1 多年来教学用低压电源的问题

    据调查，多年来学校都普遍不愿意用学生电源，初中、高中都是这样。主要原因有以下几方面：

    1.1 性能

    中学使用的电源是普教常规仪器中更新换代次数最多的产品。自20世纪70年代起，主要的改变有：

    （1）第一代产品用插头转换电压，直流不稳压；

    （2）第二代产品是交流2V～14V，每档2V，各档输出不高于标称值1V，对2V档不作要求。直流2V～14V，每档2V，最大电流2A。满载时各档输出电压不低于0.1U  _标＋1.6V＋0.6V,2V档不作要求。这种电源性能是很差的，就是说，10V档满载时输出电压可以变成3.2V。

    （3）第三代产品是交流（2V～14V,2A，每档2V）、直流不稳压（2V～14V,2A，每档2V）加直流稳压6V（300mA）；

直流不稳压输出电压为各档＋1V～－1.5V，交流输出电压为各档±1V。

教学中最常用的是2.5V0.3A小灯泡。接上时电压与空载差不多，可能有3V。往往标着2.2V、2.5V的灯泡接上去立即烧毁，学校很有意见。

    （4）第四代产品改为各档空载电压不高于标称电压，那么影响最大的是2V，由于考虑价格，并没有用全稳压，满载时电压可能只有1V。

    （5）第五代产品就是JY 0361－1999规定的产品。分高中、初中学生电源。初中学生电源输出电压为1.5V～9V，每档1.5V。由于学校反映，只能用全稳压。

    1.2 过载保护

    第一代产品是熔断丝保护。后来改为干簧管加继电器，只要超过动作电流，就会在0.1s数量级的时间内切断电源输出。往往开机时由于机内电容器充电，虽然没 有接负载，也会立即过载保护。教师用的低压电源也是这种过载保护的，额定电流为6A，但是实际上不能点亮额定电流为3A的灯泡，因为过载保护电路不能躲过 白炽灯泡开灯时的浪涌电流，只能降压点灯泡，然后慢慢升高电压。学生实验有一个小型电动机实验，为了原理清楚使用二极电机，这种电机在一个位置时整流环将 两电刷短路。实际上只要拨动一下电枢，转动以后就没有问题。但是还来不及转动，电源已经截止，切断输出了。

    1.3 粗制滥造

    这些年来，由于在招标恶性竞争，拼价格，往往出现一些售价只有别人一半的产品。教学电源和学生电源都是技术成熟的产品，并没有什么高新技术在其中。应该 说，在市场经济的今天，原材料、元器件价格都已经是非常透明了，企业的劳动生产率也差别不大，怎么会产品价格只有别人的一半呢？其实没有奥秘，只需粗制滥 造。2009年我们分析试验了一批电源，基本都不符合标准要求。有以下几种情况：

    ——JY 0361－1999标准发布、实施已近十年了，但是很多产品并有实施标准。改标准规定，所有电源都是全稳压的，但是很多产品根本没有稳压电路，所谓“直流型”，甚至说，配备目录中写“直流”，就是不需要稳压；

——偷工减料。例如，变压器截面积减小，铜线截面积减小。虽有稳压，但是电流大一点，电压立即严重下降；用切换信号 的波段开关作为切换电源用；减小大功率器件的散热片面积和厚度，甚至完全不用散热片，集成稳压原件固定在电源底部的底板上，开始使用还正常，过一会输出电 压就下降；电源软线截面积很小；外壳很薄，强度不够等等。

——存在严重的安全问题。有的产品保护接地线悬空；有的产品没有保护接地线，但是抗电强度不够；电源变压器初级与次级之间的抗电强度，最低的在700V就被击穿。

    1.4 教学用低压电源的演变

    主要由于以上原因，学校宁可买R40或者R20电池，大量学生电源堆在仪器柜中。自20世纪90年代某期开始，由于一些学校想把学生实验过程全部控制起 来，就逐渐发展起来一种集中控制电源。教师给多少电压，学生不能调高。其实这不符合实验的真缔。以后主要是供人参观，在21世纪初盛行一种“豪华”式的实 验桌，桌上固定着电源。后来又一个标准JY/T 0374-2004，性能基本同JY 0361-1999，某些方面有降低。

    其实，这种集中控制式电源有许多问题。学校反映使用不便，维修麻烦。可是最大的问题还在于占了桌面近三分之一的面积，使本来并不宽裕的桌面变得更加拥挤， 并且存在很多安全隐患，例如实验中防水的问题等等。没有一种电源设备的外壳是允许使用易燃、可燃材料制作的，变压器等发热元件在桌内散热不良，存在火灾隐 患。并且这种电源的电路板是直接固定在桌内木板上的，还存在触电隐患。

 

     2 关于教学用电源的思考

    我们曾要求企业把过载保护改为延时式，延时1s～3s。但是因为行业标准没有改，企业不敢改，因此一直没有实现。其实，延时3s电源不会烧毁。供电系统如果不能躲过瞬间大电流，那么将造成频繁停电。因此，供电系统设计有这方面的要求。

    电池是用于移动场所的，不是大量用于学校实验室固定场所的。制造电池大量消耗有色金属，电池用后造成污染。另一方面放着学生电源不用，但是还大量配备这种学生电源，造成极大的浪费。

    历来，我国普教教学仪器的结构是以专用仪器为主，大量发展专用仪器，通用仪器品种少，功能少，适应性差。由于基本都是紧扣当时教材设计的，功能余量很少， 因此只要教材一改，立即就会发生问题。尽管电源已经更新换代了多次，但是仍感到不够用。多年前我省使用省编教材初中《自然科学》时，就因一个实验（观察电 解质中带电粒子的移动），需要30V电源。因为学生电源不能解决，因此不得已增配了一个30V的小电流电源。这种打补丁式的解决方案，越搞越乱。现在使用 新教材后强调探究。所谓探究，就是用现有的设备想法解决新的问题。探究活动可能会提出一些事先预想不到的课题。如果通用仪器功能余量都是很少，那是无法解 决的。当然，如何适应探究实验需要是一个大的课题。但是，在当前已经遇到问题的仪器设备方面，适当考虑适应面广一些是需要的。电源是最普通的通用设备，大 学普通物理用的电源，双路直流稳压，0V～30V连续可调已够用了，而中学的电源却花了近三十年时间解决不了！真有那么复杂吗？再复杂的事情都解决了， “神七”都上天了，中学的一个电源竟然解决不了！

    技术总是要进步的。干簧管式过载保护是20世纪70年代的技术，但是在普教仪器中使用了三十年。明明不好用，也不愿改进。新的保护方式不是没有，都是现成 的，例如限流式保护，集成稳压块本来是自带的，我们没有去用。我们在20世纪80年代初进口的日本岛津样机，低压电源的过载保护是有延时的机械式装置，动 作后弹出，用手复位即可。我们怕延时保护会烧毁电源设备，日本的样机延时约5s，并没有烧毁。现在的自恢复过载保护元件，内阻只有千分之几欧姆，过流后几 秒钟后变成高阻态，冷却后自动恢复，也是成熟的技术。电网系统如果不能躲过短时的冲击电流，那么将发生频繁断电，这是不允许的。

    关键还在于电源设备内部元件是如何设计的。如果不考虑性能，只考虑价格尽量低，那么只能配这种学校不愿用的东西。如果从一开始就配备价格高一点，性能好一 点的电源，就不需要更新换代那么多次。换了那么多次，总的经费早已超过一台性能好的设备了，还多用了那么多电池！

    基于上述种种考虑，我们提出了新的电源设计要求，并且已制成样机。

    3 高中教学对电源的新需求

    3.1 现有高中学生电源是根据JY 0361－1999制造的，其主要性能指标是：

    （1）直流稳压输出单路2V～16V，分档式，每当2V，额定电流2A，截止式保护。

    电压偏调2％U  _标＋0.1V，负载稳定性2％U  _标＋0.1V。

    （2）交流输出2V～16V，分档式，每当2V，额定电流3A，截止式保护。空载电压1.05U  _标＋0.3V，满载电压0.95U  _标－0.3V。

    这种电源不适合新教材中以下实验：

    通用技术《电子控制技术模块》中需要用TTL集成电路，使用电压5V。有人说，实际上给TTL电路施加6V电压不会烧坏。确实如此，但是手册规定电源电压 是5V，误差不超过10％，施加6V就是违章操作。现在在学校里可以违章使用TTL电路，将来到生产岗位就会违章使用设备，造成大事故。我们在学校里应该 培养学生什么？

可控硅电路和继电器控制都同时需要二组独立电源。在通用技术《技术与设计》模块（必修）中，也有一些控制与反馈，需要5V直流稳压电源。

    在高中物理实验中，也有以下实验需要新的电源：

    （1）变压器实验（选修1－1模块）

    变压器原理实验时要求加的交流电压比较稳定，并且为了便于比较，最好为某一整数值。电源总有内阻，由内阻引起的从空载到满载的电压变化，根据JY 0361－1999，如果电压调在6V档，空载时为6.6V，满载时为5.4V。

    （2）传感器应用实例（选修3－2模块）

    一个实验同时需要二组独立电源：

    ① 光控开关

    ② 温度报警器

    （3）晶体三极管放大作用（选修3－2模块）需要二组独立电源。

    （4）数字逻辑电路（选修3－2模块）

    数字逻辑电路有TTL和CMOS。TTL电路输入阻抗低，不宜损坏，带负载能力强，CMOS电路输入阻抗高，宜损坏，带负载能力强。我们认为，学生实验交适用TTL电路。但是TTL电路使用电源要求较严格，要求5V，偏差不超过0.5V。

    （5）某些实验中，输出电压连续可调使用较方便，例如小灯泡伏安特性曲线（选修3－1模块）。

    交流为什么要连续可调？事实上，中学并没有多少用交流的实验。但是因为电源内阻是不可避免的，不稳压的学生电源就因为内阻问题，空载电压和满载电压的矛盾 总是解决不了。日本岛津的样机采用电压连续可调，并且带有电表指示的方案。这样就回避了电源内阻带来的空载电压和满载电压不同的矛盾。使用时接上负载，电 压从低到高，调到所需电压。从培养试验习惯考虑，接负载时是应该知道电源电压的。因此，交流也采用了连续可调，并且有电表指示的方案。

    4 高中双路稳压学生电源的概况

    考虑到方便生产，降低成本，需要对通用技术的电子控制技术和高中物理所需的新电源进行统一，因此需要标准化。标准化可以优化性能和简化品种规格。

    4.1 电源性能

    （1）双路直流稳压，双路独立输出，可串联使用(串联以后，输出电压可达30V)，因此不接“地”。

    （2）双路连续可调，0V～15V。

    （3）每路输出电流1.5A。

    1.5A够用了。现有电源使用中感到电流不够的原因是过载保护电路不能躲过瞬间大电流，如果不解决过载保护问题，即使将2A增加到3A也不能解决这个问题。

    （4）直流稳压采用限流式保护，经试验长时间处于限流保护状态不会损坏，稳压元件在过热时自动转为截止状态，切断电流。交流采用过载电流为额定电流3倍以内延时截止式保护，延时时间3s；3倍和超过3倍没有延时，立即切断输出。

    （5）交流输出电压连续可调，可调范围0V～15V。

    （6）有交流、直流的电压、电流指示。

    （7）安全要求符合GB 21746-2008和GB 21748－2008规定。

    4.2 与学生电源现有标准对比

    与JY 0361-1999相比，性能有较大幅度提高，对比如表1。

  表1