Question

小明利用實驗室的電磁繼電器、熱敏電阻R₁、可變電阻器R₂等器件設計了一個恒溫箱控制電路，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，圖中未畫出）；R₁處于恒溫箱內，圖2是小明通過實驗測得的R₁的阻值隨溫度變化的關系曲線；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，通過實驗測得當電流為30mA時，電磁繼電器的銜鐵被吸合．

（1）請簡述此恒溫箱的工作過程．
（2）為什么恒溫箱的加熱器應該接在A、B端，而不能接在C、D端？
（3）如果要使恒溫箱內預設的溫度可調節范圍是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
請問應選擇哪一個可變電阻器？為什么？
（4）小明設計的這個控制電路，使用起來有何不足之處？請你提出一種解決的方案．

Answer 1

答：（1）恒溫箱溫控系統是由交流電加熱電路和直流控制電路組成，適當調節變阻器R₂的阻值，利用熱敏電阻R1的性能和阻值等使該系統能保證恒溫箱的溫度保持在預設的溫度范圍內．工作過程如下：
當恒溫箱內的溫度達到或者超過預設之最高溫度時，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；
當恒溫箱內的溫度低于預設之最低溫度時，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；
如此反復接通和斷開交流加熱電路，使恒溫箱的溫度保持在預設溫度范圍內．
（2）恒溫箱的加熱器應接在A、B端．
這樣溫度高于預設最高溫度時，電磁繼電器的銜鐵吸合，停止加熱；而溫度低于預設溫度時，電磁繼電器的銜鐵斷開，進行加熱．這樣才能實現溫度控制；
如果加熱器在C、D兩端，當溫度高于預設溫度時，R₁的阻值減小，電磁繼電器的銜鐵吸合，加熱器繼續工作，溫度將更高，這樣就無法實現恒溫控制．
（3）應選擇B可變電阻器．原因是：
電磁繼電器吸合時的電流為30mA，則控制電路的總電阻為R_總=R₁+R₂=200Ω，
控制90℃時，由曲線圖可知，R₁=50Ω，可變電阻值應為R₂=200Ω-50Ω=150Ω，
控制150℃時，由曲線圖可知，R₁=30Ω，可變電阻值應為R₂=200Ω-30Ω=170Ω．
所以，要選一個能提供150Ω～170Ω阻值的可變電阻器，選擇B即可滿足上述阻值要求，又能便于調節，故選用B即可．
（4）不足之處：小明設計的這個電路，從理論上講控制的只是一個固定的溫度值，這樣使用時，就會出現恒溫箱內溫度在某一固定值附近時，電磁繼電器頻繁通斷的現象，這對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：為了解決這個問題，可以設想制造一種繼電器，當已經達到了預設的溫度時，繼電器達到吸合電流值（如此題中的30mA），這種繼電器可以延長一段時間或限時到規定時間才吸合，從而斷開被控制電路．當低于預設的溫度時，通過繼電器的電流小于吸合電流值，這種繼電器同樣可以延長一段時間或限時到規定時間才釋放銜鐵．從而實現繼電器和加熱電路有一個較長的穩定工作狀態，達到既能實現恒溫控制又能延長使用壽命的目的．（只要提出的設計合理即可）
分析：（1）恒溫箱內熱敏電阻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程；
（2）AB端與CD端的不同在于一個是在電磁鐵吸合時工作，一個是在電磁鐵不吸引合時工作，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）利用串聯電阻的關系，結合圖象可確定要使恒溫箱內預設的溫度可調節范圍是90℃～150℃，可變電阻器R₂的阻值范圍；
（4）從實際使用中，當溫度達到預設溫度附近時電磁繼電器的工作狀況來分析，容易造成電磁繼電器的頻繁通斷現象，不利于保持裝置的使用壽命，從這一角度可提解決的方案．
點評：本題中提供的信息較多，問題也具有一定的思維深度，應在充分理解題意，明確電磁繼電器結構和原理的基礎上，結合圖示進行解答．本題的突破口是對本裝置工作過程的理解，難點是結合R₁的阻值隨溫度變化的關系曲線，來求解可供選擇的可變電阻的規格．最后，對工作過程中實際遇到的頻繁通判問題的處理，更是對我們提出了較高的要求，是一道難度較大的題目．