Question

（2008全國初中應(yīng)用物理知識競賽復(fù)賽）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(shè)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(nèi)，圖中未畫出）；R₁處于恒溫箱內(nèi)，圖2是小明通過實驗測得的R₁的阻值隨溫度變化的關(guān)系曲線；電磁繼電器的電源兩端電壓U = 6 V，電磁繼電器線圈的電阻可不計，通過實驗測得當(dāng)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(yīng)該接在A、B端，而不能接在C、D端？

(3)．如果要使恒溫箱內(nèi)預(yù)設(shè)的溫度可調(diào)節(jié)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(yīng)選擇哪一個可變電阻器？為什么？

(4)．小明設(shè)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

解：（1）．恒溫箱溫控系統(tǒng)是由交流電加熱電路和直流控制電路組成，適當(dāng)調(diào)節(jié)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(tǒng)能保證恒溫箱的溫度保持在預(yù)設(shè)的溫度范圍內(nèi)。工作過程如下：
當(dāng)恒溫箱內(nèi)的溫度達到或者超過預(yù)設(shè)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(dāng)恒溫箱內(nèi)的溫度低于預(yù)設(shè)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(fù)接通和斷開交流加熱電路，使恒溫箱的溫度保持在預(yù)設(shè)溫度范圍內(nèi)。
（2）．恒溫箱的加熱器應(yīng)接在A、B端。這樣溫度高于預(yù)設(shè)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(yù)設(shè)溫度時，電磁繼電器的銜鐵斷開，進行加熱。這樣才能實現(xiàn)溫度控制。如果加熱器在C、D兩端，當(dāng)溫度高于預(yù)設(shè)溫度時，R1的阻值減小，電磁繼電器的銜鐵吸合，加熱器繼續(xù)工作，溫度將更高，這樣就無法實現(xiàn)恒溫控制.。
（3）．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(yīng)為 R₂=200Ω-50Ω=150Ω。
控制150℃時，由曲線圖可知，R₁=30Ω，可變電阻值應(yīng)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(diào)節(jié)，故選用B即可。
（4）．小明設(shè)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(xiàn)恒溫箱內(nèi)溫度在某一固定值附近時，電磁繼電器頻繁通斷的現(xiàn)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。為了解決這個問題，可以設(shè)想制造一種繼電器，當(dāng)已經(jīng)達到了預(yù)設(shè)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(guī)定時間才吸合，從而斷開被控制電路。當(dāng)?shù)陀陬A(yù)設(shè)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(guī)定時間才釋放銜鐵。從而實現(xiàn)繼電器和加熱電路有一個較長的穩(wěn)定工作狀態(tài)，達到既能實現(xiàn)恒溫控制又能延長使用壽命的目的。（說明：只要提出的設(shè)計合理，即可得分）