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，當磁鐵靠近時，常開觸點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直接控制電動機的轉與停呢？玩具電動機是常用的動力裝置，它能夠把電能轉換為機械能，可用于小電風扇轉動、小離心水泵抽水等執行功能。通常玩具直流電動機工作電壓低，雖然在1.5～3V就可以啟動，但起動電流較大（1～2安培），如果用觸點負荷僅為幾十毫安的干簧管進行開關控制，將大大縮短其使用壽命。因此，在自動控制電路中，常使用電子開關來控制電動機的工作狀態。
　　三極管電子開關電路　見圖1 。由開關三極管VT，玩具電動機M，控制開關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1.5A，以滿足電動機起動電流的要求。M選用工作電壓為3V的小型直流電動機，對應電源GB亦為3V 。
　　VT基極限流電阻器R如何確定呢？根據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有較強的變化。假設VT電流放大系數h_fe≈250，電動機起動時的集電極電流IC＝1.5A，經過計算，為使三極管飽和導通所需的基極電流IB≥（1500mA／250）×2＝12mA。在圖1電路中，電動機空載時運轉電流約為500mA，此時電源（用兩節5號電池供電）電壓降至2.4V，VT基極-發射極之間電壓V_BE≈0.9V。根據歐姆定律，VT基極限流電阻器的電阻值R＝（2.4－0.9）V／12mA≈0.13kΩ?？紤]到VT在IC較大時，h_fe要減小，電阻值R還要小一些，實取100Ω。為使電動機更可靠地啟動，R甚至可減少到51Ω。在調試電路時，接通控制開關S，電動機應能自行啟動，測量VT集電極—發射極之間電壓V_CE≤0.35V，說明三極管已飽和導通，三極管開關電路工作正常，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S換成雙金屬復片開關ST，就成為熱控電路了。當蠟燭火焰燒烤到雙金屬復片時，復片趨于伸直狀態，使得開關ST接通，電動機啟動，帶動小風扇葉片旋轉，對準蠟燭吹風，自動將火焰熄滅；當雙金屬片冷卻后，開關斷開，小電風扇自動停轉，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S，玩具車啟動，行駛到接進磁鐵時，安裝在VT基極與發射極之間的干簧管SQ閉合，將基極偏置電流短路，VT截止，電動機停止轉動，保護了電動機及避免大電流放電。

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，遠大于偏置電阻器R的電阻值，顯然不能產生維持VT飽和導通所需強度的基極電流。因此，需要先用一支三極管進行電流放大，再驅動開關三極管工作。
　　光電自動控制電路　見圖4。VT1和VT2接成類似復合管電路形式，VT1的發射極電流也是VT2的基極電流，R2既是VT1的負載電阻器又是VT2的基極限流電阻器。因此，當VT1基極輸入微弱的電流（0.1mA），可以控制末級VT2較強電流——驅動電動機運轉電流（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，也不會產生強光照射后的疲勞現象。

水位控制電路

　　最簡單的水位傳感元件是采用兩個電極，當水面淹沒電極時，利用不純凈水的導電性使電極之間導通，但導通電阻值較大，約50kΩ，不能代替光敏電阻器直接驅動如圖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皆飽和導通?？刂崎_關S可以用大頭針做成兩個電極，當其被水淹沒而導電時，小電動機會自行運轉。C1為旁路電容器，防止感應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。根據上述電路水位控制的功能，能否設計成一個感知下雨自動關窗、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。當杯內水面低于兩個電極時，相當于下偏置開路，R1產生的偏置電流使電動機起動。當水位上升到淹沒電極時，兩個電極之間被水導通，將R1產生的偏置電流旁路一部分，使VT1～3截止，電動機停轉，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，常常采用蜂鳴器發聲或發光二極管發光產生示警信號。由于小型蜂鳴器驅動電流不大，簡化了電路設計。
　　驅動蜂鳴器的三極管開關電路　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已經飽和導通，其集電極—發射極之間電壓V_CE僅為0.05V 。
　　將圖7電路中的控制開關S換成干簧管開關，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上由發光二極管和限流電阻器串聯而成的光指示信號器件，就成為濕度訊響報警電路。當其檢測到潮濕信號時，自動發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，利用三極管開關直接驅動負載——玩具電動機、訊響器等，使得自控電路執行機構的選擇受到牽制，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，比玩具電動機工作電流小，比蜂鳴器、發光二極管工作電流大，因此設計電路時各元件參數介于兩者之間，圖中參數供參考。在圖9繼電器電路中，F為銜鐵，D為常閉觸點，E為常開觸點。當控制開關S閉合時，繼電器吸合，常開觸點F－E接通，發光二極管VD1點亮，R2為限流電阻器。圖9控制開關S換成干簧管開關、雙金屬復片開關，就可以進行磁控和熱控自動控制了。繼電器觸點可以根據需要選用常開或常閉觸點。由于繼電器觸點與傳感控制電路隔離，選用JRX型繼電器，其觸點可以接220V交流電，直接驅動交流電用電器。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，敲擊時能夠產生正、負尖頂脈沖電信號，加到控制電路輸入端，二極管VD1為負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、發光二極管點亮一次。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生微弱的電信號進行放大，才能夠驅動繼電器電路工作。

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（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。當水箱缺水時，水面低于B點，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，繼電器銜鐵F與常閉觸點D接觸，接通水泵電源GB2，小離心水泵電動機啟動，向貯水箱供水。當水位上升至A點，水位傳感電極A—B之間被水淹沒，產生偏置電流使得VT1、VT2導通，繼電器吸合，常閉觸點斷開，小離心水泵停止供水。此時，繼電器銜鐵F與常開觸點E相觸，電源通過繼電器接通的常開觸點F－E以及C—B之間能微弱導電的水，繼續產生維持VT1、VT2導通所需的偏置電流，繼電器吸合。自控電路直到水位降至B點以下時，C—B之間開路，VT1、VT2截止，繼電器釋放，常閉觸點接通，小離心水泵開始供水。如此周而復始，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的基本原理。希望青少年讀者能夠掌握自控電路設計思路，舉一反三，為你們高層次的小制作、小發明提供電子技術手段，預祝成功！