傳感器應(yīng)用中的控制電路與工作電路

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警器會報警嗎？[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”第1題：“圖6.4-4是一個簡單的磁控防盜報警裝置。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，當盜賊開門時，蜂鳴器就會叫起來。請說明它的工作原理，最好通過實驗?zāi)M這個電路的工作。”仔細觀察圖1中所示電路，不禁產(chǎn)生疑問：此電路門被打開時會自動報警嗎？報警時哪個電路在工作？電源以什么方式向蜂鳴器供電？電路分析如下：當門閉合的時候，干簧管在磁場作用下處閉合狀態(tài)，在圖中所示的下部電路中a點處低電平，由于非門作用，使得b點獲得高電平，而c點處高電平，這樣，蜂鳴器兩端bc間的電勢差很小，蜂鳴器不能工作；而當門被打開時，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)行報警工作。筆者認為此電路存在科學性問題，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，當門閉合的時候，干簧管在磁場作用下處閉合狀態(tài)，下部回路中α點處低電平，由于非門作用，b點獲得高電平，而c點處于高電平，所以，蜂鳴器兩端bc間的電勢差很小，蜂鳴器不能工作；而當門被打開時，干簧管斷開，在上部回路中，由于電阻R的作用，使得α點處高電平，又由于非門作用，使得b點處低電平，c點始終處高電平狀態(tài)，蜂鳴器兩端bc間電勢差增大，開始鳴叫報警。通過例題1讓我們認識到：磁控防盜報警器電路做了如圖2的修改后，整個電路由兩個閉合回路構(gòu)成。兩個回路的功能是不同的：圖中下部回路利用干簧管起到自動化控制作用，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電源。二、這樣的電路中電爐絲能加熱嗎？在實際教學中，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]選自延邊大學出版社《世紀金榜》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、滑動變阻器、開關(guān)和導線若干，如下頁圖3所示，請設(shè)計一個溫控電路：要求溫度低于某一溫度時，電爐絲自動通電供熱；超過某一溫度時，又可以自動斷電，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，當溫度低于設(shè)計值時熱敏電阻阻值大，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，當溫度達到設(shè)計值時，熱敏電阻的阻值減小到某值，通過電磁繼電器的電流達到工作電流吸住銜鐵P，K斷開，電爐絲斷電，停止供熱。當溫度低于設(shè)計值，又重復(fù)前述過程。讀到這個答案，不禁讓我們思考：電爐絲跟控制電路能共用一個電源嗎，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？在教學中，這是一個將控制電路與工作電路不分的典型問題。三、教材中兩個光控開關(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、乙兩個光控開關(guān)電路，如圖5所示。這兩個光控開關(guān)電路有什么不同？教材中為什么要同時展示兩個類似的電路？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，因而在教學過程中，部分學生和教師對此問題模糊不清。我們根據(jù)實驗來分析兩個電路功能上的區(qū)別。在這兩個電路的實驗中，我們使用的各個元件的物理參量如下：：硫化錫光敏電阻，暗電阻≥200kΩ，強光照射下，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。實驗中所用微型繼電器線圈電壓≥4V時銜鐵吸合，≤2V時銜鐵釋放。：電磁繼電器的常開觸點。D：二極管1N4001，稱為續(xù)流二極管。J通電時，D處于截止狀態(tài)。J斷電時，產(chǎn)生的自感電動勢在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40mA。但不能驅(qū)動工作電流大（如300mA）的小燈泡，更不能驅(qū)動照明電路的電燈工作。對于（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是一個小功率、低電壓用電器，兩個電路可以共用一個電源。對于乙圖，由于斯密特觸發(fā)器不能直接驅(qū)動大功率用電器工作，只能通過微型繼電器等元件來實現(xiàn)對大功率用電器的自動化控制。所以，對于大功率用電器，就必須按乙圖那樣把控制電路跟工作電路設(shè)計為兩個獨立的電路，通過控制繼電器的工作，達到自動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。在實際自動化控制電路中，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電源的。換一種說法，例題2中編題者所出示的設(shè)計電路答案，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)計為兩個閉合電路，兩個閉合電路通過繼電器來實現(xiàn)電爐絲的自動化控制。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，當溫度低于設(shè)計值時，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，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；當溫度升高達到設(shè)計值時，熱敏電阻的阻值減小到某值，通過電磁繼電器的電流達到工作電流，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。當溫度下降到設(shè)計值以下時，重復(fù)前述過程。綜上所述，我們教學中應(yīng)該明確，利用傳感器實現(xiàn)自動化控制的電路，從功能上分為控制電路和工作電路兩個部分。一般控制電路使用低壓電源，當用電器是小功率、低壓電器時，如例題