Question

（2008全國(guó)初中應(yīng)用物理知識(shí)競(jìng)賽復(fù)賽）小明利用實(shí)驗(yàn)室的電磁繼電器、熱敏電阻R₁、可變電阻器R₂等器件設(shè)計(jì)了一個(gè)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(huà)出）；R₁處于恒溫箱內(nèi)，圖2是小明通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的R₁的阻值隨溫度變化的關(guān)系曲線(xiàn)；電磁繼電器的電源兩端電壓U = 6 V，電磁繼電器線(xiàn)圈的電阻可不計(jì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得當(dāng)電流為30mA時(shí)，電磁繼電器的銜鐵被吸合。

(1)．請(qǐng)簡(jiǎn)述此恒溫箱的工作過(guò)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(qǐng)問(wèn)應(yīng)選擇哪一個(gè)可變電阻器？為什么？

(4)．小明設(shè)計(jì)的這個(gè)控制電路，使用起來(lái)有何不足之處？請(qǐng)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(guò)程如下：
當(dāng)恒溫箱內(nèi)的溫度達(dá)到或者超過(guò)預(yù)設(shè)之最高溫度時(shí)，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(kāi)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(shí)，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(kāi)始升溫。如此反復(fù)接通和斷開(kāi)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(shí)，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(shí)，電磁繼電器的銜鐵斷開(kāi)，進(jìn)行加熱。這樣才能實(shí)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(shí)，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(wú)法實(shí)現(xiàn)恒溫控制.。
（3）．電磁繼電器吸合時(shí)的電流為30mA，則控制電路的總電阻為R_總=R₁+R₂=200Ω，
控制90℃時(shí)，由曲線(xiàn)圖可知，R₁=50Ω，可變電阻值應(yīng)為 R₂=200Ω-50Ω=150Ω。
控制150℃時(shí)，由曲線(xiàn)圖可知，R₁=30Ω，可變電阻值應(yīng)為 R₂=200Ω-30Ω=170Ω
所以，要選一個(gè)能提供150Ω～170Ω阻值的可變電阻器，選擇B即可滿(mǎn)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(jì)的這個(gè)電路，從理論上講控制的只是一個(gè)固定的溫度值，這樣使用時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)恒溫箱內(nèi)溫度在某一固定值附近時(shí)，電磁繼電器頻繁通斷的現(xiàn)象，這對(duì)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(gè)問(wèn)題，可以設(shè)想制造一種繼電器，當(dāng)已經(jīng)達(dá)到了預(yù)設(shè)的溫度時(shí)，繼電器達(dá)到吸合電流值（如此題中的30mA），這種繼電器可以延長(zhǎng)一段時(shí)間或限時(shí)到規(guī)定時(shí)間才吸合，從而斷開(kāi)被控制電路。當(dāng)?shù)陀陬A(yù)設(shè)的溫度時(shí)，通過(guò)繼電器的電流小于吸合電流值，這種繼電器同樣可以延長(zhǎng)一段時(shí)間或限時(shí)到規(guī)定時(shí)間才釋放銜鐵。從而實(shí)現(xiàn)繼電器和加熱電路有一個(gè)較長(zhǎng)的穩(wěn)定工作狀態(tài)，達(dá)到既能實(shí)現(xiàn)恒溫控制又能延長(zhǎng)使用壽命的目的。（說(shuō)明：只要提出的設(shè)計(jì)合理，即可得分）