4 简单的光控和温控电路（选学）
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4 简单的光控和温控电路（选学）
点燃智慧火花
温度传感器的另一应用——电冰箱的温控装置
如图所示是某种电冰箱内温度控制器的结构，铜质的测温泡1，细管2和弹性金属膜盒3连成密封的系统，里面充有氯甲烷盒它的蒸汽，构成一个温度传感器，膜盒3为扁圆形，右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4连接，盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀，测温泡1安装在冰箱的冷藏室中。5、6分别是电路的动触点盒静触点，控制制冷压缩机的工作，拉簧7的两端分别连接到弹簧片4盒连杆9上。连杆9的下端是装在机箱上的轴。凸轮8是由设定温度的旋钮控制的，逆时针旋转时凸轮连杆上端右移，从而加大对弹簧7的拉力。
1. 自动控温原理
如图所示是某种电冰箱内温度控制器的结构，铜制的测温泡1、细管2和弹性金属膜盒3连通成密封的系统，里面充有氯甲烷和它的蒸汽，构成了一个温度传感器，膜盒为扁圆形，右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4连接，盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀，测温泡1安装在冰箱的冷藏室中。5、6分别是电路的动触点和静触点，控制制冷压缩机的工作，拉簧7的两端分别连接到弹簧片和连杆9上，连杆9的下端装在机箱上的轴，凸轮8是由设定温度的旋钮控制的，逆时针旋转时凸轮连杆上端右移，从而加大对弹簧7的拉力。当冷藏室里的温度升高时，1、2、3中的氯甲烷受热膨胀，弹性金属膜盒3的左端膨胀，推动弹簧片4向左转动，使5、6接触，控制的压缩机电路开始工作制冷，当温度下降到一定程度，氯甲烷受冷收缩，5、6又分开，制冷结束，直到下次温度升高再重复上述过程。
2. 温度设定原理
将凸轮8逆时针旋转，凸轮将连杆9向右顶，使得弹簧7弹力增大，此时要将5、6触点接通，所需要的力就要大些，温度要高一些，即温控挡应低一些（例如1级），顺时针旋转凸轮8，控制的温度低一些，控温挡要高一些。
课前自主学习
知识梳理
1．在电熨斗中，装有双金属片温度传感器，其作用是 控制温度 ，当温度发生变化时，双金属片的弯曲程度不同，从而能控制电路的通断。
2．电熨斗的自动控温原理：
常温下，上、下触点是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大_，下部金属膨胀小_，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电源，从而保持温度不变。
3．斯密特触发器是具有特殊功能的非门，常用符号表示。用斯密特触发器可以将连续变化的__模拟____信号转换为突变的__数字____信号。当加在斯密特触发器的输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6V)时，输出端Y会突然从__高___电平跳到___低___电平(0.25V)，而当输入端A的电压下降到另一个值时侯(0.8V)，输出Y从___低___电平跳到___高___电平(3.4V)。
课堂互动探究
【例1】如图－3所示的光控电路，用二极管LED模仿路灯，ＲG为光敏电阻，Ｒ1的最大电阻为,Ｒ2为，试分析其工作原理。
解析：白天，光强度较大，光敏电阻ＲG电阻值较小，加在斯密特触发器Ａ端的电压较低，则输出端Ｙ输出高电平，发光二极管LED不导通；当天色暗到一定程度时，ＲG的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端Ａ的电压上升到某个值(1.6V)，输出端Ｙ突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED导通发光(相当于路灯亮了)，这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的。
【例2】．图6－19是一个为警报器装置的逻辑电路图。RT是一个热敏电阻，低温时电阻值很大，高温时电阻值很小，R是一个阻值较小的分压电阻。
图6－19
(1)要做到低温时电铃不响，出现火灾时产生高温，电铃响起。在图中虚线处画出接入的斯密特触发器。
(2)为什么在高温时电铃会响起
(3)为了提高电路的灵敏度，即将报警温度调的低些，那么R的值应该大一些还是小一些？
答案：(1) ；(2)当温度较高时，热敏电阻的阻值减小，斯密特触发器的输入端A电位较低，斯密特触发器非门的输出端Y电位升高，电铃发声；(3)R的值应该调大一些
知能综合训练
1．如图6－24所示宽度为d、厚度为h的金属板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，当有电流I通过金属板时，在金属板上侧面A和下侧面间产生电势差，这种现象叫霍尔效应。若金属板内自由电子密度为n，则产生的电势差U＝______。
图6－24
解析：当电子所受的电场力与洛伦兹力平衡时，，即
又将以上各式代入。
答案：
2．如图6－25所示是电阻式温度计，一般是利用金属铂做的，已知铂丝的电阻随温度的变化情况，测出铂丝的电阻就可以知道其温度。这实际上是一个传感器，它是将______转化为______来进行测量的。
图6－25
解析：电阻式温度计是由金属铂制成的热电阻传感器，是一种温度传感器。
答案：温度，电阻
3．将普通热敏电阻、数字电流表、电源按图6－26连接；将烧杯装入2/3的水，用铁架台固定在加热器上。闭合开关S，当热敏电阻未放入水中时，电流表示数为I1，放入温水中时电流表示数为I2。热敏电阻放在热水中，若示数为I3，则I1______I2______I3(选填“大于”、“等于”或“小于”)。
图6－26
解析：热敏电阻随着温度升高电阻阻值减小，由闭合电路的欧姆定律，电阻逐渐减小，电路中电流逐渐增大。
答案：小于，小于
4．可以用型号为74LS14的非门集成电路，发光二极管和限流电阻来组成一个逻辑电平检测器，电路如图所示。使用时，将检测器的输入端Ａ接到被测点。
请分析：当被测点为高电平时，LED是否发光？低电平时呢？说出道理。
答案：当被测点为高电平时，斯密特触发器输入端Ａ为高电平，则输出端Ｙ为低电平，故LED发光；当被测点为低电平时，Ａ即为低电平，则输出端Ｙ为高电平，LED不发光。
5．逻辑电路在电子线路中有着重要的应用．某同学利用“非”门电路设计了一个路灯自动控制门电路．天黑了，让路灯自动接通；天亮了，让路灯自动熄灭．图中RG是一个光敏电阻，当有光线照射时，光敏电阻的阻值会显著减小．R是可调电阻，起分压作用．“非”门电路能将输入的高压信号转变为低压信号，或将低压信号转变为高压信号，J为路灯总开关控制继电器，它在获得高电压时才启动(图中未画路灯电路)．
(1)当天黑时，RG变________“非”门电路获得________电压，J得到________电压．(填“大”“小”或“高”“低”)
(2)如果路灯开关自动接通时天色还比较亮，现要调节自动控制装置，使得它在天色较黑时才会自动接通开关，应将R调________(填“大”或“小”)一些．
解析：(1)天黑时，光线减弱，光敏电阻RG变大，A端输入低电压，Y端输出高压信号，J得到高压，开始控制路灯工作．(2)如果路灯开关自动接通时天色还比较亮，应将R调大，A端输入电压较高，当天色较黑时，RG的电阻变大，A端的电压降低，Y端的电压升高，J得到高压，开始控制路灯工作．
答案：(1)大 低 高 (2)大
6．现有热敏电阻R1、电炉丝R、电源E、电磁继电器、滑动变阻器R2、开关和若干导线。如图6－29所示，试设计一个控温电路。要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又自动断电，画出电路图并说明工作原理。
图6－29
分析与解答：把热敏电阻R1与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路。
(1)电路图如答案图6－3所示。
答案图6－3
(2)工作过程，闭合S，当温度低于设计值时，热敏电阻阻值大，通过电磁继电器电流不能使它工作，K接通电炉丝加热，当温度达到设计值时，热敏电阻减小到某值，通过电磁继电器的电流达到工作电流，K断开，电炉丝断电，停止加热，当温度低于设计值，又重复前述过程。
7．如图所示为一种悬球式加速仪，它可以用来测定沿水平轨道运动的列车的加速度，金属球的质量为m，它系在金属丝的下端，金属丝的上端悬挂在O点，AB是一根长为L的均匀电阻丝，其阻值为R，金属丝与电阻丝接触良好，摩擦不计。电阻丝的中心C焊接一根导线，从O点也引出一根导线，两线之间接入一个电压表V，图中虚线OC与AB垂直，且OC=h，电阻丝AB接在电压为U的直流稳压电源上，整个装置固定在列车中使AB沿前进的方向。列车静止时金属丝处于竖直状态，当加速或减速时，金属丝将偏离竖直方向，从电压表V的读数变化可以测出加速度的大小，则：
⑴当列车向右匀加速直线运动时，试导出加速度a与电压表读数U＇的关系式；
⑵用导出的关系式说明表盘上a的刻度是否均匀；
分析与解答：
（1） 对小球进行受力分析可知mgtgθ=ma………………………………………………①
AB电阻丝分成三段，即AD、DC、CB三段串联，电压表接在CD段的二端，测CD段电阻丝所分得的电压。由几何关系得LCD=htgθ，由分压原理可得：htgθ/L=U`/U…………②
联立①、②解得a=gLU`/Uh。
（2）由于加速度a与电压表的示数U`成正比，可将电压表对应的刻度对应地改成加速度a的刻度，所以加速度的刻度与电压表的刻度一样是均匀的。
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4 简单的光控和温控电路（选学）
点燃智慧火花
温度传感器的另一应用——电冰箱的温控装置
如图所示是某种电冰箱内温度控制器的结构，铜质的测温泡1，细管2和弹性金属膜盒3连成密封的系统，里面充有氯甲烷盒它的蒸汽，构成一个温度传感器，膜盒3为扁圆形，右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4连接，盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀，测温泡1安装在冰箱的冷藏室中。5、6分别是电路的动触点盒静触点，控制制冷压缩机的工作，拉簧7的两端分别连接到弹簧片4盒连杆9上。连杆9的下端是装在机箱上的轴。凸轮8是由设定温度的旋钮控制的，逆时针旋转时凸轮连杆上端右移，从而加大对弹簧7的拉力。
1. 自动控温原理
如图所示是某种电冰箱内温度控制器的结构，铜制的测温泡1、细管2和弹性金属膜盒3连通成密封的系统，里面充有氯甲烷和它的蒸汽，构成了一个温度传感器，膜盒为扁圆形，右表面固定，左表面通过小柱体与弹簧片4连接，盒中气体的压强增大时，盒体就会膨胀，测温泡1安装在冰箱的冷藏室中。5、6分别是电路的动触点和静触点，控制制冷压缩机的工作，拉簧7的两端分别连接到弹簧片和连杆9上，连杆9的下端装在机箱上的轴，凸轮8是由设定温度的旋钮控制的，逆时针旋转时凸轮连杆上端右移，从而加大对弹簧7的拉力。当冷藏室里的温度升高时，1、2、3中的氯甲烷受热膨胀，弹性金属膜盒3的左端膨胀，推动弹簧片4向左转动，使5、6接触，控制的压缩机电路开始工作制冷，当温度下降到一定程度，氯甲烷受冷收缩，5、6又分开，制冷结束，直到下次温度升高再重复上述过程。
2. 温度设定原理
将凸轮8逆时针旋转，凸轮将连杆9向右顶，使得弹簧7弹力增大，此时要将5、6触点接通，所需要的力就要大些，温度要高一些，即温控挡应低一些（例如1级），顺时针旋转凸轮8，控制的温度低一些，控温挡要高一些。
课前自主学习
知识梳理
1．在电熨斗中，装有双金属片温度传感器，其作用是 控制温度 ，当温度发生变化时，双金属片的弯曲程度不同，从而能控制电路的通断。
2．电熨斗的自动控温原理：
常温下，上、下触点是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大_，下部金属膨胀小_，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电源，从而保持温度不变。
3．斯密特触发器是具有特殊功能的非门，常用符号表示。用斯密特触发器可以将连续变化的__模拟____信号转换为突变的__数字____信号。当加在斯密特触发器的输入端A的电压逐渐上升到某个值(1.6V)时，输出端Y会突然从__高___电平跳到___低___电平(0.25V)，而当输入端A的电压下降到另一个值时侯(0.8V)，输出Y从___低___电平跳到___高___电平(3.4V)。
课堂互动探究
【例1】如图－3所示的光控电路，用二极管LED模仿路灯，ＲG为光敏电阻，Ｒ1的最大电阻为,Ｒ2为，试分析其工作原理。
解析：白天，光强度较大，光敏电阻ＲG电阻值较小，加在斯密特触发器Ａ端的电压较低，则输出端Ｙ输出高电平，发光二极管LED不导通；当天色暗到一定程度时，ＲG的阻值增大到一定值，斯密特触发器的输入端Ａ的电压上升到某个值(1.6V)，输出端Ｙ突然从高电平跳到低电平，则发光二极管LED导通发光(相当于路灯亮了)，这样就达到了使路灯天明熄灭，天暗自动开启的目的。
【例2】．图6－19是一个为警报器装置的逻辑电路图。RT是一个热敏电阻，低温时电阻值很大，高温时电阻值很小，R是一个阻值较小的分压电阻。
图6－19
(1)要做到低温时电铃不响，出现火灾时产生高温，电铃响起。在图中虚线处画出接入的斯密特触发器。
(2)为什么在高温时电铃会响起
(3)为了提高电路的灵敏度，即将报警温度调的低些，那么R的值应该大一些还是小一些？
答案：(1) ；(2)当温度较高时，热敏电阻的阻值减小，斯密特触发器的输入端A电位较低，斯密特触发器非门的输出端Y电位升高，电铃发声；(3)R的值应该调大一些
知能综合训练
1．如图6－24所示宽度为d、厚度为h的金属板放在垂直于它的磁感应强度为B的匀强磁场中，当有电流I通过金属板时，在金属板上侧面A和下侧面间产生电势差，这种现象叫霍尔效应。若金属板内自由电子密度为n，则产生的电势差U＝______。
图6－24
解析：当电子所受的电场力与洛伦兹力平衡时，，即
又将以上各式代入。
答案：
2．如图6－25所示是电阻式温度计，一般是利用金属铂做的，已知铂丝的电阻随温度的变化情况，测出铂丝的电阻就可以知道其温度。这实际上是一个传感器，它是将______转化为______来进行测量的。
图6－25
解析：电阻式温度计是由金属铂制成的热电阻传感器，是一种温度传感器。
答案：温度，电阻
3．将普通热敏电阻、数字电流表、电源按图6－26连接；将烧杯装入2/3的水，用铁架台固定在加热器上。闭合开关S，当热敏电阻未放入水中时，电流表示数为I1，放入温水中时电流表示数为I2。热敏电阻放在热水中，若示数为I3，则I1______I2______I3(选填“大于”、“等于”或“小于”)。
图6－26
解析：热敏电阻随着温度升高电阻阻值减小，由闭合电路的欧姆定律，电阻逐渐减小，电路中电流逐渐增大。
答案：小于，小于
4．可以用型号为74LS14的非门集成电路，发光二极管和限流电阻来组成一个逻辑电平检测器，电路如图所示。使用时，将检测器的输入端Ａ接到被测点。
请分析：当被测点为高电平时，LED是否发光？低电平时呢？说出道理。
答案：当被测点为高电平时，斯密特触发器输入端Ａ为高电平，则输出端Ｙ为低电平，故LED发光；当被测点为低电平时，Ａ即为低电平，则输出端Ｙ为高电平，LED不发光。
5．逻辑电路在电子线路中有着重要的应用．某同学利用“非”门电路设计了一个路灯自动控制门电路．天黑了，让路灯自动接通；天亮了，让路灯自动熄灭．图中RG是一个光敏电阻，当有光线照射时，光敏电阻的阻值会显著减小．R是可调电阻，起分压作用．“非”门电路能将输入的高压信号转变为低压信号，或将低压信号转变为高压信号，J为路灯总开关控制继电器，它在获得高电压时才启动(图中未画路灯电路)．
(1)当天黑时，RG变________“非”门电路获得________电压，J得到________电压．(填“大”“小”或“高”“低”)
(2)如果路灯开关自动接通时天色还比较亮，现要调节自动控制装置，使得它在天色较黑时才会自动接通开关，应将R调________(填“大”或“小”)一些．
解析：(1)天黑时，光线减弱，光敏电阻RG变大，A端输入低电压，Y端输出高压信号，J得到高压，开始控制路灯工作．(2)如果路灯开关自动接通时天色还比较亮，应将R调大，A端输入电压较高，当天色较黑时，RG的电阻变大，A端的电压降低，Y端的电压升高，J得到高压，开始控制路灯工作．
答案：(1)大 低 高 (2)大
6．现有热敏电阻R1、电炉丝R、电源E、电磁继电器、滑动变阻器R2、开关和若干导线。如图6－29所示，试设计一个控温电路。要求温度低于某一温度时，电炉丝自动通电供热，超过某一温度时，又自动断电，画出电路图并说明工作原理。
图6－29
分析与解答：把热敏电阻R1与滑动变阻器及电磁继电器构成低压控制电路。
(1)电路图如答案图6－3所示。
答案图6－3
(2)工作过程，闭合S，当温度低于设计值时，热敏电阻阻值大，通过电磁继电器电流不能使它工作，K接通电炉丝加热，当温度达到设计值时，热敏电阻减小到某值，通过电磁继电器的电流达到工作电流，K断开，电炉丝断电，停止加热，当温度低于设计值，又重复前述过程。
7．如图所示为一种悬球式加速仪，它可以用来测定沿水平轨道运动的列车的加速度，金属球的质量为m，它系在金属丝的下端，金属丝的上端悬挂在O点，AB是一根长为L的均匀电阻丝，其阻值为R，金属丝与电阻丝接触良好，摩擦不计。电阻丝的中心C焊接一根导线，从O点也引出一根导线，两线之间接入一个电压表V，图中虚线OC与AB垂直，且OC=h，电阻丝AB接在电压为U的直流稳压电源上，整个装置固定在列车中使AB沿前进的方向。列车静止时金属丝处于竖直状态，当加速或减速时，金属丝将偏离竖直方向，从电压表V的读数变化可以测出加速度的大小，则：
⑴当列车向右匀加速直线运动时，试导出加速度a与电压表读数U＇的关系式；
⑵用导出的关系式说明表盘上a的刻度是否均匀；
分析与解答：
（1） 对小球进行受力分析可知mgtgθ=ma………………………………………………①
AB电阻丝分成三段，即AD、DC、CB三段串联，电压表接在CD段的二端，测CD段电阻丝所分得的电压。由几何关系得LCD=htgθ，由分压原理可得：htgθ/L=U`/U…………②
联立①、②解得a=gLU`/Uh。
（2）由于加速度a与电压表的示数U`成正比，可将电压表对应的刻度对应地改成加速度a的刻度，所以加速度的刻度与电压表的刻度一样是均匀的。
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