CHỦ ĐỀ THIẾT BỊ THÔNG MINH TRONG NHÀ Ở ( TƯ VẤN THIẾT KẾ XÂY DỰNG)

Gọi là bán dẫn vì chất này có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một điều kiệnkhác sẽ không dẫn điện.Phân loại + Bán dẫn tinh khiết – Hạt tải điện là electron và lỗ trống với số

PHỤ LỤC 1 CHỦ ĐỀ: THIẾT BỊ THÔNG MINH TRONG NHÀ Ở

( TƯ VẤN THIẾT KẾ XÂY DỰNG) Sản phẩm: https://www.youtube.com/watch?v=8s9JTbzh8Ic

1 MÔ TẢ CHỦ ĐỀ

1.1 Địa điểm tổ chức: Lớp học

1.2 Môn học tích hợp trong chủ đề

- Môn Vật lí: Mạch điện đơn giản có bóng đèn, Tìm hiểu về cảm biến, các loại cảm biến

- Môn công nghệ: Bản vẽ kĩ thuật, thiết kế nhà

1.3 Thời gian thực hiện: 3 tuần

1.4 Tình huống học tập và nhiệm vụ thực tiễn:

Với mỗi ngôi nhà, hệ thống chiếu sáng luôn đóng vai trò rất quan trọng Thiết kế hệthống chiếu sáng phải phù hợp với chức năng của ngôi nhà và hệ thống mạng điện công cộng,nâng cao tính an toàn trong sử dụng, tiết kiệm chi phí tiêu thụ điện Một hệ thống chiếu sángtiêu chuẩn cần đảm bảo các yếu tố: không có bóng tối, độ rọi đồng đều trên diện tích chiếu sáng,không gây ảnh hưởng xấu đến thị lực mà tiết kiệm điện tối đa Đối với hệ thống chiếu sáng cho mộtngôi nhà truyền thống Việt Nam, các đèn được bố trí hợp lí sao cho số đèn sử dụng là ít nhất màvẫn đảm bảo tiêu chuẩn chiếu sáng cho các khu vực khác nhau trong khuôn viên nhà Hơn nữa, vớimột hệ thống chiếu sáng thông minh sử dụng bộ điều khiển, ta có thể kiểm soát tự động bật/tắt cácbóng đèn làm tăng độ sáng khi có sự hiện diện của con người và giảm độ sáng khi không cần thiết,giúp giảm việc lãng phí năng lượng gây ảnh hưởng xấu đến môi trường và đảm bảo mục tiêu pháttriển bền vững của khu vực

Bên cạnh đó hiện này hiện nay tình hình an ninh trật tự diễn biến hết sức phức tạp đặcbiệt các thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, nhiều vụ trộm cướp nguy hiểm đã xảy ra

để lại nhiều hậu quả đáng tiếc Thời điểm trộm thường đột nhập vào lúc 3h đến 4h sáng khi tangủ sâu nhất, hoặc khi đi làm, công tác xa nhà Vì vậy việc lắp đặt các thiết bị chống trộm phầnnào hạn chế mối đe dọa trộm cắp tài sài giúp bạn phòng bị và phần lớn khiến kẻ đột nhập phải

bỏ đi

Nhiệm vụ được đưa ra là thiết kế và thi công được thiết bị thông minh( hệ thống chiếusáng, cảnh báo trộm thông minh, báo cháy)

2 MỤC TIÊU BÀI HỌC

Sau khi học xong chủ đề học sinh có khả năng:

2.1 Kiến thức:

- Vẽ được mạch điện đơn giản có nguồn điện, bóng đèn, còi và thiết bị cảm biến

- Hiểu được nguyên tắc hoạt động của một số cảm biến phổ biến: cảm biến ánh sáng, cảmbiến hồng ngoài, cảm biến khoảng cách,…

- Lựa chọn được giải pháp thiết kế các thiết bị thông minh có các tính năng theo yêu cầumong muốn

- Xác định được cấu tạo của một ngôi nhà, lựa chọn các vật liệu phù hợp để tạo được môhình ngôi nhà

- Có tinh thần trách nhiệm, hòa đồng giúp đỡ nhau trong nhóm, lớp

- Nhận ra sự vận dụng của kiến thức của các môn học để giải quyết nhu cầu trong cuộcsống

- Video về hoạt động của sản phẩm

4 NỘI DUNG KIẾN THỨC NỀN

Nội dung kiến thức nền của chủ đề liên quan đến nội dung của chuyên đề: Mở đầu về điện

tử học của lớp 11

4.1 Chất bán dẫn

môi Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độphòng Gọi là bán dẫn vì chất này có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một điều kiệnkhác sẽ không dẫn điện.

Phân loại

+ Bán dẫn tinh khiết

– Hạt tải điện là electron và lỗ trống với số lượng bằng nhau

– Ở nhiệt độ thấp, các electron liên kết tương đối yếu với các ion của nó => không có hạt tảiđiện

– Khi nhiệt độ tăng , các electron có động năng đủ lớn bứt khỏi liên kết và tạo thànhelectron dẫn Chừa lại một chỗ trống tương đương với hạt tải điện mang điện tích dương gọi là lỗtrống => mật độ hạt tải điện là electron và lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết bằng nhau

+ Bán dẫn có tạp chất

– Bán dẫn loại n: hạt tải điện cơ bản (đa số) là electron, hạt tải điện không cơ bản (thiểu số)

là lỗ trống Bán dẫn loại n được tạo thành do pha tạp các nguyên tố nhóm 5 vào bán dẫn tinh khiết

– Bán dẫn loại p: hạt tải điện cơ bản (đa số) là lỗ trống , hạt tải điện không cơ bản (thiểu số)

là electron Bán dẫn loại p được tạo thành do pha tạp các nguyên tố hóa trị 3 vào bán dẫn tinhkhiết

So sánh tính chất điện của kim loại và bán dẫn

• Dòng điện trong kim loại là dòng

chuyển dời có hướng của các electron

• Điện trở suất của kim loại tăng

khi nhiệt độ tăng

• Dòng điện trong bán dẫn là dòng chuyểndời có hướng của các electron và lỗ trống

• Điện trở suất của bán dẫn tinh khiết giảm mạnh khi nhiệt độ tăng

Giải thích:

+ Điện trở suất của kim loại tăng khi nhiệt độ tăng là do: Khi nhiệt độ tăng, các ion kim loại

ở nút mạng tinh thể dao động mạnh Do đó độ mất trật tự của mạng tinh thể kim loại tăng làm tăng

sự cản trở chuyển động của các electron tự do Vì vậy, khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất của kim

loại tăng, điện trở của kim loại tăng.

+ Điện trở suất của bán dẫn tinh khiết giảm mạnh khi nhiệt độ tăng là do:

Ở nhiệt độ thấp, các electron liên kết tương đối yếu với các ion của nó Khi tăng nhiệt độ,các electron có động năng đủ lớn bứt khỏi liên kết và tạo thành electron dẫn Chừa lại một chỗtrống tương đương với hạt tải điện mang điện tích dương gọi là lỗ trống ⇒ khi nhiệt độ tăng mật

độ hạt tải điện là electron và lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết tăng ⇒ điện trở suất giảm

Sự hình thành lớp chuyển tiếp p – n

+ Tại lớp chuyển tiếp p – n , có sự khuếch tán electron từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p

và khuếch tán lỗ trống từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n Khi electron gặp lỗ trống, chúng liênkết và một cặp electron và lỗ trống biến mất Ở lớp chuyển tiếp p – n hình thành lớp nghèo (không

có hạt tải điện)

+ Ở hai bên lớp nghèo, về phía bán dẫn n có các ion đono tích điện dương, ở về phía bándẫn loại p có các axepto tích điện âm Điện trở của lớp nghèo rất lớn

* Gọi U = Vp – Vn là hiệu điện thế áp vào tiếp xúc p – n

+ Khi U > 0: có dòng điện thuận với cường độ lớn chạy qua lớp tiếp xúc từ p sang n

+ Khi U < 0: có dòng điện ngược với cường độ rất nhỏ chạy qua lớp tiếp xúc từ n sang p.Vậy dòng điện chạy qua lớp chuyển tiếp p – n chỉ theo một chiều từ p sang n => lớp chuyểntiếp p – n có tính chất chỉnh lưu

Đường đặc trưng vôn – ampe của lớp chuyển tiếp p – n

Gọi U = Vp – Vn là hiệu điện thế áp vào tiếp xúc p – n

+ Khi U > 0: điện trường ngoài có tác dụng tạo ra dòng các hạt tải điện cơ bản là electron từbên bán dẫn n và lỗ trống từ bán dẫn p đi qua được lớp tiếp xúc p – n ⇒ có dòng điện chạy qua lớptiếp xúc p –n, U càng tăng thì I càng tăng

+ Khi U < 0: điện trường ngoài có tác dụng chỉ tạo dòng các hạt tải không cơ bản là electron

từ bên bán dẫn p và lỗ trống từ bán dẫn n đi qua được lớp tiếp xúc p- n ⇒ có dòng điện chạy qualớp tiếp xúc p – n với cường độ rất nhỏ,

4.2 Quang điện trở

Khái niệm: Quang điện trở là một tấm bán dẫn có điện trở thay đổi khi cường độ sáng chiếu

vào nó thay đổi

Nguyên lý hoạt động: Quang điện trở được chế tạo dựa trên hiện tượng quang điện trong Ban

đầu khi chưa được chiếu sáng, mật độ electron tự do và lỗ trống trong bán dẫn thấp nên gần nhưkhông dẫn điện tức là điện trở rất lớn Khi được chiếu bằng chùm sáng thích hợp (năng lượng đủlớn) thì một số electron liên kết sẽ bật ra trở thành electron dẫn và đồng thời tạo ra lỗ trống , tạothành các hạt dẫn điện làm cho khả năng dẫn điện của bán dẫn tăng lên tức là điện trở giảm Cường

độ chùm sáng chiếu đến càng lớn, càng nhiều electron tự do và lỗ trống được tạo thành  điện trởcàng giảm Như vậy quang điện trở có điện trở thay đổi khi cường độ sáng chiếu vào nó thay đổi

Ứng dụng: Quang điện trở thường được mắc trong các mạch khuếch đại trong các thiết bị điều

khiển bằng ánh sáng, trong các máy đo cường độ sáng

4.3 Tranzito

Khái niệm: Tranzito lưỡng cực là một linh kiện bán dẫn có hai lớp chuyển tiếp p-n Transistor

được tạo thành từ một mẫu bán dẫn, trên đó bằng cách khuếch tán các tạp chất, người ta tạo thành

ba khu vực bán dẫn, theo thứ tự p-n-p hoặc n-p-n Khu vực ở giữa có chiều dày rất nhỏ (vàimicrimet) và có nồng độ hạt mang điện nhỏ

Tương ứng với 3 khu vực bán dẫn là 3 cực:

– Cực Phát ký hiệu là chữ E (Emitter) là nguồn phát ra các hạt tải điện trong tranzito

– Cực Gốc ký hiệu là chữ B (Base) là cực điều khiển dòng điện

– Cực Góp ký hiệu là chữ C (Collector) có nhiệm vụ thu nhận tất cả các hạt dẫn từ phần phát Equa phần gốc B tới

Nguyên lý hoạt động: Để tranzito làm việc ở chế độ khuếch đại: Lớp chuyển tiếp E-B phân

cực thuận, dòng IB nhỏ, lớp chuyển tiếp B-C phân cực ngược

Khi khóa K mở: đèn không sáng do lớpchuyển tiếp B-C phân cực ngược không chodòng điện đi qua

Khi khóa K đóng: đèn sángKhi đó lớp chuyển tiếp B-E được UBE phâncực thuận, điện tử tự do dịch chuyển từ cực Esang cực B tái hợp với lỗ trống tạo thành dòng

IB Tuy nhiên do bản bán dẫn p tại cực B rấtmỏng và có nồng độ hạt tải thấp nên số điện tử

tự do từ lớp bán dẫn N (cực E ) vượt qua tiếpgiáp sang lớp bán dẫn P (cực

B) lớn hơn số lượng lỗ trống ở cực B rất nhiều nên phần lớn số điện tử bị hút về phía cực Cdưới tác dụng của điện áp UCE => tạo thành dòng IC chạy qua Transistor  đèn sáng Như vậy:ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua transistor làm bóng đèn phát sáng,

và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB

Ứng dụng: Transistor ở chế độ khuếch đại được ứng dụng nhiều trong đời sống hàng ngày, từ

điện thoại, TV các sản phẩm này đều sử dụng bộ khuếch đại âm thanh và hình ảnh Đây là thiết bị

không thể thiếu được trong các thiết bị điện tử này

4.4 Cảm biến

Cảm biến là thiết bị điện tử thu nhận (cảm nhận) sự biến đổi của các đại lượng vật lí hay hóahọc ở môi trường cần khảo sát và biến đổi thành tín hiệu điện (điện áp hoặc dòng điện) để thu nhậnthông tin về đại lượng đó

Nguyên lí chung

Cảm biến ánh sáng

Cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở có khả năng thay đổi điện trở theo cường độ ánh sángchiếu vào Tín hiệu xuất ra của cảm biến là digital HIGH (5V) và LOW tượng trưng cho các trạngthái bật, tắt thiết bị điện tự động mà bạn không cần phải thao tác vào

Cấu tạo: gồm 1 quang điện trở và 1 biến trở để điều chỉnh độ nhậy của cảm biến

LDR là thiết bị có R LDR có thể thay đổi từ khoảng 100Ω trong ánh sáng mặt trời, đến hơn10MΩ trong bóng tối tuyệt đối khi LDR thay đổi giá trị điện trở của nó do cường độ ánh sáng

chiếu vào, điện áp có mặt tại V OUT được xác định bằng công thức chia điện áp sẽ thay đổi theotương ứng với 2 trạng thái high hoặc low Khi được chiếu sáng điện trở giảm VOUT ở trạng tháiHIGH (5V) Khi ở trong bóng tối điện trở lớn VOUT ở trạng thái LOW

Để biến thành một công tắc nhạy sáng cần kết hợp cảm biến ánh sáng với relay

Cấu tạo của relay

– Khi “Tin hieu” đưa vào là mức LOW thì Q1 không dẫn do không có dòng IBE >> Relaykhông làm việc

– Khi “Tin hieu” đưa vào là mức HIGH (Tức =5V) thì sẽ qua R1 hạn dòng, phân áp qua R3làm cho Q1 dẫn thông lúc này ta có dòng Ice là dòng điện chạy qua cuộn dây tạo thành nam châmđiện, hút công tắc và khi đó relay đóng

– Diot D1 trong mạch có tác dụng chống lại dòng điện cảm ứng do cuộn đây sinh ra làmhỏng tranzitor

Mục đích của R1 là tạo dòng vào cực B của trans tới ngưỡng bão hòa để trans hoạt độngnhư 1 chiếc khóa có điều kiện

cho relay

 mạch công tắc cảm biến ánh sáng

- Học sinh nắm được tiến trình thực hiện dự án.

- Học sinh lập được kế hoạch thực hiện dự án của nhóm

5.1.2: Nội dung

- GV đặt vấn đề làm nảy sinh nhu cầu sử dụng thiết bị gia dụng thông minh.

- GV tổ chức tìm hiểu về thiết bị gia dụng thông minh

- GV giới thiệu về dự án chế tạo thiết bị gia dụng thông minh (nhiệm vụ, tiêu chí đánh giá, tiếntrình thực hiện)

- GV tổ chức cho học sinh làm việc nhóm để phân công nhiệm vụ và lập kế hoạch thực hiệncủa nhóm

5.1.3: Dự kiến sản phẩm mong đợi.

- Nhật kí học tập ghi lại nhiệm vụ, kế hoạch triển khai và phân công công việc

Tìm hiểu về thiết bị gia dụng thông minh

- Chia nhóm để học sinh hoạt động theo nhóm

- Với từ khóa “thiết bị gia dụng thông minh” trong 2 phút các nhóm hãy đặt ranhững câu hỏi về chủ đề này (VD: thiết bị gia dụng thông minh là gì, ví dụ, chức năng,nguyên lí hoạt động, phân loại, giá cả, bộ phận quan trọng, lịch sử phát minh và pháttriển, ưu nhược điểm,…) GV tổng hợp câu hỏi và đưa ra những câu hỏi trọng tâm cầntìm hiểu chung (khái niệm, ví dụ, chức năng và nguyên lí hoạt động)

- GV cho các nhóm 10 phút sử dụng internet để tìm hiểu và sau đó thảo luận chung

cả lớp để có những khái niệm cơ bản về thiết bị gia dụng thông minh

Đặt hàng dự án

- GV giới thiệu về dự án: Nhiệm vụ, tiêu chí đánh giá sản phẩm, tiến trình thực hiện dự án và các thông tin hỗ trợ cho dự án

- Hồ sơ dự án:

1 Nhà đầu tư: Công ty xây dựng ABC

cảm biến để nâng cao chất lượng của căn nhà

3 Thông tin hỗ trợ dự án:

3.1 Mô hình căn nhà:

3.2 Phiếu hướng dẫn làm mô hình nhà

Xem trong Phụ lục II

4.Tiêu chí đánh giá sản phẩm

tối đa Chức năng của sản

phẩm

Tự động làm căn nhà tiện lợi hơn 15Tích hợp nhiều chức năng trong một sản phẩm 15Hoạt động đơn giản dễ sử dụng, dễ lắp đặt 10

Thiết bị thân thiện với môi trường 10

Tính thẩm mĩ Thiết bị gọn gàng, đơn giản, đẹp mắt 5

Tính sáng tạo Thiết kế độc đáo, ấn tượng, có ý nghĩa,… 10

5 Tiến trình thực hiện dự án

STT Nội dung hoạt động Thời

1 Tiếp nhận dự án 1 tiết Nhận nhiệm vụ, chia nhóm lên kế

hoạch thực hiên, phân công công

4 Thiết kế sản phẩm 1 tuần Làm việc theo nhóm để thiết kế sản

phẩm, chuẩn bị poster với các nộidung chính theo mẫu để báo cáo

5 Báo cáo phương án thiết kế sản

phẩm

1 tiết Các nhóm báo cáo phương án, giải

đáp và đóng góp hoàn thiện thiết kế

6 Chế tạo sản phẩm 1 tuần Làm việc theo nhóm chế tạo, chạy

thử và chuẩn bị giới thiệu sản phẩm

7 Báo cáo sản phẩm 1 tiết Báo cáo theo nhóm giải đáp và đóng

góp hoàn thiện snaar phẩm

Các nhóm phân công nhiệm vụ

- GV cho học sinh làm việc nhóm để phân công nhiệm vụ và lên kế hoạch thực

hiện của nhóm mình

5.2 Hoạt động 2 : Bạn cần những gì để chế tạo hệ thống chiếu sáng và cảnh báo thông minh ? 5.2.1 Mục đích:

Sau hoạt động này học sinh có khả năng:

- Biết được nguyên tắc hoạt động của các loại cảm biến khác nhau

- Lựa chọn được các dụng cụ để cho việc chế tạo sản phẩm phù hợp

5.2.2 Nội dung:

Tìm hiểu về các dụng cụ:

Để thiết kế, chế tạo hệ thống chiếu sáng, cảnh báo trộm thông minh bạn sẽ cần chuẩn bịnhững thiết bị sau:

1 Các dụng cụ, thiết bị để chế tạo mô hình ngôi nhà cần chiếu sáng và cảnh báo thông minh

- Thước, keo dán, dao, kéo

2 Các thiết bị điều khiển

- 01 cảm ánh sáng để xác định cường độ ánh sáng của môi trường

-01 cảm biến hồng ngoại để phát hiện nhiệt

- 01 cảm biến chuyển động để phát hiện người

- 01 Môđun đóng vai trò công tắc đóng ngắt chấp hành của hai cảm biến

- 02 Adaptor chuyển đổi nguồn điện 220V thành nguồn 5V đảm bảo an toàn điện khi thựchiện

Cảm biến ánh sáng Cảm biến chuyển động

Mở đầu- Tổ chức báo cáo

GV thông báo tiến trình của buổi báo cáo

 Thời gian báo cáo của mỗi nhóm: 3 phút

 Thời gian đặt câu hỏi và trao đổi: 3 phút

 Trong khi nhóm bạn báo cáo, mỗi HS ghi chú về ý kiến nhận xét và đặt câu hỏi tương

ứng

Sau hoạt động này, HS có khả năng:

- Mô tả được bản thiết kế các thiết bị thông minh: hệ thống chiếu sáng, cảnh báo trộmthông minh, báo cháy ở trong căn nhà với vật liệu tự chọn

- Vận dụng kiến thức về cảm biến, mạch điện và một số thiết bị trong mạch điện chứa cảmbiến để lý giải và bảo vệ cơ sở khoa học và nguyên tắc hoạt động đã lựa chọn trong phương ánthiết kế các thiết bị thông minh

- Lựa chọn phương án tối ưu để thi công

5.3.2 Nội dung

- Trong một tuần HS làm việc nhóm để hoàn thành bản thiết kế

- Trong buổi lên lớp, HS báo cáo phương án thiết kế HS vận dụng những kiến thức, kĩnăng liên quan đến sản phẩm của nhóm mình để bảo vệ phương án thiết kế

- GV và HS khác phản biện Nhóm HS ghi nhận nhận xét, điều chỉnh và đề xuất phương ántối ưu để tiến hành sản phẩm

5.3.3 Dự kiến sản phẩm hoạt động của học sinh.

- Bản thiết kế

- Bản ghi nhận ý kiến đóng góp, các câu hỏi của giáo viên và nhóm bạn

5.3.4 Các tổ chức hoạt động

Mở đầu- Tổ chức báo cáo

GV thông báo tiến trình của buổi báo cáo