磁控和熱控電路

　　在磁力自動控制電路中，傳感元件是干簧管，當(dāng)磁鐵靠近時，常開觸點(diǎn)閉合而接通傳感電路，完成位置傳感作用。
　　能不能用干簧管開關(guān)直接控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)與停呢？玩具電動機(jī)是常用的動力裝置，它能夠把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，可用于小電風(fēng)扇轉(zhuǎn)動、小離心水泵抽水等執(zhí)行功能。通常玩具直流電動機(jī)工作電壓低，雖然在1.5～3V就可以啟動，但起動電流較大（1～2安培），如果用觸點(diǎn)負(fù)荷僅為幾十毫安的干簧管進(jìn)行開關(guān)控制，將大大縮短其使用壽命。因此，在自動控制電路中，常使用電子開關(guān)來控制電動機(jī)的工作狀態(tài)。
　　三極管電子開關(guān)電路　見圖1 。由開關(guān)三極管VT，玩具電動機(jī)M，控制開關(guān)S，基極限流電阻器R和電源GB組成。VT采用NPN型小功率硅管8050，其集電極最大允許電流ICM可達(dá)1.5A，以滿足電動機(jī)起動電流的要求。M選用工作電壓為3V的小型直流電動機(jī)，對應(yīng)電源GB亦為3V 。
　　VT基極限流電阻器R如何確定呢？根據(jù)三極管的電流分配作用，在基極輸入一個較弱的電流IB，就可以控制集電極電流IC有較強(qiáng)的變化。假設(shè)VT電流放大系數(shù)h_fe≈250，電動機(jī)起動時的集電極電流IC＝1.5A，經(jīng)過計算，為使三極管飽和導(dǎo)通所需的基極電流IB≥（1500mA／250）×2＝12mA。在圖1電路中，電動機(jī)空載時運(yùn)轉(zhuǎn)電流約為500mA，此時電源（用兩節(jié)5號電池供電）電壓降至2.4V，VT基極-發(fā)射極之間電壓V_BE≈0.9V。根據(jù)歐姆定律，VT基極限流電阻器的電阻值R＝（2.4－0.9）V／12mA≈0.13kΩ。考慮到VT在IC較大時，h_fe要減小，電阻值R還要小一些，實取100Ω。為使電動機(jī)更可靠地啟動，R甚至可減少到51Ω。在調(diào)試電路時，接通控制開關(guān)S，電動機(jī)應(yīng)能自行啟動，測量VT集電極—發(fā)射極之間電壓V_CE≤0.35V，說明三極管已飽和導(dǎo)通，三極管開關(guān)電路工作正常，否則會使VT過熱而損壞。
　　自動滅火的熱量自動控制電路　見圖2。該電路是將圖1中的控制開關(guān)S換成雙金屬復(fù)片開關(guān)ST，就成為熱控電路了。當(dāng)蠟燭火焰燒烤到雙金屬復(fù)片時，復(fù)片趨于伸直狀態(tài)，使得開關(guān)ST接通，電動機(jī)啟動，帶動小風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)，對準(zhǔn)蠟燭吹風(fēng)，自動將火焰熄滅；當(dāng)雙金屬片冷卻后，開關(guān)斷開，小電風(fēng)扇自動停轉(zhuǎn)，完成了自動滅火的程序。
　　自動停車的磁力自動控制電路　見圖3。開啟電源開關(guān)S，玩具車啟動，行駛到接進(jìn)磁鐵時，安裝在VT基極與發(fā)射極之間的干簧管SQ閉合，將基極偏置電流短路，VT截止，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動，保護(hù)了電動機(jī)及避免大電流放電。

光電控制電路

　　在光電自動控制電路中，可以選用光敏電阻器做為光電傳感元件。能否將光敏電阻器直接接入圖1控制開關(guān)S的位置呢？通常光敏電阻器，例如MG45有光照射時的亮阻2～10kΩ，遠(yuǎn)大于偏置電阻器R的電阻值，顯然不能產(chǎn)生維持VT飽和導(dǎo)通所需強(qiáng)度的基極電流。因此，需要先用一支三極管進(jìn)行電流放大，再驅(qū)動開關(guān)三極管工作。
　　光電自動控制電路　見圖4。VT1和VT2接成類似復(fù)合管電路形式，VT1的發(fā)射極電流也是VT2的基極電流，R2既是VT1的負(fù)載電阻器又是VT2的基極限流電阻器。因此，當(dāng)VT1基極輸入微弱的電流（0.1mA），可以控制末級VT2較強(qiáng)電流——驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流（500mA）的變化。VT1選用小功率NPN型硅管9013，h_fe≈200。同前計算方法，維持兩管同時飽和導(dǎo)通時VT1基極偏置電阻器R1約為3.3kΩ，減去光敏電阻器RG亮阻2kΩ，限流電阻器R1實取1kΩ。光敏傳感器也可以采用光敏二極管，使用時要注意極性，光敏二極管的負(fù)極接供電電源正極。光敏二極管對控制光線有方向性選擇，且靈敏度較高，也不會產(chǎn)生強(qiáng)光照射后的疲勞現(xiàn)象。

水位控制電路

　　最簡單的水位傳感元件是采用兩個電極，當(dāng)水面淹沒電極時，利用不純凈水的導(dǎo)電性使電極之間導(dǎo)通，但導(dǎo)通電阻值較大，約50kΩ，不能代替光敏電阻器直接驅(qū)動如圖4所示的光控電路，需要靈敏更高的控制電路。
　　水位自動控制電路　如圖5所示。它是在圖4電路的基礎(chǔ)上，增加了一級前置放大管VT1，在其基極輸入很微弱的電流（10μA）就可以使VT1～3皆飽和導(dǎo)通。控制開關(guān)S可以用大頭針做成兩個電極，當(dāng)其被水淹沒而導(dǎo)電時，小電動機(jī)會自行運(yùn)轉(zhuǎn)。C1為旁路電容器，防止感應(yīng)交流電對控制電路的干擾。VT1選用低噪音、高增益的小功率NPN硅管9014。根據(jù)上述電路水位控制的功能，能否設(shè)計成一個感知下雨自動關(guān)窗、自動收晾曬衣服繩索的自動控制器。
　　下偏置水自動控制電路　見圖6 。圖中，將兩個電極改接在VT1下偏置，R1仍為上偏置電阻器。當(dāng)杯內(nèi)水面低于兩個電極時，相當(dāng)于下偏置開路，R1產(chǎn)生的偏置電流使電動機(jī)起動。當(dāng)水位上升到淹沒電極時，兩個電極之間被水導(dǎo)通，將R1產(chǎn)生的偏置電流旁路一部分，使VT1～3截止，電動機(jī)停轉(zhuǎn)，與圖5控制效果恰好相反。

自動報警電路

　　在簡易自動報警器中，常常采用蜂鳴器發(fā)聲或發(fā)光二極管發(fā)光產(chǎn)生示警信號。由于小型蜂鳴器驅(qū)動電流不大，簡化了電路設(shè)計。
　　驅(qū)動蜂鳴器的三極管開關(guān)電路　見圖7。HA為聲響指示器，采用低電壓（3V）蜂鳴器，其工作電流僅需十幾個毫安。VT選用9013，h_fe≈200，偏置電阻器R為15kΩ，VT的基極電流IB約0.1mA，集電極電流IC約為10mA，此時VT已經(jīng)飽和導(dǎo)通，其集電極—發(fā)射極之間電壓V_CE僅為0.05V 。
　　將圖7電路中的控制開關(guān)S換成干簧管開關(guān)，就改造成磁控聲響電路。將圖7電路中的R減小到10kΩ，控制開關(guān)S換成光敏電阻器或光敏二極管，就成為光控聲響電路。這些電路有什么作用呢？是否可以做為保險柜防盜報警，在打開柜門時，由于磁鐵離開干簧管或者保險柜外光線照射而報警。必要時可以將磁控元件、光敏元件接到下偏置，以滿足反相的控制效果。
　　濕度音響自動報警電路　見圖8。它同圖4光控電路相似，由兩級三極管組成，只是元器件參數(shù)不同。濕度報警電路需要使用對潮濕敏感的元件，可以在絕緣體上固定兩個電極，當(dāng)絕緣體吸水潮濕后，絕緣性能受到破壞而使電極間“漏電”，報警器示警。如果在蜂鳴器兩端并聯(lián)上由發(fā)光二極管和限流電阻器串聯(lián)而成的光指示信號器件，就成為濕度訊響報警電路。當(dāng)其檢測到潮濕信號時，自動發(fā)出燈光和音響示警信號。這個電路能否做為下雨、下霧或者嬰兒尿布尿濕告知器。如果怕吵醒嬰兒，可以去掉蜂鳴器而只保留光指示部分。
繼電器自控電路
　　上述電路有一個共同的特點(diǎn)，利用三極管開關(guān)直接驅(qū)動負(fù)載——玩具電動機(jī)、訊響器等，使得自控電路執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇受到牽制，繼電器電路就可以解決上述問題。
　　繼電器電路　見圖9 。繼電器K選用JRC—21F等超小型弱功率電磁繼電器，線圈電壓選6V，消耗功率0.36W。由于繼電器線圈工作電流60mA，比玩具電動機(jī)工作電流小，比蜂鳴器、發(fā)光二極管工作電流大，因此設(shè)計電路時各元件參數(shù)介于兩者之間，圖中參數(shù)供參考。在圖9繼電器電路中，F(xiàn)為銜鐵，D為常閉觸點(diǎn)，E為常開觸點(diǎn)。當(dāng)控制開關(guān)S閉合時，繼電器吸合，常開觸點(diǎn)F－E接通，發(fā)光二極管VD1點(diǎn)亮，R2為限流電阻器。圖9控制開關(guān)S換成干簧管開關(guān)、雙金屬復(fù)片開關(guān)，就可以進(jìn)行磁控和熱控自動控制了。繼電器觸點(diǎn)可以根據(jù)需要選用常開或常閉觸點(diǎn)。由于繼電器觸點(diǎn)與傳感控制電路隔離，選用JRX型繼電器，其觸點(diǎn)可以接220V交流電，直接驅(qū)動交流電用電器。這些簡單的自動控制器有什么用途呢？比如，利用熒（日）光燈中啟輝器中的雙金屬復(fù)片，改制成可控溫度傳感器，制作成簡易電子恒溫箱、酸奶器，甚至炕頭孵化雞蛋的過熱、過冷報警器等。
　　繼電器自動控制電路　如圖10～12所示。其中，圖10為繼電器光控電路，圖11為繼電器濕度控制電路，圖12為繼電器壓力控制電路。在圖12中，BZ為壓電陶瓷片，此時做為壓力傳感器，敲擊時能夠產(chǎn)生正、負(fù)尖頂脈沖電信號，加到控制電路輸入端，二極管VD1為負(fù)尖頂脈沖電流提供通路。電阻器R1和電容器C1組成充放電電路，以增加正向脈沖寬度，延長繼電器吸合的時間。實驗時，對壓電陶瓷片突然施加或減少壓力時，繼電器都會吸合、發(fā)光二極管點(diǎn)亮一次。如果將圖12改裝成聲控電路，還需要把壓電陶瓷片聲音傳感器產(chǎn)生微弱的電信號進(jìn)行放大，才能夠驅(qū)動繼電器電路工作。

小水塔自動供水電路

　　通常利用水塔向用戶自來水龍頭供水，而水塔則需要利用水泵向貯水箱不斷補(bǔ)充水，水多了會溢出，少了供水又會中斷，這就需要水位自動控制裝置。
　　小水塔水位自動控制電路　見圖13。它由水位傳感電極、控制電路、電動機(jī)（小離心水泵用）和電源等組成。控制電路由VT1、VT2和繼電器K等組成。當(dāng)水箱缺水時，水面低于B點(diǎn)，水位傳感電極A—B、B—C之間由于沒有被水淹沒而開路，VT1、VT2截止，繼電器呈釋放狀態(tài)，繼電器銜鐵F與常閉觸點(diǎn)D接觸，接通水泵電源GB2，小離心水泵電動機(jī)啟動，向貯水箱供水。當(dāng)水位上升至A點(diǎn)，水位傳感電極A—B之間被水淹沒，產(chǎn)生偏置電流使得VT1、VT2導(dǎo)通，繼電器吸合，常閉觸點(diǎn)斷開，小離心水泵停止供水。此時，繼電器銜鐵F與常開觸點(diǎn)E相觸，電源通過繼電器接通的常開觸點(diǎn)F－E以及C—B之間能微弱導(dǎo)電的水，繼續(xù)產(chǎn)生維持VT1、VT2導(dǎo)通所需的偏置電流，繼電器吸合。自控電路直到水位降至B點(diǎn)以下時，C—B之間開路，VT1、VT2截止，繼電器釋放，常閉觸點(diǎn)接通，小離心水泵開始供水。如此周而復(fù)始，完成水位自動控制作用。

　　小水塔水位自控電路線路板　見圖14、15（焊接面），尺寸45×33mm。線路板可以用刀刻除敷銅板上雙線之間的銅箔。

　　以上介紹了一組自動控制的模擬實驗電路，它雖然很簡單，卻孕育了自動控制技術(shù)的基本原理。希望青少年讀者能夠掌握自控電路設(shè)計思路，舉一反三，為你們高層次的小制作、小發(fā)明提供電子技術(shù)手段，預(yù)祝成功！