即创建一个新电路。在这里，我们可以在工作表上设置各种组件。由于电子元器件的树形结构特别丰富，相关搜索可能有点难，所以网站提供的“搜索”框就派上用场了。如图 1 所示，我们可以键入要搜索的元素的第一个字符。

图 1：组件搜索工具

选择合适的类别后，通过在图纸上拖动来定位电子元件。只需在组件的各个端子之间拖动鼠标即可创建电气连接。图 2 显示了一个简单电源的接线图。使用以下电子元件：

• V1：325 V (230 VRMS) 和 50 Hz 的正弦电压源
• K1：大约 16 V (10 VRMS) 的变压器（实际上，它由两个耦合电感组成；初级的电感为 4 H，次级的电感为 7 mH）
• D1：  1N 4004 二极管（或等效）
• D2：1N 4004二极管（或等效）
• D3：1N 4004二极管（或等效）
• D4：1N 4004二极管（或等效）
• C1：4,700µF 和 25V 电解电容器
• R1：1K 和 0.25W 电阻器
• Q1：  2N3055  NPN功率晶体管
• Z2：  5.6 V 和 0.5 W 的1N5232B 齐纳二极管，或同等产品
• C2：1,000 µF 和 16 V 的电解电容器
• R2：通用负载（示例中为 20 Ω）

图 2：电源接线图，使用 PartSim 创建

该程序允许查看原理图中使用的组件的材料清单 (BOM)，如图 3 所示。

图3：电源图BOM

模拟

我们可以在绘制接线图并确保所有连接正确后立即开始仿真。我们要检查电路各个节点处的连续和交替电信号。为此，请转到“Probes”选项卡并选择要查看其数据的组件或电源线。如图 4 所示，可以：

• 点击电源线知道电压
• 点击电子元件可以知道通过它的电流

图 4：电压和电流的测量

可能的模拟是：

• 直流偏压
• 直流甜
• 交流分析
• 瞬态响应

只选择最后一个选项，然后单击“运行”按钮指定模拟时间为 0 毫秒（开始时间）到 0.25 秒（停止时间）。系统在几秒钟内显示给定点的波形（取决于服务器过载）。当您将光标移到波形图上时，您将看到有关信号的更多信息。

电压测量

该分析旨在检查电路中各个点的电压。这些是最重要的节点，在这些节点中可以验证和控制电子元件的工作点。让我们从观察节点 A 和 B 处可测量的交流电压开始。测量涉及以下几点：

• 节点 A 是 230-VRMS 家庭交流电网的电压。它的零峰值为 325 V。这可能很危险。
• 节点 B 是变压器输出端的电压。它更低，最重要的是，它与初级电流隔离。

在这些点上创建两个“探针”，然后通过按 Web 界面上的“运行”按钮开始模拟。片刻之后，您将观察到痕迹， 如图 5所示。每条电源线都可以重命名，使相关的波形图更清晰易读。

 

图 5：波形图

在这种特定情况下，我们将名称“Transf_IN”分配给变压器输入，将“Transf_OUT”分配给其输出。由于使用了光标，我们可以在变压器输入端测量 325 V 的峰值电压，在输出端测量 13.6 V 的峰值电压。这两个正弦信号（即初级和次级电压）明显同相，因为变压器降低了电压但不改变相对相位。下面，您可以看到从正弦信号的零峰值电压开始计算 RMS 电压的公式：

现在让我们可视化两个整流信号：

• 节点 C 是二极管电桥输出端（以及晶体管集电极）的信号，包含整流后的信号。
• 节点 E 是晶体管发射极的实际输出信号，也是负载使用的信号。由于晶体管和齐纳二极管的工作，它得以稳定。

如图 6 所示，节点 C 上的信号约为 12.5 V，并包含轻微的“纹波”，在输出端几乎完全消失。另一方面，节点 E 处的信号与电源的输出有关，约为 5 V。实际上，通过将齐纳二极管替换为不同值的一个（连同电阻 R1 )，您可以选择设备输出的电压。最后，由于发射极和基极之间的电位差约为 0.7 V，节点 D 上的电压（对应于晶体管的基极）略高于节点 E 的电压。

图 6：二极管电桥输出和电源输出的波形图

“涟漪”

输出电压上的残余纹波是由于连接到输出的负载吸收的电流造成的。这是由平滑电解电容器的连续充电和放电阶段决定的。负载吸收的电流越低，电容器的电容越大，纹波越低。图 7 显示了纹波信号的放大图。它的幅度很低，即：

此时，计算其百分比很简单。

 

图 7：电源输出端的纹波信号

电流测量

现在让我们检查通过各个组件的电流。此信息非常有用，因为它允许您评估电子组件是否正常工作或在压力条件下工作，超过制造商设定的操作限制。此信息可在 www.datasheets.com上找到。要获取设备上的电流，只需在探针定义期间单击它即可。指针变成电流钳。以下结果显示了电源图中某些电子元件中的电流通过：

• I(R1)为稳压二极管的极化电阻：6.9 mA
• I (Zener) 是通过齐纳二极管的电流：约 5 mA
• I（发射极）是流过晶体管发射极的电流：240 mA
• I (R2) 是流过负载的电流：240 mA

结论

PartSim 再次被证明是一款出色的模拟器，并提供了可靠和准确的结果。它是一个强大的工具，用于在线创建具有各种可用组件的电气和电子电路。可以从头开始创建项目或导入以前构建的模型并添加许多其他组件。

　　审核编辑：汤梓红