XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Умный светильник
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Во-первых, актуальность этой темы связана с тем, что в настоящее время люди каждый день тратят огромное количество электроэнергии на бытовые вещи. Такие электроприборы как холодильник, электрический чайник, микроволновка и т.д. настолько вошли в нашу повседневную жизнь, что существование без них представить практически невозможно. Почему же такое потребление электричества вредно для человека и окружающей среды? Во-первых, теплоэлектростанции используют уголь, газ или нефть, то есть не возобновляемые запасы полезных ископаемых, и выбрасывают углекислый газ в атмосферу. В случае с атомной электростанцией проблема заключается в тех радиоактивных отходах, которые еще не научились перерабатывать так, чтобы сделать их абсолютно безопасными для окружающей среды.
Во-вторых, 21 век – это время развития новых технологий. Всё чаще стали появляться умные дома, жизнь в них намного удобнее и комфортнее. Автоматическое включение электрических чайников, роботов пылесосов или света – всё это можно просто делать голосом, с помощью голосовых станций, которые есть уже практически в каждом доме.
Создание «умного светильника» не только поможет сократить потребление электричества в моём доме, но и сделает его более функциональным.
Теория
Фоторезистор
В основе работы «умного светильника» лежит фоторезистор – это полупроводниковый прибор, который изменяет величину своего сопротивления при облучении света. Рассмотрим подробнее принцип его действия. В неактивном состоянии полупроводник проявляет свойства диэлектрика. Для того, чтобы он проводил ток, необходимо воздействие на него светом. Под действием фотонов света полупроводник насыщается электронами, в результате этот он становится способным проводить электрический ток. Чем больше электронов (света) образуется, тем меньшее сопротивление току оказывает фоторезистор.
Разберем строение фоторезистора. В основе прибора лежит подложка, в основном керамическая, которая покрыта слоем полупроводникового материала. Поверх этого полупроводника наносятся змейкой тонкий слой золота, платины или другого коррозиестойкого металла (который не подвергается самопроизвольному разрушению в результате химического, электрохимического или физико-химического взаимодействия с окружающей средой). Потом присоединяют электроды, на которые поступает электрический ток. Всю эту конструкцию часто покрывают прозрачным пластиком.
Светодиод
Чтобы любой светильник стал таковым, ему необходим светодиод. Он небольшого размера и светит не так ярко, как обычные лампочки, однако светодиод очень удобно использовать при пайке, так как у него имеются два длинных контакта.
Источник питания
Любой прибор не может работать без источника питания. Изначально я сделала «умный светильник», который работал от небольшого блока питания с батарейками на 6 В, однако они слишком быстро разряжались. Тогда, для «умного светильника» я решила использовать провод USB на 5 В и блок питания, которые подключаются к сети 220 В.
Первые схемы
Вроде бы все готово: светодиод, фоторезистор и источник питания; остается только подключить все элементы цепи, и «умный светильник» готов. Но тут возникает проблема: если подключить все составляющие последовательно, то когда на фоторезистор попадает свет (его сопротивление уменьшается), то светодиод загорается. Когда света нет, то сопротивление фоторезистора растет, соответственно через светодиод проходит не достаточный ток, чтобы он загорелся. Такая работа прибора нам не подходит, ведь светильник должен действовать наоборот (включаться, когда света нет, и всключаться, когда его нет).
Получается, элементы надо подсоединить параллельно. С теоретической точки зрения всё должно работать корректно: когда темно, сопротивление фоторезистора больше, чем у светодиода, соответственно больший ток проходит через светодиод, и он загорается. Когда светло, сопротивление фоторезистора падает и становится меньше, чем у светодиода. Через него не проходит достаточный ток, и светодиод не загорается.
Однако, собрав и проверив эту схему, оказалось, что она не работает. Происходит это потому что, сопротивление фоторезистора, когда на него попадает свет, больше, чем сопротивление светодиода.
Получается, в схему необходимо добавить элемент, который будет изменять направление тока, при определеёном сопротивлении фоторезистора.
Транзистор
Транзистор – это полупроводниковый прибор, предназначенный для управления электрическим током. Существует несколько типов, но я буду использовать биполярный транзистор. Он представляет собой кристалл полупроводника (чаще всего используется кремний), разделенный на три зоны с разной электропроводностью. Зоны называются соответственно коллектором, базой и эмиттером. Ключевым называется режим работы транзистора, при котором он либо полностью открыт, либо полностью закрыт (совершенно не проводит ток). Из одного состояния в другое биполярный транзистор в этом режиме переключается за очень короткий промежуток времени.
Рассмотрим принцип работы транзистора. Если между базой и эммитером возникает напряжение больше, чем между базой и коллектором, то через эмиттер и коллектор проходит ток. Получается, между эмиттером и базой нужно установить фоторезистор, чтобы от изменения его сопротивления транзистор либо закрывался, либо открывался.
Для «умного светильника» я взяла транзистор pn-2222 на 6B
Переменный резистор
Для настройки интенсивности работы фоторезистора необходим переменный резистор. Переменный резистор – это прибор, регулирующий напряжение и ток. Принцип действия прибора основан на ступенчатом или плавном изменении сопротивления с помощью движения специального винтика. Чтобы с помощью переменного резистора изменять «чувствительность» «умного светильника», то его нужно расположить между базой и коллектором
Резистор
Светодиоду для работы нужно очень маленькое постоянное напряжение, а если подать больше, он перегорит, поэтому для ограничения тока необходим обычный резистор. Нужное сопротивление я расчитала эксперементально с помощью мультиметра и получила ~100 кОм.
Реле
Чтобы «умный светильник» потреблял меньше электроэнергии потребуется реле. Реле – это устройство, предназначенное для установки и разрыва соединений в электрических цепях. Рассмотрим строение и устройство этого прибора.
Строение и работа реле.
Простейшее электромагнитное реле состоит из электромагнита (катушки), якоря и соединяющих элементов. При подаче электрического тока на катушку она притягивает якорь с контактом, который замыкает цепь. 5 контактное реле имеет 5 контактов: 2 соединены между собой катушкой (через которую проходит ток), остальные три играют роль некого выключателя. Якорь изначально соединяет два контакта, а когда через катушку проходит ток, этот якорь переключается на другой контакт. Контакты, на которые якорь соединяют изначально, называют нормально замкнутыми, к ним я и подключу светодиод. Когда будет светло, реле переключаться не станет, значит и потребление электроэнергии при этом будет намного меньше.
Изготовение «умного светильника»
Перед тем, как делать «умный светильник» нужно создать схему, по которой я буду уже строить прибор.
Для создания умного свтеильника нам потребуется:
Фоторезистор
Переменный резистор на 10кОм
Транзистор (pn 2222)
Реле на 6В
Светодиод (зеленого цвета)
Резистор на 100кОм
Плата (65мм × 40мм)
Паяльник, а также канифоль и припой для пайки
Проводочки
Кабель USB и блок на 5В
Корпус для светильник
Ход работы:
Расположила все элементы на плате, так чтобы с одной стороны находились: фоторезистор, реле, транзистрор, переменный резистор и резистор. С другой стороны будет находится светодиод и провода.
Подготовила каболь USB, так чтобы его можно было припаять, пердварительно замерив плюс и минус мультиметром.
Спаяла все элементы так, как показано на схеме.
Подключила «умный ветильник» к электросети и отрегулировала с помощью переменного резистора чувствительность прибора.
Закрывая «умный светильник» от света проверила работоспособность. Всё в норме.
Итоги работы
Благодаря выполнению этой работы, я подробнее узанала о таких приборах, как фоторезистор, переменный резистор, реле и транзистор.
Я создала умный светильник, который отлично выполняет свою функцию и теперь стоит в моей комнате. Принци его работы достаточно простой, поэтому создать подобный светильник сможет каждый. Надеюсь в будующем у всех будет возможность создать собственный умный прибор, который поможет упростить бытовые вещии, сэкономить время и даже, сохранить ресурсы нашей планеты.
Список используемых источников и литратуры
Макаров Д.О. Что такое фоторезистор, его устройство и принцип работы / Макаров Д.О [Электронный ресурс] // Asutpp.ru: [сайт]. — URL: https://www.asutpp.ru/fotorezistor.html
Перышкин, А. В. Физика 8 класс [Текст] / А. В. Перышкин — 13-е изд. — Москва: Дрофа, 2013 — 240 c.
Транзистор / [Электронный ресурс] // Wikipedia.org: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Транзистор
Мельник А.А. Что такое реле: виды, принцип действия и устройство / Мельник А.А. [Электронный ресурс] // Radioelementy.ru: [сайт]. — URL: https://www.radioelementy.ru/articles/chto-takoe-rele/
Лагутин В.С. Переменный резистор: что это, принцип работы / Лагутин В.С. [Электронный ресурс] // Electroinfo.net: [сайт]. — URL: https://electroinfo.net/radiodetali/rezistory/peremennyj-rezistor.html
Повный А.М. Почему светодиод нужно подключать через резистор / Повный А.М. [Электронный ресурс] // Electricalschool.info: [сайт]. — URL: http://electricalschool.info/spravochnik/poleznoe/2006-pochemu-svetodiod-nuzhno-podklyuchat-cherez-rezistor.html
Мельник А.А. Светодиоды: виды и схема подключения / Мельник А.А. [Электронный ресурс] // radioelementy.ru: [сайт]. — URL: https://www.radioelementy.ru/articles/svetodiody-vidy-i-skhema-podklyucheniya/
USB / [Электронный ресурс] // Wikipedia.org: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/USB