Question

小明利用實(shí)驗(yàn)室的電磁繼電器、熱敏電阻R₁、可變電阻器R₂等器件設(shè)計(jì)了一個(gè)恒溫箱控制電路，如圖1所示．其中“交流電源”是恒溫箱加熱器的電源（加熱器在恒溫箱內(nèi)，圖中未畫出）；R₁處于恒溫箱內(nèi)，圖2是小明通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的R₁的阻值隨溫度變化的關(guān)系曲線；電磁繼電器的電源兩端電壓U=6V，電磁繼電器線圈的電阻可不計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得當(dāng)電流為30mA時(shí)，電磁繼電器的銜鐵被吸合．

（1）請(qǐng)簡(jiǎn)述此恒溫箱的工作過(guò)程．
（2）為什么恒溫箱的加熱器應(yīng)該接在A、B端，而不能接在C、D端？
（3）如果要使恒溫箱內(nèi)預(yù)設(shè)的溫度可調(diào)節(jié)范圍是90℃～150℃，可供選擇的可變電阻器R₂的電阻值有如下的幾種：
A．0～100Ω      B．0～200Ω     C．0～1000Ω       D．0～1500Ω
請(qǐng)問(wèn)應(yīng)選擇哪一個(gè)可變電阻器？為什么？
（4）小明設(shè)計(jì)的這個(gè)控制電路，使用起來(lái)有何不足之處？請(qǐng)你提出一種解決的方案．

Answer 1

分析：（1）恒溫箱內(nèi)熱敏電阻R₁與可變電阻R₂、電磁鐵組成的是控制電路，交流電源與恒溫箱加熱器組成的是工作電路，從恒溫箱中的熱敏電阻的變化入手，可描述此恒溫箱的工作過(guò)程；
（2）AB端與CD端的不同在于一個(gè)是在電磁鐵吸合時(shí)工作，一個(gè)是在電磁鐵不吸引合時(shí)工作，從控制需要入手可分析為什么要將恒溫箱的加熱器接在AB端；
（3）利用串聯(lián)電阻的關(guān)系，結(jié)合圖象可確定要使恒溫箱內(nèi)預(yù)設(shè)的溫度可調(diào)節(jié)范圍是90℃～150℃，可變電阻器R₂的阻值范圍；
（4）從實(shí)際使用中，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度附近時(shí)電磁繼電器的工作狀況來(lái)分析，容易造成電磁繼電器的頻繁通斷現(xiàn)象，不利于保持裝置的使用壽命，從這一角度可提解決的方案．

解答：答：（1）恒溫箱溫控系統(tǒng)是由交流電加熱電路和直流控制電路組成，適當(dāng)調(diào)節(jié)變阻器R₂的阻值，利用熱敏電阻R1的性能和阻值等使該系統(tǒng)能保證恒溫箱的溫度保持在預(yù)設(shè)的溫度范圍內(nèi)．工作過(guò)程如下：
當(dāng)恒溫箱內(nèi)的溫度達(dá)到或者超過(guò)預(yù)設(shè)之最高溫度時(shí)，熱敏電阻R1的阻值下降，直流控制電路中電流增大，電磁繼電器吸合銜鐵，切斷交流加熱電路，恒溫箱開始降溫；
當(dāng)恒溫箱內(nèi)的溫度低于預(yù)設(shè)之最低溫度時(shí)，熱敏電阻R1的阻值增大，直流控制電路中電流減小，電磁繼電器釋放銜鐵，交流加熱電路接通，恒溫箱又開始升溫；
如此反復(fù)接通和斷開交流加熱電路，使恒溫箱的溫度保持在預(yù)設(shè)溫度范圍內(nèi)．
（2）恒溫箱的加熱器應(yīng)接在A、B端．
這樣溫度高于預(yù)設(shè)最高溫度時(shí)，電磁繼電器的銜鐵吸合，停止加熱；而溫度低于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，電磁繼電器的銜鐵斷開，進(jìn)行加熱．這樣才能實(shí)現(xiàn)溫度控制；
如果加熱器在C、D兩端，當(dāng)溫度高于預(yù)設(shè)溫度時(shí)，R₁的阻值減小，電磁繼電器的銜鐵吸合，加熱器繼續(xù)工作，溫度將更高，這樣就無(wú)法實(shí)現(xiàn)恒溫控制．
（3）應(yīng)選擇B可變電阻器．原因是：
電磁繼電器吸合時(shí)的電流為30mA，則控制電路的總電阻為R_總=R₁+R₂=200Ω，
控制90℃時(shí)，由曲線圖可知，R₁=50Ω，可變電阻值應(yīng)為R₂=200Ω-50Ω=150Ω，
控制150℃時(shí)，由曲線圖可知，R₁=30Ω，可變電阻值應(yīng)為R₂=200Ω-30Ω=170Ω．
所以，要選一個(gè)能提供150Ω～170Ω阻值的可變電阻器，選擇B即可滿足上述阻值要求，又能便于調(diào)節(jié)，故選用B即可．
（4）不足之處：小明設(shè)計(jì)的這個(gè)電路，從理論上講控制的只是一個(gè)固定的溫度值，這樣使用時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)恒溫箱內(nèi)溫度在某一固定值附近時(shí)，電磁繼電器頻繁通斷的現(xiàn)象，這對(duì)電磁繼電器和加熱器電路的使用壽命是十分不利的．
解決方案：為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以設(shè)想制造一種繼電器，當(dāng)已經(jīng)達(dá)到了預(yù)設(shè)的溫度時(shí)，繼電器達(dá)到吸合電流值（如此題中的30mA），這種繼電器可以延長(zhǎng)一段時(shí)間或限時(shí)到規(guī)定時(shí)間才吸合，從而斷開被控制電路．當(dāng)?shù)陀陬A(yù)設(shè)的溫度時(shí)，通過(guò)繼電器的電流小于吸合電流值，這種繼電器同樣可以延長(zhǎng)一段時(shí)間或限時(shí)到規(guī)定時(shí)間才釋放銜鐵．從而實(shí)現(xiàn)繼電器和加熱電路有一個(gè)較長(zhǎng)的穩(wěn)定工作狀態(tài)，達(dá)到既能實(shí)現(xiàn)恒溫控制又能延長(zhǎng)使用壽命的目的．（只要提出的設(shè)計(jì)合理即可）

點(diǎn)評(píng)：本題中提供的信息較多，問(wèn)題也具有一定的思維深度，應(yīng)在充分理解題意，明確電磁繼電器結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合圖示進(jìn)行解答．本題的突破口是對(duì)本裝置工作過(guò)程的理解，難點(diǎn)是結(jié)合R₁的阻值隨溫度變化的關(guān)系曲線，來(lái)求解可供選擇的可變電阻的規(guī)格．最后，對(duì)工作過(guò)程中實(shí)際遇到的頻繁通判問(wèn)題的處理，更是對(duì)我們提出了較高的要求，是一道難度較大的題目．