中小學實驗室電源系統的設計與制作

1 引言

“電到臺”是中小學實驗室基礎設施的一項基本要求。為了安全，目前大多數學校都采用“低壓電到臺”，或采用具有觸電保護系統的220 V交流電到臺。無論采用那種形式，都需要解決因使用電流過大或電源輸出端短路使實驗無法繼續進行的問題。由于學生分組實驗時常常出現小組電源短路的現象，特別是小學，在做電磁鐵的探究實驗時，每小組的電源幾乎都處于短路狀態，因過載保護斷電使實驗根本無法進行。所以，許多學校舍棄臺上的電源不用，而購買干電池進行實驗，既加大經濟支出，又增添使用麻煩，使實驗室電源成為一種擺設，造成現有資源浪費。針對目前各學校實驗室存在的這一共性問題，本文介紹幾種在設計上采用限制電流輸出的方法，既具有保護功能，又不會斷電，保證實驗能繼續進行。該設計投資不大，經反復使用，效果很好，巧妙地解決了實驗室的安全用電問題，使實驗室電源系統能充分發揮作用。

2 設計思路

人們為什么習慣使用干電池來做實驗呢？其原因有二：一是由于干電池輸出電壓較低，1節普通的干電池輸出電壓僅為1.5 V，根據需要可選用1節干電池，或使用2節、3節、4節干電池串聯使用，在使用上比較靈活；二是由于干電池存在著一定的內電阻，當輸出端短路時，限制了電流的輸出值，不會出現什么危險。每小組使用自己的電池，互不影響。所以，使用起來安全可靠。

對于干電池的第1個優點，在使用市電交流電源時，可以采用電源變壓器降壓的方法，多設幾組低壓繞組（或采用電阻分壓）輸出的方法來體現；對于干電池的第2個優點，可以采用模擬內電阻的方法，在每一個實驗臺的電源輸入端串接一個阻值大小適當的限流電阻的方法來實現，也可以在每個學生實驗臺上安裝一個具有限流輸出功能的可調穩壓電源來解決。這樣就限制了每個實驗臺的用電量，使每個實驗臺都具有一定的獨立性和安全性，整個實驗室的用電也自然有了安全性和可靠性。

3 制作方法

3.1 小組實驗臺電源的制作

根據中小學學生分組實驗的需要，下面提供3種學生分組實驗電源的制作方法。

（1）采用每個實驗臺都裝一個具有限流輸出功能的可調低壓直流穩壓電源，其電路原理如圖1所示。使用該穩壓電源，無論負載、過載或短路，最大直流輸出電流都不會超過0.6 A，仍可繼續工作。并且，該電源還具有1.5—24 V直流輸出電壓連續可調的功能，以適應各種實驗的不同要求，使用方便，安全可靠。

（2）在每個實驗臺上裝上“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，有了這個電阻，即使輸出兩端出現最嚴重的短路（A、D接線柱之間短路），輸出電流也不會超過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，以適應不同實驗的要求；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，可加裝一個雙刀雙擲開關，通過開關的切換，選擇直流電壓輸出或交流電壓輸出使用，如圖2（b）所示。

該分組實驗電源靜態工作電流為0.3 A，最大短路（A、D接線柱之間短路）電流為1.6 A。按一個實驗室25組計算，最大短路總電流不大于40 A，實驗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。該電源電路簡單，成本低廉，可靠性高，故障率低，便于維護，很適合中小學實驗室選用。

（3）在每個實驗臺上裝上“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，其電路更簡單。如果需要交流電，可加裝一個單刀雙擲開關，通過開關的切換，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 總控電源的設計

總控電源是實驗室所有學生電源的總控制器，一般都安裝在教師實驗臺上，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，分別適應于上述3種分組實驗電源。其中，220 V交流輸出總控電源如圖4所示，適應于上述第1種學生分組電源（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不同外（兩種參數分別如上所述），電路完全相同，分別適應于上述第2種和第3種學生分組電源（即分別與圖2、圖3配套）。

圖中K為雙連空氣開關，可選用3 A規格。LDB為漏電保護器，當人體觸摸火線單線觸電或火線與大地接觸漏電時，電源會立即斷開，這是現代實驗室所必備的安全性元件。但應特別注意的是，該器件對人體同時觸摸火線與零線的雙線觸電并不起保護作用。DYC為交流220 V電源插座，以便于教師實驗臺插接其他用電設備。JD為教師電源，和學生分組電源相同。B為電源變壓器，其規格如上所述。

為了減小線路上的電壓降，從總控臺輸出通往學生實驗臺的線路最好采用四路線輸送。對于低壓輸送線，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。