水位控制教學設備

緒論

在現代化的社會中，各種感應(測)器的發明與使用大幅的改變了我們的世界，日常生活中的抽水馬桶便是利用浮球開關水位控制的最好例子。

浮球式水位控制器的原理不但很簡單且材料也很低廉，但利用浮球開關所做的水位控制器也有缺點，其浮球連桿的支點常故障且容易生銹腐蝕，經人們改善後，工業已製作出壓力式、直讀式、機械式、微波式、重量式、重錘式、輻射線式、電容式、電極式、超音波式..等等水位控制電路系統，使得化學工廠，鋼鐵工廠、麵粉工廠、飼料工廠、水泥工廠..等工業可以大量運用使得生產得以自動化。

本專題之主要目的在於協助本科新成立之感測實驗室設計適合教學之感測系統，使學子們能熟悉類比式水位控制迴路系統，使用三支水位感測電極棒，來感測出水位高低並且將訊號傳送到控制器中，再利用繼電器接收訊號，並啟動光電感應器與電磁閥，以達成水位控制目的。

經由操作本系統後，可以了解到家庭中的浮球式抽水馬桶與本系統有何差別，並且可使學子們從系統中得知電子元件的特性。為了讓教學上有更好的效果，本專題設計了直立式看板，使老師授課時可以方便說明，進一步激發學子們之學習興趣。

基本元件概述

本專題所製作的電極式水位控制，運用許多常見的基本電子元件，因此本章中將簡單的介紹各式電子元件的功能及特性。

2-1 矽控整流器

矽控整流器(SCR)為三端原件，其構造與符號如圖2-1-1所示，A表陽極，G表閘極，K為陰極。

圖2-1-1 矽控整流器之構造

圖2-1-2 矽控整流器之作動迴路

SCR之工作原理

上圖2-1-2來說明SCR之動作

(1)當S₁未按下時，Q₂基極無回路﹒沒有I_B2產生，則I_C2=0，無I_B1供給Q₁，則I_C1=0，故兩電晶體均截止，即使A、K之間加上電壓;也無法使電流從A流到K。

(2)若按開關S₁則V_GG電壓加於G、K之間，使G流入電流I_G，I_G供給Q₂基極電流，使Q₂產生集極電流I_C2，供Q₁產生基極電流I_B1，如因此有I_C1流動，I_C1再供給Q₂基極電流，如此正回授使Q₁、Q₂在很短時間內成為導通狀態，雖然S₁斷開兩電晶體仍然維持導通。

(3)欲使A、K之間恢復截止狀態，可將開關S₂斷開令I_AK中斷，則Q₁、Q₂又成為截止。

表2-1-1 常用之SCR的電壓電流規格

型號	電流	電壓
2SF101	0.5A	50V
2N5064	0.8A	200V
2N5060	0.8A	400V
2P2M	2A	200V
CR2AM4	2A	200V
C106F	4A	50V
C106B	4A	200V
C106D	4A	400V
C122E	4A	500V

SCR的開啟：

當SCR由順向不導電狀態轉變為導電狀態，謂之開啟(turn on)，導電時間（t_on）係指在SCR的極上供以觸發脈波，使SCR由斷流狀態轉換成導電狀態所需之時間。

判別SCR的方法

(一)將三用表旋到電阻檔，一一測量SCR三腳中之任兩腳，依電表極性共有六種測量，會發現只有一種測量為低電阻，其他均開路，測得低電阻時，黑電筆所接為閘極G，紅色電筆所接為陰極K，因GK間為PN接面如同二極體性質，另外一極為陽極A，通常A與金屬外殼接通以利散熱。

(二) SCR正常與否之判斷：將三用表旋到低電阻檔，黑電筆接陽極A，紅電筆接K，可看出電表指示開路，將A、G以導線連接，電表指針指到低電阻值，將導線除去，仍然維持低電阻值。將電筆暫時離開SCR，則A、K間又恢復開路狀態。

矽控元件的優缺點：

由上述SCR之工作情形，我們可以知道其優缺點：

優點：

（１）體積小、效率高，消耗功率小。

（２）壽命長，只要設計適當，有保護電路，因無機械接點，所以壽

命很長。

（３）交換時間短：動作迅速，可控制功率之大小。一般典型之SCR

其開啟時間1μs左右，關閉時間約5~30μs。

缺點:

易受工作溫度之影響：矽控元件也是由半導體製成，因比也很

怕熱，所以矽控元件需要良好的散熱設備，才不致受溫度影響太大。

（２）易受衝擊(surge)電壓與電流的影響，因此需要R、C或Ｌ之保

護電路。

（３）用於相位控制電路時，會產生高次諧波的干擾。

有關電流的規格

（１）最大順向平均電流I_Dc—是指SCR在指定條件下可容許的最大

平均順向電流值。

（２）最大順向有效電流I_F—是指SCR在指定條件下所容許通過的最

大順向電流有效值。

（３）維持電流I_Ｈ—是指SCR的最低導電電流有效值，其數值與溫度

成反比，在120℃時的維持電流約為25℃時的一半。

（４）最大閘極電流I_GF—是指SCR的閘極可承受的最大順向閘極電

流值。

（５）一週衝擊最大電流I_surge—是指SCR通以正弦一週(通常係以

60Hz)，陽極所能承受的最大順向電流峰值。

2-2 電磁閥

如圖2-2-1，圖2-2-2所示的截面圖是電磁線操縱的活塞，即所謂電磁閥。電磁線圈中如果沒有電流，則無磁場存在，電樞不受磁力但受壓力彈簧之推送。活塞中心桿是和電樞接在一起的，所以中心桿向下推，活塞錐即套進錐座。這樣從進口到出口之間的通路即被堵塞。如果線圈中有電流通過，產生磁場，磁力將電樞向上推。電樞必須克服彈簧下推的力量，才能把中心桿和活塞錐離開錐座，從進口到出口的通過即可暢通。電磁都是雙位置裝置，即不是全開就是全關。所以是開閉式控制系統所用的裝置。

圖2-1-1 電磁閥

圖2-2-2 電磁閥的剖面圖

電磁閥所受電流，可以是交流也可以是直流，視設計而定，不過仍以交流驅動者較普遍。

交流電磁閥有一個直流電磁閥所沒有的嚴重缺點。交流電磁閥要是萬一卡在關閉或半關閉的位置，則加上電流之後很可能燒毀。這是因為電樞無法進入線圈的中心，則線圈的電感始終很低。（線圈的電感依中心材料之介磁係數而有很大的差異，鐵材比空氣介磁係數相差千倍以上。）因為電感低，感抗也低，則會有一股很大的電流流過線圈。終於因過熱而燒毀了線圈。

2-3 電阻

固定電阻器：

電阻器可分為阻值固定的固定電阻器及阻值可調的可變電阻器，電阻器為阻止電流流動的原件，依構造的材料可分為碳膜電阻器，線繞電阻器，金屬氧化膜電阻器及低阻金屬膜電阻，見下表2-3-1：

表2-3-1　電阻器之種類

元件名稱	特點
碳膜電阻器	大量生產，品質安定，信賴性高。
線繞電阻器	完全的絕緣，耐熱耐濕，耐突波，具電感成份，高頻特性差，適用於脈衝電路。
金屬氧化膜電阻器	低雜音，具線繞電阻之優點且阻值較高，高頻特性佳，適用於脈衝電路。
低阻金屬皮膜電阻器	小型，低阻值，適合作大功率電晶體的射極電阻，多用於電視機、收音機。

色碼標示法：

一個色碼電阻有四圈色環前三圈色環的距離較近，分別以顏色代表其數值及其乘數，最後一圈為其誤差，配合下表讀出色碼標示出的阻值，如圖2-3-1、表2-3-2及表2-3-3：

圖2-3-1　電阻

表2-3-1 色碼標示法

色環	第一環	第二環	第三環	第四環
	第一位數	第二位數	乘數	誤差
黑	0	0	10⁰
棕	1	1	10¹	±1﹪
紅	2	2	10²	±2﹪
橙	3	3	10³=1K
黃	4	4	10⁴=10K
綠	5	5	10⁵=100K	±0.5﹪
藍	6	6	10⁶=1M	±0.25﹪
紫	7	7	10⁷=10M	±0.10﹪
灰	8	8	10⁸=100M	±0.05﹪
白	9	9	10⁹=1G
金			10^-1	±5﹪
銀			10^-2	±10﹪
無色				±20﹪

表2-3-3 單位換算

字首	意義	念音說明
G	10⁹	Giga
M	10⁶	Mega
K	10³	Kilo
m	10^-3	milli
μ	10^-6	micro
n	10^-9	nano
p	10^-12	pico

2-4 電容

電容在電路中為常用元件，電容本身有儲存電荷的特性，而且在電路中具有充電與放電的作用，當外來的電壓高於電容本身的電壓時，電容會產生充電作用;當外來的電壓低於電容本身的電壓時，電容則會釋放電壓，故選用電容時須注意外加電壓不可超過電容耐壓值，否則會使電容損壞。圖2-4-1為電容器符號：

固定電容器 (b)電解電容器

(c)可變電容器 (d)半固定電容器

圖2-4-1 各種電容器符號

固定電容器：

較常見的電容器有紙質電容器、陶瓷電容器，電解電容器、塑膠膜電容器及鉭質電容器等五種，茲將其特性整理成表2-4-1：

表2-4-1 各式電容器其特性

特性種類	絕緣介質	優點	缺點
紙質	由兩片金屬箔極板，中間以蠟處理過的絕緣紙當介質，三片捲成圓桶狀，再由兩片金屬箔抽出兩接腳當電極再用管狀外殼固封起來。	製造簡單，成本低。	易受潮變質，耐壓低，誤差高。
陶瓷	以陶瓷為介質在兩面塗上一層金屬薄膜，再引出接腳。	體積最小、耐壓高、高頻特性佳。	易脆，不易製成較大電容器。
電解	以鋁箔為電極板，陽極上加以電解氧化處理，產生氧化薄膜，以此薄膜為絕緣介質再捲繞而成。	電容量大。	絕緣性差，漏電容大，極性反接電容器會損壞或爆炸。
塑膠	以塑膠為介質，兩面鍍上金屬薄膜而成，目前大多已取代紙質電容器。	絕緣電組高，不易受潮，誤差小，穩定性高。
鉭質	此為電解電容器之一種，其陽極以介電係數高，絕緣度佳之高純度鉭製成。	絕緣性佳，體積小，容許工作溫度變化大。	價格貴，耐壓低。

電容值之識別：

一般電容器的標示分為二種：一種是直接將電容量、誤差值、工作電壓及極性等標示在電容器上面，而若只標出數值而無標出單位，則以微法拉μF(表示電容量值)為單位。另一種是小容量的電容器(例如塑膠電容器及陶瓷電容器)，則只標出3位數及一個英文字。如圖2-4-2所示。其中第一個數字、第二個數字，分別代表電容值的十位數及個位數，而第三個數字表示10的次方數，最後的英文字母則表示誤差，此種電容器的單位為pF(l0^-12法拉)，表2-4-2為電容器誤差代表字母。

電容量=50×10²pF 電容量=38×10pF 電容量=0.47μF

M表誤差=±20% H表誤差=±3% K表誤差=±10%

圖2-4-2 電容器的標示

表2-4-2 電容器誤差代表字母

英文字母	誤差	英文字母	誤差
B	±0.1%	L	±15%
C	±0.25%	M	±20%
D	±0.5%	N	±30%
F	±1%	P	+100%～-0%
G	±2%	V	+20%～-10%
H	±3%	X	+40%～-20%
J	±5%	Y	+60%～-20%
K	±10%	Z	+80%～-20%

2-5二極體

二極體最主要的特性是〝單巷向導通〞只有處於順向偏壓時才有電流流過，當處於逆向偏壓時，流過的微小電流趨近於零，而視為不通過，如下圖2-5-1(a)、(b)。〝順向偏壓〞是指二極體的Ｐ極接上正極電壓，Ｎ極接上負電壓，〝逆向偏壓〞則相反。二極體的使用是依不同編號取得不同的額電壓，電流規格。

(a)順向偏壓(I=E/R) (b)逆向偏壓(I≒0)

圖2-5-1 二極體

2-6 變壓器

變壓器的原理及構造：

如圖2-6-1，變壓器是利用電磁感應作用，將電能由一個電路傳送到另一個電路裝置，因為這種裝置往往被用來變更所傳送的電壓故稱變壓器。

本專題就是利用變壓器將110V的電流轉成12V的直流電以供電路板使用；常用的變壓器有電源變壓器、聲頻變壓器、射頻變壓器三種。

我們所用到的是電源變壓器，電源變壓器是由兩個或兩個以上的線圈與鐵心所組成；接到交流電源的線圈稱為初級圈或一次側線圈，接到供給電源的線圈稱為二次級圈或二次側線圈。變壓器的鐵心多以表面經過絕緣膜處理之矽鋼片做成的。

在電子電路中常用的電源變壓器，初級圈大多只有一組，用來接交流110V的家庭用電，但次級圈則依需要而定可能只有一組或有很多組。

圖2-6-1 變壓器實體圖

2-7電晶體

電晶體最常用於控制電流，它是做為電晶體開關。是一種放大作用的元件。共有三隻腳，分別稱為〝基極〞（Base；B極）、〝射極〞（Emitter；E極）及〝集極〞（Colletor；C極）。電路符號如下圖2-7-1所示。

圖2-7-1 電路符號

如圖2-7-2，本專題的實驗是採用電晶體NPN，在電路符號中，箭頭向外者為NPN。

圖2-7-2 NPN型

當基極上的電壓上升至某一值時，電晶體就會開始導通，這種型式的開關可以用在低電流電路的ON和OFF的切換，因此電晶體有放大的重要特性。

2-8 繼電器

繼電器(Relay) 又稱為電磁繼電器，是組成邏輯電路的主要元件，本專題為了要作出較複雜判斷機能的邏輯電路，就必須使用繼電器。

如圖2-8-1（a）、（b）所示，繼電器是由電磁鐵的線圈部與電路開閉之接點部所構成，它的動作如圖2-8-2：

（a）繼電器(12V)

（b）繼電器(9V)

圖2-8-1 繼電器實體圖

線圈流過電流

↓

由於由磁鐵作動

可動接點被吸引

↓

線圈電流切斷

↓

電磁鐵的吸引力消失，可動接點回復

原來狀態

圖2-8-2 繼電器的動作方式

在此，作電磁鐵之線圈(Coil)流過電流時，稱為繼電器勵磁，相反地電流被切斷稱為消磁。

開關以手動操作，使接開閉，相對的繼電器由勵磁，消磁的電氣方法使接點開閉，但是還是a接點與b接點之分。

A接點＝勵磁時ON ，消磁時變成OFF的接點。

B接點＝勵磁時OFF ，消磁時變成ON的接點。

繼電器勵磁時ON，消磁時變成OFF，故稱為a接點。

繼電器勵磁時OFF，消磁時變成ON，故稱為B接點。

繼電器是由線圈部（為了勵磁）與為了和其他電路作開閉的接點部所構成的，因此，繼電器的符號如圖2-8-3所示分為線圈與接點部來表示。

而繼電器在順序圖表示的場合，為了明確表示繼電器的接點，故在線圈部的文字符號R再添加數字如R₁，R₂….等，線圈動作時的接的接點也是記同樣的文字符號。如圖2-8-4所示。

圖2-8-3 繼電器的符號

圖2-8-4 繼電器的表示方式

又一般的繼電器皆有數個重複的接點，在此，使用二個以上的接點時，與線圈部相同的文字符號，如圖2-8-5所示。

圖2-8-5 繼電器的表示方式

2-9 光電開關

光電開關如下圖2-9-1，圖2-9-2所示，由投光部與受光部以及放大器所構成，當物體通過光路時，投射到受光器之光量發生變化，此光電開關即能檢知並使接點開閉。

圖2-9-1 光電開關實體圖

(內含光源 (光量的變化， (由受光部來的信號，

發射光線。) 變成電氣信號。) 加以放大使接點開關。 )

↘ ↘ ↙

圖2-9-2 光電開關主要構造

投光器→內藏發光二極體或白織燈等光源，能發射光線。

受光部→內有光電晶或CdS等光電變換原件，能將光量的變化轉換成電氣信號。

放大器、開關動作→將受光部接受的信號加以放大，到達某種程度時即作「ON」、「OFF」動作。

圖2-9-3 感測器之應用

這種光電開關如上圖2-9-3所示，物體在光路之外，開關不動作，當物體把光路遮斷時，開關即動作，由此可以檢知物體之有無或位置是否移動。

光電開關係利用投光、受光器之光路有否被物體遮斷來判斷物體是否存在，故有以下之優點：

不需接觸即可檢知，其光線被遮斷與物體之材料無關。

由於是光電式故其反應速度比較快。

檢出距離(投光器與受光器間的距離)能取得較長。

缺點：受振動光軸會偏移，容易產生動作不安定。

外來的干擾(從投光器以外而來的入射光)很容易產生誤動作

投、受光面(鏡面)之汗垢容易引起動作不安定。

光電開關，依投光器與受光器之構成可分為三個種類(如下圖2-9-4)
1.透過形→圖(2-9-4a)所示投光器與受光器相對地配置，其間(光路)若物體進入即動作。

2.反射形→圖(2-9-4b)所示投光器與受光器裝在同一盒內，由物體的反射光之接受情形產生動作。

3.輻射形→圖(2-9-4c)所示沒有投光器只有受光器而已的光電開關，它接受由物體而來的輻射光產生動作。

本專題裡所利用的是透過光電開關經繼電器將訊號傳送到電磁閥，使水能流至下層水箱。

圖2-9-4a 透射型

圖2-9-4b 反射型

圖2-9-4c 輻射型

2-10 FR-1液位控制器

表2-10-1 FR-1液位控制器之規格

型式	標準
式樣	FR-1
圖
啟動電阻	<30KΩ
關閉電阻	>60KΩ
電線長度	<1000M
重量(大約)	130g
電源供應	AC110V or 220V or 380V 20%，50/60Hz
電壓	14 VAC
電流消耗	3VA max.
輸出方式	Relay，5A/250VAC
反應時間	ON<80ms，OFF<160ms
絕緣電阻	100M Ω /500VDC
	2.5KV/1min
工作環境	-20℃～+60℃，35﹪～85﹪RH

圖2-10-2 FR-1液位控制器之尺寸

圖2-10-3 FR-1液位控制器之接線圖

圖2-10-4 FR-1液位控制器之底座

第三章各式水位控制器之比較

最近幾年，本省的建築業大為發展，隨著公寓、洋房的大量興建，水塔用的水位自動感測器亦被大量使用。

液位感測器可用在小規模貯水槽的液位檢出以及化學工廠、鋼鐵工廠、麵粉工廠、飼料工廠、水泥工廠等具有大型漏斗的工廠之物料貯藏量的計測控制。

液位開關以檢出方式分類有浮球式、壓力式、直讀式、機械式、微波式、重量式、重錘式、輻射線式、電容式、電極式、超音波式..等等。在本專題中只針對常見的感測器加以說明。

3-1 浮球式：

以往，一般家庭所用之水位自動控制器，皆為如圖3-1-1(a)(b)所示之浮球開關。水位低時浮球開關的接點閉合，抽水機抽入水塔，水位高時，接點打開，抽水機停止抽水。其動作情形如下：

當水位低於L時，浮球B與浮球A兩者之重量和使接點閉合，電路接通，抽水機抽水入水塔。

水位高達L後，雖然浮球B隨著水面上浮，但是浮球A的重量使接點保持閉合，因此抽水機繼續抽水。

水位升高至H後，浮球A亦隨著水面上浮，則浮球A及B均不加重量於接點，接點靠彈簧的力量打開。

當打開水龍頭用水，而使水塔的水面降至H以下L以上時，雖然浮球A對接點施以重力，但浮球B還浮於水面上（被水托住），因此接點保持打開。

直至水位低於L時，浮球A與浮球B之重量和使接點閉合，使抽水機再度過電抽水。

雖然浮球開關的構造簡單，價格低廉，然而卻容易因為受潮、腐蝕而使接點動作失常，本專題以電極式水位控制器即用以取代浮球開關而達成水位自動控制之目的。

浮球開關之實體圖

(b) 浮球開關之原理圖

圖3-1-1 浮球開關

3-2 目測式(直讀式)：

目測式液位感測器是目前市面上最簡單的。如圖3-2-1，而在工業中，量測時，插入一根桿子(附有刻度)於容器中，然後拔出之後，在觀察桿子上的刻度。或者利用有刻度的容器直接觀察，如圖3-2-2。此方式與本專題製作的涵意相似，都是為了讓人們能直接了解液位的高低。

圖3-2-1 目測式液位感測器

圖3-2-2 目測式液位感測器

目測式液位量測中還有兩種，(a)置換式，(b)帶球式。如圖3-2-3，置換式是採用阿基米得德原理，利用一物體在水中減少的重量，等於它排開液體體積之重量。如圖3-2-4，帶球式則是利用浮球在液面上，且由一條帶子綁住，帶子的尾端就是指出器，當液面昇高時，帶子會使指針往下移。在這幾種的液位控制告訴本專題以簡單的方式及利用清楚的容器展現出水位高低會有何改變。

圖3-2-3 置換式

圖3-2-4 帶球式

3-3 機械式：

如圖3-3-1，利用浮球做液位的偵測器再結合槓桿原理來控制入水口的啟閉。並且將連桿與控制電路連線組成一套迴路。從此迴路中本專題得知利用電磁閥也可以有如上的效果。電磁閥是運用電磁鐵的吸引力，使閥瓣切換，作為水的控制。

圖3-3-1 機械式液位控制器

3-4 壓力式：

如圖3-4-1，利用裝設在容器右下方的壓力感測器來檢測流體的靜止壓力，因為液體的高度等於被液體所分配的壓力。此種方式應用水的壓力來得到數值，但卻無法讓學子們親自觀察到水壓的變化，故本專題利用透明的容器呈現水的高低位置，及利用有刻度的容器將水位的高低展示出來，好讓學子們知道其過程。

圖3-4-1 壓力式液位控制器

3-5 電容式：

利用檢出對象和空氣的介電係數不同，而用電極將設定位準以電容的變化而檢出。電容值的變化可經由一個振盪器及AC電橋測出經電子電路變換成電流或電壓信號。

電容式液位控制最適用於工業用水、化學純水的液位控制、飼料漏斗內的食物、汽油、柴油、NH₃等器爆性物質、塑化原料等等……。

電容式液位控制因大部份使用在高危險性的工業上，及衛生性高的工廠。故此在成本上當然也相對的增加，但電容式卻為大眾提高了安全性的生活。

3-6 超音波式：

如圖3-6-1，對欲測量物體發出超音波，依其反射波回來的時間，此時間與位準(液位的高低)成正比。此種方式為無接觸式液位量測。

超音波式有反射、遮斷、振動阻抗變化等測量方式。

在本文中以反射為主題，反射式是在空氣中發出超音波，當接收到反射波的時間時，正好和物體位準的距離成正比。

超音波式液位控制適用於礦石、煤碳等鋼鐵原料廠及水泥、灰石等大型貯放槽的位準控制。

圖3-6-1 超音波式液位控制器

表3-1 各式水位控制之綜合比較

名稱：	優點：	缺點：
浮球式	簡便、廉價	支點容易銹蝕、易故障、精確度低。
目測式	簡便、廉價	無法記錄、不適合做控制連線、精確度低。
機械式	簡便、可做控制連線。	支點容易銹蝕、易故障、精確度低。
壓力式	可做控制連線、簡便。	成本較高、無法觀察及記錄。
電容式	可做控制連線、可觀察、可記錄。	成本較高、較複雜。
超音波式	可做控制連線、精確度好。	成本較高、較複雜、無法觀察。
電極式	簡便、可做控制連線、可觀察、可記錄、成本較低。	精確度低。

第四章水位控制教學電路說明

本專題以完成了四種不同的水位控制方式，並製作成教學試驗設

備。

1.市售式之水位控制：本專題採用陽明電機所製作的水位控制器來製

作電路系統。

2.類比式電路(矽控整流器)：本專題採用兩個電晶體與矽控整流器製

作電路系統。

3.數位式之水位控制：本專題採用AND電路、反向閘、RS正反器等數

位積體電路及固態繼電器系統。

4.類比式電路:本專題採用兩個電晶體及繼電器製作電路系統。

從上述四種水位控制器中，可以了解許多電子元件及邏輯的觀念

，並且可以讓學子們實際操作，從操作中練習看電路圖的能力，以增

進本身的知識領域。

4-1 類比式(SCR)控制電路：

圖4-1-1 類比式(SCR)控制電路圖

圖4-1-2 電路簡圖

表4-1-1 代碼名稱

代碼	規格	名稱
R₁	4.7KΩ	電阻
R₂	4.7KΩ	電阻
R₃	1 KΩ	電阻
R₄	4.7KΩ	電阻
R₅	1 KΩ	電阻
D		二極體
SCR		矽控整流器
E₁		高水位
E₂		低水位
E₃		標準水位
TR₁		電晶體
TR₂		電晶體

如圖4-1-1，表4-1-1，當水位低於E₂時，則E₃與E₁不導通，沒有電流流經TR₁與TR₂的B端，則TR₁與TR₂便會截止電流。

電流繼續流向SCR，經由R₄獲得閘極電流而導電，帶動SCR流一電流於繼電器，使b接點打開，E₁與E₂不導通，a接點閉合，抽水馬達開始抽水。

水位上升至E₁後，E₃與E₁相互導通，E₁會有一電流流經TR₁的B端，則電流會從TR₁的E端輸出，再流經TR₂，此時沒有電流通過SCR的閘極，所以繼電器b接點關閉，a接點打開，此時馬達停止抽水。

若將手接近光電開關，便會帶動繼電器，利用繼電器推動需較大電流的電磁閥，進行放水，當水位低於E₂時，則重覆上述之動作。

表4-1-2　使用材料

名稱

規格

數量

繼電器

9V

1個

繼電器

12V

1個

電磁閥

120/60V

1個

水桶

2000c.c.

1個

光電開關

10~30VDC

1個

電阻

4.7KΩ,1KΩ

3個,2個

電容

100μF

1個

電晶體

250Mw

2個

電源供應器

12V

1個

矽控整流器

2A，200V

1個

FR-1控制器

120VAC

1個

端子座

2P , 3P , 6P

11個, 5個,2個

感測棒

長100cm

3根

小夜燈

110V

1個

單蕊線

紅色,黑色,綠色,黃色

各一捆

L型接頭

BLH-0201

4個

對接頭

BCF-0101

2個

防漏膠帶
　
1捆

變壓器

110V直流電轉換成12V交流電

1個

水管

8分之1英吋

1捆

類比式(SCR)控制電路原理：

以往的液位控制方式分類有浮球式、壓力式、直讀式、機械式、微波式、重量式、重錘式、輻射線式、電容式、電極式、超音波式..等等。

為了增強大家設計PC板之能力。這個不算複雜的電路ＰＣ板留給大家練習設計。如圖4-1-3。

圖4-1-3 水位控制電路板

如圖4-1-1，把二極體、電阻器R₄及R₅、SCR、電容器、繼電器的線圈接好，並接上電源變壓器(圖4-1-4，圖4-1-5)。遇上AC110V電源至變壓器，繼電器會工作(繼電器工作時，銜鐵會被線圈吸下而發出"塔"一聲)，以一條導線暫時跨接在R₅兩端(即暫時把R₅短路)，繼電器b接點關閉(不吸)，否則SCR有問題。移走電源並移去跨接在R₅兩端的導線，然後把TR₁、TR₂、R₂、R₃均裝好。

圖4-1-4 電源供應器(內部構造)

圖4-1-5 電源供應器

類比式(SCR)控制電路如圖4-1-1所示。其最高水位與最低水位乃依電極棒E₁與E₂之高度而定。其工作原理說明如下：

電源變壓器將AC110V之電源降為ACl2V，作為控制電路之電源。當水位低於E₂時，各電極棒之間並無水可供導電，故電晶體TR₁無法獲得基極(B)電流。

此時TR₁無法作動，TR₂也相同，但是SCR由R₄獲得閘極(G)電流而導電，使繼電器(relay)通電而令其常閉接點b打開，使E₁與E₂兩枝電極棒不再相通；同時繼電器的常開接點a閉合，使抽水馬達運轉，抽水入水桶。

當水位到達E₂之位置時，由於此時E₂不與E₁相通，故TR₁仍然無法導通，所以抽水馬達繼續抽水。

水位上升至E₁之位置時，由於E₁與E₃間因有水而導電，故TR₁獲得基極(B)電流而導電，同時TR₂產生ON的狀態，故集極(C)、射極(E)之間導通，也使得SCR的閘極(G)失去電流，因此SCR無法作動，此時繼電器的常閉接點b閉合。

繼電器的常閉接點b回復閉合狀態時，使得E₁與E₂相通，同時繼電器的常開接點a恢復打開之狀態，故抽水馬達停止抽水。

用手去遮住光電開關，使電磁閥將水放出至低於E₁但高於E₂之時，由於繼電器的常閉接點b使E₂與E₁相通，故E₂與E₃之間的水會使E₁與E₃相通，此時TR₁仍然導電，因此TR₁→ON，TR₂→ON，SCR→OFF，繼電器的常閉接點b則是閉合狀態，故抽水馬達依然停止。

當電磁閥將水位放至E₂以下時，各電極棒之間又無水可導電，因此抽水馬達再度通電將水抽入水桶中，就這樣重覆循環上述動作。

本水位控制器之所以使用SCR控制繼電器的吸持與否，乃因SCR的靈敏度極高，且ON與OFF之動作明確。本系統的電源只使用二極體D作半波整流，因此必須在繼電器的線圈中並聯一個電容器C，使繼電器的動作能夠穩定。

類比式(SCR)控制電路步驟：

1.準備專題製作材料表4-1-2：電阻5個，電晶體2個，1個SCR(又叫矽控整流器)，繼電器，電磁閥，感測棒3根(圖4-1-6)，光電開關，電源供應器，兩個水桶，水管，抽水馬達，L型接頭4個，變壓器，一綑單蕊線，燈泡(圖4-1-7)。

圖4-1-6 感測棒

圖4-1-7 燈泡

2.依圖4-1-3，將零件：電阻，電晶體，電容，二極體，繼電器，配合端子座安裝於木板上。

3.依圖4-1-3，將單蕊線接上，則此控制器迴路完成。

4.將電磁閥，繼電器，光電開關，電源供應器，裝置在看板上的適當位置，並依圖接上單蕊線，我們要用光電開關來控制電磁閥，可是光電開關只有12Ｖ，而電磁閥有120Ｖ，所以中間必須要接上繼電器，在接線時有一條要接上110Ｖ的電壓，另一條接電磁閥和光電開關，光電開關再接12Ｖ的電源供應器，這樣光電開關即可控制電磁閥。

5.將馬達(圖4-1-8)，水管，水桶(圖4-1-9)裝置於看板上，其中抽水馬達必須先拿有兩個插頭其中一個接燈泡，另一個接抽水馬達，這兩個插頭會延伸兩個電線，一條接110Ｖ開關，另一條則接控制器。

圖4-1-8 抽水馬達

圖4-1-9 水桶

6.最後測試整個電路是否會放水及抽水，當抽水時，燈泡自動會亮(圖4-1-10)，而水位到達高水位E₁時，則燈泡便會熄滅(圖4-1-11)，故此燈泡亮與滅可以讓學子們容易觀察到抽水馬達抽水與否。

圖4-1-10 整體控制電路(抽水狀態)

圖4-1-11 整體控制電路(無抽水狀態)

4-2 數位式控制電路：

圖4-2-1 數位式控制器電路

數位控制電路之原理：

如圖4-2-1，表4-2-1電流會先藉由標準感測棒通往E₁感測棒和E₂感測棒(此時水桶的水是滿的)，E₂的電流會經過反相閘 (又稱NOT電路)。本來電壓是12V可是一經過反相閘(NOT電路)時就會變成0V，反之如果沒有電壓輸入則會輸出12V的電壓，輸出的電壓會通往RS正反器；RS正反器的R表示清除記憶，S為設定記憶，Q為記憶。當電壓經過S時會設定並儲存於Q，當Q所輸出的電流會通往及閘 (AND電路)。

及閘(AND電路)必需要有兩個電壓通往它才會輸出電壓，如果有一電壓是0V則不會輸出電壓。及閘輸出的電壓會通到繼電器，繼電器再控制馬達。當水位低於E₂時馬達便會抽水，另外B水桶的水位低於E₄時，E₄沒有接觸到水，就不會有電壓經過，及閘只有一個電壓輸入，因此不會有電壓輸出到繼電器，繼電器不導通，抽水馬達便不會運作，以確保馬達不空轉避免燒壞。

表4-2-1 數位控制器使用材料

材料名稱	規格	數量
固態繼電器(SSR)		1
電源供應器	12V	1
IC(相反閘)	4043	1
IC(RS正反器)	4069	1
IC(及閘)	4011	1
電阻	10KΩ	3
電阻	300Ω	1
電阻	1KΩ	2
電極棒		5
端子台		8
馬達	流量每秒18 l/min 揚程60cm 電流AC110 50/60 Hz 12/10 W	1

數位式與類比式控制器之差異：

市面上有許多種水位控制，本文中就是要將這些水位控制來做比較。

水位控制的作法有很多種，使用的零件也不同，數位控制主要是藉由反相閘(NOT)、及閘(AND)、RS正反器、固態繼電器等零件組裝完成，和之前所做的類比控制不同，沒有SCR(矽控整流器)、電晶體、二極體、也沒有電容，但效果卻相仿。

反相閘的主要特性是當電壓輸入一端後，另一端則沒有電壓輸出，當沒有電壓通過，則反相閘便會輸出電壓。

RS正反器裡有三個主要功能(SRQ)，S為設定、Q為記憶儲存、R為清除指令，當有一電壓輸入S時，會由Q處輸出，並且將電壓儲存及記憶，因為功能Q有記憶儲存的功能，當沒有電壓輸入S後，Q會繼續傳送電壓輸出。

及閘(AND)電路必需要有兩個電壓通往它才會輸出電壓，如果有一電壓是0V則不會輸出電壓，綜和以上三種零件其功用，與本專題中的類比控制之電晶體及SCR合併時的功用相同。

4-3 類比式控制電路：

圖4-3-1 類比式控制電路圖

類比式控制電路：

如圖4-3-1，在這個實驗裡我們所做的是液位控制器，它能使容器內的液體維持在H和L之間。從這個電路圖中我們可以發現當電路需要輸入一個很大的電流時，單是一個電晶體的放大率，是無法推動繼電器，所以我們將兩個電晶體組合在一起以滿足電路的需求，但是在控制電路中，要負載大電流時，只用電晶體來控制會很不容易，所以我們又加上了繼電器。當電晶體輸出小功率去控制繼電器時，再利用繼電器的接點同時啟閉許多電路。

當水位低於L時，TR₁與TR₂都沒有動作，此時繼電器的常閉接點N.C.使抽水馬達通電運轉，水位到達H時，會使感測棒E₃和E₁間導電，也使電晶體獲得偏壓。TR₁和TR₂導電的結果使繼電器動作，N.C.打開而馬達停止，同時另一組接點N.O.閉合，使E₂和E₁相通，就這樣重覆循環使水位保持在H和L之間。

第五章問題探討

以下簡單介紹在實驗中所遇到一些常出現的問題，以供學子們重覆本實驗之參考。

實驗中本專題將抽水馬達插頭接錯，直接接往電源，因為抽水馬達未與FR-1控制器(圖5-1)相連接，因此不產生作動現象。為改善此疏忽將插頭接到我們所另行製作的插座，這種插座其電源線路一條接往FR-1控制器，一條接往抽水馬達，當感測到水位於低水位時，會將訊號傳回FR-1控制器裡，而FR-1控制器會再送出另一個訊號到抽水馬達。使抽水馬達抽水並啟動燈泡(燈泡亮時，代表抽水馬達在運作)，當到達高水位，則燈泡會熄滅而抽水馬達停止抽水。

圖5-1 FR-1控制器

在實驗中因為感測棒無法感應到水位高低，所以抽水馬達無法抽水。初步便推想是感測棒出了問題，因此假設FR-1控制器故障，所以沒有傳送訊號給抽水馬達，使抽水馬達無法運作。立刻檢查感測棒是否脫落與FR-1控制器上各接點後，果然發現在控制器的E₂端點處有電線脫落，再重新接過後，迴路又能啟動。為了使教學方便，所以線路必須時常拆裝，所以線路容易脫落。

實驗中本專題懷疑之前所做的電路板與FR-1控制器產生互相干擾現象，因此無法正常運作，所以本專題嘗試將FR-1控制器與另一迴路板單獨運作，結果查覺FR-1控制器正常而另一迴路板再單獨運作時，卻發現抽水馬達無法正常抽水，於是我們將迴路板線路逐一檢查，結果發現在繼電器上有一條迴路線接往抽水馬達的線路斷掉，經重新接好，迴路板又可單獨運作。

之前實驗時懷疑所做的電路板與FR-1控制器產生互相干擾現象，因此無法正常運作，但是在單獨測試電路板與FR-1控制器已得知各迴路均能正常使用，所以本組大膽的嘗試將兩迴路機構合併測試，卻發現當水位到達低水位時，便停止抽水，卻又馬上放水。一會功夫水位低於低水位感測棒時，又突然開始抽水，這現象一直持續反覆出現，經討論後，本組發現如果自製式與市售式兩個控制器同時接線，會造成控制上的時間差，因此感測棒無法感應到高水位，所以才會徘徊在低水位感測棒，也使得燈泡一會兒亮、一會兒不亮。

第六章結論

從這次專題製作的過程中，本文了解到水位控制這名詞是很廣泛的。因此本組為了尋找適當的題目，曾查閱圖書館，詢問老師….等。後來本組為了配合本科成立感測器實驗室為主，所以本組選擇了電極式水位控制迴路為主題，並另外製作數位控制迴路作為比較之用。

在製作的過程中，本組一再研討如何讓學子們能很快速的學習到其中意義，經過一番研究，本組將所有電子元件材料懸掛在直立式的看板上，以便於老師講解時可以很明確的指出其特性，功能及用途，並且在線路的連接採用裸露式，以便於學子們操作及實驗。

在本專題中，本組使用低廉的電子原件組成控制迴路，在迴路板中所使用之繼電器、二極體、電晶體、矽控整流器….等元件，亦在本文中分別介紹。將其特性加以說明，並指出其運用目的何在，使學子們邊操作邊認識元件。本組也使用市售之控制器取代迴路板，並比較兩者不同所在。在測試中本組也發現，兩套設備運作功能相似，並無明顯差異。這兩迴路的成本以市售之控制器迴路為最貴。

本組也另外製作了數位控制迴路，以對電極式水位控制製作的比較。從比較中，學得數位控制必須要有基礎邏輯觀念，才能達到操作自如。而電極式水位控制迴路只要本身對電子元件的特性了解並能運用。在數位控制裡雖可以用很少的IC就能整成迴路，但卻無法連接許多元件，那是因為電路中只要用很小的電流就能起動電路，但卻無法有大電流，故此本專題利用電極式水位控制迴路來呈現大電流激起許多元件的帶動，如光電開關、繼電器、電磁閥、電晶體。

本專題中，亦將大量時間投入製作與撰寫論文，也將製作過程與實作經驗呈現在此文章中，希望以後參考本專題的學子們能將此專題再加以改進並創新。

參考文獻

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2.蔡朝洋，”電子電路實作技術”，全華科技圖書股份有限公司，Ｐ72～Ｐ73，85年出版。

3.魏吟芳，”電子實習(一)”，高立圖書有限公司，Ｐ63～Ｐ64；Ｐ67～Ｐ68，86年出版。

4.陳本源，陳新一，”工業電子實習”，全華科技圖書股份有限公司

，Ｐ223～Ｐ232，85年出版。

5.陳傳意，”電子學”，文京圖書有限公司，Ｐ289～Ｐ309，85年出版。

6.”微電腦檢測實驗裝置”，金儀電子企業股份有限公司，Ｐ246～Ｐ249，85年出版。

7.林崧銘，”控制電路”，全華科技圖書股份有限公司，Ｐ23～Ｐ28， 85年出版。

8.水位控制器產品型錄之陽明電機股份有限公司。

附錄

A.工作狀況分配表

職務	姓名	工作狀況
組長：	黃景義	蒐集資料、購買材料、硬體組裝、理論研究、撰寫報告、文書處理。
組員：	陳幼彬	蒐集資料、購買材料、硬體組裝、理論研究、撰寫報告。
組員：	殷志岡	蒐集資料、購買材料、硬體組裝、文書處理、撰寫報告。
組員：	陳豊云	蒐集資料、購買材料、硬體組裝、理論研究、撰寫報告。
組員：	鄭旭玲	蒐集資料、購買材料、撰寫報告、理論研究。
組員：	黃俞甄	蒐集資料、購買材料、撰寫報告。

B.工作進度規劃表

月次

工作

項目

備

註

月

蒐集資料

研究討論

購買材料

製作成品

成品測試

報告撰寫

進度累計

百分比

100

C.使用設備

名稱		數量
十字起		1支
一字起		1支
電鑽		1台
電鋸		1把
尖嘴鉗		1支
斜口鉗		1支
示波器		1台
鑽床		1台
焊槍		1支
熱熔槍		1支
數位式三用電表		1台