教學實驗用電源的特點及檢測保護電路

摘要：介紹教學實驗用電源的特點，單表法自動檢測，新穎的過流及短路保護電路。關鍵詞：I/V檢測轉換電源檢測保護

1教學試驗電源的特點

作為學校教學用的實驗電源是電源技術中的一個很重要的分支。近年來，開關電源、線性穩(wěn)壓電源發(fā)展很快，但教學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、過載保護與顯示方式。這些因素制約了教學用試驗電源的開發(fā)，影響了實驗電源的發(fā)展。做為學校用實驗電源（特別是中專、技校、職專）應具有下述特點：

（1）高可靠性由于學生實驗負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，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校實驗室來說是一種浪費，同時高精度必定高價位，很不適應學校的使用；

（3）優(yōu)示性在教學用實驗電源中進行電壓、電流檢測顯示常用單表法，即用轉換開關切換電壓、電流顯示檢測結果，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果，這種產品價格高、體積大。學生在進行試驗時，往往是在空載狀態(tài)下調節(jié)選擇符合要求的輸出電壓值，在實驗過程中，接入負載后應即時顯示工作電流，當出現(xiàn)過載、短路時給以聲、光報警并加以保護；

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

2教學試驗電源的可調性與測量保護

（1）教學用實驗電源的輸出電壓可調性與電源功耗的矛盾

教學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)。由于教學用電源的Uo必須是可調型，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，也可用繼電器構成自動控制，當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—全波轉換無需專用變壓器，即可方便地擴大輸出電壓的范圍。

圖1串聯(lián)型穩(wěn)壓電源

圖2整流電路轉換原理

（2）輸出電壓、電流的測量和保護

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

MAX471/472是完善的雙向、高端電流靈敏放大器，MAX471內部具有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定電阻構成更大電流的測量。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轉換。圖3電路可設計在一塊電路板上與任意電源相連，構成電流電壓的自動顯示和過流報警與保護。R1為MAX471輸出端電阻，它決定I/V的轉換靈敏度。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R1=2kΩ時，靈敏度為1V/A，當R2=20kΩ時，靈敏度為10V/A。實際應用時，R1可依據標準儀表進行微調校正。J11為V/I電壓電流顯示轉換繼電器，初始狀態(tài)下（空載時），由于未接負載，IO=0，IOUT端輸出電壓為零，J1不吸合，J11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。當負載接入電源后，IOUT端通過R1產生電壓使VT2導通，繼電器J1吸合，電表通過J11接入IOUT端顯示I/V轉換值，即負載電流。K為強制轉換開關，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。過流保護用TL431來完成，J2為過流保護用繼電器，RP為過流量保護調節(jié)電位器，當Vref=UIOUT=2.5V時，IC2導通，J2吸合，J21切斷輸出；同時J22閉合，VD5發(fā)光指示，報警音樂卡得電并通過VT3驅動報警喇叭，以聲光形式構成保護指示，很方便學生使用。同時過流量可在很大范圍內進行調整或設定。

圖3采用MAX471的單表復用轉換電路

3結語

學生實驗用電源是推行素質教育，提高教學實驗水平所需的儀器，它應以“工業(yè)用電源的適應性（可靠性）、儀表用電源的可視性、實驗電源的可調性、消費用電源的優(yōu)價性”為設計目標，開發(fā)出滿足教學需求的優(yōu)良電源產品。