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5.4　自制简单的控制电路
学习目标
1.通过任务1及其活动,设计并制作简单的光控电路,能解释其工作原理。(科学思维、科学探究)
2.通过任务2及其活动,设计并制作简单的温度报警装置,能解释其工作原理。(科学思维、科学探究)
【自主预习·悟新知】
思考并回答问题。
思考:一火警报警器的部分电路示意图如图所示,其中R2为用半导体热敏材料制成的传感器(温度越高,其阻值越小),电流表为值班室内的显示器,a、b之间接报警器。当传感器R2所在处出现火情时,流过显示器的电流I2、报警器两端的电压U如何变化
正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)火灾报警器的敏感元件是光敏电阻。 (　　)
(2)当没有明火,而外界温度变化很大时,火灾报警器也能发出警报。 (　　)
(3)所有热敏电阻的阻值都随温度的升高而减小。 (　　)
(4)在温度报警装置中,感知温度变化的是热敏电阻。 (　　)
【合作探究·提素养】
任务1　制作光控电路
　　如图1所示,光控路灯可以根据光照强度的变化自动开启或关闭。怎样能够在天色暗到一定程度时让路灯自动开启,而在天明时自动熄灭 我们可以利用光敏电阻等一些器材设计一个电路来完成这一任务。其中一种光控电路如图2所示。
1.三极管有哪几个电极 设计光控电路为什么需要三极管

2.当光照较强时,RG的阻值较大还是较小 三极管基极b与发射极e之间的电压较大还是较小 此时灯泡是否发光


3.当光照较弱时,RG的阻值是较大还是较小 三极管基极b与发射极e之间的电压较大还是较小 此时灯泡是否发光


4.如果需要天色更暗时三极管才导通,需要调节可调电阻R1变大还是变小


　　下面提供了一种模拟路灯工作过程的光控LED灯,其方框图和电路图如图所示。
　　图中LED为发光二极管,用来模拟路灯;Q1为NPN型三极管,起到开关和放大的作用;Q2为PNP型三极管,起到二级放大驱动发光二极管发光的作用,RL为光敏电阻,R1为可调电阻,R2、R3为限流、保护电阻,防止支路电流过大。
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,可以导通,Q2的发射极与基极间的电压较大,可以导通,于是LED发光。
应用1　楼道照明电路设计
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
若将这两种开关配合使用,就可以使楼道里的灯变得“聪明”。这里的“聪明”指的是当天黑且有人走动时灯才通电工作,能节约电能。


应用2　光控电路分析
图1为电磁继电器自动双向开关,当D、E中通过的电流较小时,电磁铁磁性弱,A与B接线柱接通;当D、E中通过的电流增大到一定数值时,C与B接线柱接通。图2为应用电磁继电器和光敏电阻实现路灯自动开关的电路图,虚线框内为电磁继电器接入电路时的符号(M、N两接线柱分别与电磁继电器中接线柱A或C连接)。R为光敏电阻,R1为可调电阻,R0为保护电阻。开关S闭合,在光线暗时对路灯L供电,光线亮时对路灯L断电并同时接通LED。下列说法正确的是 (　　)
　　　　图1　　　　　　　　　图2
A.光敏电阻阻值随光照强度增大而增大
B.为使电路正常工作,图1中电磁继电器的A接线柱应与图2中N接线柱连接
C.为更好地节能环保,光线更暗时对路灯自动供电,可将R1的阻值调小
D.当LED出现断路故障时,电磁继电器将不能正常工作
A、B接通时,流过D、E的电流较小,说明光敏电阻的阻值较大。要实现光线更暗时对路灯自动供电,即总电流不变的情况下,看光敏电阻的变化,进而根据总电阻不变来判断与光敏电阻串联的R1的阻值应怎样调节。
任务2　制作温度报警器
　　传感器担负着信息的采集任务,在自动控制中发挥着重要作用,传感器能够将感受到的物理量(如温度、光、声等)转换成便于测量的量(通常是电学量)。例如热敏传感器,主要是应用了由半导体材料制成的热敏电阻,热敏电阻阻值随温度变化的图线如图1所示,图2是由热敏电阻Rt作为传感器制作的简单自动报警器线路图。
图1　　　　　　　　　图2
　　(1)为了使温度过高时报警器铃响,c应接在　　(选填“a”或“b”)处。
(2)若使启动报警器的温度提高些,应将滑动变阻器滑片P向　　(选填“左”或“右”)移动。
(3)如果在调试报警器达最低报警温度时,无论如何调节滑动变阻器滑片P都不能使报警器工作,且电路连接完好,各电路元件都能处于工作状态,则造成工作电路不能工作的原因可能是　　。
热敏电阻传感器
半导体热敏电阻是一种新型元件,它分两类,一类是随温度升高而电阻减小的热敏电阻,用符号①　　表示;另一类是随温度升高而电阻增大的热敏电阻,用符号②　　表示。
应用　制作简单的温控电路
某同学想设计一个温控电路,实验室提供了一个热敏电阻,但不知道具体参数,该同学进行了如下实验:
(1)探究热敏电阻的特性。他设计了如图1所示的电路,R0为电阻箱,R为热敏电阻,开关S、S1、S2先断开,滑动变阻器的滑片移到最　　(选填“左”或“右”)端。
(2)实验时,温控室的温度为t0,闭合S、S1,调节滑动变阻器的滑片,使电流表有合适的示数I0,现断开S1,闭合S2,滑动变阻器的滑片不动,调节电阻箱R0的阻值,当R0=90 Ω时,电流表的示数也为I0,则此室温下热敏电阻的阻值为　　Ω。多次改变温控室的温度,重复上述实验过程,测得多组热敏电阻在不同温度t下对应的阻值R,作出R-t图像,如图2所示,室温t0为　　℃。
(3)把这个热敏电阻接入图3所示的电路中,可以制作温控报警器。已知电源电压为9 V,内阻r=2 Ω,R2=50 Ω;当通过图中电流表的电流达到或超过0.5 A时,便触发报警器(图中未画出)报警。若要求开始报警时环境温度为80 ℃,图中R1阻值为　　Ω。(结果保留2位有效数字)
　　 图1　　　　　　　　　　图2
图3
本实验测量热敏电阻阻值时用了什么方法


【随堂检测·精评价】
1.(任务1)利用太阳能给LED路灯供电的自动控制电路的示意图如图所示。R是光敏电阻,R0是保护定值电阻,日光充足时,电磁继电器把衔铁吸下,G、H接入电路,太阳能电池板给蓄电池充电,光线不足时,衔铁被弹簧拉起,E、F接入电路,蓄电池给LED路灯供电,路灯亮起。下列关于该电路的说法正确的是 (　　)
A.该光敏电阻阻值随光照强度增大而增大
B.增大电源电动势可以增加路灯照明时间
C.并联更多的LED路灯可延长每天路灯照明时间
D.若蓄电池电量充足,增大保护电阻R0阻值可延长每天路灯照明时间
2.(任务1)(多选)光控路灯可以根据光照的变化自动开启或关闭,利用光敏电阻和晶体三极管制作的光控开关的电路原理图如图所示。当天色逐渐变暗时,LED灯自动点亮,下列说法正确的是 (　　)
A.光敏电阻RG的阻值逐渐变小
B.光敏电阻RG的电压变小
C.晶体三极管被导通
D.如果想要在更暗的时候LED灯被点亮,应将R1调大一点
3.(任务2)用电源、电磁继电器、滑动变阻器、绿灯泡、小电铃、半导体热敏电阻、开关、导线等组成的一个高温报警器电路图如图所示,要求正常情况时绿灯亮,有险情时电铃报警,则图中的甲、乙、丙分别是 (　　)
A.小电铃、半导体热敏电阻、绿灯泡
B.绿灯泡、小电铃、半导体热敏电阻
C.半导体热敏电阻、小电铃、绿灯泡
D.半导体热敏电阻、绿灯泡、小电铃
4.(任务2)基于热敏电阻对温度敏感原理制作一个火灾报警系统,要求热敏电阻温度升高至50 ℃时,系统开始自动报警。所用器材有:
直流电源E(36 V,内阻不计);
电流表(量程为0~250 mA,内阻约为0.1 Ω);
电压表(量程为0~50 V,内阻约为1 MΩ);
热敏电阻RT;
报警器(内阻很小,流过的电流超过10 mA时就会报警,超过30 mA时就会损伤);
滑动变阻器R1(最大阻值为4000 Ω);
电阻箱R2(最大阻值为9999.9 Ω);
单刀单掷开关S1;
单刀双掷开关S2;
导线若干。
(1)用图1所示的电路测量热敏电阻RT的阻值。当温度为27 ℃时,电压表的示数为30.0 V,电流表的示数为15.0 mA;当温度为50 ℃时,调节R1,使电压表的示数仍为30.0 V,电流表指针位置如图2所示。温度为50 ℃ 时,热敏电阻的阻值为　　Ω。从实验原理上看,该方法测得的阻值比真实值略微　　(选填“偏大”或“偏小”)。如果热敏电阻阻值随温度升高而变大,则其为正温度系数热敏电阻,反之为负温度系数热敏电阻。基于以上实验数据可知,该热敏电阻RT为　　(选填“正”或“负”)温度系数热敏电阻。
(2)某同学搭建一套基于该热敏电阻的火灾报警系统,实物图连线如图3所示,其中有一个器件的导线连接有误,该器件为　　(填器件名称)。正确连接后,先使用电阻箱R2进行调试,其阻值设置为　　Ω,滑动变阻器R1阻值从最大逐渐减小,直至报警器开始报警,此时滑动变阻器R1连入电路的阻值为　　Ω。调试完毕后,再利用单刀双掷开关S2的选择性开关功能,把热敏电阻RT接入电路,可方便实现调试系统和工作系统的切换。
答案与解析
自主预习·悟新知
思考:当传感器R2所在处出现火情时,R2的阻值减小,则外电路总电阻减小,由闭合电路欧姆定律可知,电路中的总电流将增大,由U=E-Ir可知,路端电压减小,即报警器两端的电压U将减小;因总电流I增大,则R1两端的电压增大,并联部分的电压减小,则可知流过R3的电流I3减小,流过R2的电流I2=I-I3变大。
判断　(1)√　(2)×　(3)×　(4)√　
合作探究·提素养
任务1
问题引领
1.三极管由三个电极组成,分别是发射极e、基极b和集电极c。由于光敏电阻的工作电流很微弱,不能直接驱动执行机构工作,因此一般都需要配置一定的放大电路实现控制。而三极管的一个重要特性就是,从基极b输入一个较小的电流,就会在集电极c获得较大的电流。并且,三极管还具有完成断路和接通的开关作用。
2.当光照较强时,RG的阻值较小,三极管基极b与发射极e之间的电压较小,此时三极管不导通,继电器所在的回路相当于断路,灯泡不亮。
3.当光照较弱时,RG的阻值较大,三极管基极b与发射极e之间的电压较大,此时三极管会导通,驱动继电器吸合而点亮小灯泡L。
4.可调电阻R1更大,则RG的阻值需要更大才能达到所需要的电压,所以如果需要天色更暗时三极管才导通,需要调节可调电阻R1变大。
应用探究
例1　D　【解析】白天不需要灯照明,天黑以后,没有人走动时也不需要灯照明,只有当天黑且有人走动时,才需要灯照明。分析可知D项中,当天黑且有人走动时,光控开关和声控开关同时闭合,电路接通,灯亮照明,D项符合题意。
例2　C　【解析】由题意可知,光线较暗时,接通M接线柱,图1中电磁继电器的A接线柱应与图2中M接线柱连接,此时A、B接通,流过D、E的电流较小,可知光敏电阻的阻值较大,光敏电阻阻值随光照强度减小而增大,A、B两项错误;电磁铁的磁性强弱与电流的大小有关,电流小到一定值,A、B接通,光线更暗时,光敏电阻的阻值更大,根据I=可知,要实现光线更暗时对路灯自动供电,可将R1的阻值调小,C项正确;当LED出现断路故障时,不影响电磁继电器部分的电路,电磁继电器可以正常工作,D项错误。
任务2
问题引领
(1)a　(2)左　(3)见解析
【解答】(1)从所给的图线可知,热敏电阻阻值随温度的升高而减小,从而使电路中的电流增大,要求温度过高时报警器铃响,则c应接在a处时电路才会接通。
(2)滑动变阻器滑片P向左移动时,会使启动报警的温度提高。
(3)当电路连接完好且各元件都处于工作状态而电路又不能工作时,说明电路中电流过小,磁铁的磁性太弱,以致不能控制右侧的电路接通,原因有多种,可能是电源端电压过小,也可能是线圈的匝数过少,还可能是弹簧的劲度系数过大等。
知识生成　①NTC　②PTC
应用探究
例3　【答案】(1)左　(2)90　30　(3)20
【提示】替代法。
【解析】(1)为保护用电器的使用安全,滑动变阻器的滑片应移到最左边,确保闭合开关瞬间,流过电流表的电流为零。
(2)实验中,用电阻箱代替热敏电阻,二者阻值相等。在图2中找到纵轴坐标为90 Ω的图线上对应的横轴坐标为30 ℃。
(3)在图2中读出环境温度为80 ℃时热敏电阻的阻值为30 Ω,根据闭合电路欧姆定律有I=,代入数据,得R1=20 Ω。
随堂检测·精评价
1.D　【解析】日光充足时,电磁继电器把衔铁吸下,G、H接入电路,可知电流增大,而蓄电池电动势不变,根据闭合电路欧姆定律,可知控制电路的电阻变小,因此当日光充足时,光敏电阻R减小,A项错误;在电阻不变的情况下增大电源电动势,控制电路电流增大,电磁继电器会把衔铁吸下,路灯不亮,因此减少了路灯照明时间,B项错误;LED路灯的盏数不影响控制电路,若考虑蓄电池的容量,则并联更多的LED路灯亮起时会更快地消耗电能,反而会减少路灯的照明时间,C项错误;增大保护电阻R0,需要更强的光线照射光敏电阻,才能使路灯断开,增加了路灯照明时间,D项正确。
2.CD　【解析】由光敏电阻的特性可知,光照越弱,电阻越大,光敏电阻的分压越大,晶体三极管被导通,想要在更暗的时候接通LED灯,即光敏电阻的阻值更大才能分得与之前相同的电压,R1电阻应调大,C、D两项正确。
3.C　【解答】根据要求,在常温下,电磁铁磁性较弱,不能将衔铁吸下,即甲阻值较大,此时绿灯所在电路接通,绿灯亮,所以丙为绿灯,甲是半导体热敏电阻;温度升高,热敏电阻阻值减小,控制电路电流增大时,电磁铁磁性增强,将衔铁吸下,丙电路断开,乙电路接通,电铃响,所以乙为小电铃。C项正确。
4.(1)600　偏大　负　(2)滑动变阻器R1　600　3000
【解析】(1)由图2可知,电流表的示数为50 mA,则此时热敏电阻的阻值RT===600 Ω。该方法所测电流值为真实电流值,所测电压值为热敏电阻和电流表两端的总电压,故根据R=可知此时所测电阻值偏大。在相同电压下,温度越高,通过热敏电阻的电流越大,说明热敏电阻的阻值随温度的升高而降低,故RT为负温度系数热敏电阻。
(2)滑动变阻器R1的导线连接有误,两根导线都连接在上端,无法起到改变接入电阻阻值的作用,应一上一下连接。先使用电阻箱R2进行调试,其阻值设置为RT的自动报警电阻,即600 Ω才可对其进行调试。此时要求刚好在50 ℃时自动报警,则通过电路的电流10 mA,报警器和电流表的电阻很小,可忽略不计,可得此时滑动变阻器的阻值R1=-RT=3000 Ω。

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