Nghiên cứu, lắp ráp và sử dụng các mạch tự động hoá cơ sở vào dạy học vật lí ở trường THPT

Khóa luận tốt nghiệp

trờng đại học Vinh

Phan Văn Thuận

Khoa Vật lý

******

Nghiên cứu, lắp ráp và sử dụng các mạch tự động
hóa cơ sở vào dạy học vật lý ở trờng THPT

khóa luận tốt nghiệp đại học

Chuyên ngành: Lý luận và phơng pháp giảng dạy vật lý

Giáo viên hớng dẫn: TS. Phạm Thị Phú
Sinh viên thực hiện: Phan Văn Thuận
lớp 44A vật lý

Vinh - 2007
1


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

Lời cảm ơn
Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn sự hớng dẫn, giúp

đỡ chỉ bảo tận tình của cô giáo hớng dẫn TS. Phạm Thị Phú.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong tổ bộ môn
PPGD; các thầy cô và cán bộ khoa Vật lý, phòng thí nghiệm PPGD cùng toàn
thể bạn bè gia đình đã giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho
em hoàn thành bản luận văn này.
Vinh, ngày 14 tháng 05 năm 2007
Sinh viên

Phan Văn Thuận

2


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

mục lục
Trang
3
Mở đầu...................................................................................................
1. Lý do chọn đề tài....................................................................................
3
2. Mục đích nghiên cứu..............................................................................
4
3. Đối tợng nghiên cứu.............................................................................
4
4. Phạm vi nghiên cứu.................................................................................
4
5. Nhiệm vụ nghiên cứu..............................................................................

4
6. Giả thuyết khoa học................................................................................
4
7. Phơng pháp nghiên cứu.........................................................................
4
8. Kết quả nghiên cứu.................................................................................
8.1...........................................................................................................
8.2...........................................................................................................
5
8.3...........................................................................................................
8.4...........................................................................................................
Chơng 1: Nghiên cứu lắp ráp các mạch tự động hóa cơ sở..............
6
Bài 1: Rơle nhiệt............................................................................
6
Bài 2: Rơle điện từ.........................................................................
8
Bài 3: Điện trở phụ thuộc vào ánh sáng (điện trở quang).................

10

Bài 4: Rơle điều khiển bằng ánh sáng.............................................

14

Bài 5: Đặc tính của Điốt (Diode)....................................................

16
21
24

27
30
33
37
39
42
45
48
51

Bài 6: Điốt Phát quang...............................................................................
Bài 7: Máy thử cực với các Điốt.................................................................
Bài 8: Đờng đặc trng của Điốt-Z.............................................................
Bài 9: Bảo vệ quá tải dùng một Điốt-Z.......................................................
Bài 10: Chiều của Điốt trong mạch Tranzito. Thử mạch điện với Điốt phát quang......
Bài 11: Đờng đặc trng truyền của Tranzito..........................................
Bài 12: Mạch Tranzito điều khiển điện áp.......................................
Bài 13: Công tắc trễ....................................................................................
Bài 14: Sự chia điện áp...................................................................
Bài 15: Mạch Tranzito điều khiển dòng......................................................
Bài 16: Điều khiển Tranito bằng ánh sáng......................................
Chơng 2: Sử dụng các thí nghiệm về mạch tự động hóa cơ
sở vào dạy học vật lý THPT..............................................................
2.1. Sử dụng thiết bị tự động hóa trong thực hành thí nghiệm vật lý..........
a. Thiết bị đo thời gian trong SGK VL 10 phân ban................................
b. Thiết bị đo thời gian dùng trạm quang tự chế tạo................................
2.2. Dạy học chính khóa.............................................................................
Giáo án 1: Sự nở vì nhiệt của vật rắn........................................................
Giáo án 2: Quang trở và pin quang điện...................................................
3

55
55
56
58
58
61


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

2. 3. Bài thí nghiệm thực hành....................................................................
Bài 1: Vẽ đờng đặc tính của Điốt..............................................................
Bài 2: A. Khảo sát điện trở phụ thuộc vào ánh sáng;
B. Rơle điện từ điều khiển bằng ánh sáng........................................
2. 4. Ngoại khóa Vật lý...............................................................................
Bài 1: Công tắc cảm ứng bằng tay..............................................................
Bài 2: Công tắc hẹn giờ tự động..................................................................
Kết luận..................................................................................................
Tài liệu tham khảo..............................................................................

4

63
63
65
69
69

72
74
76


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận
Mở đầu

1. Lý do chọn đề tài
Việc giáo dục kĩ thuật tổng hợp càng tỏ ra quan trọng trong điều
kiện khoa học kỹ thuật phát triển nh vũ bão hiện nay. Những ứng dụng
của vật lý vào kỹ thuật không những tạo ra những ph ơng pháp sản xuất
mới, dẫn tới năng suất lao động cao mà nhiều khi còn thay đổi cơ bản
chức năng của con ngời và máy móc trong quá trình sản xuất. Chẳng
hạn nh trong nhiều lĩnh vực sản xuất hiện nay đã đợc tự động hóa hoàn
toàn hay một phần, máy móc hoạt động theo một chơng trình hoàn toàn
xác định với một mức độ chính xác cao hơn cả con ng ời thao tác trực
tiếp trên máy. Vai trò của con ngời ở đây quy về việc kiểm tra hoạt
động của các hệ thống tự động, phát hiện và điều chỉnh những trục trặc
sự cố, chứ không còn phải thao tác trực tiếp trên vật liệu cần gia công
và những công việc đó đã đợc các rôbốt hoặc máy móc tự động đảm
nhận.
Bớc vào thế kỷ 21, sẽ xuất hiện nhiều công nghệ sản xuất hiện đại,
trong đó tự động hóa giữ một vai trò quan trọng, ngời lao động cần phải
có kiến thức cơ bản về tự động hóa.
Vì vậy ngay khi đang ngồi trên ghế nhà trờng chúng ta phải chuẩn
bị cho học sinh những kiến thức và những kỹ năng cần thiết để họ có
thể nhanh chóng tham gia vào các hoạt động sản xuất đa dạng trong xã

hội hiện đại. Việc giáo dục kỹ thuật tổng hợp không đòi hỏi phải dạy
cho học sinh tất cả các máy móc, thiết bị nhng đòi hỏi phải dạy những
cơ sở, nguyên tắc vật lý nói chung. Nắm đợc những nguyên tắc chung
đó, học sinh sẽ dễ dàng sau này đi vào sử dụng từng loại máy móc
chuyên dùng cụ thể trong mỗi ngành sản xuất.
Môn vật lý học đóng một vai trò quan trọng để thực hiện đ ợc mục
tiêu trên. Vì vậy trong dạy học vật lý cần tạo đợc niềm tin vào sự đúng
đắn của khoa học, phải mang lại sự gần gũi giữa các bài học và thực
tiễn. Điều đó chỉ có thể thực hiện đợc thông qua những thí nghiệm mà
giáo viên hoặc học sinh tiến hành trong quá trình dạy học. Nh ng nhiều

5


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

thí nghiệm để có đợc kết quả chính xác, thuyết phục giáo viên hoặc học
sinh không thể đo đạc trực tiếp mà phải nhờ vào sự hỗ trợ của các thiết
bị tự động.
Từ những mục tiêu quan trọng trên tôi đã chọn đề tài "Nghiên cứu,
lắp ráp và sử dụng các mạch tự động hóa cơ sở vào dạy học vật lý ở
trờng THPT" cho đề tài của mình.
2. Mục đích nghiên cứu
- Lắp ráp và sử dụng các thiết bị điều khiển tự động vào trong một
số thí nghiệm vật lý nhằm nâng cao độ tin cậy của kết quả thu đ ợc khi
tiến hành thí nghiệm.
- Đề xuất phơng án các bài thí nghiệm vào trong dạy học ở trờng
phổ thông.

3. Đối tợng nghiên cứu
- Các phần tử thay đổi trạng thái khi có sự tác động của điều kiện
bên ngoài.
- Từ những phần tử đó tiến hành lắp ráp và sử dụng trong thí
nghiệm.
4. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu trong phạm vi các mạch tự động hóa cơ sở (đơn giản,
cơ bản) ở trình độ kiến thức vật lý THPT.
5. Nhiệm vụ nghiên cứu
+ Nghiên cứu tài liệu thí nghiệm điện tử của hãng Leybold - CHLB Đức
sản xuất.
+ Lắp ráp các mạch tự động hóa cơ sở dựa trên tài liệu do hãng cung cấp
và thiết bị đợc trang bị ở phòng thí nghiệm phơng pháp dạy học khoa Vật lý.
+ Nghiên cứu sách giáo khoa vật lý 10, 11, 12 THPT (các thí nghiệm
biểu diễn và thí nghiệm thực hành) có thể sử dụng các thí nghiệm trên trong
quá trình dạy học.
+ Đề xuất phơng án sử dụng các thí nghiệm đó vào dạy học vật lý ở trờng
phổ thông (thí nghiệm trong bài học xây dựng kiến thức mới; thí nghiệm trong
bài học bài tập vật lý (bài tập thí nghiệm vật lý); thí nghiệm trong tiết thực
hành; thí nghiệm trong bài học ngoại khóa).
6. giả thuyết khoa học

6


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

Có thể và cần phải sử dụng các thí nghiệm về mạch tự động hóa cơ sở

trong dạy học vật lý ở trờng THPT. Từ đó góp phần giáo dục kỹ thuật tổng
hợp trong dạy học vật lý.
7. Phơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết:
+ Cơ sở lý thuyết của các đề tài;
+ Xây dựng phơng án dạy học.
Nghiên cứu thực nghiệm:
+ Tiến hành các thí nghiệm trong bộ thí nghiệm điện tử;
+ Thiết kế chế tạo các thiết bị ứng dụng mạch tự động hóa cơ sở.
8. Kết quả nghiên cứu
8.1. Lắp ráp và thực hiện thành công 16 đề tài thí nghiệm theo tài
liệu thí nghiệm của hãng Leybol phần "kỹ thuật điện tử".
8.2. Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công bộ thí nghiệm nghiên
cứu chuyển động thẳng sử dụng Rơle quang điện: Bộ thí nghiệm có thể
thay thế bộ thí nghiệm có nội dung tơng tự do ĐHBK HN chế tạo (trong
danh mục thiết bị dạy học vật lý lớp 10 chơng trình phân ban), đảm bảo
thí nghiệm chính xác.
8.3. Đề xuất các phơng án dạy học sử dụng các thí nghiệm về mạch
tự động hóa cơ sở.
8.4. Chế tạo thiết bị tự động báo trộm và thiết kế mạch điện công
tắc hẹn giờ tự động. Dùng cho dạy học ngoại khóa ở trờng phổ thông.

7


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

Chơng 1

Nghiên cứu lắp ráp các mạch tự động hóa cơ sở
Phòng thí nghiệm phơng pháp khoa Vật lý đã đợc trang bị bộ thí nghiệm
điện tử do hãng Leybold - CHLB Đức cung cấp. Bộ thí nghiệm có thể lắp ráp
đợc 21 bài thí nghiệm. Tuy nhiên do thực tiễn dạy học tôi chỉ tiến hành lắp ráp
16 bài thí nghiệm ứng dụng vào dạy học vật lý ở trờng THPT. Trong đó có 2
bài đợc bổ sung thay thế.
Bài 1
Rơ le nhiệt
1. Mục đích
- Hiểu đợc cấu tạo của Rơle nhiệt và nguyên tắc hoạt động của nó.
- Biết đợc các ứng dụng của Rơle nhiệt trong các dụng cụ điện.
2. Cơ sở lý thuyết
Rơle nhiệt hoạt động nhờ vào tính chất nở vì nhiệt của kim loại.
Do hệ số nở vì nhiệt của các chất khác nhau là khác nhau (ở đây ta
chỉ xét đối với kim loại). Vì vậy nếu ta gắn chặt hai thanh kim loại có
bản chất khác nhau và đa đến nhiệt độ nào đó thì một thanh sẽ dài
(ngắn) hơn thanh kia. Do hiện tợng này mà một thanh có xu hớng kéo
còn một thanh có xu hớng đẩy đã làm cho cả hai thanh uốn cong về một

Hình 1.1

Hình 1.2

hớng nào đó.
3. Thiết bị
1. Băng kép (thanh tiếp xúc)

Hình 1.3. ảnh của Rơle nhiệt (băng kép)

8

Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

2. Bảng cắm linh kiện
3. Một bóng đèn và nguồn điện 6V
4. Nguồn cung cấp nhiệt (đèn cồn)
4. Tiến hành thí nghiệm
Mắc thí nghiệm nh sơ đồ sau:
K

Băng kép

6V

Đèn

Hình 1.4

Hình 1.5: ảnh băng kép khi bị nung nóng
- Tăng nhiệt độ (cho Rơle tiếp xúc với ngọn lửa đèn cồn) của Rơle
nhiệt và quan sát hiện tợng.
- Để nhiệt độ Rơle về nhiệt độ ban đầu và quan sát hiện tợng.
5. Kết quả
+ Khi tăng nhiệt độ Rơle thấy bóng đèn tắt.
+ Khi để nhiệt độ về nhiệt độ ban đầu bóng đèn sáng trở lại.
6. Nhận xét, đánh giá
- Hình dạng của Rơle thay đổi nh thế nào khi thay đổi nhiệt độ?

Giải thích tại sao?

9


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

+ Rơle đợc cấu tạo bởi hai thanh thép có hệ số nở vì nhiệt khác
nhau vì vậy khi thay đổi nhiệt độ làm cho Rơle cong về một phía nào
đó.
- Từ thí nghiệm hãy nêu các ứng dụng trong thực tế của Rơle.
+ Rơle nhiệt đợc sử dụng trong đời sống và kỹ thuật nh: bàn là, nồi
cơm điện...
Bài 2
Rơle điện từ
1. Mục đích
+ Hiểu đợc cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Rơle điện từ.
+ Biết đợc các ứng dụng của Rơle điện từ trong kỹ thuật.
2. Cơ sở lý thuyết
Rơle điện từ là loại dụng cụ điện có chức năng tự động đóng ngắt
mạch điện hay dùng để điểu khiển đóng ngắt mạch điện.
Hình 2.1 là sơ đồ nguyên tắc cấu tạo một kiểu Rơle điện từ tự động
đóng ngắt mạch. Trong sơ đồ N là nam châm điện, S là lá sắt giữ cho
thanh thép trụ K không bị lò xo L đẩy ra, hai thanh tiếp điện T.

T
L

I
S

1
K
N

I
Hình 2.1 2

Vì một lý do nào đó (nh bị chập mạch) làm dòng điện trong mạch
tăng quá mức cho phép thì nam châm N hút lá sắt S về phía nó. Khi đó
là xo L đẩy thanh trụ K làm hở hai thanh tiếp T. Dòng điện bị ngắt.
Hình 2.2 là sơ đồ nguyên tắc hoạt động của một Rơle điều khiển
việc đóng ngắt mạch điện. Bộ phận chủ yếu của Rơle là nam châm điện
N. Khi đóng khóa K thì nam châm điện N hút thanh sắt S. Thanh thép
này mang bộ phận tiếp xúc vì vậy khi nam châm hút nó sẽ đóng mạch

10


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

điện. Loại Rơle thờng dùng để điều khiển việc đóng ngắt điện ở những
nơi nguy hiểm, xa nơi điều khiển. Khi ngắt mở khóa K nam châm điện
mất tác dụng và lò xo L kéo thanh S về phía nó đồng thời ngắt mạch
điện.

K

N

L
S
Hình 2.2

Hình 2.3: ảnh một loại Rơle điện
3. Thiết bị
1. Bảng cắm linh kiện
2. 2 Rơle điện từ (loại 1 (hình 1.1) và loại 2 (hình 1.2))
3. Một biến thế (điện áp thay đổi 3V - 24V)
4. Dụng cụ điện (quạt điện) 220V AC
5. Dây nối.
4. Tiến hành thí nghiệm
Thí nghiệm 1: Mắc mạch điện nh hình 2.1.
+ Nối các cực của biến thế vào 2 điểm 1 và 2 trên sơ đồ.
+ Tăng điện thế lên từng nấc đến 24 V
+ Mỗi lần tăng quan sát hiện tợng xảy ra trên Rơle.
Thí nghiệm 2: Mắc sơ đồ mạch điện 1.2 (với nguồn cần điều khiển là
điện áp 220V AC)
Đóng khóa K và quan sát hiện tợng xảy ra trên mạch điện cần điều khiển.
Nếu nam châm điện không hút thanh S cần kiểm tra dòng điện vào nam
châm và tăng điện áp lên từng nấc cho đến khi thanh S bị nam châm hút.
5. Kết quả và nhận xét
Thí nghiệm 1
Từ 3 V 12 V Rơle cha hoạt động.

11

Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

Điện áp để Rơle hoạt động là 16V.
Thí nghiệm 2
Từ 3 V 6 V Rơle cha hoạt động
Điện áp để Rơle hoạt động là 9 V.
Khi thanh S bị hút quạt điện quay.
Nh vậy Rơle chỉ hoạt động khi dòng qua nó đủ lớn.
Bài 3
Điện trở phụ thuộc vào ánh sáng (điện trở quang)
1. Mục đích
+ Khảo sát ảnh hởng của sự thay đổi cờng độ ánh sáng đến trị số
điện trở vật dẫn.
+ Biết đợc điện trở quang là điện trở phụ thuộc vào ánh sáng và trị
số điện trở giảm khi có ánh sáng chiếu tới.
+ Qua đây giúp học sinh biết đợc kí hiệu điện trở quang (LDR), và
có thể nhận biết đợc nó trong các linh kiện điện tử.
2. Cơ sở lý thuyết
- Điện trở quang (LDR) là linh kiện điện tử nhạy với ánh sáng.
Cấu tạo của quang trở gồm một lớp chất bán dẫn (cadimi sunfua CdS
chẳng hạn).
Lớp chất này (1) đợc phủ lên một lớp nhựa (sứ) cách điện (2) và có hai
điểm tiếp xúc (3) và (4). (Hình 3.1).
4

1

3

2

A

Hình 3.1: cấu tạo của LDR
Nối nguồn điện khoảng 3V với quang trở thông qua Ampe kế ta thấy khi
ánh sáng chiếu vào quang trở nhiều hơn thì số chỉ của Ampe kế lớn hơn. Nh
vậy điện trở của quang trở sẽ giảm khi đợc chiếu ánh sáng (có thể giảm còn
khoảng 20) (tăng dòng điện chạy qua). Còn khi không đợc chiếu sáng điện
trở của nó có thể bằng (dòng không thể qua điện trở quang).
Dựa vào tính chất này ngời ta lắp ráp các mạch điện tử điều khiển các
phần tử trong mạch dựa vào ánh sáng.
2. Thiết bị
1. Bảng cắm linh kiện.

12


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

2. Điện trở LDR.
3. Điện trở 10 K.
4. Nguồn điện 12V DC.
5. Vôn kế 3V DC; 30V DC.
6. Dây nối, mảnh vải.

3. Tiến hành thí nghiệm
+ Lắp ráp mạch điện nh sơ đồ sau (hình 3.2).
+ Đặt thang đo hiệu điện thế của Vônkế ở mức 3V DC.
+ Đặt nguồn cung cấp ở mức 12V DC.
+ Xoay bảng cắm linh kiện để ánh sáng ban ngày chiếu vào phía có
mũi tên chỉ (phía trớc) của điện trở quang.

LDR

V

12V

10 k
Hình 3.2

+ Đọc giá trị điện áp ở Vôn kế. Ghi lại giá trị điện áp U =?.
1

+ Che bàn tay phía trớc điện trở quang (làm giảm ánh sáng chiếu
vào điện trở quang), quan sát hiện tợng xảy ra trên Vôn kế.
+ Sau đó nối điện trở quang trong mạch sao cho ánh sáng chiếu vào
phía sau điện trở quang (đảm bảo chắc chắn ánh sáng không bị che).
Đọc và ghi lại giá trị hiệu điện thế trên Vôn kế U = ?
2

+ Thay đổi mức thang đo Vônkế lên 30V.
+ Che điện trở quang ở mọi phía để cho ánh sáng không chiếu vào
điện trở quang (có thể dùng mảnh vải). Đọc và ghi lại giá trị hiệu điện
thế U =?.

3

4. Kết quả
+ Thí nghiệm đã sử dụng điện thế 12,8V DC
- Giá trị U = 1,4V.
1

13


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

- Khi che điện trở quang kim đồng hồ lệch nhiều hơn (hiệu điện thế
tăng).
- Giá trị U =2,9V.
2

- Giá trị U =11,5V.
3

5. Nhận xét, đánh giá
- Hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở quang sẽ lớn khi ánh sáng
chiếu vào điện trở hay khi không cho ánh sáng chiếu vào?
Hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở sẽ lớn hơn khi không cho ánh
sáng chiếu vào.
- Khi chiếu ánh sáng vào điện trở quang thì trở kháng của điện trở
quang sẽ lớn hơn hay nhỏ hơn?
Khi chiếu ánh sáng vào điện trở quang thì trở kháng sẽ giảm đi.

- Khi ánh sáng chiếu vào điện trở quang với cờng độ sáng nh nhau,
trờng hợp thứ nhất là chiếu vào phía trớc, trờng hợp thứ hai là chiếu vào
phía sau thì trờng hợp nào trở kháng của điện trở quang thay đổi nhiều
hơn?
Trở kháng của điện trở quang sẽ thay đổi nhiều hơn khi ánh sáng
chiếu vào mặt trớc của điện trở quang.

Hình 3.3: LDR không được chiếu sáng trực tiếp

14


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

- Xem kí hiệu của điện trở quang trong mạch điện (hai mũi tên biểu
thị cần ánh sáng chiếu vào).

LDR

15


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận
Bài 4

Rơle điện từ điều khiển bằng ánh sáng

1. Mục đích
+ Thiết lập mạch điện mà ta có thể bật hoặc tắt một Rơle bằng ánh
sáng.
+ Thí nghiệm này cho thấy một ứng dụng cơ bản của điện trở
quang, đồng thời hiểu đợc nguyên tắc hoạt động của Rơle tự động đóng
ngắt đèn chiếu sáng công cộng.
2. Cơ sở lý thuyết
Mạch điện đợc mắc nh hình 4.1.
L1 6V
5w

LDR

470

A

B

4 - 6V

T
K

Hình 4.1

ảnh các linh kiện và mạch điện được lắp ráp
16

L2

4V
0,04A


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

+ Khi cha đợc chiếu sáng điện trở của điện trở quang rất lớn, do đó
dòng điện qua nó rất nhỏ. Khi này dòng qua điện trở R và LDR không
đủ để cho Rơle hoạt động (Rơle ở đây chính là một Rơle điện, nó đ ợc
cấu tạo bởi một nam châm điện. Khi dòng qua nó đủ lớn sẽ hút thanh
kim loại T, đồng thời sẽ đóng hoặc ngắt mạch điện).
+ Khi đợc chiếu sáng điện trở của LDR có giá trị đủ nhỏ lúc đó
dòng qua R và LDR đủ để Rơle hoạt động và thanh T đợc hút chuyển
sang vị trí B.
Ta thấy điện trở R (470) không thể thiếu đợc trong mạch điện.
Theo sơ đồ thì R có tác dụng làm giảm dòng qua điện trở quang và tăng
dòng cho Rơle. Nếu thiếu R thì dòng qua điện trở quang sẽ quá lớn và
dòng qua Rơle quá nhỏ.
3. Thiết bị
1.

Bảng cắm linh kiện

2.

Một điện trở R (470)

3.

Một điện trở quang (LDR)

4.

Đèn 4V/0,04 và 6V/5W

5.

Nguồn điện 6V DC

6.

Dây nối và công tắc

4. Tiến hành thí nghiệm
Thí nghiệm 1: Đèn L tắt khi điện trở quang đợc chiếu sáng.
2

Mắc mạch điện nh hình 4.1.
+ Đặt mức điện áp lối vào là 6V DC.
+ Công tắc đèn L cha bật, do đó điện trở quang lúc này có giá trị
1

rất lớn nên dòng qua điện trở quang rất nhỏ. Vì vậy thanh T của Rơle
vẫn giữ ở vị trí A và đèn L sáng lên.
2

+ Bật khóa K cho đèn L sáng lên. Hiện tợng gì xảy ra trên đèn L

1

2

khi mà đèn L chiếu vào điện trở quang? Ghi kết quả quan sát đợc. [1].
1

+ Tiếp theo ta tắt công tắc đèn L . Ghi kết quả quan sát trên đèn L .
1

[2].

17

2


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

Chú ý. Trờng hợp L vẫn không xảy ra hiện tợng gì khi tắt đèn L ta
2

1

cần phải kiểm tra điện áp cấp cho Rơle, lúc này ta vẫn tắt đèn L và
1

giảm điện áp cấp cho Rơle.

+ Đóng công tắc K của đèn L . Khi đó ta dùng tay che giữa khoảng
1

đèn L và điện trở quang. Quan sát hiện tợng xảy ra trên đèn L . [3].
1

2

Thí nghiệm 2. Đèn L sáng lên khi điện trở quang đợc chiếu sáng.+
2

Đặt điện áp về mức 0. Tắt công tắc đèn L .
1

L1 6V
5w

LDR

4V
0,04A

A

B

4 - 6V

L2

470

T
K

Hình 4.2
+ Mắc lại sơ đồ mạch điện nh hình 4.2:
+ Các bớc tiến hành thí nghiệm nh ở thí nghiệm 1. Ghi lại các kết
quả thu đợc.
5. Kết quả.
Thí nghiệm 1:
[1]. Đèn L tắt (Rơle ngắt).
2

[2]. Đèn L sáng trở lại.
2

[3]. Đèn L sáng lên.
2

Thí nghiệm 2:
Kết quả thu đợc trên đèn L hoàn toàn ngợc lại so với thí nghiệm 1.
2

6. Nhận xét, đánh giá
- Điện trở của điện trở quang thay đổi nh thế nào khi nó đợc chiếu
sáng? Khi đợc chiếu sáng nó có tác dụng gì trong mạch?
+ Điện trở quang khi đợc chiếu sáng sẽ dẫn đến điện trở của nó
giảm đi, do đó dòng qua nó là lớn hơn và khi đó dòng qua Rơle sẽ làm
cho Rơle chuyển trạng thái từ đóng sang ngắt.

18


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

+ Ngắt nguồn sáng chiếu vào điện trở quang thì sẽ dẫn đến điện
trở của điện trở quang tăng lên và dòng qua điện trở quang cũng nh
Rơle nhỏ đi. Khi đó Rơle sẽ chuyển trạng thái tiếp xúc từ vị tri ngắt
sang đóng.
- Từ thí nghiệm này ta có thể rút ra ứng dụng trong thực tế là dùng điện trở
quang để đóng mở công tắc hệ thống chiếu sáng công cộng. Muốn vậy sơ đồ
mạch điện đợc bố trí nh hình 4.1. Ban ngày ánh dới tác dụng ánh sáng mặt trời
làm cho dòng điện qua Rơle và nam châm điện hút thanh T về phía nó. Làm tắt
hệ thống đèn đờng. Ban đêm thì ngợc lại.

19


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận
Bài 5
Đặc tính của Điốt (diode)

1. Mục đích
+ Hiểu đợc cấu tạo của Điốt, nhận biết nó trong bảng mạch điện tử.
+ Xác định cờng độ dòng điện I của một Điốt Silic ở các hiệu điện

thế khác nhau.
+ Dùng cặp giá trị (U, I) để vẽ đờng cong đặc tính cho mối quan hệ
giữa U và I của Điốt đó.
2. Cơ sở lý thuyết
Dòng điện qua lớp tiếp xúc p-n:
Lớp bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn loại p: đợc tạo thành bởi nguyên
tố Silic và đợc pha thêm tạp chất, tạp chất này thuộc nhóm III (thờng sử
dụng Indi (In); Bo (B)). Vì nguyên tử In có 3 điện tử hóa trị nên còn
thiếu 1 điện tử trong mối liên kết thứ 4 vì vậy nguyên tử In dễ dàng
nhận điện tử của nguyên tử Si bên cạnh để trở thành Ion (-) bất động.
Còn nguyên tử Si vừa mất điện tử trở thành lỗ trống và nguyên tử Si dễ
dàng nhận điện tử nguyên tử Si bên cạnh để trở thành 1 nguyên tử trung
hòa. Quá trình này gọi là quá trình tái hợp. Nh vậy, trong trờng hợp này
tạp chất pha vào làm cho số lỗ trống trong tinh thể tăng lên rất nhiều:
chỉ cần một số nguyên tử tạp chất bằng phần triệu số nguyên tử bán dẫn
tinh khiết cũng làm cho số lỗ trống tăng lên hàng vạn lần, do đó độ dẫn
điện của bán dẫn có tạp chất lớn hơn độ dẫn điện của bán dẫn tinh khiết
hàng vạn lần. Tuy vậy số lỗ trống tăng lên nhng số electron tự do không
tăng nên tính chất dẫn điện của bán dẫn này do lỗ trống quyết định.
Lớp bán dẫn n: đợc tạo thành bởi nguyên tố Silic và tạp chất pha
vào thuộc thuộc nhóm V (thờng sử dụng Asen (As)). Giả sử ta pha vào
tinh thể Si một lợng rất ít các nguyên tử As. Trong mạng tinh thể bốn
electron của nguyên tử As tham gia vào việc tạo thành bốn mối liên kết
cộng hóa trị với bốn nguyên tử Si xung quanh. Còn electron thứ năm
của nguyên tử As thì liên kết yếu bởi hạt nhân và dễ dàng tách khỏi
nguyên tử và trở thành electron tự do. Nh vậy, trong trờng hợp này tạp

20

Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

chất làm cho số electron tự do tăng lên rất nhiều: chỉ cần một số nguyên
tử tạp chất bằng phần triệu số nguyên tử bán dẫn tinh khiết cũng làm
cho số electron tăng lên hàng vạn lần, do đó độ dẫn điện của bán dẫn có
tạp chất lớn hơn độ dẫn điện của bán dẫn tinh khiết hàng vạn lần. Tuy
vậy số electron tự do tăng lên nhng số lỗ trống không tăng nên tính chất
dẫn điện của bán dẫn này do electron tự do quyết định.
Khi cho hai bán dẫn p-n tiếp xúc với nhau, do nồng độ điện tử trong
bán dẫn n rất lớn hơn so với bán dẫn p, còn nồng độ lỗ trống trong bán
dẫn p rất lớn so với bán dẫn n. Nên ở lân cận mặt tiếp xúc hạt dẫn đa số
của bán dẫn này khuyếch tán sang chất kia. Khi di chuyển qua mặt tiếp
xúc chúng để lại các Ion (-) và Ion (+) làm cho gần mặt tiếp xúc mất sự
trung hòa điện tích (bán dẫn n tích điện (+), bán dẫn p tích điện (-)).
hình thành điện trờng có chiều từ np. Gọi là điện trờng tiếp xúc.
Nếu ta đặt điện áp ngợc vào lớp chuyển tiếp p, n (cực (+) nối với n,
cực (-) nối với p) khi đó điện trờng ngoài cùng chiều với điện trờng tiếp
xúc làm cho điện trờng tiếp xúc tăng. Điện trờng này sẽ ngăn cản sự
chuyển động của các hạt dẫn đa số.
Ngợc lại nếu ta đặt điện áp phân cực thuận cho lớp chuyển tiếp p-n.
Lúc đó điện trờng ngoài đặt vào sẽ lớn hơn điện trờng tiếp xúc làm cho
các hạt dẫn đa số đợc di chuyển qua lớp chuyển tiếp. Lớp chuyển tiếp
cho dòng điện chạy qua. Tuy nhiên chỉ đến điện áp nhất định nào đó
(điện trờng ngoài thắng điện trơng tiếp xúc) thì mới có dòng điện chạy
qua.
Do đặc điểm cấu tạo của hai lớp bán dẫn này mà dòng điện chỉ đi
theo một chiều nhất định. Dựa vào đó ngời ta chế tạo Điốt bán dẫn. Nó
đợc cấu tạo từ một lớp bán dẫn p-n

Anôt

p

n

+ Trên mạch điện tử Điốt đợc kí hiệu:

21

Catôt


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

Anôt

Catôt

3. Thiết bị
1. Bảng mạch cắm điện
2. Điốt Si 1N 4007
3. Điện trở STE, 100
4. Phân thế (chiết áp, biến trở) 220
5. Nguồn điện 3V DC
6. Một Ampekế (0,1A DC) và một Vônkế 1V DC
7. Dây nối, cầu nối và công tắc
4. Tiến hành thí nghiệm

Lắp ráp mạch điện nh hình vẽ 5.1:
100
3V

220

V

a
A

Hình 5.1
Chú ý:
+ Kí hiệu chiều của Điốt trong mạch.
+ Loại Điốt đợc dùng 1N 4007.
+ Đối chiếu lại mạch đã mắc với sơ đồ.
+ Trớc khi đặt nguồn cung cấp phải tắt công tắc.
+ Chuyển phân thế (chiết áp, biến trở) về vị trí a.

22


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

+ Đóng công tắc nguồn.

Hình 5.2: Cách bố trí thí nghiệm
+ Dùng phân thế (biến trở, chiết áp) tăng hiệu điện thế từng nấc nh

bảng 5.1. Ghi lại kết quả thu đợc vào bảng 5.1.
Bảng 5.1
U (V)

I (mA)

0,1

0

0,2

0

0,3

0

0,4

0

0,5

0

0,6

1,2

0,65

3,2

0,7

12

0,72

21,5

23


Khóa luận tốt nghiệp

Phan Văn Thuận

+ Giữ nguyên các linh kiện trong mạch, đồng thời đảo các cực của
nguồn cấp. Nh hình 5.3:
100
220

3V

V

a
A

Hình 5.3
+ Tiến hành thí nghiệm nh trên, dùng phân thế để thay đổi điện áp
từ 0V xuống -3V. Ghi lại kết quả vào bảng 5.2.
Bảng 5.2.
U(V)

I(mA)

-0,1

0

-0,2

0

-0,3

0



0

-0,75

0

+ Vẽ đồ thị từ bảng kết quả.

+ Nhận xét gì về đờng đặc tính của Điốt.
I
(mA)
30
20
10
0

0,5

U (V)

1

- Từ đồ thị đờng đặc trng ta thấy trong khoảng từ 0 đến 0,5V dòng
điện bằng 0. Từ 0,5V trở lên Điốt bắt đầu thông - dòng điện tăng
nhanh.

24


Khãa luËn tèt nghiÖp

Phan V¨n ThuËn

25