Номер 3, страница 151 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Задание 3

Составьте цепь с лампой, управляемую фотоэлементом.

Для создания цепи с лампой, управляемой фотоэлементом, необходимо собрать электронную схему, которая будет автоматически включать лампу при наступлении темноты и выключать при появлении света. Основной принцип работы заключается в использовании светочувствительного элемента, например, фоторезистора, сопротивление которого сильно зависит от интенсивности падающего на него света. Это изменение сопротивления используется для управления электронным ключом, в роли которого чаще всего выступает биполярный транзистор.

Для сборки схемы понадобятся следующие компоненты: источник питания постоянного тока, фоторезистор (LDR — Light Dependent Resistor), постоянный резистор, NPN-транзистор (например, BC547 или 2N3904) и сама лампа (например, маломощная лампа накаливания или светодиод с токоограничивающим резистором).

Схема собирается следующим образом: фоторезистор и постоянный резистор соединяются последовательно, образуя делитель напряжения. Этот делитель подключается к источнику питания. Точка соединения между фоторезистором и резистором подключается к управляющему выводу транзистора — его базе. Лампа включается в цепь коллектора транзистора, то есть соединяется между положительным полюсом источника питания и коллектором. Эмиттер транзистора подключается к отрицательному полюсу источника питания (общей шине или "земле").

Работает такая цепь следующим образом:

1. Когда светло: Свет падает на фоторезистор, и его сопротивление становится очень низким (порядка сотен ом). Согласно свойствам делителя напряжения, падение напряжения на фоторезисторе мало, поэтому напряжение на базе транзистора также становится низким. Если это напряжение ниже порога открытия транзистора (около 0.6–0.7 В для кремниевых транзисторов), транзистор остаётся в закрытом состоянии (режим отсечки). Ток через цепь коллектор-эмиттер не течёт, и, следовательно, лампа не горит.

2. Когда темно: Освещённость фоторезистора падает, и его сопротивление резко возрастает (до десятков или сотен килоом). Теперь большая часть напряжения источника питания падает на фоторезисторе. Напряжение на базе транзистора становится достаточно высоким, чтобы его открыть. Транзистор переходит в режим насыщения, то есть становится проводящим. Через цепь коллектор-эмиттер начинает протекать ток, который также течёт через лампу, заставляя её светиться.

Таким образом, схема выполняет функцию автоматического выключателя света. Номинал постоянного резистора подбирается экспериментально для настройки чувствительности схемы, то есть порога освещенности, при котором включается лампа.

Если необходимо управлять мощной лампой, работающей от сети переменного тока 220 В, транзистор не может напрямую коммутировать такую нагрузку. В этом случае в коллекторную цепь транзистора вместо лампы включают обмотку электромагнитного реле. Когда транзистор открывается, он подает питание на катушку реле, которое срабатывает и своими силовыми контактами замыкает цепь питания мощной лампы.

Ответ: Чтобы составить цепь с лампой, управляемую фотоэлементом, следует использовать фоторезистор в качестве датчика света и транзистор в качестве электронного ключа. Фоторезистор и постоянный резистор образуют делитель напряжения, который управляет базой транзистора. При низкой освещенности сопротивление фоторезистора велико, что приводит к открытию транзистора и включению лампы, соединенной с его коллектором. При высокой освещенности сопротивление фоторезистора падает, транзистор закрывается, и лампа гаснет.