资源简介

4　自制简单的控制电路
[学习目标]　1.了解简单的光控和温控电路的工作原理及敏感元件所起的作用。2.能够自己设计简单的自动控制电路。
探究新知
知识点一　光控LED灯
1.电路原理图
2.原理:有光照的情况下,光敏电阻的阻值只有几欧到几十欧,Q1的基极与发射极间电压小,不能导通;Q2的发射极与基极间的电压也较小,也不能导通,所以LED不会发光。无光照时,光敏电阻的阻值会达到MΩ量级。Q1的基极与发射极的电压大,导通,Q2的发射极与基极间的电压较大,导通,于是LED发光。
知识点二　温度报警器
1.电路原理图
2.原理:接通电源后,先调节R1使蜂鸣器在常温下不发声。再用热水使热敏电阻的温度升高,到达某一温度时蜂鸣器就会发出报警声。
新知检测
1.思考判断
(1)自动照明电路实现路灯晚上亮,白天不亮,是利用光控电路来实现的。(　√　)
(2)通常的传感器可以直接用来进行自动控制。 (　×　)
(3)洗衣机的脱水传感器是根据温度变化控制脱水动作的。(　×　)
(4)电冰箱是利用温度传感器自动控温的。(　√　)
2.思维探究
(1)居家生活中,煤气泄漏会危及人身安全,需要加以防范。我们可以利用什么元件制作报警器
(2)某家用汽车配备自动大灯,可以自动控制灯光的开启和关闭。比如白天突然进入隧道或者清晨、傍晚光线不好时,大灯自动打开照亮前路,使行车更安全。请问该过程是如何实现的
【答案】 (1)气敏元件。
(2)用光控开关控制大灯开启;光敏元件感受到的光照强度较弱时,开关接通,大灯亮起。
要点一　简单的光控电路设计
情境探究
小凯想把房间窗帘改成能自动开启、自动关闭的。他的设想是:白天房间要透光,也要防止太阳光直射室内,因此要用薄纱型的窗帘;傍晚太阳下山后,要用厚绒的窗帘。请你帮他设计电路并画出电路图,然后说明工作过程。
【答案】 电路图如图所示。
白天光照很强,照射到光敏控制器上,电阻很小,电流较大,电磁铁磁性强,吸引衔铁向下,使得触点b、c接触,电动机乙转动,关闭厚绒窗帘,同时开启薄纱窗帘;傍晚后光线很暗,光敏控制器接收光照少,电阻变大,电流很小,电磁铁磁性非常弱,弹簧将衔铁拉起,使b、a接触,电动机甲转动,关闭薄纱窗帘,同时开启厚绒窗帘。
要点归纳
1.普通二极管和发光二极管
(1)都具有单向导电性。
(2)发光二极管除了具有单向导电性外,导电时还能发光。普通的发光二极管是用磷化镓或氮化镓等半导体材料制成,直接将电能转化为光能,该类发光二极管的正向导通电压大于1.8 V。
2.晶体三极管
(1)晶体三极管能够把微弱的信号放大。晶体三极管的三极分别是发射极e、基极b和集电极c。
(2)传感器输出的电流或电压很微弱,用一个三极管可以放大几十倍以至上百倍。三极管的放大作用表现为基极b的电流对集电极c的电流起到了控制作用。
[例1] 为了节能环保,一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制,光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件。照度可以反映光的强弱,光越强照度越大,照度单位为lx(勒克斯)。
(1)某光敏电阻R在不同照度下的阻值如下表,根据表中已知数据,在图甲所示的坐标系中描绘出了阻值随照度变化的曲线。
照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
电阻/kΩ 5.8 3.7 2.8 2.3 2.0 1.8
(2)如图乙所示是街道路灯自动控制模拟电路,利用直流电源为电磁铁供电,利用照明电源为路灯供电。请设计电路能达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果,并用笔画线代替导线完成电路连接。
(3)用多用电表“×10 Ω”挡,按正确步骤测量图乙中电磁铁线圈电阻时,指针示数如图丙所示,则线圈的电阻为　　　 　 Ω。已知当线圈中的电流大于或等于2 mA时,继电器的衔铁将被吸下。图中直流电源的电动势E=6 V,内阻忽略不计,滑动变阻器有三种规格可供选择:R1(0~10 Ω,2 A)、R2(0~200 Ω,1 A)、R3(0~1 750 Ω,0.1 A)。要求天色渐暗照度降低至1.0 lx时点亮路灯,滑动变阻器应选择　　　　(选填“R1”“R2”或“R3”)。为使天色更暗时才点亮路灯,应适当地　　　　(选填“增大”或“减小”)滑动变阻器的电阻。
【答案】 (2)图见解析　(3)140　R3　减小
【解析】 (2)光敏电阻的电阻值随照度的增大而减小,所以白天时光敏电阻的电阻值小,电路中的电流值大,衔铁将被吸住,动触点与C接通;晚上时的光线暗,光敏电阻的电阻值大,电路中的电流值小,所以动触点与A接通。所以要达到晚上灯亮,白天灯灭,则路灯应接在A、B之间。
(3)电阻表的读数是先读出表盘的刻度,然后乘倍率,表盘的刻度是14,倍率是“×10 Ω”,所以电阻值是14×10 Ω=140 Ω;天色渐暗照度降低至 1.0 lx 时点亮路灯,此时光敏电阻的电阻值是 2.0 kΩ,电路中的电流是2 mA,R=-R光= Ω-2 000 Ω=1 000 Ω,所以要选择滑动变阻器R3。由于光变暗时,光敏电阻阻值变大,分得的电压变大,因此为使天色更暗时才点亮路灯,应适当地减小滑动变阻器的电阻。
求解传感器控制电路类问题的一般思路
(1)首先明确控制电路的工作原理。
(2)然后分清所应用的传感器及其特性。
(3)最后结合电路知识完成设计。
[针对训练1] (多选)如图所示,电源电动势为E,内阻为r,R1是定值电阻,R2是光敏电阻且其阻值随着光强的增强而减小,电表均为理想电表。闭合开关S,光强变化时,电源输出功率。P出以及电压表示数U随电流表示数I变化的关系图像可能正确的是(　　)
[A] [B] [C] [D]
【答案】 BD
【解析】 若光照减弱,光敏电阻的阻值增大,由闭合电路欧姆定律可知电路中的电流减小,电源输出功率P出=I2R外=I2(-r)=-rI2+EI,可知P出-I图像是开口向下的抛物线,故A错误,B正确;由E=U+I(R1+r)可知,U=-(R1+r)I+E,可知U-I图像是倾斜向下的直线,故C错误,
D正确。
要点二　温控电路的设计与应用
情境探究
现有热敏电阻、电热丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关各一个,导线若干,如图所示,试设计一个温控电路,要求温度低于某一温度时,电热丝自动通电供热,超过某一温度时,又可以自动断电,完善电路图并说明工作过程。
【答案】 热敏电阻与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路,电路图如图所示。
工作过程:闭合开关,当温度低于设计值时,热敏电阻阻值大,通过电磁继电器的电流不能使它工作,K接通,电热丝加热;当温度达到设计值时,热敏电阻阻值减小到某值,通过电磁继电器的电流达到工作电流,K断开,电热丝断电,停止供热。当温度低于设计值时,又重复前述过程。
要点归纳
1.温控电路:将热敏电阻作为控制元件,从而使需加热物体的温度在低于指定值时,电热器供电加热,否则断开加热电路。
2.温控传感器:按设定的温度自动接通和断开电路,控制电动机工作。
3.洗衣机中的水温传感器:根据环境温度和水温,自动控制洗涤时间。
[例2] 某一热敏电阻的阻值R随温度变化的图线如图甲所示,现要利用该热敏电阻组装一个报警系统,要求当热敏电阻的温度达到或超过60 ℃时,系统报警。提供的器材有热敏电阻报警器(内阻很小,流过的电流超过Ic时就会报警,Ic约为 10 mA,流过的电流超过20 mA时,报警器可能损坏),电阻箱(最大阻值为999.9 Ω),直流电源(输出电压为18 V,内阻不计),滑动变阻器(最大阻值为2 000 Ω),单刀双掷开关一个,导线若干。
(1)由图甲可知,热敏电阻的阻值随温度的升高而　　　　　　(选填“增大”或“减小”)。
(2)按图乙所示的电路图组装电路,并按照下列步骤调节此报警系统。
①电路接通前,滑动变阻器的滑片应置于　　　(选填“a”或“b”)端附近。
②若已知该热敏电阻在60 ℃时阻值为650.0 Ω,则根据实验要求,先将电阻箱调到一固定的阻值,这一阻值为　　　　 Ω。
③将开关向　　 　(选填“c”或“d”)端闭合,缓慢移动滑动变阻器的滑片,直至报警器开始报警。
(3)保持滑动变阻器滑片的位置不变,将开关向另一端闭合,报警系统即可正常使用。
【答案】 (1)减小　(2)①b　②650.0　③c
【解析】 (1)由题图甲可知,热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。
(2)①为防止接通电源后,流过报警器的电流超过20 mA,可能会造成报警器损坏,滑动变阻器的滑片应置于b端。
②本题采用的是等效替代法,先用变阻箱来代替热敏电阻,所以变阻箱的阻值要调节到系统报警时热敏电阻的临界电阻,也就是在60 ℃时的阻值,即650.0 Ω。
③先把变阻箱的电阻接入电路,即将开关向c端闭合,调节滑动变阻器的电阻,调至报警器开始报警,保持滑动变阻器的阻值不变,接到热敏电阻上,即开关接d端,当热敏电阻的阻值是650.0 Ω 时,也就是温度达到了60 ℃,报警器开始报警。报警系统即可正常使用。
(1)分析传感器工作原理时,要理解两个电路的连接情况,即明确控制电路和工作电路。
(2)明确温度传感器的工作原理,因温度变化,阻值变化,所以要注意结合闭合电路欧姆定律进行处理。
[针对训练2] 小卓利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”,如图甲所示。将热敏电阻R安装在需要探测温度的地方,当环境温度正常时,继电器的上触点接触,下触点分离,指示灯亮;当环境温度超过某一值时,继电器的下触点接触,上触点分离,警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。
(1)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱　　　 　相连,指示灯的接线柱D应与接线柱　　　　相连。(均选填“A”或“B”)
(2)当环境温度升高时,继电器的磁性将　　　　(选填“增大”“减小”或“不变”)。
(3)如果要使报警电路在更高的温度报警,下列方案可行的是　　　　。
A.适当减小U1 B.适当增大U1
C.适当减小U2 D.适当增大U2
【答案】 (1)B　A　(2)增大　(3)A
【解析】 (1)由于B接通时警铃响,A接通时指示灯亮,因此C接B,D接A。
(2)由题图乙可知热敏电阻随温度升高,阻值减小,回路的电流增大,因此继电器的磁性增大。
(3)由题图乙可知温度更高时,热敏电阻阻值更小,而报警电流不变,因此应适当降低U1值。故选A。
模型·方法·结论·拓展
自动控制电路的设计
1.根据题目给出的仪器和要求画出控制电路和工作电路
控制电路由电源、开关、光敏电阻(或热敏电阻等其他敏感元件)、电磁继电器和导线等组成;工作电路由电源、用电器(灯泡、电热丝或其他用电器)、导线等组成。这两个电路相互独立,又通过电磁继电器相关联,电磁继电器实际上是工作电路的开关。
2.分析自控电路的合理性
电路设计完成后,要对它的合理性进行分析,假设光照射光敏电阻或对热敏电阻加热,检查工作电路的接通和断开是否符合实际要求。例如,自控路灯电路的设计要求是白天切断工作电路,使路灯熄灭,晚上接通工作电路,使路灯发光。
[示例] 如图所示是一种自动控制水温的装置,加热电路的两个端点P、Q应接在触头a、b之间还是c、d之间 NTC(负温度系数热敏电阻)两端M、N应接在哪两个触头之间
【答案】 见解析
【解析】 P、Q应该分别接在触头a、b之间,同时,M、N应该分别接e、f,其工作原理是:当水温升高时,热敏电阻阻值减小,电磁铁中电流增大,吸引力增大,使衔铁被吸下,a、b断开,使加热装置停止加热;当水温降低到一定程度时,热敏电阻温度减小,电磁铁中电流减小,吸引力减小,衔铁被弹簧拉上去,使a、b之间连接,加热装置开始加热,从而实现水温控制。
科学·技术·社会·环境
漏电保护器
　　漏电保护器,简称漏电开关,又叫漏电断路器。主要是用来在设备发生漏电故障时以及发生有致命危险的人身触电时进行断路操作,具有过载和短路保护功能,可用来保护线路或电动机的过载和短路,亦可在正常情况下作为线路的不频繁转换启动之用。
　　漏电保护器一般可分为漏电保护继电器、漏电保护开关和漏电保护插座三种。
(1)漏电保护继电器是指具有对漏电检测和判断的功能,而不具有切断和接通主回路功能的漏电保护装置。
(2)漏电保护开关是指不仅与其他断路器一样可将主电路接通或断开,而且具有对漏电检测和判断的功能的漏电保护装置,当主回路中发生漏电或绝缘破坏时,漏电保护开关可根据判断结果将主电路接通或断开。
(3)漏电保护插座是指能对漏电检测和判断并能切断回路的电源插座。其额定电流一般在20 A以下,漏电动作电流6~30 mA,灵敏度较高,常用于手持式电动工具和移动式电气设备的人身保护及家庭、学校等民用场所。
[示例] 小岚设计的家庭电路保护装置如图所示,铁芯左侧线圈L1由火线和零线并行绕成。当右侧线圈L2中产生电流时,电流经放大器放大后,使电磁铁吸起铁质开关S,从而切断家庭电路。仅考虑L1在铁芯中产生的磁场,下列说法不正确的是(　　)
[A] 家庭电路正常工作时,L2中的磁通量为零
[B] 家庭电路中使用的电器增多时,L2中的磁通量不变
[C] 家庭电路发生短路时,开关S将被电磁铁吸起
[D] 地面上的人接触火线发生触电时,开关S将被电磁铁吸起
【答案】 C
【解析】 由于零线、火线中电流方向相反,产生的磁场方向相反,因此家庭电路正常工作时,L2中的磁通量为零,选项A正确;家庭电路短路和用电器增多时均不会引起L2中磁通量的变化,选项B正确,C错误;地面上的人接触火线发生触电时,线圈L1中磁场变化引起L2中磁通量的变化,产生感应电流,电磁铁吸起开关S,切断家庭电路,选项D正确。
1.如图电路中,电阻R随温度升高均匀增大,用这个电阻作探头测温,把电流表的刻度改为相应的温度刻度。下列说法正确的是(　　)
[A] 低温对应电流较大的刻度上,且温度刻度均匀
[B] 低温对应电流较大的刻度上,且温度刻度不均匀
[C] 高温对应电流较大的刻度上,且温度刻度均匀
[D] 高温对应电流较大的刻度上,且温度刻度不均匀
【答案】 B
【解析】 根据题图,电路是串联电路,根据题意,当温度高时,电阻R增大,电路中总电阻增大,根据闭合电路欧姆定律,电路中的电流减小,即高温对应电流较小的刻度上;当温度低时,电路中的电流增大,即低温对应电流较大的刻度上。由题意知,电阻R随温度升高均匀增大,可得R=R0+kt,根据闭合电路欧姆定律I==,I与温度t不呈线性关系,所以温度刻度是不均匀的,所以A、C、D错误,B正确。
2.利用金属热电阻和负温度系数热敏电阻的阻值与温度之间的对应关系,除了可以测量温度,还可以有其他用途。如图所示,一些汽车的低油位报警装置采用负温度系数热敏电阻来检测油箱的警戒液位。下列说法正确的是(　　)
[A] 当液面高于热敏电阻时,热敏电阻的热量会被液体带走,温度基本不变,指示灯亮
[B] 给热敏电阻通一定电流,可利用热敏电阻对液体进行快速加热
[C] 当液体减少,液面低于热敏电阻时,热敏电阻温度升高,指示灯亮
[D] 无法通过热敏电阻的阻值变化来判断液面是否低于设定值
【答案】 C
【解析】 如题图甲所示,若给热敏电阻通以一定电流时,热敏电阻会产生热,当液面高于热敏电阻时,热敏电阻的热量会被液体带走,温度基本不变,电阻较大,指示灯不亮,A错误;给热敏电阻通一定电流,热敏电阻会产生热,可当给液体进行加热时,因液体的温度较低,热敏电阻的阻值变化不大,电流较小,热量较小,液体温度升高得慢,因此利用热敏电阻对液体不能进行快速加热,B错误;如题图乙所示,当液体减少,液面低于热敏电阻时,热敏电阻温度升高,阻值较小,电流较大,指示灯亮,就显示出报警信号,C正确;因热敏电阻阻值与温度的变化是有一定关系的,这个关系可转变成电流的变化关系,可以由热敏电阻的阻值变化来判断液面是否低于设定值,D错误。
3.在新能源汽车中,纯电动汽车是一种采用单一蓄电池作为储能动力源的汽车,蓄电池的安全性至关重要,主要体现在对其温度的控制上,当电池温度过高时,必须立即启动制冷系统进行降温。图甲是小伟设计的模拟温控装置示意图,电磁继电器与热敏电阻RT、滑动变阻器RP串联接在电动势为5 V、内阻不计的电源两端。当电磁铁线圈(电阻不计)中的电流I大于或等于20 mA时,衔铁被吸合,热敏电阻置于温度监测区域,其阻值RT与温度t的关系如图乙所示,滑动变阻器的最大阻值为200 Ω。
(1)图甲中应将b端与　　　　　(选填“a”或“c”)端相连。
(2)若设置电池温度为50 ℃时启动制冷系统,则滑动变阻器阻值应为　　　　 Ω。
(3)该电路可设置启动制冷系统的最高温度是　　　　　 ℃。
【答案】 (1)c　(2)150　(3)74
【解析】 (1)由题意可知,当控制电路电流达到20 mA时衔铁被吸合,制冷系统工作,所以题图甲中应将b端与c端相连。
(2)若设置电池温度为50 ℃时启动制冷系统,由题图乙可知,当温度为50 ℃时,RT的阻值为100 Ω,此时由闭合电路的欧姆定律可知,控制电路的总电阻R== Ω=250 Ω,由串联电路的电阻规律,滑动变阻器接入的电阻为RP=R-RT=250 Ω-100 Ω=150 Ω。
(3)当滑动变阻器的最大阻值为200 Ω时,热敏电阻的阻值RT′=R-RP′=250 Ω-200 Ω=50 Ω,由题图乙可知此时对应的温度为74 ℃,所以该电路可设置启动制冷系统的最高温度是74 ℃。
4.电控调光玻璃能根据光照强度自动调节玻璃的透明度,将光敏电阻Rx和定值电阻R0接在 9 V 的电源上,电源内阻不计,光敏电阻阻值随光强变化关系如下表所示:
光强E/cd 1 2 3 4 5
电阻值/Ω 18 9 6 4.5
[“光强”是表示光强弱程度的物理量,符号为E,单位为坎德拉(cd)]
(1)当光照强度为5 cd时,光敏电阻Rx的大小为　　　　 Ω。
(2)电控调光玻璃的原理是光照增强,光敏电阻Rx阻值变小,施加于玻璃两端的电压降低,玻璃透明度下降,反之则玻璃透明度上升。若电源电压不变,R0是定值电阻,下列电路图符合要求的是　　　　(填字母)。
A B
C D
(3)已知定值电阻R0=9 Ω,用电压表测得定值电阻两端的电压为3 V,此时光照强度为　　　　 cd。
【答案】 (1)3.6　(2)A　(3)1
【解析】 (1)由表格数据可知,光敏电阻Rx与光强E的乘积均为18 Ω·cd不变,则当E=5 cd时,光敏电阻的阻值Rx= Ω=3.6 Ω。
(2)由题意可知,光敏电阻Rx与定值电阻R0串联连接,光照增强时,光敏电阻Rx阻值减小,电路中的总电阻减小,由欧姆定律可知,电路中的电流增大,由U=IR可知,R0两端的电压增大,因串联电路中总电压等于各分电压之和,所以Rx两端的电压减小,反之光照减弱时,光敏电阻Rx阻值增大,R0两端的电压减小,Rx两端的电压增大,则玻璃并联在R0两端时不符合,玻璃并联在Rx两端时符合,故A正确,C错误;若玻璃与电源并联,光照变化时,玻璃两端的电压不变,故B、D错误。
(3)当R0=9 Ω,定值电阻两端的电压U0=3 V,因串联电路中总电压等于各分电压之和,Rx两端的电压Ux=U-U0=(9-3) V=6 V,因串联电路中各处的电流相等,所以电路中的电流I==,解得Rx′=18 Ω,此时光照强度E′= cd=1 cd。
课时作业
(分值:40分)
单选题每题4分,多选题每题6分。
1.用遥控器调换电视机频道的过程,实际上就是传感器把光信号转化成电信号的过程。下列属于这类传感器的是(　　)
[A] 红外报警装置
[B] 走廊照明灯的声控开关
[C] 自动洗衣机中的压力传感装置
[D] 电饭煲中控制加热和保温的温控器
【答案】 A
【解析】 电视遥控器是利用红外线遥控的,与红外线报警装置的工作原理相同,A正确。
2.(多选)如图所示是电饭锅的结构图,如果感温铁氧体的“居里温度”为103 ℃,下列说法正确的是(　　)
[A] 常温下感温铁氧体具有较强的磁性
[B] 当温度超过103 ℃时,感温铁氧体的磁性较强
[C] 饭熟后,水分被大米吸收,锅底的温度会超过103 ℃,这时手动开关会自动跳起
[D] 常压下只要锅内有水,锅内的温度就不可能达到103 ℃,手动开关就不会自动跳起
【答案】 ACD
【解析】 常温下感温铁氧体的磁性较强,当按下手动开关时,永磁铁与感温铁氧体相互吸引而接通电路,而感温铁氧体的“居里温度”是103 ℃,常压下只要锅内有水,锅内温度就不可能达到103 ℃,开关就不会自动断开;饭熟后,水分被吸收,锅底温度就会升高,当达到103 ℃时,感温铁氧体的磁性消失,在弹簧的作用下开关自动跳起。综上所述,A、C、D正确。
3.如图所示是监控汽车安全带使用情况的一种简化报警电路。汽车启动时,开关S1闭合;驾驶员系好安全带时,开关S2将断开。L是报警指示灯,P是蜂鸣报警器,RN为安装在座垫下方的压敏元件(电阻值与所受压力大小成反比),M是一种触发开关(当A、B两端电压升高时,C、D两个端口间将像普通开关一样直接接通,从而连通L、P所在支路),则(　　)
[A] 当驾驶员坐在座位上启动汽车但未系安全带时,RN电阻变大,A、B两端电压升高,指示灯点亮,蜂鸣器报警
[B] 当驾驶员坐在座位上启动汽车未系安全带时,RN电阻变大,C、D两端口间接通
[C] 当驾驶员坐在座位上启动汽车并系上安全带时,A、B两端电压降低,指示灯熄灭
[D] 当驾驶员坐在座位上启动汽车并系上安全带时,C、D两端口间接通,指示灯熄灭
【答案】 D
【解析】 当驾驶员坐在座位上启动汽车但未系安全带时,开关S2闭合;驾驶员对座位的压力增大,则RN电阻变小,根据欧姆定律可得通过R的电流增大,则A、B两端电压升高,C、D两个端口直接接通,连通L、P所在支路,指示灯点亮,蜂鸣器报警,故A、B错误。当驾驶员坐在座位上启动汽车并系上安全带时,开关S2断开;驾驶员对座位的压力增大,则RN电阻变小,根据欧姆定律可得通过R的电流增大,则A、B两端电压升高,C、D两个端口直接接通,但由于S2断开,指示灯熄灭,蜂鸣器不会报警,故C错误,D正确。
4.夜间,居民楼的楼道里只是偶尔有人经过,“长明灯”会造成浪费。科研人员利用“光敏”材料制成“光控开关”——天黑时自动闭合,天亮时自动断开;利用“声敏”材料制成“声控开关”——当有人走动发出声音时自动闭合,无人走动时自动断开。若将这两种开关配合使用,就可以使楼道里的灯变得“聪明”。这种“聪明”的电路是图中的(　　)
[A] [B]
[C] [D]
【答案】 D
【解析】 根据题目要求可知需要在同时满足天黑和有人走动时才能开灯,故需光控开关与声控开关及灯泡串联,故D正确。
5.(10分)城市街道的路灯用光敏电阻作为传感器控制路灯电路的开关,实现自动控制。光敏电阻的阻值随照射光的强弱而变化,作为简化模型,可以近似认为,照射光较强(如白天)时电阻几乎为0;照射光较弱(如夜晚)时电阻接近于无穷大。利用光敏电阻作为传感器,借助电磁开关,可以实现路灯自动在白天关闭,在夜晚打开。电磁开关的内部结构如图所示。1、2两接线柱之间是励磁线圈,3、4两接线柱分别与弹簧片和触点连接。当励磁线圈中电流大于50 mA时,电磁铁吸合铁片,弹簧片和触点分离,3、4断开;电流小于50 mA时,3、4接通。励磁线圈中允许通过的最大电流为100 mA。
(1)利用以下器材设计一个自动控制路灯的电路,在虚线框中画出电路原理图。
光敏电阻R1,符号为;
灯泡L,额定功率40 W,额定电压36 V,符号为 L;
保护电阻R2,符号为;
电磁开关,符号为;
蓄电池E,电压36 V,内阻很小;开关S,导线若干。
(2)回答下列问题:
①如果励磁线圈的电阻为200 Ω,励磁线圈允许加的最大电压为　　 　　 V,保护电阻R2的阻值范围是　　　　 Ω。
②在有些应用电磁开关的场合,为了安全,往往需要在电磁铁吸合铁片时,接线柱3、4之间从断开变为接通。为此,电磁开关内部结构应如何改造 请结合本题中电磁开关内部结构图说明 　 。
【答案】 (1)图见解析　
(2)①20　160~520　②见解析
【解析】 (1)要使光敏电阻能够对电路进行控制,且有光照时灯泡熄灭,则光敏电阻应与1、2串联,灯泡与3、4串联,电路图如图所示。
(2)①由题意知,最大电流为100 mA,励磁线圈电阻为200 Ω,则有Umax=ImaxR=100×10-3×
200 V=20 V,允许通过励磁线圈的电流最大值为100 mA,允许通过的电流最小值为50 mA,则有R2min=-R=160 Ω,R2max=-R=520 Ω,则阻值范围应为160~520 Ω。
②把触点从弹簧片右侧移到弹簧片左侧,保证当电磁铁吸合铁片时,3、4之间接通;不吸合时,3、4之间断开。
6.(12分)某实验小组为改装一电子秤,选用器材如下:电动势为3 V的电源(内阻不计)、量程为0~3 V的理想电压表、阻值为5 Ω的定值电阻R0、阻值随长度均匀变化的电阻丝R(长度为0.05 m,总阻值为25 Ω)、轻弹簧(电阻不计)、托盘、开关、导线等,实验原理如图甲所示;电阻丝的滑动端与轻弹簧上端相连,当托盘中没有放重物时,滑动触头恰好指在电阻丝的最上端,此时电压表示数为零,g取 10 m/s2。
(1)图甲中,定值电阻R0的主要作用是　　　　　　　　　　　　。
(2)弹簧所受弹力F与其形变量ΔL的关系如图乙所示,该弹簧的劲度系数为　　　　N/m;若按图甲所示进行实验,则电压表示数U与被测重物质量m成　 　　　(选填“正比”或“反比”)关系。
(3)小桦利用相同的器材提出另一实验方案,如图丙所示,若按此方案进行实验,则U与被测重物质量 m的关系式为　　　　　　(用m表示)。
(4)对比甲与丙两种方案,你觉得哪个方案更优 并写出你的理由: 　 。
【答案】 (1)防止出现短路,保护电源
(2)10 000　正比　(3)U=　(4)见解析
【解析】 (1)定值电阻R0的主要作用是防止电路出现短路,避免电路中电流过大,烧坏电源,从而起到保护电源的作用。
(2)由题中图像可得,图像的斜率表示弹簧的劲度系数,即k== N/m=10 000 N/m。对于题图甲,设电阻丝总长度为L,当托盘中放入质量为m的重物时,此时有F=kΔL=mg,则 ΔL=,则电压表的示数为U=·R=·=m=m,故电压表示数U与被测重物质量m成正比关系。
(3)若按题图丙方案进行实验,则电压表示数U与被测重物质量m的关系式为U=·Rx,
Rx=R=m,联立可得U=。
(4)对比甲与丙两种方案,显然甲方案更优,因为甲方案中电压表示数与重物质量成正比关系,电子秤的刻度可以在电压表上均匀标示出来。(共60张PPT)
4　自制简单的控制电路
[学习目标]　
1.了解简单的光控和温控电路的工作原理及敏感元件所起的作用。2.能够自己设计简单的自动控制电路。
探究·必备知识
「探究新知」
知识点一　光控LED灯
1.电路原理图
2.原理:有光照的情况下,光敏电阻的阻值只有几欧到几十欧,Q1的基极与发射极间电压 ,不能导通;Q2的发射极与基极间的电压也较 ,也不能导通,所以LED不会发光。无光照时,光敏电阻的阻值会达到MΩ量级。Q1的基极与发射极的电压 ,导通,Q2的发射极与基极间的电压较 ,导通,于是LED发光。
小
小
大
大
1.电路原理图
知识点二　温度报警器
2.原理:接通电源后,先调节 使蜂鸣器在常温下不发声。再用热水使
的温度升高,到达某一温度时蜂鸣器就会发出报警声。
R1
热敏电阻
「新知检测」
1.思考判断
(1)自动照明电路实现路灯晚上亮,白天不亮,是利用光控电路来实现的。
(　 　)
(2)通常的传感器可以直接用来进行自动控制。 (　 　)
(3)洗衣机的脱水传感器是根据温度变化控制脱水动作的。(　 　)
(4)电冰箱是利用温度传感器自动控温的。(　 　)
√
×
×
√
2.思维探究
(1)居家生活中,煤气泄漏会危及人身安全,需要加以防范。我们可以利用什么元件制作报警器
【答案】 (1)气敏元件。
(2)某家用汽车配备自动大灯,可以自动控制灯光的开启和关闭。比如白天突然进入隧道或者清晨、傍晚光线不好时,大灯自动打开照亮前路,使行车更安全。请问该过程是如何实现的
【答案】 (2)用光控开关控制大灯开启;光敏元件感受到的光照强度较弱时,开关接通,大灯亮起。
突破·关键能力
要点一　简单的光控电路设计
「情境探究」
小凯想把房间窗帘改成能自动开启、自动关闭的。他的设想是:白天房间要透光,也要防止太阳光直射室内,因此要用薄纱型的窗帘;傍晚太阳下山后,要用厚绒的窗帘。请你帮他设计电路并画出电路图,然后说明工作过程。
【答案】 电路图如图所示。
白天光照很强,照射到光敏控制器上,电阻很小,电流较大,电磁铁磁性强,吸引衔铁向下,使得触点b、c接触,电动机乙转动,关闭厚绒窗帘,同时开启薄纱窗帘;傍晚后光线很暗,光敏控制器接收光照少,电阻变大,电流很小,电磁铁磁性非常弱,弹簧将衔铁拉起,使b、a接触,电动机甲转动,关闭薄纱窗帘,同时开启厚绒窗帘。
「要点归纳」
1.普通二极管和发光二极管
(1)都具有单向导电性。
(2)发光二极管除了具有单向导电性外,导电时还能发光。普通的发光二极管是用磷化镓或氮化镓等半导体材料制成,直接将电能转化为光能,该类发光二极管的正向导通电压大于1.8 V。
2.晶体三极管
(1)晶体三极管能够把微弱的信号放大。晶体三极管的三极分别是发射极e、基极b和集电极c。
(2)传感器输出的电流或电压很微弱,用一个三极管可以放大几十倍以至上百倍。三极管的放大作用表现为基极b的电流对集电极c的电流起到了控制作用。
[例1] 为了节能环保,一些公共场所使用光控开关控制照明系统。光控开关可采用光敏电阻来控制,光敏电阻是阻值随着光的照度而发生变化的元件。照度可以反映光的强弱,光越强照度越大,照度单位为lx(勒克斯)。
(1)某光敏电阻R在不同照度下的阻值如下表,根据表中已知数据,在图甲所示的坐标系中描绘出了阻值随照度变化的曲线。
照度/lx 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
电阻/kΩ 5.8 3.7 2.8 2.3 2.0 1.8
(2)如图乙所示是街道路灯自动控制模拟电路,利用直流电源为电磁铁供电,利用照明电源为路灯供电。请设计电路能达到天亮灯熄、天暗灯亮的效果,并用笔画线代替导线完成电路连接。
【答案及解析】 (2)光敏电阻的电阻值随照度的增大而减小,所以白天时光敏电阻的电阻值小,电路中的电流值大,衔铁将被吸住,动触点与C接通;晚上时的光线暗,光敏电阻的电阻值大,电路中的电流值小,所以动触点与A接通。所以要达到晚上灯亮,白天灯灭,则路灯应接在A、B之间。
(3)用多用电表“×10 Ω”挡,按正确步骤测量图乙中电磁铁线圈电阻时,指针示数如图丙所示,则线圈的电阻为　　　　 Ω。已知当线圈中的电流大于或等于2 mA时,继电器的衔铁将被吸下。图中直流电源的电动势E=6 V,内阻忽略不计,滑动变阻器有三种规格可供选择:R1(0~10 Ω,2 A)、R2(0~200 Ω,1 A)、R3(0~1 750 Ω,0.1 A)。要求天色渐暗照度降低至1.0 lx时点亮路灯,滑动变阻器应选择　　　　(选填“R1”“R2”或“R3”)。为使天色更暗时才点亮路灯,应适当地　　　　(选填“增大”或“减小”)滑动变阻器的电阻。
140
R3
减小
求解传感器控制电路类问题的一般思路
(1)首先明确控制电路的工作原理。
(2)然后分清所应用的传感器及其特性。
(3)最后结合电路知识完成设计。
·名师点拨·
[针对训练1] (多选)如图所示,电源电动势为E,内阻为r,R1是定值电阻,R2是光敏电阻且其阻值随着光强的增强而减小,电表均为理想电表。闭合开关S,光强变化时,电源输出功率。P出以及电压表示数U随电流表示数I变化的关系图像可能正确的是(　 　)
BD
[A] [B] [C] [D]
要点二　温控电路的设计与应用
「情境探究」
现有热敏电阻、电热丝、电源、电磁继电器、滑动变阻器、开关各一个,导线若干,如图所示,试设计一个温控电路,要求温度低于某一温度时,电热丝自动通电供热,超过某一温度时,又可以自动断电,完善电路图并说明工作过程。
【答案】 热敏电阻与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路,电路图如图所示。
工作过程:闭合开关,当温度低于设计值时,热敏电阻阻值大,通过电磁继电器的电流不能使它工作,K接通,电热丝加热;当温度达到设计值时,热敏电阻阻值减小到某值,通过电磁继电器的电流达到工作电流,K断开,电热丝断电,停止供热。当温度低于设计值时,又重复前述过程。
「要点归纳」
1.温控电路:将热敏电阻作为控制元件,从而使需加热物体的温度在低于指定值时,电热器供电加热,否则断开加热电路。
2.温控传感器:按设定的温度自动接通和断开电路,控制电动机工作。
3.洗衣机中的水温传感器:根据环境温度和水温,自动控制洗涤时间。
[例2] 某一热敏电阻的阻值R随温度变化的图线如图甲所示,现要利用该热敏电阻组装一个报警系统,要求当热敏电阻的温度达到或超过60 ℃时,系统报警。提供的器材有热敏电阻报警器(内阻很小,流过的电流超过Ic时就会报
警,Ic约为 10 mA,流过的电流超过20 mA时,报警器可能损坏),电阻箱(最大阻值为999.9 Ω),直流电源(输出电压为18 V,内阻不计),滑动变阻器(最大阻值为2 000 Ω),单刀双掷开关一个,导线若干。
(1)由图甲可知,热敏电阻的阻值随温度的升高而
　　　　　　(选填“增大”或“减小”)。
减小
【解析】 (1)由题图甲可知,热敏电阻的阻值随温度的升高而减小。
(2)按图乙所示的电路图组装电路,并按照下列步骤调节此报警系统。
①电路接通前,滑动变阻器的滑片应置于　　　(选填“a”或“b”)端附近。
b
【解析】 (2)①为防止接通电源后,流过报警器的电流超过20 mA,可能会造成报警器损坏,滑动变阻器的滑片应置于b端。
②若已知该热敏电阻在60 ℃时阻值为650.0 Ω,则根据实验要求,先将电阻箱调到一固定的阻值,这一阻值为　　　　 Ω。
650.0
【解析】 ②本题采用的是等效替代法,先用变阻箱来代替热敏电阻,所以变阻箱的阻值要调节到系统报警时热敏电阻的临界电阻,也就是在60 ℃时的阻值,即650.0 Ω。
③将开关向　　 　(选填“c”或“d”)端闭合,缓慢移动滑动变阻器的滑片,直至报警器开始报警。
c
【解析】 ③先把变阻箱的电阻接入电路,即将开关向c端闭合,调节滑动变阻器的电阻,调至报警器开始报警,保持滑动变阻器的阻值不变,接到热敏电阻上,即开关接d端,当热敏电阻的阻值是650.0 Ω 时,也就是温度达到了60 ℃,报警器开始报警。报警系统即可正常使用。
(3)保持滑动变阻器滑片的位置不变,将开关向另一端闭合,报警系统即可正常使用。
(1)分析传感器工作原理时,要理解两个电路的连接情况,即明确控制电路和工作电路。
(2)明确温度传感器的工作原理,因温度变化,阻值变化,所以要注意结合闭合电路欧姆定律进行处理。
·名师点拨·
[针对训练2] 小卓利用热敏电阻设计了一个“过热自动报警电路”,如图甲所示。将热敏电阻R安装在需要探测温度的地方,当环境温度正常时,继电器的上触点接触,下触点分离,指示灯亮;当环境温度超过某一值时,继电器的下触点接触,上触点分离,警铃响。图乙是热敏电阻的阻值随温度变化的图像。
(1)图甲中警铃的接线柱C应与接线柱　　　　相连,指示灯的接线柱D应与接线柱　　　　相连。(均选填“A”或“B”)
B
A
【解析】 (1)由于B接通时警铃响,A接通时指示灯亮,因此C接B,D接A。
(2)当环境温度升高时,继电器的磁性将　　　 　(选填“增大”“减小”或“不变”)。
增大
【解析】 (2)由题图乙可知热敏电阻随温度升高,阻值减小,回路的电流增大,因此继电器的磁性增大。
(3)如果要使报警电路在更高的温度报警,下列方案可行的是　　　　。
A.适当减小U1 B.适当增大U1
C.适当减小U2 D.适当增大U2
A
【解析】 (3)由题图乙可知温度更高时,热敏电阻阻值更小,而报警电流不变,因此应适当降低U1值。故选A。
提升·核心素养
「模型·方法·结论·拓展」
自动控制电路的设计
1.根据题目给出的仪器和要求画出控制电路和工作电路
控制电路由电源、开关、光敏电阻(或热敏电阻等其他敏感元件)、电磁继电器和导线等组成;工作电路由电源、用电器(灯泡、电热丝或其他用电器)、导线等组成。这两个电路相互独立,又通过电磁继电器相关联,电磁继电器实际上是工作电路的开关。
2.分析自控电路的合理性
电路设计完成后,要对它的合理性进行分析,假设光照射光敏电阻或对热敏电阻加热,检查工作电路的接通和断开是否符合实际要求。例如,自控路灯电路的设计要求是白天切断工作电路,使路灯熄灭,晚上接通工作电路,使路灯发光。
[示例] 如图所示是一种自动控制水温的装置,加热电路的两个端点P、Q应接在触头a、b之间还是c、d之间 NTC(负温度系数热敏电阻)两端M、N应接在哪两个触头之间
【答案及解析】 P、Q应该分别接在触头a、b之间,同时,M、N应该分别接e、f,其工作原理是:当水温升高时,热敏电阻阻值减小,电磁铁中电流增大,吸引力增大,使衔铁被吸下,a、b断开,使加热装置停止加热;当水温降低到一定程度时,热敏电阻温度减小,电磁铁中电流减小,吸引力减小,衔铁被弹簧拉上去,使a、b之间连接,加热装置开始加热,从而实现水温控制。
「科学·技术·社会·环境」
漏电保护器
漏电保护器,简称漏电开关,又叫漏电断路器。主要是用来在设备发生漏电故障时以及发生有致命危险的人身触电时进行断路操作,具有过载和短路保护功能,可用来保护线路或电动机的过载和短路,亦可在正常情况下作为线路的不频繁转换启动之用。
漏电保护器一般可分为漏电保护继电器、漏电保护开关和漏电保护插座
三种。
(1)漏电保护继电器是指具有对漏电检测和判断的功能,而不具有切断和接通主回路功能的漏电保护装置。
(2)漏电保护开关是指不仅与其他断路器一样可将主电路接通或断开,而且具有对漏电检测和判断的功能的漏电保护装置,当主回路中发生漏电或绝缘破坏时,漏电保护开关可根据判断结果将主电路接通或断开。
(3)漏电保护插座是指能对漏电检测和判断并能切断回路的电源插座。其额定电流一般在20 A以下,漏电动作电流6~30 mA,灵敏度较高,常用于手持式电动工具和移动式电气设备的人身保护及家庭、学校等民用场所。
[示例] 小岚设计的家庭电路保护装置如图所示,铁芯左侧线圈L1由火线和零线并行绕成。当右侧线圈L2中产生电流时,电流经放大器放大后,使电磁铁吸起铁质开关S,从而切断家庭电路。仅考虑L1在铁芯中产生的磁场,下列说法不正确的是(　　)
[A] 家庭电路正常工作时,L2中的磁通量为零
[B] 家庭电路中使用的电器增多时,L2中的磁通量不变
[C] 家庭电路发生短路时,开关S将被电磁铁吸起
[D] 地面上的人接触火线发生触电时,开关S将被电磁铁吸起
C
【解析】 由于零线、火线中电流方向相反,产生的磁场方向相反,因此家庭电路正常工作时,L2中的磁通量为零,选项A正确;家庭电路短路和用电器增多时均不会引起L2中磁通量的变化,选项B正确,C错误;地面上的人接触火线发生触电时,线圈L1中磁场变化引起L2中磁通量的变化,产生感应电流,电磁铁吸起开关S,切断家庭电路,选项D正确。
检测·学习效果
1.如图电路中,电阻R随温度升高均匀增大,用这个电阻作探头测温,把电流表的刻度改为相应的温度刻度。下列说法正确的是(　　)
[A] 低温对应电流较大的刻度上,且温度刻度均匀
[B] 低温对应电流较大的刻度上,且温度刻度不均匀
[C] 高温对应电流较大的刻度上,且温度刻度均匀
[D] 高温对应电流较大的刻度上,且温度刻度不均匀
B
2.利用金属热电阻和负温度系数热敏电阻的阻值与温度之间的对应关系,除了可以测量温度,还可以有其他用途。如图所示,一些汽车的低油位报警装置采用负温度系数热敏电阻来检测油箱的警戒液位。下列说法正确的是
(　　)
[A] 当液面高于热敏电阻时,热敏电阻的热量会
被液体带走,温度基本不变,指示灯亮
[B] 给热敏电阻通一定电流,可利用热敏电阻对液体进行快速加热
[C] 当液体减少,液面低于热敏电阻时,热敏电阻温度升高,指示灯亮
[D] 无法通过热敏电阻的阻值变化来判断液面是否低于设定值
C
【解析】 如题图甲所示,若给热敏电阻通以一定电流时,热敏电阻会产生热,当液面高于热敏电阻时,热敏电阻的热量会被液体带走,温度基本不变,电阻较大,指示灯不亮,A错误;给热敏电阻通一定电流,热敏电阻会产生热,可当给液体进行加热时,因液体的温度较低,热敏电阻的阻值变化不大,电流较小,热量较小,液体温度升高得慢,因此利用热敏电阻对液体不能进行快速加热,B错误;如题图乙所示,当液体减少,液面低于热敏电阻时,热敏电阻温度升高,阻值较小,电流较大,指示灯亮,就显示出报警信号,C正确;因热敏电阻阻值与温度的变化是有一定关系的,这个关系可转变成电流的变化关系,可以由热敏电阻的阻值变化来判断液面是否低于设定值,D错误。
3.在新能源汽车中,纯电动汽车是一种采用单一蓄电池作为储能动力源的汽车,蓄电池的安全性至关重要,主要体现在对其温度的控制上,当电池温度过高时,必须立即启动制冷系统进行降温。图甲是小伟设计的模拟温控装置示意图,电磁继电器与热敏电阻RT、滑动变阻器RP串联接在电动势为5 V、内阻不计的电源两端。当电磁铁线圈(电阻不计)中的电流I大于或等于20 mA时,衔铁被吸合,热敏电阻置于温度监测区域,其阻值RT与温度t的关系如图乙所示,滑动变阻器的最大阻值为200 Ω。
(1)图甲中应将b端与　　　　　(选填“a”或“c”)端相连。
c
【解析】 (1)由题意可知,当控制电路电流达到20 mA时衔铁被吸合,制冷系统工作,所以题图甲中应将b端与c端相连。
(2)若设置电池温度为50 ℃时启动制冷系统,则滑动变阻器阻值应为
　　　　 Ω。
150
(3)该电路可设置启动制冷系统的最高温度是　　　　　 ℃。
74
【解析】 (3)当滑动变阻器的最大阻值为200 Ω时,热敏电阻的阻值RT′=R-RP′=250 Ω-200 Ω=50 Ω,由题图乙可知此时对应的温度为74 ℃,所以该电路可设置启动制冷系统的最高温度是74 ℃。
4.电控调光玻璃能根据光照强度自动调节玻璃的透明度,将光敏电阻Rx和定值电阻R0接在 9 V 的电源上,电源内阻不计,光敏电阻阻值随光强变化关系如下表所示:
[“光强”是表示光强弱程度的物理量,符号为E,单位为坎德拉(cd)]
(1)当光照强度为5 cd时,光敏电阻Rx的大小为　　　　 Ω。
光强E/cd 1 2 3 4 5
电阻值/Ω 18 9 6 4.5
3.6
(2)电控调光玻璃的原理是光照增强,光敏电阻Rx阻值变小,施加于玻璃两端的电压降低,玻璃透明度下降,反之则玻璃透明度上升。若电源电压不变,R0是定值电阻,下列电路图符合要求的是　　　　(填字母)。
A B C D
A
【解析】 (2)由题意可知,光敏电阻Rx与定值电阻R0串联连接,光照增强时,光敏电阻Rx阻值减小,电路中的总电阻减小,由欧姆定律可知,电路中的电流增大,由U=IR可知,R0两端的电压增大,因串联电路中总电压等于各分电压之和,所以Rx两端的电压减小,反之光照减弱时,光敏电阻Rx阻值增大,R0两端的电压减小,Rx两端的电压增大,则玻璃并联在R0两端时不符合,玻璃并联在Rx两端时符合,故A正确,C错误;若玻璃与电源并联,光照变化时,玻璃两端的电压不变,故B、D错误。
(3)已知定值电阻R0=9 Ω,用电压表测得定值电阻两端的电压为3 V,此时光照强度为　　　　 cd。
1
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