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文檔簡介

傳感器應(yīng)用中的“控制電路”與“工作電路”

一、如此電路磁控防盜報(bào)警器會(huì)報(bào)警嗎?[例題1]選自人教社高中物理教材《物理3-2》(2006年12月第2版)P65“問題與練習(xí)”第1題:“圖6.4-4是一個(gè)簡單的磁控防盜報(bào)警裝置。門的上沿嵌入一小塊永久磁體M,門框內(nèi)與M相對(duì)的位置嵌入干簧管H,并且將干簧管接入圖示電路。睡覺前連接好電路,當(dāng)盜賊開門時(shí),蜂鳴器就會(huì)叫起來。請(qǐng)說明它的工作原理,最好通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M這個(gè)電路的工作?!弊屑?xì)觀察圖1中所示電路,不禁產(chǎn)生疑問:此電路門被打開時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警嗎?報(bào)警時(shí)哪個(gè)電路在工作?電源以什么方式向蜂鳴器供電?電路分析如下:當(dāng)門閉合的時(shí)候,干簧管在磁場(chǎng)作用下處閉合狀態(tài),在圖中所示的下部電路中a點(diǎn)處低電平,由于非門作用,使得b點(diǎn)獲得高電平,而c點(diǎn)處高電平,這樣,蜂鳴器兩端bc間的電勢(shì)差很小,蜂鳴器不能工作;而當(dāng)門被打開時(shí),干簧管斷開,電源被開路在蜂鳴器工作的電路之外,是不能為蜂鳴器提供工作電能的,所以,此電路在門被打開后不能執(zhí)行報(bào)警工作。筆者認(rèn)為此電路存在科學(xué)性問題,依據(jù)最簡單的修改原則,此電路可以做如圖2所示的修改。這樣,當(dāng)門閉合的時(shí)候,干簧管在磁場(chǎng)作用下處閉合狀態(tài),下部回路中α點(diǎn)處低電平,由于非門作用,b點(diǎn)獲得高電平,而c點(diǎn)處于高電平,所以,蜂鳴器兩端bc間的電勢(shì)差很小,蜂鳴器不能工作;而當(dāng)門被打開時(shí),干簧管斷開,在上部回路中,由于電阻R的作用,使得α點(diǎn)處高電平,又由于非門作用,使得b點(diǎn)處低電平,c點(diǎn)始終處高電平狀態(tài),蜂鳴器兩端bc間電勢(shì)差增大,開始鳴叫報(bào)警。通過例題1讓我們認(rèn)識(shí)到:磁控防盜報(bào)警器電路做了如圖2的修改后,整個(gè)電路由兩個(gè)閉合回路構(gòu)成。兩個(gè)回路的功能是不同的:圖中下部回路利用干簧管起到自動(dòng)化控制作用,簡稱為控制電路;上部回路則為用電器(蜂鳴器)提供工作條件,保證用電器正常工作,簡稱為工作電路。在圖2電路中,控制電路和工作電路共用一個(gè)電源。二、這樣的電路中電爐絲能加熱嗎?在實(shí)際教學(xué)中,常常遇到控制電路和工作電路不分,甚至相互混淆的現(xiàn)象。[例題2]選自延邊大學(xué)出版社《世紀(jì)金榜》高中物理選修3-2,P76第17題?,F(xiàn)有熱敏電阻、電爐絲、電源、電磁繼電器、滑動(dòng)變阻器、開關(guān)和導(dǎo)線若干,如下頁圖3所示,請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)溫控電路:要求溫度低于某一溫度時(shí),電爐絲自動(dòng)通電供熱;超過某一溫度時(shí),又可以自動(dòng)斷電,畫出電路圖并說明其工作過程。命題者給出的答案是:電路圖如圖4所示,工作過程:閉合S,當(dāng)溫度低于設(shè)計(jì)值時(shí)熱敏電阻阻值大,通過電磁繼電器電流變小,不能使它工作,K接通電爐絲加熱,當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí),熱敏電阻的阻值減小到某值,通過電磁繼電器的電流達(dá)到工作電流吸住銜鐵P,K斷開,電爐絲斷電,停止供熱。當(dāng)溫度低于設(shè)計(jì)值,又重復(fù)前述過程。讀到這個(gè)答案,不禁讓我們思考:電爐絲跟控制電路能共用一個(gè)電源嗎,電爐絲是大功率用電器,接在控制電路里的電源上電爐絲能加熱工作嗎?在教學(xué)中,這是一個(gè)將控制電路與工作電路不分的典型問題。三、教材中兩個(gè)光控開關(guān)電路有什么不同?要闡明控制電路和工作電路功能上不同,請(qǐng)看人教社《物理3-2》(2006年12月第2版)P64圖6.4-2中甲、乙兩個(gè)光控開關(guān)電路,如圖5所示。這兩個(gè)光控開關(guān)電路有什么不同?教材中為什么要同時(shí)展示兩個(gè)類似的電路?乙電路中為什么要通過繼電器J來控制燈泡的工作?而不將燈泡L直接接在發(fā)光二極管LED的位置?教材中沒有明確說明,因而在教學(xué)過程中,部分學(xué)生和教師對(duì)此問題模糊不清。我們根據(jù)實(shí)驗(yàn)來分析兩個(gè)電路功能上的區(qū)別。在這兩個(gè)電路的實(shí)驗(yàn)中,我們使用的各個(gè)元件的物理參量如下::硫化錫光敏電阻,暗電阻≥200kΩ,強(qiáng)光照射下,亮電阻≤1kΩ。:微型可調(diào)電阻,最大阻值51kΩ(或47kΩ)。LED:紅色發(fā)光二極管,外加電壓≥1.8V時(shí)發(fā)光。J:微型電磁繼電器的電磁線圈(用漆包線繞在鐵芯上,上千匝)。額定工作電壓5V。實(shí)驗(yàn)中所用微型繼電器線圈電壓≥4V時(shí)銜鐵吸合,≤2V時(shí)銜鐵釋放。:電磁繼電器的常開觸點(diǎn)。D:二極管1N4001,稱為續(xù)流二極管。J通電時(shí),D處于截止?fàn)顟B(tài)。J斷電時(shí),產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)在D中形成電流,使J兩端不能形成高電壓,避免損壞集成電路IC。斯密特觸發(fā)器(74LS14)的輸入端A和輸出端Y的電位變化圖象如圖6所示,可直接驅(qū)動(dòng)工作電流較小的LED光電二極管、微型電磁繼電器、微型蜂鳴器,灌入電流可達(dá)40mA。但不能驅(qū)動(dòng)工作電流大(如300mA)的小燈泡,更不能驅(qū)動(dòng)照明電路的電燈工作。對(duì)于(甲)圖見圖7,我們把可以把它的等效電路以閉合回路的形式畫出來,如圖甲2所示,在電路的上方回路為控制電路,下方為工作電路,由于用電器光電二極管LED是一個(gè)小功率、低電壓用電器,兩個(gè)電路可以共用一個(gè)電源。對(duì)于乙圖,由于斯密特觸發(fā)器不能直接驅(qū)動(dòng)大功率用電器工作,只能通過微型繼電器等元件來實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率用電器的自動(dòng)化控制。所以,對(duì)于大功率用電器,就必須按乙圖那樣把控制電路跟工作電路設(shè)計(jì)為兩個(gè)獨(dú)立的電路,通過控制繼電器的工作,達(dá)到自動(dòng)控制工作電路工作的目的。以照明電路的光控制為例,我們也可以把乙電路的等效電路以閉合電路的形式畫出來[見圖8]。如圖乙2所示,在電路的左邊回路為控制電路,使用5V直流恒定電源;右邊回路為日常生活使用的照明工作電路,使用220V的生活用交流電源。在實(shí)際自動(dòng)化控制電路中,控制電路一般所使用的是低壓穩(wěn)恒電源,而工作電路,如電燈、電爐絲等一般使用的是生活交流電源,所以,電爐絲跟控制電路是不能共用同一個(gè)電源的。換一種說法,例題2中編題者所出示的設(shè)計(jì)電路答案,電爐絲是不能正常工作而制熱的。例題2中電爐絲自動(dòng)供熱電路,應(yīng)該將控制電路和工作電路從電源上就分開,設(shè)計(jì)為兩個(gè)閉合電路,兩個(gè)閉合電路通過繼電器來實(shí)現(xiàn)電爐絲的自動(dòng)化控制。如圖9所示,圖中左方為控制電路,右方為電爐絲的工作電路。工作過程:閉合S,當(dāng)溫度低于設(shè)計(jì)值時(shí),熱敏電阻阻值大,通過電磁繼電器電流很小,不能使繼電器工作,這時(shí),銜鐵P處釋放狀態(tài),開關(guān)K接通交流220V工作電源,電爐絲加熱;當(dāng)溫度升高達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí),熱敏電阻的阻值減小到某值,通過電磁繼電器的電流達(dá)到工作電流,吸合銜鐵P,使開關(guān)K斷開交流220V工作電源,電爐絲斷電,停止加熱。當(dāng)溫度下降到設(shè)計(jì)值以下時(shí),重復(fù)前述過程。綜上所述,我們教學(xué)中應(yīng)該明確,利用傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的電路,從功能上分為控制電路和工作電路兩個(gè)部分。一般控制電路使用低壓電源,當(dāng)用電器是小功率、低壓電器時(shí),如例題

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