山东省沂源县历山中学(256100) 邵安民

山东省沂源县振华实验学校(256100) 孙丰富

实验教学是物理教学的重要组成部分，是落实物理课程目标，全面提高学生科学素养的重要途径，学校应充分利用已有的实验器材，努力开发适合本校情况的实验课程资源，尽可能让学生自己动手多做实验[1]。伴随当前物理课堂教学改革的进行，为满足物理校本课程的开发需要，特别是实验教学中补充的学生实验越来越多，一个大电流、多电压、保护性能更齐全的学生用稳压电源逐渐成为实验室的标准配备。

1 实验室常规配备学生电源在实验中的缺陷

目前在中学物理、化学及小学科学实验中所应用的学生电源通常分为两类：一类是以变压器为主要原件的旧式电源(如图1)，此类电源造价高、体积大、重量大、效率低、易发热，变压器对输入电压的宽度窄，且输出电压会伴随输入电压的变化而起伏。另一类是以开关电源为基础的新式电源(如图2)，工作时其输入电压范围相对较宽，输入电压的变化对输出电压影响微弱，另外具有体积小、重量轻、效率高、不易发热等优势。学生电源是中学物理实验、化学实验和小学科学实验的常用仪器，由于使用率高，所以学生电源的损毁和检修成为值得重视的问题[2]。

图1 旧式电源

图2 新式电源

以DY-CX-WY-9/1.5型学生电源为例，产品介绍中描述其具有输出电压可调，输出电流大，电压稳定性好，纹波电压小，双重电路保护功能。负载电流在额定电流的1.05～1.5倍时，就会自动关断电压输出，过载指示灯亮，及时排出故障按复位键即可恢复正常工作。此类型学生电源的直流调压设计部分，是以三端稳压器LM317为基础的调压稳压电路，但其性能在开展学生分组实验探究中的表现却差强人意。

首先，LM317三端稳压器，属于等电流稳压器，其输入与输出电流相等，接入负载后多余的功率以发热的形式散失，因此导致此类电源直流调压部分发热较多，且输出电流越大发热越严重，所以经常有电源因此而烧坏，易发生电气安全事故，不利于学生实验安全。

其次，LM317设计的最大输出电流为1.5 A，在较低的输入输出电压差下工作，不能完全满足中小学实验教学要求。例如：在“探究串并联电路中的电流规律”(九年级物理实验)这一实验探究中，根据实验的设计要求，学生电源在实验观察中常会出现过载现象。究其原因，当两灯泡并联刚接入电路时，瞬间灯丝温度低、电阻小，从而导致干路电流大于1.5 A而过载，影响实验正常进行，通常情况下，为保证实验的顺利进行只能对其强行复位，但此做法极易损坏电源。

2 基于“短路自恢复式”学生电源的设计

为解决学生电源在教学中遇到的上述缺陷，在现有学生电源工作原理的基础上设计了一款“短路自恢复式”直流稳压学生电源。本电源仍然以常规开关电源作为基础，通过添加XL4015DC-DC可调降稳压电源模块对前级(开关电源)电压进行二次降压稳压，实现输出端的连续可调。XL4015是开关降压型DC-DC转换芯片(如图3)，该芯片集成度高，外部元器件少，应用灵活，内部集成了过流保护、过温保护、短路保护等可靠性模块，具有出色的线性调整率与负载调整率，输出电压支持1.25～32 V间任意调节，最大输出电流5 A，理论最高转换效率可以达到93%。

图3 XL4015降压型DC-DC转换芯片

结合中小学学生相关实验的实际需求，电源只需设置1.5 V、3.0 V、4.5 V、6.0 V、7.5 V、9.0 V这6个输出电压值，且不需连续调节，故电路中省去了电位器，取而代之的是1个六档位开关。各档之间串联适当阻值的电阻(以下简称电阻串R2)，档位开关在各档之间转换时不同阻值的电阻接入电路，对芯片起到不同的调节作用，使之输出相应的所需电压。档位间的电阻越大其输出电压越高，因此，当开关转至两档之间时，电阻串出现短暂开路(相当于电位器接触不良)，致使输出电压陡升至最大值(此处为12 V)烧毁负载。为此笔者在XL4015基本稳压电路的基础上进行改动，增加1只三极管T1(如图4)。在正常情况下，T1的基极电位为0，T1截止时对电路无影响；而当电阻串R2开路，即当开关转至两档之间时，T1的基极电位上升，当升至0.7 V时，T1导通，将XL4015的调整端电压降低，其输出电压也降低，从而对负载起到保护作用，改造完成后的电路(如图5)。安装完成通电试机(如图6)，电源正常，并进行加载实验，电源工作稳定。

图4 三极管(9014)

图5 改造后的电路

图6 安装完成

3 “短路自恢复式”学生电源的创新分析

实验测得当去掉三极管T1后，断开电阻串R2，测输出电压约等于输入电压，此时为输出电压最高值；而加有T1时，输出电压明显减小。由此可见，电路中增加三极管T1以此来保护负载是必要的，也是一种有效而又简单的保护负载措施，这是“短路自恢复式”学生电源电路中的第一个创新之处。

通过课堂实践多次实验后发现，尽管XL4015可调降稳压电源模块自带过流保护、过温保护、短路保护等功能，但在多次、反复短路时仍有烧坏现象出现，为此笔者又在电源的输出端增加了自恢复保险丝(如图7)加以改进。

图7 自恢复保险丝

自恢复保险丝具有过流过热保护、自动恢复双重功能。在正常情况下，自恢复保险丝处于低阻状态，线路上流经自恢复保险丝的电流所产生的热量小，对工作电流几乎无影响。当负载端发生短路或过载时，流经自恢复保险丝的大电流，产生的热量使内部聚合树脂融化，体积迅速增大，形成高阻状态，工作电流迅速减小，从而起到对电路进行限制和保护作用。当故障排除后，自恢复保险丝重新冷却结晶，体积收缩，导电粒子重新形成导电通路，自恢复保险丝恢复为低阻状态，无须人工更换也能完成对电路的保护。这也是本电源电路中的第二个创新之处。

现行九年级物理教材上介绍的短路实验是用干电池完成的，干电池相对于学生电源具有寿命短、成本高、污染严重的缺陷，在学生电源完成上述改进后可用于指导学生进行(电源)短路实验。具体方法是将小灯泡与开关连接到改进后的学生电源上，把电压旋钮指针指向1.5 V，打开改进后的学生电源的电源开关，这时小灯泡亮，但闭合开关后，小灯泡立即熄灭，同时过载指示灯亮，说明电路发生了短路。开关闭合时间要短，发现小灯泡不亮，过载指示灯亮时，就立即断开开关，该实验现象明显、易观察、效果好。 由于学生电源有短路自动保护功能，因此不用顾忌实验中会烧坏学生电源[3]。此为该学生电源的又一创新应用之处。

此外，该学生电源的改进升级费用不超过30元，采购补充新学生电源经济性尤为突出。因直流电源的电路较简单，故障类型少，很容易判断出故障位置。只要有足够的电子基础知识，多动动手，平时注意经验的累积，电源故障是可以轻松检修的[4]。

4 结束语

笔者利用实验室旧学生电源的外壳、接线柱、电源线等材料，以市场上的成品12 V/5 A电源适配器作为基础降压电路，再加上述可调降稳压电路，改造了28台常规学生电源，已有60多个班级利用该学生电源做过400多次实验，无一台损坏。这也说明此电源的设计制作是合理的，经得住实践的检验，完全能满足中小学生课内电学实验的基本需求。