Исследовательская работа "Умный свет"

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

Ярская средняя общеобразовательная школа №2

Исследовательский проект

по физике на тему:

“Умный свет.”

Проект выполнила:

Данилова Александра Константиновна

учащаяся 10 класса

Руководитель:

Семакина Е.Н.

2023 год

Введение 3

1.Теория полупроводников 3

1.1 Собственная проводимость полупроводников 4

1.2 Примесная проводимость полупроводников 5

1.3 p-n - переход 6

2. Устройство умного светильника 8

2.1 Светодиод 8

2.2 Потенциометр. 8

2.3 Фоторезистор 8

2.4 Транзистор 9

3. Экспериментальная часть 10

3.1 Сборка электрической цепи 10

Заключение 10

Литература 11

Приложение 12

Введение.

Когда наступают сумерки, включается умный свет. А утром свет постепенно гаснет. Это существенно сокращает расход электрической энергии уличными светильниками, а так же продлевает срок их службы. Фоторезистор — составная часть приборов для изменения световых величин, включения света с наступлением темноты или его выключения с восходом солнца (так называемые фотореле).

Актуальность.

Искусственный свет до такой степени вошёл в нашу ежедневную жизнь, что мы перестали даже замечать, насколько значимым считается данное открытие. Дать оценку его необходимости мы можем, когда отключают электроэнергию, или, когда темно. В настоящее время используется большое количество различных современных светильников: меняющих свет, на пульте управления, включающийся по хлопку и другие. Но мне показался самым интересным и востребованным умный светильник, самостоятельно включающийся в темноте и выключающийся при свете.

Цель: создание умного светильника.

Задачи:

1. Изучить принцип работы полупроводников.

2. Изучить работу необходимых компонентов.

3. Познакомиться с простейшей электрической схемой для включения светодиода.

1. Теория полупроводников.

Первым и самым распространенным полупроводниковым элементом является кремний, которого просто огромное количество на нашей Земле (почти 30 % земной коры состоит из этого элемента).Далее идет уже довольно редкий металл как германий (его доля в земной коре порядка 1,5*10-4 %).

Полупроводники — вещества, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между хорошо проводящими электрический ток металлами (р = 10_6 — КГ8 Ом . м) и практически не проводящими ток диэлектриками (р = 108—1013 Ом • м). Удельное сопротивление полупроводников изменяется в широком интервале (от 10_э до 108 Ом • м).

Полупроводники образуют в периодической системе элементов Д.И. Менделеева компактную группу. В периодической системе слева и снизу от полупроводниковых элементов находятся металлы, а справа и сверху — элементы, которые в твердом состоянии являются диэлектриками. Типичными полупроводниками являются германий, кремний, теллур, селен. Полупроводники существуют и в виде химических соединений, например оксиды, сульфиды, селениды, сплавы элементов различных групп.

Различают собственные и примесные полупроводники. Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники, а их проводимость называется собственной проводимостью. Примером собственных полупроводников могут сложить химически чистые Ge, Se, а также многие химические соединения: InSb, GaAs, CdS и др.

1.1 Собственная проводимость полупроводников.

Кристаллы германия имеют атомную кристаллическую решетку (рис.1). Четыре валентных электрона каждого атома Ge оказываются валентными электронами соседних атомов. На рисунке каждая черточка обозначает связь, осуществляемую одним электроном. В идеальном кристалле при О К такая структура представляет собой диэлектрик, так как все валентные электроны участвуют в образовании связей и, следовательно, не участвуют в проводимости.

При повышении температуры (или под действием света) тепловые колебания решетки могут привести к разрыву некоторых валентных связей, в результате чего часть электронов становятся свободными. В покинутом электроном месте возникает дырка, заполнить которую могут электроны из соседней пары. В результате дырка, так же как и освободившийся электрон, будет двигаться по кристаллу. Движение электронов проводимости и дырок в отсутствие электрического поля является хаотическим.

Если же на кристалл наложить электрическое поле, то электроны начнут двигаться против поля, дырки — по полю, что приведет к возникновению тока проводимости в германии, создаваемого как электронами, так и дырками.

Таким образом, в собственных полупроводниках наблюдаются два механизма проводимости: электронный и дырочный. Проводимость чистого полупроводника, обусловленная наличием свободных электронов и дырок, называется собственной проводимостью.

Характерная особенность для полупроводников — увеличение проводимости с повышением их температуры: с повышением температуры возрастает число разрывов ковалентных связей и увеличивается число свободных электронов в чистых полупроводниках. Соответственно для чистых полупроводников с повышением температуры их удельное сопротивление уменьшается. Отметим, что у металлов с повышением температуры проводимость уменьшается, а удельное сопротивление соответственно растет.

1.2 Примесная проводимость полупроводников.

Примесными называют полупроводники, содержащие примеси. Под примесями понимают атомы, ионы посторонних химических элементов. Примеси изменяют периодическое электрическое поле кристалла, оказывают влияние на энергетическое состояние электронов, их поведение в кристалле.

Введение в полупроводники специально подобранных примесей в определённых количествах называют легированием. В качестве примесей используют атомы элементов, валентность которых на единицу больше или меньше валентности атомов, составляющих полупроводник. Предположим, что в кристаллическую решётку кристалла германия G е (четырёхвалентного элемента) введены примесные атомы мышьяка (рис.2). У атома германия G е четыре валентных электрона. Они связывают атом G е ковалентными связями с ближайшими соседними атомами германия G е.

Примесный атом мышьяка As имеет пять валентных электронов, четыре из них образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами германия Ge. Пятый валентный электрон очень слабо связан с атомом мышьяка A s. Энергия его связи примерно в 250 раз меньше, чем у остальных четырёх валентных электронов. Поэтому он легко отрывается от атома мышьяка As и становится свободным. Образование свободного электрона не приводит к нарушению ковалентных связей атомов, поэтому дырка не возникает.

Атомы примеси, находящиеся в узлах кристаллической решётки, у которых один из валентных электронов легко отрывается от атома за счёт теплового хаотического движения, называются донорами. Доноры поставляют свободные электроны в кристалле полупроводника. Такие электроны являются основными носителями электрического заряда при достаточно низких температурах. В полупроводнике возникает электронная примесная проводимость (проводимость н-типа, п - первая буква слова означает negative - отрицательный). Полупроводники называются донорными или полупроводниками n-типа.  Дырки являются неосновными носителями электрического заряда в полупроводнике. Поэтому дырочная проводимость во много раз меньше электронной проводимости.

Электропроводность примесных полупроводников п - типа складывается из примесной электронной проводимости и собственной проводимости полупроводника. Согласно расчётам, введение в кристаллическую решётку германия или кремния одного атома донорной примеси (мышьяк, фосфор, висмут и др.) на 10 миллионов атомов германия G е приводит к тому, что концентрация свободных электронов в 1600 раз превышает концентрацию дырок.
Другой вариант примесной проводимости – добавление в кристалл трехвалентных атомов (рис.3). В этом случае, одна из связей трехвалентного атома будет одноэлектронной. Образуется дырка, которая может заполняться электронами соседних атомов.

Примесная проводимость полупроводника, в которой трехвалентные атомы образуют дырки в кристалле, называется акцепторной.

В качестве акцепторной примеси чаще всего используются трехвалентные индий или галлий.

Полупроводники, имеющие акцепторную примесную проводимость, называются полупроводниками p-типа (positiv).

1.3 P-n – переход.

Граница соприкосновения двух полупро­водников, один из которых имеет элек­тронную, а другой — дырочную проводи­мость, называется электронно-дырочным переходом (или p-n-переходом). Эти пере­ходы имеют большое практическое значе­ние, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов. p-n-Переход не­льзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обыч­но области различной проводимости со­здают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов. Например, на кристалл герма­ния n-типа накладывается индиевая «таб­летка». Эта система нагрева­ется примерно при 500 °С в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия диффундируют на некоторую глубину в германий. Затем расплав медленно ох­лаждают. Так как германий, содержащий индий, обладает дырочной проводимостью, то на границе закристаллизовавшегося расплава и германия n-типа образуется p-n-переход.

Рассмотрим физические процессы, происходящие в p-n-переходе (рис.4). Пусть донорный полупроводник при­водится в контакт с акцеп­торным полупроводником.  Электро­ны из n-полупроводника, где их кон­центрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении — в направле­нии р n.

В n-полупроводнике из-за ухода элек­тронов вблизи границы остается неском­пенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизованных донорных атомов. В р-полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов. Эти объемные заряды обра­зуют у границы двойной электрический слой, поле которого, направленное от n-области к р-области, препятствует дальней­шему переходу электронов в направлении nр и дырок в направлении pn. Этот слой является запирающим (характеризу­ется повышенным сопротивлением).

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое по­ле направлено от n-полупроводника к p-полупроводнику (рис. 4, а), т. е. со­впадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в p-полупроводнике от границы p-n-перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возра­стет. Направление внешнего поля, расши­ряющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направ­лении электрический ток через p-n-переход практически не проходит. Ток в запираю­щем слое в запирающем направлении об­разуется лишь за счет неосновных носите­лей тока (электронов в p-полупроводнике и дырок в n-полупроводнике). В этом направ­лении электрический ток через p-n-переход практически не проходит. Ток в запираю­щем слое в запирающем направлении об­разуется лишь за счет неосновных носите­лей тока (электронов в p-полупроводнике и дырок в n-полупроводнике).

Если приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (рис. 4, б), то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в p-полупроводнике к границе p-n-перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контакт­ного слоя и его сопротивление уменьшают­ся. Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит сквозь p-n-переход в направлении от p-полупроводника к n-полупроводнику; оно называется про­пускным (прямым).

Таким образом, p-n-переход (подобно контакту металла с полупроводником) об­ладает односторонней (вентильной) про­водимостью. Это направле­ние тока называется прямым.

2.Устройство умного светильника.

Изучив литературу по электротехнике я поняла, какие приборы нужно использовать. Умный светильник состоит из светодиода, фоторезистора, резистора, ключа и источника тока, соединёнными проводами.

2.1 Светодиод.

Светодиод - это полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.

Цилиндрический корпус из эпоксидной смолы с двумя выводами стал первым конструктивом для светоизлучающего кристалла. Закругленный цветной или прозрачный цилиндр служит линзой, формируя направленный пучок света. Выводы вставляются в отверстия печатной платы (DIP) и с помощью пайки обеспечивают электрический контакт. Излучающий кристалл располагается на катоде, который имеет форму флажка, и соединяется с анодом тончайшим проводом.

Когда к светодиоду подается прямое напряжение (на плюсовую ногу подается плюс, а на минусовую минус) происходит движение заряженных частиц через барьер и запускается процесс рекомбинации электрона и «дырки» в области P - N – перехода, который и сопровождается выделением энергии в виде фотона и небольшого количества тепла.

Любой полупроводниковый диод в процессе своей работы выделяет фотоны, но в большинстве случаев спектр излучения находится вне видимой зоны для глаз человека. Поэтому чтобы «заставить» светодиод излучать свет в диапазоне 400 – 700 нм специалистам пришлось провести не одну сотню экспериментов. В результате, которых появились такие новые соединения как: арсенид галлия, фосфид галлия и другие сложные формы.

2.2 Потенциометр.

Потенциометр – это переменный резистор, сопротивление которого можно регулировать механическим способом от 0 до номинала. Потенциометры используются в качестве делителя напряжения для его плавной регулировки.

2.3 Фоторезистор.

Фоторезистор - полупроводниковый прибор, изменяющий величину своего сопротивления при облучении светом. Не имеет p-n перехода, поэтому обладает одинаковой проводимостью независимо от направления протекания тока.

Принцип действия фоторезистора заключается в следующем: между двумя проводящими электродами находится полупроводник (на рисунке изображен красным), когда полупроводник не освещен – его сопротивление велико, вплоть до единиц МОм. Когда эта область освещена её проводимость резко возрастает, а сопротивление соответственно падает.

В качестве полупроводника могут использоваться такие материалы как: сульфид Кадмия, Сульфид Свинца, Селенит Кадмия и другие. От выбора материала при изготовлении фоторезистора зависит его спектральная характеристика. Простыми словами – диапазон цветов (длин волн) при освещении которыми будет корректно изменяться сопротивление элемента.

Резистор - пассивный элемент электрических цепей, обладающий определённым или переменным значением электрического сопротивления.

Источник тока - это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.

Ключ - это устройство, применяемое для замыкания и/или размыкания электрической цепи или группы электрических цепей.

2.4 Транзистор.

Транзистор – прибор, предназначенный для управления током в электрической цепи.

Наиболее популярный вид полупроводникового транзистора – биполярный. В устройство транзистора этого типа входит монокристалл, разделенный на 3 зоны: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э), каждая из которых имеет свой вывод.

Б – база, очень тонкий внутренний слой;

Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу;

К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.

Типы проводимости:

n-типа - носителями зарядов являются электроны.

p-типа - носители зарядов – положительно заряженные «дырки».

Требуемый тип проводимости достигается путем легирования различных частей кремниевого монокристалла. Легирование – это добавление в состав материала различных примесей для улучшения физических и химических свойств этого материала. Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p.

3.Экспериментальная часть.

3.1 Сборка электрической цепи (рис.5).

1. Макетная плата - это ключевой элемент. Чтобы собрать устройство по схеме, нужно аккуратно вставлять в отверстия ножки деталей.

2. Отверстия внутри соединены по 5 штук вместе металлическими рейками.

3. При сборке следить, чтобы ножки компонентов, которые нужно соединить, оказались на одной рейке.

4. Любому устройству нужно питание.

5. Не перепутать «плюс» и «минус».

6. Не спутать «плюс» и «минус» важно не только для батареек, но и для некоторых других элементов. Их называют полярными.

7. Ставить элементы в точности, как на рисунке, а не задом наперёд.

Правила сборки:

1. Сборку любого устройства начинают с расстановки компонентов на макетной плате.

2. Когда все детали размещены, сравнить схему и убедиться в отсутствии ошибок.

3. Затем переходить к установке проводов.

4. Подключать батарейки, только убедившись в правильности схемы.

Заключение

В заключение хочется отметить, что, как правило, построение интеллектуального дома начинается именно с функции управления освещением, поскольку одна эта функция способна значительно преобразить наш опыт пребывания в своем доме.

Проведенный опыт показал, что при должной подготовке, наличии соответствующих знаний и инструментов создание «умного» освещения не составляет большого труда.

Всего лишь за несколько десятков лет наука и техника совершили настолько большой прорыв, что то, что ранее казалось совершенно фантастичным, теперь реализуемо в короткие сроки и доступно каждому.

Список литературы

1. Игнатьева, Е. А. Умный дом – технология будущего.

2. Игнатьева, С. А Шпаков // Современные наукоемкие технологии.-2013-№7

3. Лапина, А. П. Энергоэффективные технологии / Лапина А. П.

4. Инженерный вестник Дона -2015-№ 1-2.

5. Новый взгляд на умный дом — [Электронный Ресурс].

Приложение 1.

Р ис.1

Р ис.2 Рис.3

Рис.4

Рис.5