教學(xué)實驗用電源的特點及檢測保護(hù)電路

摘要：介紹教學(xué)實驗用電源的特點，單表法自動檢測，新穎的過流及短路保護(hù)電路。關(guān)鍵詞：I/V檢測轉(zhuǎn)換電源檢測保護(hù)

1教學(xué)試驗電源的特點

作為學(xué)校教學(xué)用的實驗電源是電源技術(shù)中的一個很重要的分支。近年來，開關(guān)電源、線性穩(wěn)壓電源發(fā)展很快，但教學(xué)用試驗電源卻由于各種原因沒能得到更新，仍然是傳統(tǒng)的電源。從而在性能、應(yīng)用上都受到限制。特別是電壓和電流的檢測方法存在著三個問題：測量方法與手段、測量顯示與精度、過載保護(hù)與顯示方式。這些因素制約了教學(xué)用試驗電源的開發(fā)，影響了實驗電源的發(fā)展。做為學(xué)校用實驗電源（特別是中專、技校、職專）應(yīng)具有下述特點：

（1）高可靠性由于學(xué)生實驗負(fù)載的不確定性和操作者不留神可能帶來的各種短路事故，所以要求電源必須具備很好的過載、短路、過熱、過壓保護(hù)，使電源的安全性得以保障；

（2）中精度高精度的電源對只具有一般實驗要求的大中專學(xué)校實驗室來說是一種浪費(fèi)，同時高精度必定高價位，很不適應(yīng)學(xué)校的使用；

（3）優(yōu)示性在教學(xué)用實驗電源中進(jìn)行電壓、電流檢測顯示常用單表法，即用轉(zhuǎn)換開關(guān)切換電壓、電流顯示檢測結(jié)果，一表兩用；在高檔的電源中，采用了兩表法來同時顯示電壓和電流的檢測結(jié)果，這種產(chǎn)品價格高、體積大。學(xué)生在進(jìn)行試驗時，往往是在空載狀態(tài)下調(diào)節(jié)選擇符合要求的輸出電壓值，在實驗過程中，接入負(fù)載后應(yīng)即時顯示工作電流，當(dāng)出現(xiàn)過載、短路時給以聲、光報警并加以保護(hù)；

（4）低價位電源是學(xué)生做電子實驗的能源泵，是一個必須的教學(xué)設(shè)備。電源要保證為教學(xué)所用，并且價格低廉，可以通過降低實驗儀用電源的高精度來補(bǔ)償。采用新技術(shù)、新材料、新電路是降低成本的根本途徑。

2教學(xué)試驗電源的可調(diào)性與測量保護(hù)

（1）教學(xué)用實驗電源的輸出電壓可調(diào)性與電源功耗的矛盾

教學(xué)用實驗電源為了減小噪聲，降低成本大都采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路形式。其工作框圖如圖1所示，其穩(wěn)壓電路功耗Pc=I0(Ui－Uo)。由于教學(xué)用電源的Uo必須是可調(diào)型，這樣在低電壓、大電流的輸出狀態(tài)下，穩(wěn)壓電路的功耗增加，工作性能下降，安全受到影響。所以減少功耗應(yīng)盡可能地同步改變輸入電壓Ui，采用多抽頭的電源變壓器是一種理想的方法。這里介紹一種橋式整流—全波整流轉(zhuǎn)換電路，可采用通用的全波整流變壓器，電路如圖2所示。K1可是雙刀雙擲開關(guān)，也可用繼電器構(gòu)成自動控制，當(dāng)變壓器中心抽頭接地時（K1如圖2中所擲位置），為全波整流型，輸出電壓U1=1.2Ui，當(dāng)變壓器中的抽頭不接地時，為橋式整流型，輸出電壓U1=2×1.2Ui，采用橋式整流—全波轉(zhuǎn)換無需專用變壓器，即可方便地擴(kuò)大輸出電壓的范圍。

圖1串聯(lián)型穩(wěn)壓電源

圖2整流電路轉(zhuǎn)換原理

（2）輸出電壓、電流的測量和保護(hù)

實驗電源必須具有優(yōu)良的可示性，和完善的保護(hù)功能才能為學(xué)生所用，以往電源的輸出電壓、電流測量有兩表法和單表復(fù)用法，兩表法成本高、體積大；單表復(fù)用法由于手工轉(zhuǎn)換使用不方便。為此我們采用美國美信公司生產(chǎn)的MAX471集成電路，設(shè)計了單表復(fù)用轉(zhuǎn)換電路，如圖3所示。它主要依據(jù)學(xué)生實驗電源操作程序，先空載調(diào)整輸出電源，接入負(fù)載即時顯示電流，來進(jìn)行工作的。

MAX471/472是完善的雙向、高端電流靈敏放大器，MAX471內(nèi)部具有35mΩ的電流檢測電阻，可測量±3A的電源電流，MAX472可以使用外部檢測與增益設(shè)定電阻構(gòu)成更大電流的測量。它們都有一個電流輸出端，可用一個電阻將其變換成以地為參考點的電壓，實現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換。圖3電路可設(shè)計在一塊電路板上與任意電源相連，構(gòu)成電流電壓的自動顯示和過流報警與保護(hù)。R1為MAX471輸出端電阻，它決定I/V的轉(zhuǎn)換靈敏度。電表可用任意磁電系電壓表（電流表）。R1=Uout/(ILOAD×500μA/A)，Uout=所需的滿度電壓，ILOAD=被測的滿度電流，當(dāng)R1=2kΩ時，靈敏度為1V/A，當(dāng)R2=20kΩ時，靈敏度為10V/A。實際應(yīng)用時，R1可依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)儀表進(jìn)行微調(diào)校正。J1?1為V/I電壓電流顯示轉(zhuǎn)換繼電器，初始狀態(tài)下（空載時），由于未接負(fù)載，IO=0，IOUT端輸出電壓為零，J1不吸合，J1?1常閉使電壓表置電源輸出端，顯示輸出電壓；同時VD3發(fā)光，以示測量值為電壓。當(dāng)負(fù)載接入電源后，IOUT端通過R1產(chǎn)生電壓使VT2導(dǎo)通，繼電器J1吸合，電表通過J1?1接入IOUT端顯示I/V轉(zhuǎn)換值，即負(fù)載電流。K為強(qiáng)制轉(zhuǎn)換開關(guān)，閉合時，可置電表為輸出電壓測量。VT1為射極輸出器，以減小VT2和IC2對IOUT端的影響。過流保護(hù)用TL431來完成，J2為過流保護(hù)用繼電器，RP為過流量保護(hù)調(diào)節(jié)電位器，當(dāng)Vref=UIOUT=2.5V時，IC2導(dǎo)通，J2吸合，J2?1切斷輸出；同時J2?2閉合，VD5發(fā)光指示，報警音樂卡得電并通過VT3驅(qū)動報警喇叭，以聲光形式構(gòu)成保護(hù)指示，很方便學(xué)生使用。同時過流量可在很大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整或設(shè)定。

圖3采用MAX471的單表復(fù)用轉(zhuǎn)換電路

3結(jié)語

學(xué)生實驗用電源是推行素質(zhì)教育，提高教學(xué)實驗水平所需的儀器，它應(yīng)以“工業(yè)用電源的適應(yīng)性（可靠性）、儀表用電源的可視性、實驗電源的可調(diào)性、消費(fèi)用電源的優(yōu)價性”為設(shè)計目標(biāo)，開發(fā)出滿足教學(xué)需求的優(yōu)良電源產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

1MAXIM公司1999年產(chǎn)品手冊光盤版.

2（日）戶川治郎著,何偉仁譯.《實用電源電路設(shè)計手冊》.