模拟电路仿真实验：稳压与整流滤波

这部分内容原先附在《信号与电路基础》末尾，现单独整理为仿真实验记录。理论推导仍保留在原笔记中，实验截图、接线判断和波形观察集中放在这里。

1. 稳压二极管

Pasted image 20260905201455.png

稳压二极管从一开始就是反向偏置；当反向电压达到约 \(3.3\ \mathrm{V}\) 后，进入反向击穿区，才产生稳压作用。

1.1 稳压过程

当

$$ V_{in}<V_Z $$

稳压管虽然反向偏置，但没有击穿，几乎不导电：

$$ V_{out}\approx V_{in} $$

当

$$ V_{in}>V_Z $$

稳压管进入反向击穿区，电流迅速增加，而两端电压变化很小：

$$ \boxed{V_{out}\approx V_Z\approx 3.3\,\text{V}} $$

输入继续增加，多出来的电压主要由串联电阻承担：

$$ V_R=V_{in}-V_Z $$

1.2 接线检查

正确接法：

Pasted image 20260905210654.png
Pasted image 20260905204430.png

错误接法：D1 和 R1 构成的回路最后直接回到了电源负端，而想测的 Vout 恰好就是电源负端。由于它又通过 R2 接地，所以探针 2 测出来：

$$ V_{out}\approx 0 $$

检查仿真结果时，先确认测量探针的参考地和输出节点，不要只根据波形数值判断稳压管是否工作。

1.3 5.1 V 稳压管：电流分配与负载能力

工作方式

1N4733A 是约 \(5.1\ \mathrm V\) 的稳压二极管。它不是“产生 5.1 V”，而是反向接入并工作在反向击穿区，把输出尽量限制在 \(5.1\ \mathrm V\) 附近。这里的击穿不等于损坏，前提是稳压管电流和功耗没有超过允许范围。

串联的 \(330\ \Omega\) 电阻同时承担两件事：限流，以及承担输入电压中超过输出电压的部分。负载接入后，串联电流会分成负载电流和稳压管电流：

$$ I_R=\frac{V_{in}-V_{out}}{330\ \Omega}, \qquad I_R=I_L+I_Z $$

其中

$$ I_L=\frac{V_{out}}{R_L} $$

仿真电路与测量

模拟电路仿真-5.1V稳压管-1k负载.png
模拟电路仿真-5.1V稳压管-470负载.png

仿真结构为：

$$ 12\ \mathrm V\longrightarrow330\ \Omega\longrightarrow V_{out} $$

然后在 \(V_{out}\) 与地之间并联 1N4733A 和负载电阻 \(R_L\)。截图中的负载分别为 \(1\ \mathrm{k\Omega}\) 和 \(470\ \Omega\)；电流探针的正方向不同，读数出现负号时先看电流方向，不影响电流大小的判断。

两组稳压区结果

负载 \(R_L\) \(V_{out}\) \(I_R\) \(I_L\) \(I_Z\) 判断
\(1\ \mathrm{k\Omega}\) \(5.07\ \mathrm V\) \(21.0\ \mathrm{mA}\) \(5.07\ \mathrm{mA}\) \(15.9\ \mathrm{mA}\) 稳压正常
\(470\ \Omega\) \(5.06\ \mathrm V\) \(21.0\ \mathrm{mA}\) \(10.8\ \mathrm{mA}\) \(10.3\ \mathrm{mA}\) 仍在稳压区

负载变重后，\(I_L\) 增大，\(I_Z\) 相应减小，但只要仍有足够的 \(I_Z\)，输出就能保持在约 \(5.1\ \mathrm V\)。

负载过重时为什么失稳

当 \(R_L=220\ \Omega\) 时，如果还要保持 \(V_{out}=5.1\ \mathrm V\)，负载需要的电流为：

$$ I_L=\frac{5.1}{220}\approx23.2\ \mathrm{mA} $$

而 \(330\ \Omega\) 串联电阻最多只能提供约 \(21\ \mathrm{mA}\)。此时几乎没有电流留给稳压管，\(I_Z\) 接近零，稳压管退出稳定击穿区，不能再假设 \(V_{out}=5.1\ \mathrm V\)。

稳压管退出工作后，电路近似退化成普通分压：

$$ V_{out}\approx12\times\frac{220}{330+220}=4.8\ \mathrm V $$

因此完整的因果链是：

$$ R_L\downarrow\Rightarrow I_L\uparrow\Rightarrow I_Z\downarrow\Rightarrow I_Z\text{不足}\Rightarrow V_{out}\downarrow $$

这说明 5.1 V 稳压管不能保证任意负载下都输出 5.1 V；串联电阻不能省略，负载变重后输出下降也不一定表示稳压管损坏。

2. 二极管半波整流 + 电容滤波

2.1 仿真电路与通道连接

模拟电路仿真-半波整流电容滤波电路.png

这张电路图是完整的半波整流加电容滤波电路：

  • V1 是 \(5\ \mathrm{V_{pk}}\)、\(50\ \mathrm{Hz}\) 的正弦源；
  • D1=1N4007 的阳极接输入，阴极（带横线的一端）接输出节点，只允许正半周给电容充电；
  • R1=1\ \mathrm{k\Omega} 是负载电阻，C1=100\ \mathrm{\mu F} 是滤波电容，二者并联在输出节点与地之间；
  • 示波器 A+ 接输入节点、A- 接地，用来观察输入正弦；
  • 示波器 B+ 接 D1、R1、C1 的公共输出节点，B- 接地，用来观察滤波后的 \(V_{out}\)；
  • V1 负端、R1/C1 下端以及示波器两个负端必须共地。

右侧 Ext Trig 没有接线并不表示电路缺线；只观察 A/B 两个通道时，示波器可以使用内部触发。若需要稳定地以输入波形触发，再把输入节点接到外部触发端即可。

2.2 波形判断

Pasted image 20260906213349.png

红色是输入正弦：

$$ V_{in}=5\sin(2\pi 50t) $$

橙色 B 通道测的是电容两端，也就是输出电压 \(V_{out}\)。因此观察这组波形时，应把输入正弦与电容两端的充放电波形对应起来：输入正半周通过二极管给电容充电，输入下降后电容经负载放电，输出不再是理想正弦，而是带有纹波的单向电压。

这组参数下，时间常数为

$$ \tau=R_1C_1=1\ \mathrm{k\Omega}\times100\ \mathrm{\mu F}=0.1\ \mathrm{s} $$

而输入周期为 \(20\ \mathrm{ms}\)，所以电容不会在一个周期内完全放电。使用真实的 1N4007 时，电容最高电压大约接近 \(5-0.7=4.3\ \mathrm V\)，随后经 R1 缓慢下降，B 通道应表现为带纹波的正电压，而不是完整的正弦波。

仿真观察要点

  • 先确认二极管方向和电容极性；
  • 将 B 通道探针接在电容两端，而不是接到电源负端以外的节点；
  • 改变负载或电容值后，比较输出平均值和纹波幅度的变化；
  • 若输出几乎为零，优先检查回路是否断开、二极管方向是否接反，以及示波器参考地是否正确。
  • 若 B 通道仍显示完整正弦，说明 B+ 很可能接到了输入节点；若 B 通道几乎为零，优先检查 D1 方向、示波器 B- 的接地和公共输出节点。

3. 1N4148 串联整流与负载观察

3.1 电路与器件作用

模拟电路仿真-1N4148串联整流负载观察.png

这是一组与前面电容滤波不同的仿真：1N4148 是普通小信号二极管，串在主回路中正向导通，主要观察整流和限流后的负载电压，不是稳压二极管，也没有使用滤波电容。

  • V1：\(5\ \mathrm{V_{pk}}\)、\(1\ \mathrm{kHz}\)、初相位 \(0^\circ\) 的正弦源；
  • D1=1N4148：串联在输入与负载之间，只在正半周正向导通，负半周截止；
  • R1=1\ \mathrm{k\Omega}：串联限流电阻，限制二极管和负载电流；
  • R2=10\ \mathrm{k\Omega}：负载电阻，输出电压在它两端取得；
  • 探针 1：位于二极管之后、R1 之前，用来观察二极管正向导通后的节点电压；
  • 探针 2：位于 R1 之后、R2 上端，用来观察实际负载电压；
  • 示波器 A 测输入节点，B 测 R2 两端的负载输出，所有负端共地。

3.2 为什么探针 2 会比探针 1 低

二极管导通时，探针 1 的电压约为输入峰值减去二极管正向压降：

$$ V_{p1}\approx V_{in}-V_F $$

探针 1 后面的 R1 与 R2 还会继续分压，因此负载端探针 2 约为：

$$ V_{p2}\approx (V_{in}-V_F)\frac{R_2}{R_1+R_2} $$

使用图中的 \(R_1=1\ \mathrm{k\Omega}\)、\(R_2=10\ \mathrm{k\Omega}\) 时，分压比例为

$$ \frac{R_2}{R_1+R_2}=\frac{10}{11}\approx0.909 $$

所以探针 2 的峰值应略低于探针 1；截图中探针 1 约 \(4.42\ \mathrm V_{p-p}\)、探针 2 约 \(4.02\ \mathrm V_{p-p}\)，与串联电阻造成的负载分压一致。

3.3 仿真观察要点

  • 正半周：1N4148 正向导通，R1 限制电流，R2 上出现正向半波；
  • 负半周：二极管截止，负载端接近 0 V，不会出现负向完整波形；
  • 如果探针 1 和探针 2 几乎一样，检查 R1 是否被旁路；
  • 如果探针 2 仍显示负半周，检查二极管方向和探针 2 的参考地；
  • 增大 R1 会减小负载电压和电流，增大 R2 会减小分压损失，使探针 2 更接近探针 1；
  • 这组电路没有电容，因此输出不会像第 2 节那样保持峰值并产生缓慢放电的纹波。