晶体管液位自动控制器

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工厂的贮液罐、锅炉水塔等装置,要保持一定的液位。液位过高了,补充液体的水泵必须停止工作;液位太低了,又要求水泵马上启动。根据射极耦合双稳态电路具有两种稳定的工作状态,依靠电位触发的特点,我们制成了液位自动控制器,电路如图①和图②所示。图①是由两个P-N-P型锗三极管组成的变形射极耦合双稳态电路。从电路中引出三个触点a、b、c,分别置于贮液罐中允许最高液位、允许最低液位及底部。图②中的CJ是水泵电机的接触器。利用图①中继电器J的一个常闭接点J\(_{a}\)来控制CJ的吸合或释放,达到控制水泵开或停的目的。

图1
图1 🔍原图 (820×586)
图2
图2 🔍原图 (588×412)

下面对电路原理及工作过程做简单分析。

一、液位上升时:

图①电路中,两管BG\(_{1}\)、BG2通过射极电阻实现反馈作用,同时BG\(_{1}\)集电极又和BG2基极直接耦合。

当贮液罐中液体很少,液位低于b点时,电路的工作不受贮液罐中液体的影响。BG\(_{1}\)基极电位主要由R1、R\(_{2}\)、R3的分压决定,射极电位主要由R\(_{7}\)、R5、R\(_{6}\)的分压决定,基极电位较射极电位为负(记此时BG1基极电位为ub\(_{1}\)),BG1处于饱和状态。因BG\(_{1}\)集电极和BG2基极直接耦合,两管发射极又连在一起,所以BG\(_{2}\)此时基本上处于零偏置而截止。这是电路的第一种稳定状态。这时J释放,常闭接点Ja闭合,接触器CJ吸合,水泵开启,使液位上升。

在这种稳态下,射极电阻R\(_{5}\)、R6中除有流经\(_{R}\)7的电流外,尚有BG1的集电极电流Ic\(_{1}\)流过。

当贮液罐中液位上升到b点以上,但还未达到a点时,虽然b、C两点接通了,将有电流流经电阻R\(_{8}\)、R9、R\(_{1}\)0和二极管D1,使BG\(_{1}\)基极电位向正方向变化,但因R10阻值较大,BG\(_{1}\)基极电位的上升还不足以使其脱离饱和状态,因而电路不会翻转,保证了在液位升高过程中,只要还低于允许最高液位,水泵就一直在工作(我们记此时BG1基极电位为ub\(_{2}\))。

当液位继续升高,到达允许最高液位即a点高度时,电路情况发生了变化。这时a、c两点接通,将电阻R\(_{1}\)0短接,电流流过R8、R\(_{9}\)和D1,使BG\(_{1}\)电位升高到足以使BG1脱离饱和的程度(记此时BG\(_{1}\)基极电位为ub3)。BG\(_{1}\)一旦退出饱和区,集电极电位较发射极电位变负,BG2便由零偏置变为正偏置而导通。这时,射极电阻R\(_{5}\)、R6中除有流经R\(_{7}\)的电流外,有BG1的集电极电流I\(_{c1}\),它在减小;还有BG2的集电极电流I\(_{c2}\),它在增加。由于Ic2经两级放大而I\(_{c1}\)只经一级放大,Ic2增加速度较I\(_{c1}\)减小速度快,所以流过R5、R\(_{6}\)的总电流是增加的。射极电阻上电流的增加,导致射极电位变负,BG1更趋于截止,其集电极较发射极电位更负,使BG\(_{2}\)更加导通,Ic2更增大,射极电位更负……如此循环往复,强烈的正反馈过程使BG\(_{1}\)迅速截止,BG2迅速饱和,电路翻转为新的稳定状态。这时,J吸合,J\(_{a}\)断开,CJ释放,水泵停止工作(图①和图②中示出的正是这种情况)。

毛主席教导说:“外因是变化的条件,内因是变化的根据,外因通过内因而起作用。”不难看出,电路能从BG\(_{1}\)饱和、BG2截止的稳态,翻转为BG\(_{1}\)截止、BG2饱和的新的稳定状态,内因是电路中射极电阻上产生的强烈的正反馈,外因是a、c两点接通使BG\(_{1}\)基极电位上升。至于电路处于新的稳态,则是靠BG2的射极电流以及流过R\(_{7}\)的电流在射极电阻上产生的电压降来保证的。

二、液位下降时:

如前所述,电路一旦翻转后,BG\(_{1}\)截止、BG2饱和,射极电位达到一新的稳定值。因为BG\(_{2}\)导通时的Ic2大于BG\(_{1}\)导通时的Ic1,所以在新的稳态下射极电位要比原来稳态时更负一些。正是由于电路的这个特点,在液位自a点下降,但还高于b点的过程中,BG\(_{1}\)基极电位虽然由ub3降到u\(_{b2}\)了,却还高于射极电位,BG1仍处于反偏置而不能导通,电路不能翻转,水泵仍不启动。只有在液位继续下降,低于允许最低液位后,b、c两点也断开,BG\(_{1}\)基极电位降到ub1,BG\(_{1}\)才又导通饱和,电路发生第二次翻转,回到初始稳态。J释放,Ja闭合,CJ吸合,水泵便又启动了。

通过上面的分析,我们可以总结出图①电路的主要特点是:电路两种状态的转换不只与BG\(_{1}\)基极电位的变化有关。而且与翻转前的状态有关。这正是我们用这种电路控制液位的根据。它保证液位低于b点时,水泵启动:高于a点时,水泵停止工作;在a点与b点之间水泵启动还是停止工作,则视液位是上升还是下降而定。图①中VK1、VK\(_{2}\)为微动开关。在水泵不工作时,按动常闭开关VK2可随时启动。在水泵工作过程中,按动常开开关VK\(_{1}\)可随时停止。搬动手动开关K(见图②)可手动操作。继电器J采用JRX-13F型,内阻为700欧,吸合电流不大于13毫安。(河北沙城农药厂工人 李金围 杨瑞民)