中小學(xué)實(shí)驗(yàn)室電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作

1 引言

“電到臺(tái)”是中小學(xué)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)設(shè)施的一項(xiàng)基本要求。為了安全，目前大多數(shù)學(xué)校都采用“低壓電到臺(tái)”，或采用具有觸電保護(hù)系統(tǒng)的220 V交流電到臺(tái)。無(wú)論采用那種形式，都需要解決因使用電流過(guò)大或電源輸出端短路使實(shí)驗(yàn)無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行的問(wèn)題。由于學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時(shí)常常出現(xiàn)小組電源短路的現(xiàn)象，特別是小學(xué)，在做電磁鐵的探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，每小組的電源幾乎都處于短路狀態(tài)，因過(guò)載保護(hù)斷電使實(shí)驗(yàn)根本無(wú)法進(jìn)行。所以，許多學(xué)校舍棄臺(tái)上的電源不用，而購(gòu)買干電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，既加大經(jīng)濟(jì)支出，又增添使用麻煩，使實(shí)驗(yàn)室電源成為一種擺設(shè)，造成現(xiàn)有資源浪費(fèi)。針對(duì)目前各學(xué)校實(shí)驗(yàn)室存在的這一共性問(wèn)題，本文介紹幾種在設(shè)計(jì)上采用限制電流輸出的方法，既具有保護(hù)功能，又不會(huì)斷電，保證實(shí)驗(yàn)?zāi)芾^續(xù)進(jìn)行。該設(shè)計(jì)投資不大，經(jīng)反復(fù)使用，效果很好，巧妙地解決了實(shí)驗(yàn)室的安全用電問(wèn)題，使實(shí)驗(yàn)室電源系統(tǒng)能充分發(fā)揮作用。

2 設(shè)計(jì)思路

人們?yōu)槭裁戳?xí)慣使用干電池來(lái)做實(shí)驗(yàn)?zāi)兀科湓蛴卸阂皇怯捎诟呻姵剌敵鲭妷狠^低，1節(jié)普通的干電池輸出電壓僅為1.5 V，根據(jù)需要可選用1節(jié)干電池，或使用2節(jié)、3節(jié)、4節(jié)干電池串聯(lián)使用，在使用上比較靈活；二是由于干電池存在著一定的內(nèi)電阻，當(dāng)輸出端短路時(shí)，限制了電流的輸出值，不會(huì)出現(xiàn)什么危險(xiǎn)。每小組使用自己的電池，互不影響。所以，使用起來(lái)安全可靠。

對(duì)于干電池的第1個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在使用市電交流電源時(shí)，可以采用電源變壓器降壓的方法，多設(shè)幾組低壓繞組（或采用電阻分壓）輸出的方法來(lái)體現(xiàn)；對(duì)于干電池的第2個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可以采用模擬內(nèi)電阻的方法，在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電源輸入端串接一個(gè)阻值大小適當(dāng)?shù)南蘖麟娮璧姆椒▉?lái)實(shí)現(xiàn)，也可以在每個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)臺(tái)上安裝一個(gè)具有限流輸出功能的可調(diào)穩(wěn)壓電源來(lái)解決。這樣就限制了每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的用電量，使每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)都具有一定的獨(dú)立性和安全性，整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的用電也自然有了安全性和可靠性。

3 制作方法

3.1 小組實(shí)驗(yàn)臺(tái)電源的制作

根據(jù)中小學(xué)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的需要，下面提供3種學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)電源的制作方法。

（1）采用每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)都裝一個(gè)具有限流輸出功能的可調(diào)低壓直流穩(wěn)壓電源，其電路原理如圖1所示。使用該穩(wěn)壓電源，無(wú)論負(fù)載、過(guò)載或短路，最大直流輸出電流都不會(huì)超過(guò)0.6 A，仍可繼續(xù)工作。并且，該電源還具有1.5—24 V直流輸出電壓連續(xù)可調(diào)的功能，以適應(yīng)各種實(shí)驗(yàn)的不同要求，使用方便，安全可靠。

（2）在每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上裝上“橋式整流、電阻分壓、三輸出式直流電源”，其工作原理如圖2（a）所示。R1為限流電阻，有了這個(gè)電阻，即使輸出兩端出現(xiàn)最嚴(yán)重的短路（A、D接線柱之間短路），輸出電流也不會(huì)超過(guò)1.6 A；R2、R3、R4為分壓電阻，將直流電壓分壓為1.5 V、3 V、4.5 V3種電壓輸出，以適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)的要求；A、B、C、D為直流電壓輸出接線柱，以便選擇使用。如果需要交流電，可加裝一個(gè)雙刀雙擲開關(guān)，通過(guò)開關(guān)的切換，選擇直流電壓輸出或交流電壓輸出使用，如圖2（b）所示。

該分組實(shí)驗(yàn)電源靜態(tài)工作電流為0.3 A，最大短路（A、D接線柱之間短路）電流為1.6 A。按一個(gè)實(shí)驗(yàn)室25組計(jì)算，最大短路總電流不大于40 A，實(shí)驗(yàn)室最大耗電功率不大于280 W，總控電源變壓器選用350 W/7 V變壓器即可。該電源電路簡(jiǎn)單，成本低廉，可靠性高，故障率低，便于維護(hù)，很適合中小學(xué)實(shí)驗(yàn)室選用。

（3）在每個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上裝上“半波整流、電阻分壓、三輸出式直流電源”，其工作原理如圖3（a）所示，該電源除采用單只二極管進(jìn)行半波整流，需要10 V交流電源輸入外，其他部分與“橋式整流、電阻分壓、三輸出式直流電源”完全相同，其電路更簡(jiǎn)單。如果需要交流電，可加裝一個(gè)單刀雙擲開關(guān)，通過(guò)開關(guān)的切換，選擇直流電壓或交流電壓輸出，如圖3（b）所示。

該電源靜態(tài)工作電流不大于0.26 A，最大短路電流（A、D接線柱之間短路）不大于1.6 A，總控電源變壓器選用500 W/10 V電源變壓器即可。

3.2 總控電源的設(shè)計(jì)

總控電源是實(shí)驗(yàn)室所有學(xué)生電源的總控制器，一般都安裝在教師實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，便于教師隨手控制。總控電源有220 V交流輸出和低壓7 V交流輸出及低壓10 V交流輸出3種，分別適應(yīng)于上述3種分組實(shí)驗(yàn)電源。其中，220 V交流輸出總控電源如圖4所示，適應(yīng)于上述第1種學(xué)生分組電源（與圖1配套）；低壓7 V交流輸出和低壓10 V交流輸出總控電源如圖5所示，兩者除電源變壓器參數(shù)不同外（兩種參數(shù)分別如上所述），電路完全相同，分別適應(yīng)于上述第2種和第3種學(xué)生分組電源（即分別與圖2、圖3配套）。

圖中K為雙連空氣開關(guān)，可選用3 A規(guī)格。LDB為漏電保護(hù)器，當(dāng)人體觸摸火線單線觸電或火線與大地接觸漏電時(shí)，電源會(huì)立即斷開，這是現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室所必備的安全性元件。但應(yīng)特別注意的是，該器件對(duì)人體同時(shí)觸摸火線與零線的雙線觸電并不起保護(hù)作用。DYC為交流220 V電源插座，以便于教師實(shí)驗(yàn)臺(tái)插接其他用電設(shè)備。JD為教師電源，和學(xué)生分組電源相同。B為電源變壓器，其規(guī)格如上所述。

為了減小線路上的電壓降，從總控臺(tái)輸出通往學(xué)生實(shí)驗(yàn)臺(tái)的線路最好采用四路線輸送。對(duì)于低壓輸送線，要盡可能選用線徑較大的銅線，如選用線徑不小于4 mm2的銅線等。