Multisim仿真：带迟滞的过压保护电路设计与测试

一、实验目的上一篇完成了一个基础过压保护电路输入电压低于约5.5V时负载正常供电输入电压超过约5.5V时切断负载并点亮LED电压降低后电路自动恢复但是普通比较器只有一个动作阈值。如果输入电压刚好在阈值附近波动保护电路可能反复接通和断开。因此这次在原电路中加入正反馈使其具有迟滞功能输入上升到较高阈值切断负载 输入下降到较低阈值恢复供电需要注意迟滞并不是让输出电压更加稳定而是让保护电路的开关判断更加稳定。二、电路图电路主要使用以下元器件TL4312.495V基准电压 LM393N电压比较器 IRF9540P沟道MOS管 2N3904驱动保护指示灯 R312kΩ R410kΩ 正反馈电阻270kΩ MOS管栅极上拉电阻10kΩ MOS管栅极串联电阻100Ω LED限流电阻680Ω 2N3904基极电阻47kΩ 负载电阻100Ω与上一篇的基础电路相比这次主要增加了一只270kΩ正反馈电阻。它的一端连接LM393的OUT另一端连接12kΩ与10kΩ的连接处也就是LM393的IN。三、基础保护阈值R3和R4组成输入电压检测分压电路输入正极 → 12kΩ → LM393的IN → 10kΩ → 地TL431产生约2.495V基准电压并送到LM393的IN-。在没有加入迟滞时理论保护阈值约为保护阈值 2.495V × (12kΩ 10kΩ) ÷ 10kΩ ≈ 5.49V因此输入电压接近5.5V时LM393会改变输出状态。四、为什么要加入迟滞假设保护阈值只有5.5V。当输入电压在5.49V5.51V之间轻微波动时电路可能出现接通 → 断开 → 接通 → 断开这种现象称为阈值附近的抖动。加入迟滞后电路具有两个不同的阈值。例如输入升高到5.5V以上切断负载 输入降低到5.3V左右恢复供电电压必须真正离开阈值附近电路才会再次改变状态因此判断会更加稳定。它与数字电路中的施密特触发器原理比较相似核心都是利用正反馈产生两个不同的翻转阈值。五、270kΩ正反馈电阻的作用LM393的输出状态发生变化后270kΩ电阻会把这个变化反馈到IN。正常供电时LM393内部输出晶体管导通OUT接近低电平。正反馈电阻会轻微拉低IN输入电压需要升得更高才会触发保护。保护动作后LM393的输出晶体管关闭OUT通过MOS管栅极上拉电阻升高。正反馈电阻会轻微抬高IN输入电压必须降低更多电路才会恢复。这就产生了两个不同的动作电压。之所以选择较大的270kΩ是因为这里只需要很弱的反馈阻值太小迟滞范围可能过大阻值太大迟滞效果不明显270kΩ可以在不明显破坏原保护阈值的情况下产生约0.2V的迟滞实际阈值还会受到元器件模型和电阻误差的影响因此最终以仿真测量结果为准。六、关键元器件的作用1. TL431TL431在这里相当于一个约2.495V的基准电压源。如果只使用普通电阻分压产生参考电压参考值会随着输入电压变化。TL431提供的参考电压更加稳定适合用作比较器的判断基准。2. LM393NLM393负责比较输入检测电压与TL431的参考电压。LM393采用开集电极输出它本身不能主动输出高电平。当内部输出晶体管关闭时需要通过外部电阻把输出拉高。本电路中的MOS管栅极上拉电阻也为LM393提供了上拉通路。3. IRF9540IRF9540是P沟道MOS管安装在电源正端用来接通或切断负载。栅极电压明显低于源极MOS管导通栅极接近源极电压MOS管截止在本次约几十毫安的仿真中IRF9540能够满足要求。真实大电流电路还需要考虑导通电阻、散热以及是否为逻辑电平MOS管。4. 2N3904和LED2N3904用于驱动LED。保护动作时2N3904导通LED点亮表示负载已经被切断。680Ω电阻负责限制LED电流47kΩ电阻负责限制2N3904的基极电流。LED只用于显示保护状态判断电路是否真正切断负载时仍应测量负载两端的电压。七、使用三角波测试为了让输入电压自动升高和降低本次使用函数发生器代替普通直流电源。函数发生器设置如下波形三角波 频率1Hz 振幅0.5V 直流偏置5.5V 占空比50%因此输入电压会在下面的范围内变化最低电压5.5V - 0.5V 5.0V 最高电压5.5V 0.5V 6.0V连接时使用函数发生器的和COM → 电路输入正极 COM → 电路地 - → 不连接COM才是函数发生器的公共参考端-是反相输出端并不是普通电源的负极。八、仿真波形与结果示波器连接方式通道A测量输入电压 通道B测量负载电压从波形中可以看到输入电压较低时负载电压接近输入电压输入电压升高后负载电压降到接近0V输入电压重新降低后负载恢复供电LED以约1秒为一个周期反复亮灭利用示波器的两个时间光标测得输入下降到5.302V负载恢复供电 输入上升到5.518V过压保护切断因此实际迟滞电压为迟滞电压 5.518V - 5.302V 0.216V示波器显示的差值约为215.790mV与计算结果一致。最终结果非常接近预期目标约5.5V切断 约5.3V恢复 迟滞范围约0.2V九、这次遇到的问题1. 迟滞不是稳压一开始容易把迟滞理解为让输出电压更加稳定。实际上它稳定的是保护电路的判断状态避免电路在临界电压附近反复切换。它并不能代替稳压电路。2. 普通电压源不能在仿真中连续修改Multisim中的普通直流电压源无法在运行过程中直接改变数值。最终使用带直流偏置的低频三角波使输入电压在56V之间自动升降测试过程更加直观。3. 不能只看LEDLED是否明显发光还会受到限流电阻和Multisim显示模型的影响。测试保护阈值时应优先观察负载两端的电压是否降到接近0VLED只作为状态指示。十、总结这次在基础过压保护电路中加入了一只270kΩ正反馈电阻使LM393比较器具有迟滞功能。仿真测得5.518V切断负载 5.302V恢复供电 迟滞电压约0.216V加入迟滞后保护电路不会在单一阈值附近反复接通和断开抗干扰能力和工作稳定性都得到了改善。