“短路自恢復(fù)式”直流穩(wěn)壓學(xué)生電源的改進(jìn)

山東省沂源縣歷山中學(xué)(256100) 邵安民

山東省沂源縣振華實驗學(xué)校(256100) 孫豐富

實驗教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，是落實物理課程目標(biāo)，全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑，學(xué)校應(yīng)充分利用已有的實驗器材，努力開發(fā)適合本校情況的實驗課程資源，盡可能讓學(xué)生自己動手多做實驗[1]。伴隨當(dāng)前物理課堂教學(xué)改革的進(jìn)行，為滿足物理校本課程的開發(fā)需要，特別是實驗教學(xué)中補(bǔ)充的學(xué)生實驗越來越多，一個大電流、多電壓、保護(hù)性能更齊全的學(xué)生用穩(wěn)壓電源逐漸成為實驗室的標(biāo)準(zhǔn)配備。

1 實驗室常規(guī)配備學(xué)生電源在實驗中的缺陷

目前在中學(xué)物理、化學(xué)及小學(xué)科學(xué)實驗中所應(yīng)用的學(xué)生電源通常分為兩類：一類是以變壓器為主要原件的舊式電源(如圖1)，此類電源造價高、體積大、重量大、效率低、易發(fā)熱，變壓器對輸入電壓的寬度窄，且輸出電壓會伴隨輸入電壓的變化而起伏。另一類是以開關(guān)電源為基礎(chǔ)的新式電源(如圖2)，工作時其輸入電壓范圍相對較寬，輸入電壓的變化對輸出電壓影響微弱，另外具有體積小、重量輕、效率高、不易發(fā)熱等優(yōu)勢。學(xué)生電源是中學(xué)物理實驗、化學(xué)實驗和小學(xué)科學(xué)實驗的常用儀器，由于使用率高，所以學(xué)生電源的損毀和檢修成為值得重視的問題[2]。

圖1 舊式電源

圖2 新式電源

以DY-CX-WY-9/1.5型學(xué)生電源為例，產(chǎn)品介紹中描述其具有輸出電壓可調(diào)，輸出電流大，電壓穩(wěn)定性好，紋波電壓小，雙重電路保護(hù)功能。負(fù)載電流在額定電流的1.05～1.5倍時，就會自動關(guān)斷電壓輸出，過載指示燈亮，及時排出故障按復(fù)位鍵即可恢復(fù)正常工作。此類型學(xué)生電源的直流調(diào)壓設(shè)計部分，是以三端穩(wěn)壓器LM317為基礎(chǔ)的調(diào)壓穩(wěn)壓電路，但其性能在開展學(xué)生分組實驗探究中的表現(xiàn)卻差強(qiáng)人意。

首先，LM317三端穩(wěn)壓器，屬于等電流穩(wěn)壓器，其輸入與輸出電流相等，接入負(fù)載后多余的功率以發(fā)熱的形式散失，因此導(dǎo)致此類電源直流調(diào)壓部分發(fā)熱較多，且輸出電流越大發(fā)熱越嚴(yán)重，所以經(jīng)常有電源因此而燒壞，易發(fā)生電氣安全事故，不利于學(xué)生實驗安全。

其次，LM317設(shè)計的最大輸出電流為1.5 A，在較低的輸入輸出電壓差下工作，不能完全滿足中小學(xué)實驗教學(xué)要求。例如：在“探究串并聯(lián)電路中的電流規(guī)律”(九年級物理實驗)這一實驗探究中，根據(jù)實驗的設(shè)計要求，學(xué)生電源在實驗觀察中常會出現(xiàn)過載現(xiàn)象。究其原因，當(dāng)兩燈泡并聯(lián)剛接入電路時，瞬間燈絲溫度低、電阻小，從而導(dǎo)致干路電流大于1.5 A而過載，影響實驗正常進(jìn)行，通常情況下，為保證實驗的順利進(jìn)行只能對其強(qiáng)行復(fù)位，但此做法極易損壞電源。

2 基于“短路自恢復(fù)式”學(xué)生電源的設(shè)計

為解決學(xué)生電源在教學(xué)中遇到的上述缺陷，在現(xiàn)有學(xué)生電源工作原理的基礎(chǔ)上設(shè)計了一款“短路自恢復(fù)式”直流穩(wěn)壓學(xué)生電源。本電源仍然以常規(guī)開關(guān)電源作為基礎(chǔ)，通過添加XL4015DC-DC可調(diào)降穩(wěn)壓電源模塊對前級(開關(guān)電源)電壓進(jìn)行二次降壓穩(wěn)壓，實現(xiàn)輸出端的連續(xù)可調(diào)。XL4015是開關(guān)降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換芯片(如圖3)，該芯片集成度高，外部元器件少，應(yīng)用靈活，內(nèi)部集成了過流保護(hù)、過溫保護(hù)、短路保護(hù)等可靠性模塊，具有出色的線性調(diào)整率與負(fù)載調(diào)整率，輸出電壓支持1.25～32 V間任意調(diào)節(jié)，最大輸出電流5 A，理論最高轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到93%。

圖3 XL4015降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換芯片

結(jié)合中小學(xué)學(xué)生相關(guān)實驗的實際需求，電源只需設(shè)置1.5 V、3.0 V、4.5 V、6.0 V、7.5 V、9.0 V這6個輸出電壓值，且不需連續(xù)調(diào)節(jié)，故電路中省去了電位器，取而代之的是1個六檔位開關(guān)。各檔之間串聯(lián)適當(dāng)阻值的電阻(以下簡稱電阻串R2)，檔位開關(guān)在各檔之間轉(zhuǎn)換時不同阻值的電阻接入電路，對芯片起到不同的調(diào)節(jié)作用，使之輸出相應(yīng)的所需電壓。檔位間的電阻越大其輸出電壓越高，因此，當(dāng)開關(guān)轉(zhuǎn)至兩檔之間時，電阻串出現(xiàn)短暫開路(相當(dāng)于電位器接觸不良)，致使輸出電壓陡升至最大值(此處為12 V)燒毀負(fù)載。為此筆者在XL4015基本穩(wěn)壓電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行改動，增加1只三極管T1(如圖4)。在正常情況下，T1的基極電位為0，T1截止時對電路無影響；而當(dāng)電阻串R2開路，即當(dāng)開關(guān)轉(zhuǎn)至兩檔之間時，T1的基極電位上升，當(dāng)升至0.7 V時，T1導(dǎo)通，將XL4015的調(diào)整端電壓降低，其輸出電壓也降低，從而對負(fù)載起到保護(hù)作用，改造完成后的電路(如圖5)。安裝完成通電試機(jī)(如圖6)，電源正常，并進(jìn)行加載實驗，電源工作穩(wěn)定。

圖4 三極管(9014)

圖5 改造后的電路

圖6 安裝完成

3 “短路自恢復(fù)式”學(xué)生電源的創(chuàng)新分析

實驗測得當(dāng)去掉三極管T1后，斷開電阻串R2，測輸出電壓約等于輸入電壓，此時為輸出電壓最高值；而加有T1時，輸出電壓明顯減小。由此可見，電路中增加三極管T1以此來保護(hù)負(fù)載是必要的，也是一種有效而又簡單的保護(hù)負(fù)載措施，這是“短路自恢復(fù)式”學(xué)生電源電路中的第一個創(chuàng)新之處。

通過課堂實踐多次實驗后發(fā)現(xiàn)，盡管XL4015可調(diào)降穩(wěn)壓電源模塊自帶過流保護(hù)、過溫保護(hù)、短路保護(hù)等功能，但在多次、反復(fù)短路時仍有燒壞現(xiàn)象出現(xiàn)，為此筆者又在電源的輸出端增加了自恢復(fù)保險絲(如圖7)加以改進(jìn)。

圖7 自恢復(fù)保險絲

自恢復(fù)保險絲具有過流過熱保護(hù)、自動恢復(fù)雙重功能。在正常情況下，自恢復(fù)保險絲處于低阻狀態(tài)，線路上流經(jīng)自恢復(fù)保險絲的電流所產(chǎn)生的熱量小，對工作電流幾乎無影響。當(dāng)負(fù)載端發(fā)生短路或過載時，流經(jīng)自恢復(fù)保險絲的大電流，產(chǎn)生的熱量使內(nèi)部聚合樹脂融化，體積迅速增大，形成高阻狀態(tài)，工作電流迅速減小，從而起到對電路進(jìn)行限制和保護(hù)作用。當(dāng)故障排除后，自恢復(fù)保險絲重新冷卻結(jié)晶，體積收縮，導(dǎo)電粒子重新形成導(dǎo)電通路，自恢復(fù)保險絲恢復(fù)為低阻狀態(tài)，無須人工更換也能完成對電路的保護(hù)。這也是本電源電路中的第二個創(chuàng)新之處。

現(xiàn)行九年級物理教材上介紹的短路實驗是用干電池完成的，干電池相對于學(xué)生電源具有壽命短、成本高、污染嚴(yán)重的缺陷，在學(xué)生電源完成上述改進(jìn)后可用于指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行(電源)短路實驗。具體方法是將小燈泡與開關(guān)連接到改進(jìn)后的學(xué)生電源上，把電壓旋鈕指針指向1.5 V，打開改進(jìn)后的學(xué)生電源的電源開關(guān)，這時小燈泡亮，但閉合開關(guān)后，小燈泡立即熄滅，同時過載指示燈亮，說明電路發(fā)生了短路。開關(guān)閉合時間要短，發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮，過載指示燈亮?xí)r，就立即斷開開關(guān)，該實驗現(xiàn)象明顯、易觀察、效果好。 由于學(xué)生電源有短路自動保護(hù)功能，因此不用顧忌實驗中會燒壞學(xué)生電源[3]。此為該學(xué)生電源的又一創(chuàng)新應(yīng)用之處。

此外，該學(xué)生電源的改進(jìn)升級費(fèi)用不超過30元，采購補(bǔ)充新學(xué)生電源經(jīng)濟(jì)性尤為突出。因直流電源的電路較簡單，故障類型少，很容易判斷出故障位置。只要有足夠的電子基礎(chǔ)知識，多動動手，平時注意經(jīng)驗的累積，電源故障是可以輕松檢修的[4]。

4 結(jié)束語

筆者利用實驗室舊學(xué)生電源的外殼、接線柱、電源線等材料，以市場上的成品12 V/5 A電源適配器作為基礎(chǔ)降壓電路，再加上述可調(diào)降穩(wěn)壓電路，改造了28臺常規(guī)學(xué)生電源，已有60多個班級利用該學(xué)生電源做過400多次實驗，無一臺損壞。這也說明此電源的設(shè)計制作是合理的，經(jīng)得住實踐的檢驗，完全能滿足中小學(xué)生課內(nèi)電學(xué)實驗的基本需求。