功率教学设计

第1篇：功率教学设计

基于功率合成器的北斗射频功率放大器设计

摘 要：针对当前应用于北斗卫星系统的射频功率放大器的小功率、低效率、高成本等缺点，本文提出一种基于功分合路器的改进型三级级联射频功率放大器设计方案。利用负载牵引法对末级功率放大器进行设计，利用集总参数与分布参数相结合的技巧对微带低通滤波器进行设计，利用小信号S参数法对前置级放大器进行设计。通过详细的理论分析和仿真优化，结合射频硬件电路和结构的设计要求，实际制作并实现稳定高效的30 W射频功率放大器设计。该方案可使低供电电压的小功率射频器件实现较大功率输出，并较好地兼顾线性度和效率。

关键词：中国北斗卫星导航系统;射频功率放大器;功分合路器;微带滤波器

中圖分类号：TN722.7

文献标识码： B

随着中国北斗卫星导航系统的不断完善，北斗卫星导航系统正逐步从区域性卫星导航系统发展成为全球性卫星导航系统。北斗系统所独具特色的短报文通信功能，使其在国防、民生等领域得到越来越广泛的作用[1-2]。射频功率放大器作为北斗卫星导航与通信终端设备的末级信号放大器，其性能的好坏直接关乎发往卫星信号的质量和终端设备的电源效率。然而，由于通常采用的大功率射频功率放大器存在线性度不理想、电源效率低、供电电压高、成本高、易受温度影响等问题[3-4]，制约了其在北斗通信终端中的应用。目前，北斗卫星相关产业发展缓慢，大功率射频放大器方案主要采用进口芯片，通过高电压供电，成品移动性较差。

为解决上述问题，本文在传统三级级联射频功率放大器结构基础上，通过引入功率分配器和功率合成器，形成对称性电路的解决方案，从而在保证足够的线性输出功率的前提下，降低供电电压要求，并提高电路稳定性。同时，通过结合微带低通滤波器设计，进一步减低系统的谐波干扰。

1 系统组成

本文提出的射频功率放大器结构如图1所示，它主要由前置级放大器、功率分配器、驱动级放大器、末级功率放大器、功率合成器和低通滤波器等单元电路组成。

射频功率放大器的输入信号为北斗射频发射通道输出的中心频率1.61568 GHz、功率为0 dBm的BPSK调制信号。考虑到功率分配器的插入损耗约为3 dB、功率合成器增益约为3 dB、输出滤波器的插入损耗接近于0 dB，为达到30 W(44.8 dBm)线性输出功率，要求上下两路末级射频功率放大器的P1dB应大于15 W(41.8 dBm)。综合考虑线性度、增益、供电电压和封装等因素，末级射频功率放大器选用LDMOS工艺的场效应晶体三极管PD20015C。LDMOS工艺具有良好的线性度、稳定性和温度特性，能够较好地解决效率和线性度的问题。同时，采用LDMOS工艺的单级功放可提供较大的功率增益(约12 dB)，故驱动级放大器的P1dB输出功率确定为1 W(30 dBm)、增益为25 dB。低通滤波器、功率分配器和功率合成器均采用微带线形式实现，既可以确保低插损，也可以提高稳定性。综合以上分析，前置级射频功率放大器增益只要大于8 dB即可满足射频链路要求。

2 射频链路分析与设计

2.1 功率分配器与功率合成器

功率分配器和功率合成器的主要指标包括回波损耗、插入损耗、隔离度、工作频段等。由于无源结构的功率分配器与功率合成器是一对互易网络，二者具有完全一致的结构和性能，故对其中一种的分析设计同样适用于另一种[5-6]。以下以功率分配器为例进行分析设计。

本文采用的功率分配器结构如图2所示。图中，端口1为输入端口，其源阻抗为Z0;端口2和端口3为输出端口，其负载阻抗分别为R2和R3;两段1/4波长传输线的特性阻抗分别为Z02和Z03，电阻R为隔离电阻。则输出端口2和3的输出功率分别为为了满足功率分配器输出端口的平衡性，可令功分比k2=1，端口源阻抗Z0=50 Ω。由上式可得，Z02=Z03=70.7 Ω，隔离电阻R=100 Ω，λ/4=4.62 cm。

结合电路结构图和电路参数进行实际电路的仿真优化设计，仿真结果如图3所示。从图可以看出，在频率为1.616 GHz处，所设计的功率分配器的插入损耗为3.038 dB，输出端口的反射损耗达41.89 dB(即反射系数很小)，两个输出端口之间的隔离度达38.4 dB。可见，所设计的功率分配器的各项性能指标均符合设计要求。

2.2 末级功率放大器

射频功率放大器主要由输入输出匹配电路、偏置电路、有源器件三部分组成[7]。通常的设计方法是：在工作频段内绝对稳定的条件下，设置的偏置电路应使有源器件的静态工作点位于线性放大区，并保证具有最大的线性度区间[8];通过输入输出匹配电路的合理设计，实现有源器件对源阻抗和负载阻抗的匹配，从而保证功率放大器的增益、效率和输出功率。

为了最大化器件性能，本文采用负载牵引和源牵引相结合的方法设计匹配电路。牵引法设计的核心思想是在大信号的持续激励下，通过自动调节阻抗变换器，得到器件在不同阻抗下的效率值和功率值，并绘出等功率曲线和等效率曲线[9]。首先，调用负载牵引模板寻找最佳阻抗ZL，通过调整匹配网络、圆心和半径等参数，找到最大效率点和最大功率点，仿真结果如图4所示。

从图4可以看出，在最大功率点处，负载阻抗=1.436+j0.878，根据阻抗参数可运用史密斯圆图完成输出共轭匹配，并将输出匹配网络导入原理图中。源牵引法仿真过程同负载牵引法类似，这里不再赘述。针对输入输出匹配网络进行仿真设计和优化后，得到末级功率放大器的输入输出特性如图5所示。

由图5可知，当输入功率为30 dBm时，输出功率为41.809 dBm(满足15 W设计要求)，且工作点位于P1dB压缩点以内，在保证输出功率和线性度的同时，也兼顾了效率。

2.3 微带滤波器

随着频率的升高，集总参数滤波器的幅频特性受寄生参数的影响将越来越大，而分布参数滤波器在频率高端具有插入损耗小、一致性高的优点，但占用面积较大[10]。本文采用集总参数与分布参数相结合的电路设计方法，并通过Richards变换和Kuroda规则进行巴特沃兹低通滤波器设计，以获得体积较小、抑制谐波能力强、输出阻抗匹配和输出端隔离度好的效果[11]。

2.4 前置级和驱动级放大器

由链路分析可知，前置级射频功率放大器增益为8 dB，驱动级射频功率放大器增益为25 dB。为了适应输入信号的变化范围，前置级射频功率放大器设计成增益可调式，故选用了专用射频集成放大器，其功率增益范围为0～22 dB、P1dB压缩点输出功率为17.8 dBm。通过输入输出阻抗匹配网络的设计，分别实现与50 Ω实阻抗的匹配。

驱动级射频功率放大器选用线性增益为25 dB，在1.616 GHz处的最大输出功率可达30 dBm的射频集成放大器，以满足推动末级射频功率放大器的要求。

2.5 系统联合仿真

结合以上各单元电路的设计结果，对整个电路做系统联合仿真。三级级联射频功率放大器的总体仿真电路如图7所示。

3 实物验证与测试

进行实物设计时，结合射频硬件电路的设计原则，准确设计走线阻抗，严格控制走线长度，并注意接地散热和腔体屏蔽等问题。板材选用Rogers4350B，该板材具有低插损、温度稳定性好等优点。完成PCB版图设计、电路板加工和元器件焊接后，实际设计结果如图9所示。

通电后，借助于频谱分析仪、网络分析仪等对电路参数进行调试，使其处于最佳工作状态。用伪码发生器调制单载波来模拟北斗BPSK调制信号，并作为本射频功率放大器的输入信号(输入功率电平为0 dBm)，可测得输出功率的频谱图如图10所示。

从频谱图可以看出，此时带内功率44.787 dBm(满足30W的设计要求)。当逐渐增大输入信号时，输出功率不再呈现线性地同步增大，说明射频功率放大器已开始进入非线性状态;而当逐渐减小输入信号时，输出功率随之线性地减小。可见此时功放工作状态刚好处于P1dB压缩点附近，功率放大器的线性度和效率都处于较高的水平。

4 结论

本文提出一种改进型三级级联射频功率放大器的设计方案。通过合理分配系统中各功能单元电路的技术指标，并对系统中的增益、线性度和S参数做详细分析，经过仿真设计和实物测试，验证了本设计方案的可行性。采用本文方法設计制作的30 W射频功率放大器具有稳定性好、效率高、谐波干扰小等特点，已应用于北斗卫星导航通信终端上。

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(责任编辑：周晓南)

作者： 高贵虎 苏凯雄

第2篇：高功率因数大功率LED路灯驱动电源的设计

【摘要】文章结合LED路灯驱动电源发展的现状，设计了一款适用于大功率情况下的路灯驱动电源。该设计提出一款基于PLC810PG的半桥LLC谐振式的LED路灯开关电源的设计方案，实现了功率因数校正作用且由于实现了软开关，提高了工作效率。文章对此电源的主电路和控制电路进行了理论设计和参数估算。最后经实验研究，表明该系统设计可行，性能指标基本可以满足设计要求。

【关键词】LED驱动电源；功率因数校正；半桥LLC谐振变换器；PLC810PG

Design of A High Power Factor and High-Power

Power Supply to Drive LED Lights

SHI Hong-wei Zhu Zheng-yu Shejie

（Jiangyin Polytechnic College，Jiangyin 214433，Jiangsu，China）

Key words：LED power supply；power factor correction；half-bridge LLC resonant circuits；PLC810PG

引言

LED（light emitting diode）具有发光效率高、功耗小、寿命长、光污染小、光线质量高等优点，已在各个领域得到广泛应用。近些年随着大功率的LED发光技术的升级，大功率的白光LED越来越多的被应用于通用照明领域。可以说，作为新一代光源，LED的应用已经成为照明的发展方向。目前LED应用的热点之一是LED的道路照明。

LED路灯的电源控制和驱动系统是保证其功能和高效的重要基础。文章结合大功率LED驱动电源的发展现状，提出了一款基于PLC810PG的半桥LLC谐振式的LED路灯开关电源的设计方案，把输入分压与半桥两个开关各自形成一路Boost电路，实现了功率因数校正作用，后级采用LLC谐振负载网络，实现了软开关，提高了工作效率。

1.系统结构

由于LED路灯功率较高，LED路灯电源不宜再沿用单开关反激式电路，而必须采用支持相应功率的电路拓扑，例如半桥LLC谐振拓扑结构。如图1所示，Q1和Q2是半桥开关管（MOSFET），半桥谐振网络中选用的是LLC结构，Cr、Lr和变压器T1初级绕组线圈Lm组成LLC谐振网络。Lb1、Q1、Dds2、Cb组成一路boost电路，Lb2、Q2、Dds1、Cb组成另一路boost电路，两个boost电路工作在断续模式下，作为天然的功率因数校正器。其中Lr为变压器的漏感，Lm为变压器的励磁电感。

2.输入EMI滤波电路和桥式整流电路

从频率的角度看，EMI滤波器属于低通滤波器。它能毫无衰减地把直流电和工频交流电传输到开关电源，不但可以大大地衰减从电网引入的外部电磁干扰，还可以避免开关电源设备本身向外部发出噪声干扰，以免影响其他电子设备的正常工作。本设计中采用的EMI滤波器基本结构如图2所示。

市电交流220V输入后，经由电容C1、C2、C3、C4、C5、C6和共模电感器L1、L2组成的输入EMI滤波器滤波，R1～R3在交流电源切断时为电容放电提供通路。热敏电阻RT1用来在电源系统启动时限制浪涌电流。当电路正常工作后，继电器RL1将RT1旁路，RT1中几乎无电流流过，不再有功率损耗，从而使电源效率提高1%～1.5%。BR1为桥式整流器，C7是滤波电容。

3.半桥LLC谐振电路

半桥双电感加单电容（LLC）谐振转换器能提供较大的输出功率，保证半桥MOSFET的零电压开关（ZVS），具有较高的效率，基本结构如图1所示。在图1中，Q1和Q2是半桥开关（MOSFET），Cr、Lr和变压器T1初级绕组线圈LM组成LLC谐振变换器。

本文设计的LED路灯照明用驱动电源（图3）中，Q1，Q2为半桥功率开关管（MOSFET）。C39为谐振电容，变压器T1的初级绕组与其构成LLC谐振回路（通常将图1中的Lr结合进变压器初级之中，对于图3所示的电路拓扑，仍称作LLC谐振结构，而不称其为LC谐振拓扑）。T1的次级输出经全波整流二极管、C37、C38整流滤波后产生52V直流电压输出，作为LED路灯模块的电源驱动。

3.1 电路主要元器件参数设计

系统的额定输出功率100W，输出电压为52V，两个boost电感的值可由表达式（1）计算得到：

由于输出功率P0=ηPin，效率值为90%，一般母线电压为1.2倍峰值输入，由此可求出系统的两个boost电感值。我们在当系统工作在fr的频率下来进行分析，此时LLC电路的电压增益为1，即可求出变压器的匝比为

图（3）中C39不仅起电容隔直的作用，也为负半周的谐振提供能量。且C39两端最大电压满足

其中fmax表示最大的开关频率，由表达式（3）可求出C39的值。由于系统工作频率，我们将fr取100kHz，则可求出系统中的Lr的值。

而由表达式（4）也可求出系统的励磁电感取值。

最终取值为：

Lb1=Lb2=400μH，Lr=112μH，Lm=600μH，C39=22nF，

T1匝比为n=4。

3.2 LLC的变压器T1的设计

变压器T1使用ETD39磁心和18引脚骨架。先绕次级绕组，次级绕组使用175股40AWG（Φ为0.08mm）李兹线（即绞合线），从引脚10到引脚12，再从引脚11到引脚13各绕9匝，并覆盖2层聚酯膜。初级绕组使用75股40AWG（Φ为0.08mm）绞合线，从7引脚开始到9引脚结束，绕36匝，再绕2层聚酯膜。其电感量是820μH（±10%），漏感是100μH(±10%)。将分成两部分的磁心插入骨架中对接在一起，在磁心外面用10mm宽的铜皮绕一层，用焊锡将接缝焊牢，再在铜皮与引脚2之间焊接一段Φ为0.5mm的铜线。在铜皮外部用聚酯膜覆盖起来。

3.3 基于PLC810PG的LLC控制电路

PLC810PG的CCM PFC控制器只有4个引脚（除接地端外），是目前引脚最少的CCM PFC控制器。这种PFC控制器主要是由运算跨导放大器（OTA）、分立电压可编程放大器（DVGA）和低通滤波器（LPF）、PWM电路、PFC MOSFET驱动器（在引脚GATEP上输出）及保护电路组成的。PFC控制器有两个输入引脚，即引脚ISP（3）和FBP（23）。FBP引脚是PFC升压变换器输出DC升压电压的反馈端，连接OTA的同相输入端。OTA输出可视为是PFC控制器等效乘法器的一个输入。OTA在引脚VCOMP（1）上的输出，连接频率补偿元件。反馈环路的作用是执行PFC输出DC电压调节和过电压及电压过低保护。IC引脚FBP的内部参考电压VFBPREF=2.2V。如果引脚FBP上的电压VFBP＞VOVN=1.05×2.2V=2.31V，IC则提供过电压（OV）保护，在引脚GATEP上的输出阻断。如果电压不足使VFBP＜VIN(L)=0.23×2.2V=0.506V，PFC电路则被禁止。如果VFBP＜VSD(L)=0.64×2.2V=1.408V，LLC级将关闭。PLC810PG的ISP引脚是PFC电流传感输入，用作PFC算法控制并提供过电流（OC）保护。PFC在ISP引脚上的过电流保护（OCP）解扣电平是-480mV。

设计的电路中52V的输出由R67、R66采样，经稳压器U3，光电耦合器U2及R54、D16、R53等反馈到U1的FBL引脚，来执行输出电压调节和过电压保护。流入引脚FBL的电流越大，LLC级开关频率也就越高。最高开关频率由U1引脚FMAX与VREF之间的电阻R52设定。R49、R51、R53设置下限频率。C27是LLC级软启动电容，软启动时间由C27和R49，R51共同设定。

R59是T1初级电流感测电阻。R59上的电流感测信号经R47、C35滤波输入到U1的ISL引脚，以提供过电流保护。

偏置电压VCC经R37、R38分别加至U1的VCC和VCCL引脚，将U1模拟电源和数字电源分开。R55和铁氧体磁珠L7，在PFC与LLC地之间提供隔离。U1内半桥高端驱动器由自举二极管D8、电容C23和电阻R42供电。Q10和Q11散热器经C78连接到初级地（B-）。

4.PFC功率因数校正电路

L4、PFC开关（MOSFET）Q3、升压二极管D2和输出电容C9等组成PFC升压变换器主电路。在140～265VAC输入电压范围内，输出电压稳定在385VDC（B+与B-之间），并在BR1输入端产生正弦AC电流，使系统呈现纯电阻性负载，线路功率因数（PF）几乎等于1。晶体管Q4、Q5等组成Q3的缓冲级。R6和R8是PFC级电流传感电阻，二极管D3、D4在浪涌期间箝位R6和R8上的电压（即两个二极管上的正向压降）。

4.1 PFC升压电感器的设计

PFC升压电感器L4使用PQ32/20磁心和12引脚骨架，L4主绕组使用#20AWG（美国线规，约＜0.8mm）绝缘磁导线，从引脚1开始到引脚6终止，绕35匝，电感量是580μH(±10%)。在主绕组外面绕一层作绝缘用的聚酯膜。偏置绕组使用#28AWG(＜0.3mm)绝缘导线从引脚8开始绕2匝，到引脚7结束。在该绕组线圈外面绕3层聚酯膜。在磁心上包裹一层铜箔，并用＜0.5mm铜线将铜箔与9引脚焊接起来，作为屏蔽层。在铜箔外面再绕3层聚酯膜。

4.2 基于PLC810PG的PFC控制电路的设计

U1引脚GATEP上的PWM信号驱动PFC开关Q3。R6和R8上的电流传感信号经R45，C73滤波输入到U1引脚ISP，来执行PFC算法控制，并提供过电流保护。PFC输出电压VB+经R39～41、R43、R46和R50取样，并经C25滤除噪声，输入到U1引脚FBP，来执行PFC输出电压调节和过电压以及电压过低保护。U1引脚VCOMP外部R48，C26，C28为频率补偿元件。当引脚VCOMP上的信号较大时，Q20导通，将C26旁路，可使PFC控制环路能够快速响应。

5.实验研究

在本文以上分析设计的基础上，试制了一台100W/100kHz（2A/52V）大功率LED驱动电源的样机。实验电路参数如下：单相输入电压Uin=220V（50Hz），输出功率Po=100W，工作频率fr=100kHz，负载为欧司朗公司1W高亮LED，共分4路，每路25只LED。

图4所示为中点电压Vds2与副边二极管Dr2的电流波形，由图可知如图4（a），很明显在二极管关断前其电流已经到零，则二极管工作在ZCS状态，此时工作频率为90kHz；图4（b）为在二极管关断时，二极管电流恰好为零，此时系统工作在fr的工作频率上，fr为100kHz；图4（c）为在二极管关断前，二极管电流并不为零，此时副边的二极管失去了其ZCS特性，系统工作频率为125kHz。

图5所示为半桥开关管Q1的电压、电流波形，由图可知开关管工作在ZVS状态。

图6为100W样机测试波形，当其由45%～100%负载变化时，其PF大于0.96；THD在10%以内，满足IEEE519以及IEC61000－3－2标准；效率在87.2%～91.1%间变化，当系统满载时，其效率高达91.1%，母线电压由490V变为375V，满载时，母线电压为375V，纹波电压为5V，纹波频率为100Hz，由于输入为交流220V，则其交流输入电压峰值为311V，母线电压只略高于输入，不会达到二倍峰值输入，系统输出电压为52V，满载时纹波为1V。

结束语

本文结合当前大功率LED驱动电源的发展现状，提出一种适用于LED路灯的驱动电源。由于LLC的应用使系统能够工作在软开关状态下，提高了系统的工作效率。经测试，系统在满载时功率因数达0.992，THD为6.5%，效率高达91.1%。最后试制了样机，验证了设计方案的可行性和正确性。

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基金项目：江阴职业技术学院2011年度科研基金资助项目（11-E-DZ-07）；2011年江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目“LED照明驱动电源的设计”。

作者简介：石宏伟（1978—），女，江苏江阴人，江阴职业技术学院电子信息工程系讲师，研究方向：电子技术应用和高频开关电源的设计与应用。

作者：石宏伟 朱征宇 佘杰

第3篇：宽带射频功率放大器设计

【摘 要】本文所设计的宽频带大功率放大器在实验室环境下完成了组装和测试，并长时间与发射线圈进行了联试。试验及实用表明，该放大器运行正常，工作可靠，能够完成宽频带射频脉冲的大功率放大，满足了设计要求，对在该频段下工作的某探测设备起了很大作用，效果良好。

【关键词】宽带;射频功率;放大器设计

前言：

本文的大功率寬频带线性射频放大器是利用MOS场效应管(MOSFET)来设计的，采取AB类推挽式功率放大方式，其工作频段为0.6M～10MHz，输出的脉冲功率为1200W。经调试使用，放大器工作稳定，性能可靠。调试、试验和实用时使用的测试仪器有示波器、频谱分析仪、功率计、大功率同轴衰减器、网络分析仪和射频信号发生器。

一.双向射频功率放大器概述

双向射频功率放大器主要由发射电路、接收电路和收发切换电路组成，其中收发切换电路包括定向耦合器、功率检测、电平转换和2路单刀双掷开关。射频前端输入的信号经定向耦合器送往发射电路，经过小信号放大器、驱动放大器和末级功放电路，最终通过天线转换成电磁波信号发射出去。接收电路的功能主要是将天线接收到的微弱电磁波信号转换成电信号，并经过低噪声系数放大器，放大输出后经定向耦合器到射频前端进行数字解调。收发切换电路主要将射频前端发射时的耦合功率经过功率检测电路之后输出线性直流电压，然后通过电平转换电路转成控制电平1和控制电平2，分别控制2路单刀双掷开关通与断，以实现收发切换。

二.脉冲功率放大器设计

2.1电路设计

设计的宽频带大功率脉冲放大器模块要求工作频段大于4个倍频程，而且输出功率大，对谐波和杂波有较高的抑制能力;另外由于谐波是在工作频带内，因此要求放大器模块具有很高的线性度。针对设计要求，设计中射频功率放大器放大链采用三级场效应管，全部选用MOSFET。每级放大均采用AB类功率放大模式，且均选用推挽式，以保证功率放大器模块可以宽带工作。考虑到供电电源通常使用正电压比较方便，因此选用增强型MOS场效应管。另外为了展宽频带和输出大功率，采用传输线宽带匹配技术和反馈电路，以达到设计要求。由于本射频功率放大器输出要求为大功率脉冲式发射，因此要求第一、二级使用的MOSFET应具备快速开关切换，以保证脉冲调制信号的下降沿和上升沿完好，减少杂波和谐波的干扰。设计中第一、二级功率放大选用MOSFET为IRF510和IRF530。最后一级功放要求输出脉冲功率达到1200W，为避免使用功率合成技术，选用MOSFETMRF157作为最后的功率输出级。所设计的射频脉冲功率放大器电路原理图如图1所示。发射通道的建立都是在信号源产生射频信号后经过几级的中间级放大才把信号输入到功率放大级，最后通过天线把射频信号发射出去。图1中，输入信号为20～21dBm，50Ω输入;工作电压为15V和48V，其中15V为第一、二级功放提供工作电压，48V为最后一级功放提供工作电压;6V稳压输出可以使用15V或48V进行稳压变换，电路整体设计采用AB类功率放大，设计的驻波比为1.9。经过中间级放大后的信号，首先通过T1(4：1)阻抗变换后进入功率放大器。在信号的上半周期Q1导通，信号的下半周期Q2导通;然后轮流通过T2(16：1)阻抗变换进入第二级放大，同样信号的上半周期Q3导通，下半周期Q4导通，完成整个信号全周期的能量放大;进入最后一级放大时使用T3(4：1)阻抗变换，以继续增加工作电流驱动大功率MOSFETMRF157。为保证50Ω输出，输出端的阻抗变换为T4(1：9)。电路中使用负反馈电路的目的是在整个带宽频率响应内产生一个相对平稳的功率增益，保持增益的线性度，同时引进负反馈电路，有利于改善输入回损和低频端信号功率放大的稳定性。另外每一级电路设计中，都使用了滑动变阻器来设置每个管子的偏置电压，这样做大大降低了交越失真的发生，尽可能使放大信号在上、下半周期的波形不失真。

2.2电路板(PCB)和传输线变压器设计

为保证整个频带内信号放大的一致性，降低杂波和谐波的影响，宽频带高功率射频放大器采用了AB类功率放大，以保证电路的对称性。在设计PCB时，尽量保证铜膜走线的形式对称，长度相同。为便于PCB板介电常数的选取，整个PCB板为铅锡光板。在信号输入和输出端使用了Smith圆图软件计算和仿真铜膜走线的形状、尺寸，以确保阻抗特性良好匹配。

设计中的关键技术之一就是传输线变压器的设计和制作。利用传输线阻抗变换器可以完成信号源与功率MOSFET管输入端或输出端之间的阻抗匹配，可以最大限度地利用管子本身的带宽潜能。传输线变压器在设计使用上有两点必须注意：一是源阻抗、负载阻抗和传输线阻抗的匹配关系;二是输入端和输出端必须满足规定的连接及接地方式。由于设计中采用了AB类功率放大方式，因此初级线圈的输入与次级线圈的输出要尽可能保证对称。设计中一共使用了T1、T2、T3、T44个传输线变压器。在前两级功率放大时，T1和T2的次级线圈都是一圈，T3的次级线圈是二圈，这是因为磁材料的饱和经常发生在低频端，增加T3的初、次级线圈数，有利于改善低频端性能。T1、T2、T3使用同轴线SFF-1.5-1的芯线作为初级线圈传输线，次级线圈采用铜箔材料设计，使用厚度为0.8mm的铜箔。T4为进口外购的高功率传输线变压器(型号：RF2067-3R)。设计的T1如图2所示。

图2中深色区域代表覆铜区域。铜箔管首先穿过磁环后再穿过两端的铜膜板并焊接在一起，完成次级线圈。T2的设计基本与T1相似，只是使用同轴线SFF-1.5-1的芯线缠绕的初级线圈圈数不同而已。

2.3散热设计

凡是射频功率放大，其输出功率很大，管子的功耗也大，发热量非常高，因此必须对管子散热。根据每一级管子的功耗PD以及管子的热特性指标，这些热指标包括器件管芯传到器件外壳的热阻，器件允许的结温为TJ、工作环境温度为TA等，可以计算出需要使用的散热材料的尺寸大小和种类。本设计中，器件的工作环境温度为55℃，使用的铝质散热片尺寸为290mm×110mm×35mm，而且需要使用直流风机对最后一级MOSFET进行散热处理。

三.脉冲功率放大器的组装和调试

设计中使用的放大管全是MOSFET，由于其抗静电性能非常差，稍不留神就会因为焊接设备上的静电把管子烧坏，尤其是最后一级的大功率MOSFET(MRF157)，因此管子安装时要特别小心。设计电路前，可以使用Multisim软件或Pspice软件中的器件模型来熟悉IRF510和IRF530的使用。电路开始调试时，可以先不对最后一级的MOSFETMRF157进行偏置电压设置。先通过测试前两级的放大效果来设定MRF157的静态工作点，测试得到的前两级信号放大结果为100VVp-p(高阻输入)左右。调试时每个管子的工作点电压不要太高，略高于开启电压VGS(TH)即可。在电源端一定要监视工作电流，防止电流过大。通过微调每个管子栅极端的变压器调整静态工作点，以求尽量减少波形失真。此时可以使用示波器监控波形输出。根据对前两级电路调试的实际结果来看，第一级主要对放大后的幅度有影响，而第二级则影响了放大后的波形。调试最后一级功率放大时，由于MRF157太过昂贵，一定要非常谨慎。每次调试时，尽可能先设置好每个管子的静态工作电压，不要动态改变静态工作点。终端接入50Ω大功率同轴衰减器后输入到频谱分析仪中。通过频谱分析仪的频域波形可以得到输出功率，以及谐波分量。

结束语：

随着现代无线通讯技术的发展，宽频带大功率技术、宽频带跳频、扩频技术对固态线性功率放大器设计提出了更高的要求，即射频功率放大器频率宽带化、输出功率更大化、整体设备模块化。

参考文献：

[1]黄勇，张福洪，李钱赞.基于ADS的功率放大器设计与仿真[J].现代电子技术，2011(15).

[2]徐琪.E-PHEMT射频功率放大器的设计与仿真[J].计算机仿真，2011(6).

作者：孙伟 唐进

第4篇：电功率教案-电功率教案 电功率教学

设计

电功率

整体设计

《电功率》一章是初中电学的重要内容，是初中电学知识学习的核心。而本节内容是本章的重点，学好本节内容是掌握好本章知识的关键。本节内容较多，包括：建立电功率的概念;根据P=Wt公式进行有关计算;额定功率和实际功率;电功率的测量和利用公式P=UI的计算。

本节教学可分为4部分：

1.电功率。在学生的潜意识中，常认为用电器的瓦数越大越费电，即将

消耗电能的快慢与消耗电能的多少相混淆。教学中可通过将不同瓦数的灯泡分别接入电路中进行实验现象的观察，引导 学生对实验现象进行细致的分析，使学生正确理解电功率的概念。在此基础上可通过问题引出电功率的计算，引导学生认识电功率的单位。

教材通过小资料介绍了常用“家用电器的电功率”，这些数值对很多学生来说非常陌生，应使学生通过阅读对用电器的电功率分类了解，尤其要知道哪些用电器属于大功率用电器。

2.“千瓦时”的来历。对于此知识点，教材通过公式W=Pt直接介绍“千瓦时”的来历，简单易懂。教学中可让学生推导千瓦时与焦耳的换算关系，加深对这两个单位的理解。还要让学生知道通常在哪些情况下使用公式W=Pt，并增加适量练习，以提高学生正确使用该公式求解某些问题的能力。

3.“额定功率”和“实际功率”。看似很简单的知识点，但学生接受起来却

有一定的困难，是初中电学中的难点之一。突破方法：充分利用好演示实验。实验一：分别观察同一灯泡在额定电压、略高于 额定电压和略低于额定电压这三种情况下的发光情况，三次所观察到的亮度是用电器在各实际功率下所显示出的亮度，由此得出额定电压、实际电压、额定功率和实际功率的概念;实验二：探究额定电压相同而额定功率不同的两个灯泡(“220 V 40 W”和“220 V 15 W”)并联和串联接入电压是220 V的电路中的发光情况，引导学生分析讨论两盏灯发光时的实际电压、实际功率与额定电压、额定功率的关系。最终使学生明确：用电器只有在额定电压下才能正常工作，只有用电器正常工作时实际功率才等于额定功率。灯泡的实际功率影响灯泡的亮度。

4.电功率的测量。由前面的实验学生很自然地能想到灯泡的实际电压影响了灯泡实际功率的大小，电压越大，实际功率越大。根据欧姆定律，我们还

可以知道当电阻不变时，通过灯丝的电流大小与灯泡两端的电压大小成正比，它们都直接影响灯泡的实际功率。由此可推知，电功率P与灯泡两端的电压U和灯泡中的电流I有关系，由实验证明它们之间的关系满足：P=UI。

由于下一节学生将运用伏安法直接测量小灯泡在不同电压下工作时的实际功率，所以有必要在本节教学中对伏安法测电功率进行深入讨论，为下一节实验探究留出更充裕的时间。

教学重点：

掌握电功率的概念，理解额定电压与额定功率，理解电功率和电流、电压之间的关系。

教学难点：

理解电功率和电流、电压之间的关系，能综合运用学过的知识解决简单的电功率问题。

课时安排：1课时

三维目标

一、知识与 技能

1.知道电功率的定义、定义式、单位;

2.理解额定电压与额定功率;

3.会用电功率的公式P=UI进行简单计算;

4.能综合运用学过的知识解决简单的电功率问题。

二、过程与方法

1.观察体验电能表铝盘转动的快慢跟用电器电功率的关系;

2.观察体验用电器的额定功率与实际功 率的关系。

三、情感态度与价值观

感受科学就在我们生活中。

课前准备

简易家庭电路示教板：接有电能表，一个保险盒，一个开关，一个15 W电灯泡和一个100 W的电灯泡(包括灯座)，一个插座;学生用稳压电源、直流电流表、电压表、导线若干、开关、额定电压为 V的小灯泡一个、节能型电灯一只(功率16 W)、教学课件等。

教学设计

方案1：实验导入

引导：学过了电能和电能表后，谁观察过电能表的转动情况?不同时刻、不同家庭的电能表转动得一样快吗?

演示实验：在电能表后分别接不同的灯泡，一只灯泡上标有“220 V 15 W”，另一只灯泡上标着“220 V 100 W”，接通电源，发现后者比较亮的灯泡电能表的转盘转动得快，而前者比较暗的转动得慢。

同是灯泡，为什么有的消耗电能快，有的消耗电能慢呢?为了描述用电器消耗电能时的这种差别，我们引入一个新的物理量——电功率。

第5篇：功率教学设计

第二节

功率

●教学目标： 1.知识与技能

(1)知道功率的概念。

(2)结合实例理解功率的概念。了解功率在实际中的应用。 2.过程与方法

通过观察和联系生活实际了解功率的物理意义。 3.情感、态度与价值观

具有对科学的求知欲，乐于探索自然现象和日常生活中的物理学道理，有将科学技术应用于日常生活、社会实践的意识。 ●教学重点：理解做功率的物理意义;能用公式P=W/t解答相关的问题。

●教学难点：理解功率实际上是表示做功快慢的物理量。 ●教学过程：

一、复习：

1、什么是功?功的两个必要因素是什么?

2、功的计算公式是什么?功的单位?

二、引入：在建筑工地,利用机械或人工将同一大堆砖从地上搬到五楼，你会选用什么方法?请说说你的看法.

思考：甲乙两同学分别将12块砖搬到二楼 ,是否做功?做多少功?谁做功快?

带领学生归纳比较做功快慢的两种方法： a.做同样的功，比较做功时间的长短;

1 b.在相同的时间内比较做功的多少。

如果做的功不同,时间也不相同,又怎样来比较做功的快慢呢? 和学生一起回忆速度的定义并引入功率的概念。

三、新课教学：

(一)、功率：单位时间内做做的功叫做功率，它是用来表示物体做功快慢的物理量。 功率公式：pwt P-功率-瓦特(W);W-功-焦耳(J);t-时间-秒(s)。

1W=1J/s，1KW=1000W。

(二)、举例说明功率的物理意义： 1.运动员的功率70W表示什么意思? 功率70W表示运动员在1s内做了70J的功.

2.功率70W和450W功率哪个大?做功哪个快?为什么? (450W=450J/s，70W=70J/s) 450W比70W功率大，做功快. 3.一些物体的功率。

四、例题讲解

例1.建筑工地上，水泥板质量为0.7t，起重机在15s内把它提升到4m的高度，起重机提升重物的功率是多少?(g=10N/kg) 例2. 一架起重机在5分钟内把60000牛的中午匀速举高25米，它的功率是多少瓦?

五、设计实验测功率

小丽和爷爷想比一比谁上楼的功率大。需要测量哪些物理量?需

2 要用到哪些测量工具?试些出功率的表达式。

六、小结：

1、功率是表示做功快慢的物理量

2、功率的概念

3、功率的公式

4、功率的单位

七、课堂练习：

1、下列说法正确的是：( ) A、做功越多，则功率越大 B、做功的时间越短，则功率越大 C、功率越大，表示做功越快 D、功率小，做功一定少

2、某同学爬楼的功率是150W，表示该同学( ) A、每秒做功150W B、能做150J的功 C、1s的功率为150W D、1s内能做150J的功

3、起重机将104N的重物匀速提高了8m，用了40s，求：(1)起重机做的功。 (2)起重机的功率。

八、作业

第6篇：功率教学设计

《研究功率》教学设计

【教材依据】

普通高中课程标准实验教科书《物理》 沪教版 共同必修2 第三章 研究功与功率(第2课时) 3.2研究功率。

一、设计思路

本节内容是本章机械能中相当重要的一个内容，在本章前面主要介绍功和能的概念以及功和能的关系，进入功率这节，体现了功和能之间转换的效问题，并更多是对实际问题与现象的分析和探究，从而加深对功率概念的理解。

功率是衡量机械能的一个重要指标，本节围绕如何描述物体做功的快慢，怎样计算功率展开，首先从不同的物体做功快慢不同，引入功率的概念，然后从功率的定义出发，得到功率的定义式。其次，根据力对物体做功的公式和运动学公式导出功率与速度的关系，最后，利用功率公式会对相关物理现象进行解释，会进行简单的计算。教学过程中利用老师讲授法，类比法，学生分组讨论法等。

二、教学目标 (

一、)知识与技能

1.知道功率的物理意义、定义式、单位;

2.理解功率的导出式P=F·v的物理意义，并掌握其用法; 3.理解平均功率和瞬时功率. (

二、)过程与方法

1.学会求解各种不同的功率;

2.运用功率的不同表达公式分析和解决动力机械的运动问题. (

三、)情感态度与价值观

1.使学生养成具体问题具体分析和严密思维的习惯; 2.提高学生理论联系实际、解决实际问题的能力.

三、教学重点与难点

1、重点：理解功率的概念，并灵活应用功率的计算公式计算平均功率和瞬时功率。

2、难点：理解功率与力、速度的关系，瞬时功率和平均功率的计算。

四、教学准备

1、教学用具

多媒体课件

2、教学方法

类比法，讲授法，讨论法，练习等

3、课时安排 1课时

五、教学过程 【导入新课】

复习提问：(课件展示)

1、功的概念及要素?

2、功的公式?

3、功是标量，但有正负，正负功的条件及意义? 举例让学生熟悉功率的计算：(为下文讨论做准备) 例题：

小明体重为60 kg,他家住三楼(每层楼高h=3 m),求小明从一楼上到三楼(2h)所做的功?(g=10m/s2) 思考：

假如你是司机，汽车上坡应该采取什么措施?(激发学生学习的兴趣，为后文埋下伏笔)

讨论：(引入新课)

小明和妈妈的体重一样重,爸爸的体重较重。小明上楼比妈妈和爸爸上楼快，妈妈和爸爸上楼一样快，。他们都从一楼上到三楼，试比较：

1、谁做功多?

2、小明和妈妈做功有区别吗?

3、小明和爸爸做功谁快? 举例：

小明做功3600J，用时60秒 爸爸做功4500J，用时90秒 引入：通过上述例子，我们知道力对物体做功有快慢之分，今天我们就来学习表示物体做功快慢的物理量，板书课题[功率]。 【新课教学过程】 (

一、)功率

1、功率是表示物体做功快慢的物理量;

2、类比得到功率的公式。

(1)、在前边的运动学中，我们已学过一个表示运动快慢的物理量，请问它是哪个物理量?

学生回答：是速度。

(2)、同学们回忆一下，我们是如何求解速度的?

答：我们是用物体通过的位移和发生这段位移所用时间的比值来求解速度的。

(3)、类比：既然功率是表示物体做功快慢的物理量，所以我们可以用功跟完成这些功所用时间的比值来求解功率。用比值定义一个物理量是很常用的方法。

(4)、得到功率的求解公式并板书：P=W/t。 (5)、概括功率的单位： 国际单位：瓦特，常用单位有千瓦 (6)功率是标量

(

二、)额定功率和实际功率(课件展示机器铭牌图片)

额定功率：是指机器正常工作时的最大输出功率，也就是机器铭牌上的标称值。

实际功率：是指机器在工作中实际输出的功率。

注意：机器不一定在额定功率下工作，机器正常工作时实际功率总是小于或等于额定功率. (

三、)功率的另一种表达式

力F所做的功：W=Fs 力F的功率：

FsWPPttPFvs而WFsvt 由此得到功率的另一种求解公式P=Fv 即力F的功率等于力F和物体运动速度v的乘积。 (

四、)平均功率和瞬时功率

由于v=s/t求出的是物体在时间t内的平均速度。则P=Fv求出的是F在时间t内的平均功率。如果t取得足够小，则v就可以为某一时刻的瞬时速度。据P=Fv求出的就是F在该时刻的瞬时功率。

板书：平均功率P=Fv(v是平均速度)

瞬时功率P=Fv(v是瞬时速度)

讨论：由P=W/t求出的是瞬时功率还是瞬时功率?

综合学生讨论得到：由于据P=W/t求出的功率反映的是做功的平均快慢程度，所以，据P=W/t求出的是平均功率。

在P=W/t的旁边板书[求的是平均功率] 公式P=Fv的应用： 对于公式P=Fv a、当P一定时，F和v有什么关系? b、当F一定时，P和v有什么关系? c、当v一定时，F和P有什么关系? 学生回答：

当P一定时，F和v成反比。 当F一定时，P和v成正比。 当v一定时，F和P成正比。 用投影片出示思考题：

假如你是司机，汽车上坡应该采取什么措施?(前后呼应) (

五、)关于功率概念及计算的巩固训练

1、关于功率，下列说法中正确的是( ) A、功率是说明做功多少的物理量 B、功率是说明力做功快慢的物理量 C、做功时间越长，功率一定小 D、力做功越多，功率一定大

2、质量m=3kg的物体，在水平力F=6N的作用下，在光滑的水平面上从静止开始运动，运动时间t=3s，求：

a、力F在t=3s内对物体所做的功;

b、力F在t=3s内对物体所做功的平均功率; c、在3s末力F对物体做功的瞬时功率。 学生讨论并写出求解过程。

用实物投影仪对求解过程进行评析，并展示正确解题过程。

解：物体在水平力F的作用下，在光滑水平面上做初速度为零的匀加速直线运动，根据牛顿第二定律可求出加速度a=F/m=2m/s2 则物体在3s末的速度v=at=6m/s;

1sat29m2物体在3s内的位移 a、力F做的功W=Fs=54J b、力F在3s内的平均功率Fv18W或P

PW18Wt

c、3s末力F的瞬时功率P=Fv=36W (

六、)小结

通过本节课的学习，我们知道了以下几个问题：

1、功率是表示物体做功快慢的物理量;

2、功率的单位有W、kW，1kW=1000W;

3、功率的求解公式有：P=W/t、P=Fv其中P=W/t和P=Fv可用来求解平均功率，而P=Fv也可用来求解瞬时功率;

4、要会用公式进行相关功率的计算。 (

七、)作业：课本P52页

4、5题。 (

八、)板书设计： 3.2 研究功率

1、表示做功快慢的物理量

2、功跟完成这些功所用时间的比值，叫功率。

3、公式：

WP求平均功率tv是平均速度,P是平均功率PFvv是瞬时速度,P是瞬时功率

六、教学反思

功率的概念来源于生产和生活，功率的知识是机械功概念的进一步延伸，在生产和生活实际中应用的例子很多很广，而且功率与力、功率与速度的关系又是联系实际生活和科学实践的纽带，教学中可充分利用这一优势，使抽象的物理概念变得富有实际意义。发展学生应用知识解决实际问题能力，树立正确的价值观。

功率知识学生在初中虽有涉及，可惜设计教学内容过于深奥，学生理解较难。《功率》教学通过复习用比值方法，比较运动快慢——速度概念建立的过程，逐步帮助学生建立起比较做功快慢——功率的概念;同时，教学所举例子——人爬楼梯时所做功的功率，缘于学生有切身体会的日常生活，并引导学生进行交流和讨论。整节课遵循课标导向，完成物理走向社会的课程目标。

不足之处在于有些学生在进行练习时不会应用运动学公式求位移而没有参与第二题的的计算，师生互动少。

第7篇：《功 功率》教学设计

教科版八年级物理第十一章第三节

《功 功率》教学设计

(第一课时)

平泉市杨树岭中学 吴庆林

【教材分析】

《功 功率》是教科版初中物理八年级第十一章第3节。这是一节典型的概念型新授课，包括两个重要的概念：功和功率。功是在学习了力的基础知识之后描述力的另一种效果的物理量，本节综合地应用力与运动关系等知识来展开介绍的，它既符合了由易到难、由简到繁的认知规律，又保持了知识的结构性和系统性。可以说是前面所学的知识的延伸，又为学习功率、机械效率、机械能等知识的基础，起到承上启下的作用。而功的概念比较复杂、抽象，因此这一节是本章的重点和关键，并且功和功率的知识对人们的日常生活，生产技术和科学研究有着较大的现实意义。 【学情分析】

八年级学生大多十四五岁左右，抽象思维还不成熟，在学习过程仍需一些感性认识作为依托，因此在教学中借助演示实验和实例分析，加强直观性和形象性，以便学生理解和掌握。在物理学中功与能量紧密结合，功是过程量，能量是状态量，功是能量转化的量度。在没有学习能的转化的知识的情况下，功的定义是很难下的。但学生已有一定的力学基础知识，可以引导学生充分利用已有认知水平来构建“功”的概念。 【教学目标】：

1.知识与技能：

(1) 明确做功的两个必要因素，能根据做功的两个必要因素初步判断物体是否做功;

(2)初步理解功的计算公式，知道功的单位是焦耳，并会进行有关计算。

2.过程与方法：

经过举例，理解功及功的必要因素，培养从生活现象中分析物理本质的方法。

3.情感、态度与价值观：

调动学生参与课堂的积极性，培养学生观察、分析和科学探究能力;培养学生团结协作，善于观察和探索的习惯;树立爱国情感和民族自豪感。 【教学重点】

功的含义及计算，利用W=FS进行简单的计算作为本节的重点。 【教学难点】

功的概念非常抽象，判断一个力有没有做功作为本节的难点。 【教学方法】

根据本节课特点，发挥教师的主导作用，使用身边常见的实物引导学生观察和分析，拉近教学内容与生活的距离，采取多媒体等教学手段，让学生深切地感受到科学的真实性，感受到科学和社会、科学和日常生活的关系。 【教学过程】

教学中以掌握知识为中心，培养能力为方向，紧抓重点突破难点，不丢弃情感和价值观的教育，具体设计如下 ：

1.新课引入

通过多媒体展示搬石头和推石头，启发学生思考

师：它们有哪些共同特点?

生：都有力作用在物体上，但是物体都没有移动。 多媒体展示小车在水平面上受力的情景 师：小车在力的作用的情景

生：小车在里的作用下移动了距离。有力作用在小车上，小车在力的作用下沿力的方向移动了距离。

多媒体展示叉车提升货物 师：叉车在力的作用下的情况

生：叉车上的货物在力的作用下提升起来，货物受到力的作用，在力的作用下竖直向上移动了距离。

2.新课讲授 第一部分 做功

通过上述例子，结合教材P82图11-3-2两种拉箱子的情况，总结功的概念，分析做功的两个必要因素，分析几种不做功的情况。

(1)功的概念

如果物体受力且沿受力方向移动一定的距离，就说力对物体做了功。

(2)做功的两个必要因素 a. 作用在物体上的力

b. 物体在力的方向上移动的距离

(二者缺一不可，只有同时满足力才做功) 多媒体展示三个场景

①当你抱着一摞书不动时，你对书做功了吗?为什么? ②用脚踢出足球，球在地面上滚动，滚动过程中，人对球做功了吗?

③提箱子在水平路面上匀速前进，提箱子的力做功吗

S S

师：描述三个场景中的情况是否满足做功的两个必要因素 生：①书受到力的作用，但是没有距离

②足球在地面上滚动，是由于惯性，人没有施加力的作用 ③箱子在水平路面移动了距离，提箱子的力是竖直向上的 (3)不做功的三种典型情况

①有力，但是在力的方向上通过的距离为零。 ②有距离，但是在距离方向上没有力。 ③有力，也有距离，但是力和距离垂直。 训练巩固(学案)

分析下列情况中，人有没有对所带的皮箱做功：

(1)人用力提放在地上的皮箱，但没有提起 (2)人再一次用力把箱子提起 (3)人用力提着皮箱在原地不动

(4)人把箱子放在电梯上，一起随电梯上升 (5)人提着箱子在水平路面上匀速前进了50m (6)人提着箱子上楼 第二部分 功的计算

由功的概念入手，知道功等于力与物体在力的方向上移动的距离的乘积，得出功的计算公式：功=力×力的方向上移动的距离

即：W = Fs

W：功

F：力

S：力的方向上移动的距离

1 N的力使物体在力的方向上，通过1 m的距离时所做的功为1 J。

功的计算是基础计算，要注意各物理量的单位，如果单位不统一要进行换算，公示变形也是常用的方法，要灵活运用，能够灵活应用到学习中。

3.课堂训练

为更好地检查学生的掌握情况，有哪些漏洞，设计了学案，其中两个计算题要求学生进行板演，旨在检查本节课的学习情况和计算中存在的问题。

题1. 用50N的水平拉力拉重为100N的箱子，使该箱子在水平方向上前进了20m，拉力和重力各做了多少功?如果把这个箱子匀速举高1.5 m，他做了多少功?

题2.质量为50kg的雪橇上装载了350 kg的货物，一匹马拉着它将货物匀速运到了3000m外的货场。如果雪橇行进中受到的摩擦力是800N，求马运货时做的功。(g=10N/kg)

4.课堂总结

孩子们对本节课的只是回顾，PPT展示

第8篇：功率 教学设计 孙莹

第七章 第三节 《功率》 教学设计

白山一中 高一物理组 孙莹

一、教学内容分析

1.内容与地位

《普通高中物理课程标准》共同必修模块“物理2”中涉及本节的内容标准是“理解功率，关心生产和生活中常见机械功率的大小及其意义”。功率是反映力做功快慢的物理量。功率的概念广泛应用于人们的日常生活和科技之中。学生在初中已经学过功率的概念，引入这一概念并不困难。教科书在本节中首先通过两台起重机做功相同，时间不同，引出功率的概念及定义式，并通过对动力机械的分析，讨论了额定功率和实际功率，最后，根据对物体做功的公式和运动学公式导出功率与速度的关系。

理解功率的概念及起比值定义的方法，理解公式P=W/t和P=Fv的物理意义，并能用公式进行有关功率问题的分析计算是本节的重点。对于“平均功率“和”“瞬时功率”的概念，教科书通过“说一说”和“做一做”栏目，作为扩展性的选学内容，便于教师根据学生的实际情况，灵活掌握教学内容的深广度，因材施教。

2. 教学目标

(1)理解功率的概念，能运用功率的定义式P=W/t进行有关的计算。 (2)理解额定功率和实际功率的概念 (3)了解平均功率和瞬时功率的含义。

(4)根据功率的定义式推导P=Fv，并能用于分析，计算和解释现象。 (5)能分析汽车发动机功率一定时，牵引力与速度之间的关系。 (6)通过对各种机械的功率的探究和有关功率的测量，认识功率概念在生活中的应用。

二、案例设计

(一)新课引入

幻灯片两幅图片，提问如何来比较做功的快慢?

功是能量转化的量度，人们十分关注做功的多少。然而不同的机械或人，其做功的快慢是不同的。分析三台起重机做功的快慢，第一台和第二台做功时间相同，但提升高度不同，第二台和第三台起重机做功提升高度相同，但时间不同。

预测学生可能有以下回答： ① 选择相同时间，比较做功多少，做功多的，做功就快;

②选择做相同的功，比较做功的时间长短，时间长的，做功就慢。

③类比“速度”的定义方法，用做功和完成这些功所花的时间的比值来定义“功率”。

教学中注意引导学生类比如“速度”、“加速度”概念的定义方法，体会比值法定义功率概念。从而引入功率的概念及定义式。

(二)新课教学

一.功率

(1)定义：物理学上用物体所做的功W与完成这些功所用时间t的比值，作为在该时间内物体平均做功快慢的量度。

定义式： P=W/ t

(2)单位：请一位同学正确地说出公式中各个字母所表示的物理量及其单位。(3)物理意义：表示物体做功快慢的物理量.。



P：功率，单位：瓦(W)，常用单位还有千瓦(kW)

W：力所做的功，单位：焦耳(J) t：做功所用时间，单位：秒(s) 单位换算：1kW = 1000 W1W=1J/s

(4)功率是标量，功率表示做功过程中能量转化的快慢。

二.额定功率与实际功率

额定功率这一概念日常生活中经常用到，如很多机械名牌上都标有额定功率的值，这是指机器正常工作时的最大输出功率。但是机器在实际工作中不一定是在额定功率下工作，实际功率一般总小于或等于额定功率。如果机器长时间在大额定功率下工作，机器会被损坏。

配两道习题练习，学生以抢答加分的方式回答。 1.关于功率，下列说法中正确的是[

] A、功率是说明做功多少的物理量

B、功率是说明力做功快慢的物理量 C、做功时间越长，功率一定小

D、力做功越多，功率一定大 2.某人用同一水平力F 先后两次拉同一物体，第一次使此物体沿光滑水平面前进距离l ，第二次使此物体沿粗糙水平也前进距离l ，若先后两次拉力做的功为W1和W2 ，拉力做功的功率是P1和P2 ，则 [

] A、W1=W2，P1=P2

B、W1=W2，P1>P2 C、W1>W2，P1>P2

D、W1>W2，P1=P2

三、平均功率与瞬时功率

即使是同一个力做功，做功的功率可能是有变化的，在一段时间内力对物体做功的功率，实际上就是这段时间内力对物体做功的平均功率。若为瞬时功率，则表示某一时刻做功的快慢。

四、功率与速度 思考与讨论：

一部汽车载重时和空车时，在公路上以相同的速度行驶，试讨论这两种情况下汽车的输出功率是否相同?为什么? 预测学生会回答：

①载重汽车与地摩擦力较大，牵引力也大，由于行驶速度一样，故相同时间 内，载重车的牵引力做功较多，所以载重汽车的输出功率较大。

②载重汽车行驶得比空车慢，因此功率较小。

③载重汽车比空车费力，因此载重车的输出功率较空车时要大些。说明： 上述分析讨论的目的是启发学生思考功率与力和速度有何关系。学生分析可能出现片面和不完整回答，教师参加到学生的讨论分析中，帮助、启发和引导学生形成正确的认识。

推导过程：

功率与速度关系是重点内容，也是常考内容，推导过程引导学生自行推导，教师加以解释，并强调当V为平均速度时，P=FV表示平均功率;当V为瞬时速度时，P=FV为瞬时功率。从而使学生能够清晰准确的应用此公式。

同时引导学生讨论：当P一定时，F和V有什么关系?

当F一定时，P和V有什么关系?

当V一定时，F和P有什么关系? 学生以小组讨论的形式得出结论，并回答。

为检验学生对本节课内容的掌握情况，在课堂上安排学生做一套例题如下：

最后，对本节课进行小结，有学生来谈谈对本节课的收获!

三、案例分析

本教学设计体现了物理知识与生活的紧密联系。

“功率”与生活、生产联系密切，在引入功率、额定功率、实际功率等概念时，都注意通过生活实例引入，使原本枯燥无味的概念教学变得生动和有趣，学生易于认识和理解“功率”概念，并且设置了简单小练习，要求学生以小组讨论的方式研究问题，并积极回答，充分激发学生的学习热情，功率定义式的得出以及功率与速度关系式的推导都引导学生自行解决，充分体现了以学生为主体的思想。在知识形成过程中，注重引导学生学习科学思维方法，体会比值法在定义“功率”概念的作用，提高学生的应用科学思维方法解决问题的能力。

在“功率”的整个教学过程中，始终关注“生活与物理，物理与社会”的关系，培养学生关注物理学的技术应用，形成将物理知识应用于生活和生产实践的意识，较好地体现了在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观上对学生进行教育的课程理念。

第9篇：《电功率》教学设计

山东威海凤林学校 杨龙飞

一、教学设计思想

随着知识经济时代的到来，社会需要的是具有创新和实践能力的人才，这就要求我们不仅仅要“学习物理”，更重要的是要“探究物理”。在“探究”中提出物理问题，在“探究”中经历并体验科学探索的历程，在“探究”中将物理学习跟生活紧密地联系起来，在“探究”中将物理学习最终归于生活。因此在课堂教学中，注重将科学探究的要素淋漓尽致的体现出来，使学生在探究中敢于质疑、勇于辩论，在充分交流中比较、筛选出最佳的实验方案。而当学生遇到困难时，教师的指导作用突显出来，从而使师生互动不再停留在形式上，而具有实质意义。这样一堂鲜活的课上完后，学生收获的不只是知识，还收获了研究问题的方法，从而使学生的科学素养得到培养、提高。

二、教学目标

(一)知识和技能

1.知道电功率表示消耗电能的快慢，知道电功率的单位是W或kW。

2.会用电功率的计算公式P=W / t进行简单的计算。

3.会用电功率的概念解释生活中的一些现象。

(二)过程与方法

1.观察体验电能表表盘转动快慢跟用电器电功率的关系。

2.通过对生活中实际问题的探讨，加深对电功率概念的理解。

(三)情感、态度、价值观

1.激发学生的学习兴趣。

2.培养学生实事求是的科学态度。

三、重点难点

掌握电功率的概念、公式。

运用电功率公式计算实际问题。

四、教学资源

一只PZ220-200的灯泡，一只PZ220-60的灯泡，一个带电能表的示教板，多媒体设备。

五、教学过程

(一)引入新课

提出问题，引导学生提出在生活中对瓦的认识。

1.生活中什么地方经常提到“瓦”?平常所说的“瓦数大”“瓦数小”是什么意思?

2.电器瓦数不一样，表现在消耗电能上有何不同?

学生讨论出各种不同的结果。

(二)电功率

1.提供一只200 W的灯泡、一只60 W的灯泡、一个接好电能表的示教板，引导学生思考怎样利用所给器材进行实验，比较两个瓦数不同的灯泡在消耗电能上有何不同?

2.通过观察电能表的读数可以得到什么结论?

3.引入电功率的概念，用电功率表示消耗电能的快慢。

符号：P

单位：瓦特(瓦)(W)

其他单位：千瓦(kW)

1 kW=10 W

千瓦时的来历

“千瓦时”是电能的单位，它的由来我们能不能从P= W/ t中得出?

看来1千瓦时是功率为1 kW的用电器使用1 h所消耗的电能。

区分“千瓦时”与“千瓦”，一个是电能单位，一个是电功率的单位。

4.组织学生看各种家用电器的功率，参见教材。

学生活动

1.在学生讨论后，选一组学生说出自己的实验思路，并对这组学生的想法进行讨论和补充。

2.学生通过实验观察出“瓦数”不同时，电能表铝盘转速不同，表明了两个灯泡消耗电能的快慢不一样，200 W的消耗电能快，60 W的消耗电能慢。

3使学生得到直观认识：不同用电器消耗电能快慢是不一样的。

播放视频“用电能表测量电功率”。

3.学生理解：物理学中，用“电功率”表示消耗电能的快慢，平常所说的“瓦”是电功率的单位。让学生对各种电器消耗电能的快慢(电功率)有一个大致认识。

(三)电功率的计算

1.电功率表明了电器消耗电能的快慢，那么是哪些因素影响着电器的电功率呢?

2.应该在什么条件下比较不同电器消耗电能的快慢?提醒学生回忆“速度”定义。

3.综上所述，我们在比较任何电器的电功率时，算出什么即可?

4.求一个电器的功率：一个用电器在时间t内消耗的电能为W，那么它的电功率P应表示成什么?写出公式中P、W、t 三个符号的意义及单位：

5.用例题巩固电功率公式的使用。

学生活动

1.学生讨论：

应该包含两个方面的因素：消耗电能的多少;消耗这些电能所用的时间。

2.相同时间的前提下，比较消耗电能的多少。

3.单位时间内消耗的电能。应表示成：

P=W / t

即电功率的公式。

W ──电流做的功(消耗的电能)──焦耳(J)

t ──所用的时间──秒(s)

P──用电器的功率──瓦特(W)

(四)怎样测量电功率

1.由理论分析，电功率P与电流I和电压U之间的关系是：

P=IU

I──电流──安培(A)

U──电压­──伏特(V)

P──功率──瓦特(W)

2.额定功率：

电器在额定电压下工作时的功率叫额定功率。

3.根据P=IU，设计一个测量用电器功率的方法。

学生思考。

可以测量出用电器的电流I，电压U，根据公式P=IU计算

(五)观察实际用电器，分析功率问题

1.结合教材阅读有关信息。

洗衣机额定电压：220 V

允许最大电流： 10 A

洗涤功率：330 W

加热功率：1 950 W

甩干功率：650 W

计算这个洗衣机的最大功率是多少?

2.提出问题：洗衣机的洗涤功率、加热功率、甩干功率共多少?这里有矛盾吗?如果没有矛盾，在没有看到洗衣机实物的情况下，请你判断一下，若要洗衣机工作时不超过总功率，它是怎样设计的?

(六)小结与作业

1.引导学生小结，自我完善。

如：本节课我们探究了电功率，知道了电功率的概念、计算公式、单位;并能利用所学知识进行计算，解决实际问题。

2.布置课后作业。

六、教学流程图

七、教学反思

本堂课在教法上，采取以学生为主体，以问题为中心，以教师为引导，以小组合作为主要方式，让学生进行简单的实验设计，亲身体验探究过程，真正做到让学生“活”和“动”起来，同时在教学中结合了多媒体课件，对学生科学探究过程进行引导，以降低探究难度。

本节课主要特点表现在以下几方面：

电功率的概念是本节内容重点和难点之一，要巧妙地利用前面所学“速度”和“功率”的概念进行类比，使概念的得出水到渠成。探究电功率跟电压和电流关系的实验，是一个完整的探究活动，要让学生在前面实验探究基础上进一步体会探究的各个环节，让学生在科学探究的过程中体会科学思想和科学方法，培养学生的科学探究能力。本课要根据实际情境设计问题让同学解答，在解题中激发兴趣。教学的真正目的是让学生通过知识的探索去获得研究和思维的方法，所以在在设计本教案的时尽量通过学生的自主、合作、探究及师生交流、共同发展的互动过程来教给学生一种研究问题的方法，从而培养学生的能力。

重视获得知识的结果，更要突出知识形成的过程。在教学中，注意弄清物理知识的来龙去脉，而不是只要学生仅仅记住某些结论，进而发掘学生学习物理的潜能，把握物理知识内在的规律，培养学生对物理规律和概念的领悟能力，是提高教学效益的有效途径。重视科学思想和科学方法的教育，从实际生活中的物理现象出发，创设问题情景引入课题，不仅提高学生学习物理的兴趣，又能提高学生解决问题、分析问题的能力。在教学过程中，能灵活运用观察、实验、分析、归纳等科学方法，这样有利于培养学生正确的科学思维方式和科学方法。