(TIỂU LUẬN) 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 kiện khác sẽ không dẫn điện.Phân loại + Bán dẫn tinh khiết – Hạt tải điện là electron và lỗ trống với s

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 hệ thốngchiếu sáng phải phù hợp với chức năng của ngôi nhà và hệ thống mạng điện công cộng, nâng caotính an toàn trong sử dụng, tiết kiệm chi phí tiêu thụ điện Một hệ thống chiếu sáng tiêu chuẩn cầnđảm bảo các yếu tố: không có bóng tối, độ rọi đồng đều trên diện tích chiếu sáng, không gây ảnhhưởng xấu đến thị lực mà tiết kiệm điện tối đa Đối với hệ thống chiếu sáng cho một ngôi nhàtruyền thống Việt Nam, các đèn được bố trí hợp lí sao cho số đèn sử dụng là ít nhất mà vẫn đảmbảo tiêu chuẩn chiếu sáng cho các khu vực khác nhau trong khuôn viên nhà Hơn nữa, với một hệthống chiếu sáng thông minh sử dụng bộ điều khiển, ta có thể kiểm soát tự động bật/tắt các bóngđèn làm tăng độ sáng khi có sự hiện diện của con người và giảm độ sáng khi không cần thiết, giúpgiảm việc lãng phí năng lượng gây ảnh hưởng xấu đến môi trường và đảm bảo mục tiêu phát triểnbền vững của khu vực

Bên cạnh đó hiện này hiện nay tình hình an ninh trật tự diễn biến hết sức phức tạp đặc biệt

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, cảm biến hồng ngoài, cảm biến khoảng cách,…

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

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

Khái niệm: Chất bán dẫn là chất có độ dẫn điện ở mức trung gian giữa kim loại và điện môi Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ

2

phòng Gọi là bán dẫn vì chất này có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một điều kiện khác 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 • Dòng điện trong bán dẫn là dòng chuyểnchuyển dời có hướng của các electron dời có hướng của các electron và lỗ trống

• Điện trở suất của kim loại tăng • Điện trở suất của bán dẫn tinh khiết

+ 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 chỗ trống 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 bán dẫn 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 chuyển

tiếp p – n có tính chất chỉnh lưu

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

4

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 từ

bên 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 như khôngdẫn điện tức là điện trở rất lớn Khi được chiếu bằng chùm sáng thích hợp (năng lượng đủ lớn) thì một

số electron liên kết sẽ bật ra trở thành electron dẫn và đồng thời tạo ra lỗ trống , tạo thành các hạt dẫnđiện làm cho khả năng dẫn điện của bán dẫn tăng lên tức là điện trở giảm Cường độ chùm sáng chiếuđến càng lớn, càng nhiều electron tự do và lỗ trống được tạo thành  điện trở càng giảm Như vậy quangđiện 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

5

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 tatạo 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(vài micrimet) 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

E qua 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

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

7

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 >> Relay không 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 làm hỏng tranzitor

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

- 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 hiện của 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

9

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 ra những câuhỏi về chủ đề này (VD: thiết bị gia dụng thông minh là gì, ví dụ, chức năng, nguyên lí hoạtđộng, phân loại, giá cả, bộ phận quan trọng, lịch sử phát minh và phát triển, ưu nhược điểm,

…) GV tổng hợp câu hỏi và đưa ra những câu hỏi trọng tâm cần tìm 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:

2.Yêu cầu của dự án : Chế tạo những thiết bị thông minh trong căn nhà có sử dụng

cảm biến để nâng cao chất lượng của 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 Tự động làm căn nhà tiện lợi hơn 15

Hoạt động đơn giản dễ sử dụng, dễ lắp đặt 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

11

STT Nội dung hoạt động Thời Ghi chú

gian

hoạch thực hiên, phân công côngviệc

2 Tìm hiểu kiến thức liên quan 1 tuần Làm việc theo nhóm đề hoàn thành

- Tìm hiểu về cảm biến phiếu học tập về kiến thức nền

Giải đáp thắc mắc của học sinh

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 1 tiết Các nhóm báo cáo phương án, giải

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 nhómmình

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

12

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

- 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

Adaptor Mô đun công tắc ( 4 cảm biến )

13

Cảm biến ánh sáng

Cảm biến chuyểnđộng

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 trộm thông 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, kĩ năng 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.

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

GV thông báo về các tiêu chí đánh giá cho bản thiết kế

*GV có thể hướng dẫn HS sử dụng bảng tiêu chí đánh giá để nhận xét và trao đổi

 Hình thức bài báo cáo;

 Kĩ năng thuyết trình( trình bày và trả lời câu hỏi)

GV yêu cầu HS tổng hợp các góp ý của GV và các nhóm, điều chỉnh bản thiết kế

và lựa chọn phương án tối ưu

GV thông báo nhiệm vụ kế tiếp: thi công và báo cáo sản phẩm

5.4 Hoạt động 4 Chế tạo thiết bị thông minh trong nhà ở theo phương án thiết kế.

5.4.1 Mục đích.

Sau hoạt động này, HS có khả năng:

- GV theo dõi, tư vấn hỗ trợ HS

5.4.3 Dự kiến sản phẩm hoạt động của HS.

- Ngôi nhà mẫu và thiết bị thông minh trong căn nhà

- Bản thiết kế sau điều chỉnh( nếu có) (trình bày ở phụ lục II)

- Bài báo cáo quá trình và kinh nghiệm thi công

Sau hoạt động này, HS có khả năng:

- Trình bày hoạt động của các thiết bị thông minh

- Giải thích được sự thành công hoặc thất bại của sản phẩm trong quá trình thi công

- Đề xuất các ý tưởng cải tiến sản phẩm

5.5.2 Nội dung

- HS báo cáo và test sự hoạt động của các thiết bị thông minh

- GV và HS nhận xét nêu câu hỏi

- HS giải thích được sự thành công hoặc thất bại của sản phẩm và đề xuất các phương áncải tiến

5.5.3 Dự kiến sản phẩm hoạt động của học sinh

- Bản đề xuất cải tiến

- Hồ sơ học tập hoàn chỉnh của dự án

5.5.4 Cách thức tổ chức hoạt động.

GV tổ chức buổi báo cáo sản phẩm theo 3 bước:

Báo cáo

Nội dung báo cáo của mỗi nhóm:

Tiến trình thi công sản phẩm

Kết quả các lần thử nghiệm

Phương án thiết kế cuối cùng

17