三極管開(kāi)關(guān)電路-自控電路原理

能不能用干簧管開(kāi)關(guān)直接控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)與停呢？玩具電動(dòng)機(jī)是常用的動(dòng)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(dòng)、小離心水泵抽水等執(zhí)行功能。通常玩具直流電動(dòng)機(jī)工作電壓低，雖然在1.5～3V就可以啟動(dòng)，但起動(dòng)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(kāi)關(guān)控制，將大大縮短其使用壽命。因此，在自動(dòng)控制電路中，常使用電子開(kāi)關(guān)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)。

三極管電子開(kāi)關(guān)電路　見(jiàn)圖1 。

　　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(gè)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)hfe≈250，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的集電極電流IC＝1.5A，經(jīng)過(guò)計(jì)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(dòng)機(jī)空載時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)電流約為500mA，此時(shí)電源（用兩節(jié)5號(hào)電池供電）電壓降至2.4V，VT基極-發(fā)射極之間電壓VBE≈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?？紤]到VT在IC較大時(shí)，hfe要減小，電阻值R還要小一些，實(shí)取100Ω。為使電動(dòng)機(jī)更可靠地啟動(dòng)，R甚至可減少到51Ω。在調(diào)試電路時(shí)，接通控制開(kāi)關(guān)S，電動(dòng)機(jī)應(yīng)能自行啟動(dòng)，測(cè)量VT集電極—發(fā)射極之間電壓VCE≤0.35V，說(shuō)明三極管已飽和導(dǎo)通，三極管開(kāi)關(guān)電路工作正常，否則會(huì)使VT過(guò)熱而損壞。
　　自動(dòng)滅火的熱量自動(dòng)控制電路　見(jiàn)圖2。該電路是將圖1中的控制開(kāi)關(guān)S換成雙金屬?gòu)?fù)片開(kāi)關(guān)ST，就成為熱控電路了。當(dāng)蠟燭火焰燒烤到雙金屬?gòu)?fù)片時(shí)，復(fù)片趨于伸直狀態(tài)，使得開(kāi)關(guān)ST接通，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)小風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)，對(duì)準(zhǔn)蠟燭吹風(fēng)，自動(dòng)將火焰熄滅；當(dāng)雙金屬片冷卻后，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，小電風(fēng)扇自動(dòng)停轉(zhuǎn)，完成了自動(dòng)滅火的程序。
　　自動(dòng)停車(chē)的磁力自動(dòng)控制電路　見(jiàn)圖3。開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)S，玩具車(chē)啟動(dòng)，行駛到接進(jìn)磁鐵時(shí)，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(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，保護(hù)了電動(dòng)機(jī)及避免大電流放電。


　　在光電自動(dòng)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(kāi)關(guān)S的位置呢？通常光敏電阻器，例如MG45有光照射時(shí)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(dòng)開(kāi)關(guān)三極管工作。

　光電自動(dòng)控制電路　見(jiàn)圖4。VT1和VT2接成類(lèi)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(jí)VT2較強(qiáng)電流——驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電流（500mA）的變化。VT1選用小功率NPN型硅管9013，hfe≈200。同前計(jì)算方法，維持兩管同時(shí)飽和導(dǎo)通時(shí)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(shí)取1kΩ。光敏傳感器也可以采用光敏二極管，使用時(shí)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(duì)控制光線有方向性選擇，且靈敏度較高，也不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)光照射后的疲勞現(xiàn)象。
　　最簡(jiǎn)單的水位傳感元件是采用兩個(gè)電極，當(dāng)水面淹沒(méi)電極時(shí)，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(dòng)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(dòng)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(jí)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(kāi)關(guān)S可以用大頭針做成兩個(gè)電極，當(dāng)其被水淹沒(méi)而導(dǎo)電時(shí)，小電動(dòng)機(jī)會(huì)自行運(yùn)轉(zhuǎn)。C1為旁路電容器，防止感應(yīng)交流電對(duì)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(jì)成一個(gè)感知下雨自動(dòng)關(guān)窗、自動(dòng)收晾曬衣服繩索的自動(dòng)控制器。
　　下偏置水自動(dòng)控制電路　見(jiàn)圖6 。圖中，將兩個(gè)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(gè)電極時(shí)，相當(dāng)于下偏置開(kāi)路，R1產(chǎn)生的偏置電流使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。當(dāng)水位上升到淹沒(méi)電極時(shí)，兩個(gè)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(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，與圖5控制效果恰好相反。