VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Кто зажигает фонари?
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение:
Меня всегда удивляло, как вечером, с наступлением сумерек, включается уличное освещение.
Я занимаюсь в инженерном клубе, и знаком с электричеством и автоматизированными системами, поэтому этот вопрос интересовал меня именно с технической точки зрения. Мне стало интересно, кто или что включает фонари?
Человек, определяя на глазок, достаточно ли стемнело?
Или фонари включаются автоматически в определенное время?
Или, но это уж совсем фантастика, фонари сами определяют, когда стемнело и сами включаются?
Я решил разобраться в этом вопросе.
Цель работы:
Разобраться, как устроено уличное освещение, кто или что включает по вечерам фонари.
Задачи:
- узнать историю уличного освещения.
- разобраться, как устроен уличный фонарь, и что управляет его работой.
- разработать свой домашний светильник, работающий также как уличный.
Этапы работы:
- изучить материалы по истории уличного освещения;
- изучить материалы по устройству и работе современных уличных фонарей.
- разработать схему собственного фонаря, который можно было бы использовать дома.
- посмотреть имеющиеся в наличие дома материалы и электронные компоненты, которые можно было бы использовать в поделке;
- собрать устройство;
- провести испытание;
- оценить результаты.
Предполагаемые результаты:
Используя знания, полученные в ходе моего исследования, а также знания, полученные на занятиях по электронике, я планирую создать свой домашний фонарик, который будет зажигаться с наступлением темноты.
Основная часть.
Обратимся к истории. Когда впервые появилось уличное освещение и каким оно было?
В 1417 году мэр Лондона Генри Бартон распорядился вешать на улице фонари. А в Париже, в начале 16 века каждый житель должен был держать светильник у окна, выходившего на улицу. В России уличное освещение появилось в 1706 году, во время правления Петра I .
Но первые уличные фонари давали мало света, так как в них использовались обычные свечи, или масло. Позже, в фонарях стали применять керосин, что значительно увеличило их яркость.
Такие фонари каждый вечер зажигал специальный человек – фонарщик.
Настоящим прорывом стало решение английского изобретателя Уильяма Мердока, который предложил использовать газовое освещение. Его фонари давали еще больше света, были экономичны и безопасны. К тому же уже не требовалось присутствия фонарщика. Были разработаны системы, позволяющие зажигать газовый фонари автоматически.
Но прогресс не стоял на месте. В 1873 году Лодыгин сконструировал угольную лампу накаливания, а Томас Эдисон усовершенствовал ее. Это изобретение позволило заменить газовое освещение на электрическое. Сейчас фонари по всему миру электрические, и работа их полностью автоматизирована, т.е. не требует участия человека.
Современный фонарь – это не просто наружный светильник. Его обязательной частью является система управления, представленная выносным блоком.
Управление может быть ручным, автоматическим и дистанционным.
С ручным режимом все понятно - он подходит для локального освещения небольших объектов. Дистанционное управление подразумевает наличие специального диспетчерского пункта, откуда и осуществляется управление. Больше всего мне интересно разобраться с автоматическим режимом.
Для начала расскажу немного о том, как собрать электрический прибор. Электричество часто сравнивают с водой, как вода бежит по трубам, точно также по проводам бежит электрический ток. Электричество не берется из ниоткуда. Оно вырабатывается на электростанциях и по линиям электропередач попадает в города. Это высокое напряжение, работать с которым можно только взрослым, имеющим специальное разрешение. В своем эксперименте я буду использовать безопасное электричество из батарейки.
Все знают, что у батарейки есть + и -. Условно, это две разные комнаты внутри одной батарейки, в одной комнате очень много электричества (электронов), в другой пусто. Электронам в одной комнате тесно и они с радостью перебрались бы в соседнюю пустую, но внутри батарейки никакого прохода нет. Чтобы перебраться в соседнюю комнату нужна дорожка снаружи. Такая дорожка для электрического тока от + к - батарейки, называется электрическая цепь. И в основе любого электрического прибора всегда лежит электрическая цепь.
Если в получившуюся цепь поставить электрический потребитель, он заработает.
Даже на основе такой простой схемы, как на картинке, можно собрать много полезных устройств. И если бы я хотел сделать фонарь с ручным управлением, то мне потребовалось бы добавить только выключатель, Но моя задача немного сложнее, я хочу сделать умный светильник, который автоматически включается в темноте и выключается при свете, без участия человека.
Поискав информацию в интернете, на специализированных ресурсах (форум cxem.net), я понял, что автоматический режим возможен, благодаря двум интересным электрическим компонентам: фоторезистор и транзистор. Хочется остановится на этих элементах поподробнее.
Фоторезистор.
Внешний вид:
Условное обозначение в электрической схеме:
Фоторезистор - это элемент, который может хорошо или плохо проводить электричество, в зависимости от освещения. В основе фоторезистора лежит особое вещество - селен, обладающий от природы уникальными свойствами. При ярком свете селен хорошо проводит электрический ток, а в темноте - не проводит. Эти свойства и используются в фоторезисторе. Т.е. фоторезистор, в электронике проводит электричество при свете, и не проводит электричество в темноте.
Такую работу элемента можно наглядно показать с помощью эксперимента.
Собираем электрическую цепь:
Проверяем работу:
Когда на фоторезистор попадает свет от фонаря мобильного телефона, светодиод ярко загорается. А когда я закрываю фоторезистор рукой, исключая попадание на него света, светодиод гаснет.
Но ведь уличный фонарь должен работать совсем не так. Он должен гореть, когда темно! Как же это возможно? Тут нам потребуется другой электронный компонент - транзистор.
Внешний вид:
Условное обозначение:
Первый транзистор появился в 1947 году, благодаря многолетней работе трех ученых: У. Шокли, Д. Бардин и У. Брайтен. За свое изобретение они были удостоены нобелевской премии. Но важнее всего то, что данное изобретение полностью перевернуло наш мир. Именно благодаря изобретению транзистора стало возможным появление персональных компьютеров и мобильных телефонов. Используется транзистор и в умном фонаре.
Транзистор еще называют электронным ключом. Дело в том, что если просто включить транзистор в электрическую цепь, то ничего не заработает, потому что транзистор "закрыт"
Для того, чтобы "открыть" транзистор, необходимо подключить "+" батарейки к базе.
Так, когда транзистор открывается, электрический ток может пройти от батарейки через светодиод, и он загорается.
Теперь добавим в схему с транзистором уже знакомый нам фоторезистор так, чтобы заставить светодиод зажигаться в темноте.
В данной схеме для электрического тока построены две параллельные дорожки, и у электронов есть выбор. А когда есть выбор, электроны всегда выбирают ту дорожку, которая проще, где им придется сделать меньше работы.
Рассмотрим два варианта. В обоих случаях пройти сразу через светодиод электрический ток не может, т.к. сначала надо открыть транзистор. Таким образом электрический ток в любом случае сначала идет по той части цепи, которая ведет к базе транзистора. А дальше выбирает. Если светло, то в фоторезисторе совсем маленькое сопротивление, и этот путь однозначно проще, электроны выбирают данное направление, и получается, что проходят мимо транзистора и светодиода, светодиод не горит. Т.е. когда светло - светодиод не горит.
Второй вариант, когда вокруг темно. Электрический ток также как и в первом варианте доходит до базы транзистора, и снова выбирает. Только теперь фоторезистор обладает большим сопротивлением, и электроны не пропускает. Получается, что в данном случае, электрическому току придется свернуть на транзистор, открыть его и тогда светодиод загорится. Т.е. когда темно - светодиод горит.
Отлично! Именно так и должен работать автоматический уличный фонарь. В автоматической системе уличного освещения я разобрался. Я понимаю, что устройство современного уличного фонаря сложнее разработанной мною схемы, но именно базовый принцип работы - точно такой же.
Теперь переходим к следующей части работы - практической. Я соберу свой автоматический фонарик, красиво его оформлю и помещу дома, чтобы ночью, когда совсем темно моим родным не было страшно. Единственный способ надежно соединить детали в электронике - это спаять их.
Вот такой умный светильник у меня получился
3. Заключение.
Изучение истории уличного освещения, устройства фонаря, а также знакомство с такими удивительными элементами как транзистор и фоторезистор - очень интересная работа.
В результате у меня получилось сделать свой собственный умный светильник, который автоматически зажигается в темноте, и гаснет при свете. Такой режим работы позволяет экономить электричество, и избежать ошибок связанных с человеческим фактором, когда кто-то может просто забыть включит/выключить устройство.
Я не собираюсь на этом останавливаться и следующим шагом планирую создать светильник, работающий от возобновляемых источников энергии -солнца и ветра.
4. Список используемых источников и литературы:
1. Интернет-ресурс cxem.net
2. Интернет-ресурс https://ru.wikipedia.org
3. Ч. Платт "Электроника для начинающих" Издательство: Торгово-издательское Бюро BHV 2018г.