基于TL431基准电压源的可调恒压恒流源的Multisim电路仿真设计

线性电源的工作原理

在众多电子应用中，直流电通常由市电或电网中的交流电转化而来。例如，我们常见的15V和24V直流电压源便是如此。这一转化过程涉及多个步骤：首先，交流电通过变压器降低其电压幅值；随后，整流电路将交流电转换为脉冲直流电；最后，滤波电路进一步处理，以消除微小波纹电压，从而得到平滑的直流电压。

在线性电源中，开关管的通断被精心控制，以确保稳定的输出电压。其工作原理如下：首先对输出电压进行取样，接着将此电压与参考电压进行比较。比较的结果再通过放大器进行放大，并作为开关管的输入信号。当取样电压高于参考电压时，开关管导通；反之，则断开。这种精妙的控制方式在许多电子产品中都有体现，例如广泛使用的LDO（低纹波稳压器）芯片。

尽管线性电源具有低噪声和低纹波的优点，但其效率在处理大功率时相对较低。同时，由于发热量大，往往需要配备体积庞大的散热片。此外，使用线性电源还需要考虑工频变压器和多组电压输出时的变压器尺寸问题。

仿真电路组成

基于TL431的电压基准源电路

此电路首先通过三绕组变压器、整流桥电路以及7912和7812芯片从220V交流市电中获取+/-12V直流电。这些电源不仅为比较放大器提供电力支持，同时也为TL431基准源电路供电。

接着，我们利用TL431芯片来生成一个5V的基准电压，其电路设计如图所示。值得一提的是，TL431所生成的5V基准电压是浮地设计，即它与线性电源输出的正极相连。这一设计的具体原理将在后续的电压调节电路中详细阐述。

调节电压的比较器电路

调节电压的比较器电路的设计如上图所示。该电路中，我们采用了2N6975作为IGBT开关管，同时选用LM358作为比较器。LM358的比较器负端与线性电源的输出端正极相连，而其正端则接收来自TL431的5V基准电压。通过R4和R5构成的分压电路，我们可以灵活地调节输出电压的大小。根据运放虚断虚短的知识，我们可以推导出输出电压Uout的计算公式为Uout=(R5/R4)*5V。因此，该电路设计的输出电压范围广泛，可以达到0到5V。

调节电流的比较器电路

调节电流的比较器电路设计如下页图所示。在该设计中，运放U4B负责调节输出电流，而R29则作为采样电阻使用。通过R27的调节，我们可以控制输出电流的大小。根据运放的相关知识，我们可以推导出输出电流I的计算公式为I=(5/R29)*(R27/(R26+R27))。由此，该电路设计的输出电流范围被设定为0到63A，满足了不同的应用需求。

其他辅助电路

辅助电路主要包括过流保护和过压保护电路。过流保护电路的设计原理如下页图所示。在该设计中，R24作为采样电阻，配合U5B放大器构成了一个电压放大电路。而U5A则作为电压比较器使用，当采样电压经过放大后超过设定的参考电压时，U5A会触发继电器动作，从而断开电路，起到保护作用。该过流保护电路的电流阈值被设定为3A，确保了系统的安全稳定运行。

过压保护电路的设计原理如下页图所示。当输入电压超过稳压二极管所设定的24V电压加上7V的阈值时，即达到7V，电路会驱动Q5关断，从而启动过压保护机制。

仿真结果

电压调节结果
将R5调整至下方位置，此时R5电阻值为575kΩ，经计算，输出电压应达到925V。通过万用表实际测量，输出结果为885V，该结果与理论计算值基本一致，在允许的误差范围内。

示波器输出结果展示如下，其中启动时间为515毫秒，且输出波形保持稳定。

电流调节结果
将R10调节至下图中所示的位置后，经过计算，预期的理论电流输出值为44A。而实际的输出结果为402A，这一结果与理论计算值在允许的误差范围内保持一致。

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