Question

小明利用实验室的电磁继电器、热敏电阻R₁、可变电阻器R₂等器件设计了一个恒温箱控制电路，如图1所示．其中“交流电源”是恒温箱加热器的电源（加热器在恒温箱内，图中未画出）；R₁处于恒温箱内，图2是小明通过实验测得的R₁的阻值随温度变化的关系曲线；电磁继电器的电源两端电压U=6V，电磁继电器线圈的电阻可不计，通过实验测得当电流为30mA时，电磁继电器的衔铁被吸合．

（1）请简述此恒温箱的工作过程．
（2）为什么恒温箱的加热器应该接在A、B端，而不能接在C、D端？
（3）如果要使恒温箱内预设的温度可调节范围是90℃～150℃，可供选择的可变电阻器R₂的电阻值有如下的几种：
A．0～100Ω　　　B．0～200Ω　　 C．0～1000Ω　　　 D．0～1500Ω
请问应选择哪一个可变电阻器？为什么？
（4）小明设计的这个控制电路，使用起来有何不足之处？请你提出一种解决的方案．

Answer 1

答：（1）恒温箱温控系统是由交流电加热电路和直流控制电路组成，适当调节变阻器R₂的阻值，利用热敏电阻R1的性能和阻值等使该系统能保证恒温箱的温度保持在预设的温度范围内．工作过程如下：
当恒温箱内的温度达到或者超过预设之最高温度时，热敏电阻R1的阻值下降，直流控制电路中电流增大，电磁继电器吸合衔铁，切断交流加热电路，恒温箱开始降温；
当恒温箱内的温度低于预设之最低温度时，热敏电阻R1的阻值增大，直流控制电路中电流减小，电磁继电器释放衔铁，交流加热电路接通，恒温箱又开始升温；
如此反复接通和断开交流加热电路，使恒温箱的温度保持在预设温度范围内．
（2）恒温箱的加热器应接在A、B端．
这样温度高于预设最高温度时，电磁继电器的衔铁吸合，停止加热；而温度低于预设温度时，电磁继电器的衔铁断开，进行加热．这样才能实现温度控制；
如果加热器在C、D两端，当温度高于预设温度时，R₁的阻值减小，电磁继电器的衔铁吸合，加热器继续工作，温度将更高，这样就无法实现恒温控制．
（3）应选择B可变电阻器．原因是：
电磁继电器吸合时的电流为30mA，则控制电路的总电阻为R_总=R₁+R₂=200Ω，
控制90℃时，由曲线图可知，R₁=50Ω，可变电阻值应为R₂=200Ω-50Ω=150Ω，
控制150℃时，由曲线图可知，R₁=30Ω，可变电阻值应为R₂=200Ω-30Ω=170Ω．
所以，要选一个能提供150Ω～170Ω阻值的可变电阻器，选择B即可满足上述阻值要求，又能便于调节，故选用B即可．
（4）不足之处：小明设计的这个电路，从理论上讲控制的只是一个固定的温度值，这样使用时，就会出现恒温箱内温度在某一固定值附近时，电磁继电器频繁通断的现象，这对电磁继电器和加热器电路的使用寿命是十分不利的．
解决方案：为了解决这个问题，可以设想制造一种继电器，当已经达到了预设的温度时，继电器达到吸合电流值（如此题中的30mA），这种继电器可以延长一段时间或限时到规定时间才吸合，从而断开被控制电路．当低于预设的温度时，通过继电器的电流小于吸合电流值，这种继电器同样可以延长一段时间或限时到规定时间才释放衔铁．从而实现继电器和加热电路有一个较长的稳定工作状态，达到既能实现恒温控制又能延长使用寿命的目的．（只要提出的设计合理即可）
分析：（1）恒温箱内热敏电阻R₁与可变电阻R₂、电磁铁组成的是控制电路，交流电源与恒温箱加热器组成的是工作电路，从恒温箱中的热敏电阻的变化入手，可描述此恒温箱的工作过程；
（2）AB端与CD端的不同在于一个是在电磁铁吸合时工作，一个是在电磁铁不吸引合时工作，从控制需要入手可分析为什么要将恒温箱的加热器接在AB端；
（3）利用串联电阻的关系，结合图象可确定要使恒温箱内预设的温度可调节范围是90℃～150℃，可变电阻器R₂的阻值范围；
（4）从实际使用中，当温度达到预设温度附近时电磁继电器的工作状况来分析，容易造成电磁继电器的频繁通断现象，不利于保持装置的使用寿命，从这一角度可提解决的方案．
点评：本题中提供的信息较多，问题也具有一定的思维深度，应在充分理解题意，明确电磁继电器结构和原理的基础上，结合图示进行解答．本题的突破口是对本装置工作过程的理解，难点是结合R₁的阻值随温度变化的关系曲线，来求解可供选择的可变电阻的规格．最后，对工作过程中实际遇到的频繁通判问题的处理，更是对我们提出了较高的要求，是一道难度较大的题目．