LEDs e resistencias

Construír materiais (para cada equipo)

Materiais requiridos

• Conector de clip de batería de 9V
• 9V Batería
• Surtido de LEDs (diferentes cores)
• Surtido de resistencias (330Ω, 1KΩ, 2KΩ, 5KΩ, 10KΩ, 100KΩ - NON inferiores a 330Ω)
• Paneira sin soldadura sinxela

Proba de materiais

• Emprega materiais de construción

Obras

• Emprega materiais de construción

Proceso

• Instruír aos equipos para que fagan predicións antes de probar os seus circuítos. Agora que se alimentaron os seus LED básicos, que pensan que pasaría se utilizasen unha resistencia de forza diferente? Deberían considerar o brillo do LED na proba inicial como un "5". A continuación, faga predicións no cadro da folla de traballo do alumno.
• Os estudantes proban os seus deseños de circuítos. Usando as súas predicións, deberían cambiar as resistencias para ver que pasa co LED. Indíquelles que estean seguros de esperar dous minutos despois de desprenderse a batería antes de tocar a resistencia, xa que pode ser cálida ou quente. Os estudantes deberán documentar os resultados das probas no cadro da folla de traballo do estudante.

Deseño Challenge

Vostede é un equipo de enxeñeiros e precisa deseñar e construír un circuíto de placa simple que alimentará un LED.

Criterios

• Use unha resistencia para protexer o LED da recepción de corrente directamente da batería.

Restriccións

• Use só os materiais proporcionados.

1. Break clase en equipos de 3-4.
2. Reparte a folla de traballo LED e Resistores, así como algunhas follas de papel para debuxar debuxos.
3. Utilizando a sección Conceptos de fondo, comente os diferentes tipos de circuítos. Dá unha visión xeral dos LEDs, resistencias e paneis e mantén unha discusión na aula ou en equipo para confirmar a súa comprensión.
4. Revise o proceso de deseño de enxeñaría, o desafío de deseño, os criterios, as restricións e os materiais.
5. Instruír aos alumnos para que comecen a facer ideas e a esbozar os seus circuítos.
6. Proporcionar a cada equipo os seus materiais.
7. Explica que os estudantes deben deseñar e construír un circuíto de placa simple que accione un LED.
8. Anuncia o tempo que teñen para esbozar e construír (recoméndase 1 hora).
9. Use un temporizador ou un cronómetro en liña (función de conta atrás) para asegurarse de manter o tempo. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dálles aos estudantes "controis de tempo" regulares para que poidan seguir a tarefa. Se están loitando, faga preguntas que os leven a unha solución máis rápido.
10. Os estudantes reúnense e desenvolven un plan para o seu circuíto de paneis. Indíquelles que constrúan o seu circuíto seguindo as seguintes pautas:
    1. O fío máis longo (ou o cable) de calquera LED debe unirse ao lado positivo da batería ou do circuíto.
    2. A corrente só pode circular polo LED nunha dirección nesta lección.
    3. Escolla unha resistencia de 10kΩ para a placa inicial.
    3. Conecte a batería despois de que o seu profesor aprobe o seu taboleiro.
    4. Unha vez conectada a batería, non toque a resistencia, xa que pode estar quente ou quente. Arrefriará nun ou dous minutos despois de desmontar a batería.
    5. Se o LED se ilumina, está listo para pasar á fase de proba.
11. Os equipos constrúen os seus circuítos.
12. Instruír aos equipos para que fagan predicións antes de probar os seus circuítos. Agora que se alimentaron os seus LED básicos, que pensan que pasaría se utilizasen unha resistencia de forza diferente? Deberían considerar o brillo do LED na proba inicial como un "5". A continuación, faga predicións no cadro da folla de traballo do alumno.
13. Os estudantes proban os seus deseños de circuítos. Usando as súas predicións, deberían cambiar as resistencias para ver que pasa co LED. Indíquelles que estean seguros de esperar dous minutos despois de desprenderse a batería antes de tocar a resistencia, xa que pode ser cálida ou quente. Os estudantes deberán documentar os resultados das probas no cadro da folla de traballo do estudante.
14. Como clase, debate sobre as preguntas de reflexión do alumno.
15. Para obter máis contido sobre o tema, consulte a sección "Máis profundo".

Reflexión do estudante (caderno de enxeñaría)

1. Canto estivo a súa hipótese do resultado real das probas da súa resistencia?
2. Que che sorprendeu dos resultados?
3. Se este LED fose deseñado para timbre, que nivel de resistencia pensas que é a mellor opción? Por que?
4. Descubriu que algún dos seus compoñentes funcionou mal? Que pasou? Cres que recibiches unha peza defectuosa?

A lección pódese facer en tan só 1 período de clase para estudantes maiores. Non obstante, para evitar que os estudantes se sintan apresurados e para garantir o éxito dos estudantes (especialmente para os máis novos), divida a lección en dous períodos dándolle aos estudantes máis tempo para facer unha pluja de ideas, probar ideas e finalizar o seu deseño. Realice as probas e o resumo no seguinte período de clases.

Que é un circuíto simple?

Un circuíto simple consta de tres elementos mínimos necesarios para completar un circuíto eléctrico en funcionamento: unha fonte de electricidade (batería), un camiño ou condutor polo que flúe electricidade (fío) e unha resistencia eléctrica (lámpada) que é calquera dispositivo que precise electricidade para operar. A ilustración de abaixo mostra un circuíto simple que contén, unha batería, dous cables, un interruptor e unha bombilla. O fluxo de electricidade procede do terminal de alto potencial (+) da batería a través da lámpada (acendéndoa) e de volta ao terminal negativo (-), nun fluxo continuo cando o interruptor está en posición activada para que a corrente poida fluxo

Diagrama esquemático dun circuíto simple

O seguinte é un diagrama esquemático do circuíto simple que mostra os símbolos electrónicos da batería, o interruptor e a lámpada.

Que son os circuítos serie e paralelo?

 Serie e paralelo describen dous tipos diferentes de arranxos de circuítos. Cada arranxo proporciona un xeito diferente de que a electricidade flúa ao longo dun circuíto.

Circuítos en serie

Nun circuíto en serie, a electricidade só ten un camiño no que percorrer. No exemplo da dereita, dúas lámpadas son alimentadas por unha batería nun deseño de circuíto en serie. A electricidade flúe da batería a cada lámpada, unha á vez, na orde na que están conectados ao circuíto. Neste caso, debido a que a electricidade só pode fluír nun camiño, se unha das lámpadas estoupase, a outra lámpada non sería capaz de acender porque o fluxo de corrente eléctrica teríase interrompido. Do mesmo xeito, se se desenrosca unha lámpada, o fluxo de corrente a ambas lámpadas interrumpiríase.

Circuítos paralelos

Nun circuíto paralelo, a electricidade ten máis dun camiño no que percorrer. No exemplo da dereita, dúas lámpadas son alimentadas por unha batería nun deseño de circuíto paralelo. Neste caso, debido a que a electricidade pode fluír en máis dun camiño, se unha das lámpadas estoupase, a outra lámpada aínda sería capaz de acender porque o fluxo de electricidade á lámpada rota non detería o fluxo de electricidade a o bo bulbo. Do mesmo xeito, se se desenrosca unha lámpada, non impediría que a outra lámpada se acenda.

Que pasa coa resistencia?

O fluxo de electricidade depende da cantidade de resistencia no circuíto. No exemplo de acender un LED, unha resistencia demasiado baixa pode provocar que o LED se queime intensamente e rompa .... Unha resistencia demasiado alta impediría que o LED se iluminase. Seleccionar o mellor ou o mellor resistor nun circuíto para unha aplicación é parte do proceso de deseño de enxeñaría. 

A resistencia mídese en unidades chamadas "Ohms" usando o símbolo Ω. O símbolo Omega foi seleccionado como símbolo porque soaba co nome do home que identificou a medida, Georg Ohm. Nestas imaxes, a resistencia á esquerda é máis forte (a 10KΩ) que a resistencia á dereita (a 330Ω). O LED esquerdo é máis tenue porque a resistencia é máis forte e retén máis corrente. O LED correcto é máis brillante porque a resistencia é máis débil, permitindo máis corrente para alimentalo.

Que son os LED?

Un diodo emisor de luz (ou LED) é un dispositivo semicondutor construído para emitir luz cando se activa. Diferentes produtos químicos dan a LEDs as súas cores. Cando se alimentan ao nivel adecuado, poden durar moito máis que as lámpadas incandescentes e non se rompen facilmente. Poden amosar moitas cores diferentes, poden ser moi pequenas e son extremadamente eficientes. A maior parte da enerxía que consumen produce luz, non calor. A maioría dos LED son moi pequenos, menos de 1 mm, polo que se poden integrar en moitos produtos.  

historia

O primeiro LED de espectro visible (vermello) foi desenvolvido en 1962 por Nick Holonyak, Jr. mentres traballaba en General Electric. En 1972, M. George Craford, antigo estudante de posgrao de Holonyak, inventou o primeiro LED amarelo e mellorou o brillo dos LED vermellos e vermellos-laranxas nun factor de dez. En 2014, o premio Nobel de Física foi concedido a un equipo de científicos (Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura) "pola invención de diodos emisores de luz azul eficientes que permitiron fontes de luz branca brillante e de aforro de enerxía". os LED vermellos e verdes levaban moitos anos dispoñibles nese momento, os LED azuis eran un gran desafío para científicos e enxeñeiros de todo o mundo. A versión azul era necesaria para poder mesturarse coa vermella e a verde para producir luz branca ... sen luz branca non teriamos pantallas de TV e computadoras baseadas en LED.

Selección de cor e forma

Os LED prodúcense en moitas formas e tamaños e, aínda que a cor da lente de plástico adoita ser a mesma cor que a luz emitida, isto non sempre é certo. Moitos LED azuis teñen lentes de plástico transparentes ou incolores, como o da dereita.

aplicacións

Nun principio, os LED empregábanse como lámpadas indicadoras de dispositivos electrónicos sinxelos, onde substituían as pequenas lámpadas incandescentes e permitían que os produtos fosen máis pequenos. Axiña popularizáronse e empregáronse en reloxos e calculadoras dixitais. Rapidamente, os fabricantes e os consumidores descubriron que o pequeno tamaño e a eficiencia destas pequenas luces convertíanas na elección perfecta para moitas aplicacións. Como exemplo, unha bombilla LED branca converte máis do 50% da electricidade que usa en luz ... unha lámpada incandescente só converte aproximadamente o 4% en luz. Polo tanto, agora as aplicacións están moi estendidas ... desde faros e luces traseiras para os automóbiles, flashes de cámara e pantallas de ordenador e televisión. Se observas ben os semáforos locais, podes descubrir que o que parece unha gran lámpada a distancia é realmente un patrón redondo de LED vermellos, verdes e amarelos.

Que son as resistencias?

Unha resistencia limita ou resiste a corrente eléctrica que flúe a través dun circuíto. A enerxía dos electróns que pasan a través dunha resistencia cámbiase a calor e / ou luz ... polo que hai menos corrente dispoñible para calquera dispositivo (un LED por exemplo) que se atopa no circuíto. Ao traballar con esta lección, as resistencias quentaranse porque están a converter a enerxía eléctrica en calor. Seleccionamos resistencias que serán moi seguras de usar, pero é aconsellable non tocar a resistencia durante un par de minutos despois de desconectar o circuíto para que teñan a oportunidade de arrefriarse.

As resistencias úsanse de moitas maneiras diferentes, frecuentemente para protexer os compoñentes dun circuíto contra danos. Nesta lección, é probable que os LED se queiman ou rompan se se colocan nun circuíto sen resistencia para protexelos. 

Normas en resistencias de codificación por cor

Identificar unha resistencia é unha habilidade importante á hora de construír un circuíto. Ten que saber como se comportará unha resistencia nun circuíto. Existen normas internacionais para que os enxeñeiros poidan asumir a coherencia entre as pezas.

O valor dunha resistencia está determinado polas cores que se imprimen nela en bandas dalgunha combinación de negro, marrón, vermello, laranxa, amarelo, verde, azul, roxo, gris ou branco. Cada cor representa un número diferente como se mostra a continuación:

0 - negro
1 - marrón
2 - vermello
3 - laranxa
4 - amarelo
5 - verde
6 - azul
7 - morado
8 - gris
9 - branco 

A última banda dunha resistencia indica tolerancia, que é a precisión da resistencia. Por exemplo, unha banda dourada representa unha tolerancia positiva ou negativa do 5%, mentres que a banda prateada representa unha tolerancia positiva ou negativa do 10%.

• prata ± 10%
• ouro ± 5%
• vermello ± 2%
• marrón ± 1%
• Se non se mostra a cuarta banda, a tolerancia é de ± 20%

Lectura de esquerda a dereita, a resistencia mostrada ten laranxa, laranxa, marrón e logo dourado. As dúas primeiras bandas representan os números do cadro superior, polo que para a resistencia da foto lemos 3 (para laranxa) e 3 (para laranxa). A última banda dá o número de ceros que hai que engadir ao final. Para esta resistencia porque é marrón (1), engadimos só un cero para indicar unha resistencia de 330Ω (ohm), cunha tolerancia do 5%. 

Circuítos sinxelos de taboleiro de pan

Unha placa é unha placa con cableado interno que permite deseñar e probar circuítos sen soldar. Os compoñentes individuais teñen fíos que se colocan nos buratos. Simplemente insírense no burato e non empurran ata o outro lado. Se os buratos están na mesma fila do mesmo lado, están conectados internamente, polo que é fácil probar diferentes compoñentes e circuítos e despois facer revisións. No exemplo á dereita, as columnas de dous buratos entre a liña vermella e a azul están conectadas internamente, ao igual que todas as filas. Podes ver que as filas están numeradas e que as columnas do medio teñen letras na parte superior e inferior. Algúns plans para un circuíto poden indicar que a parte comeza en E6 e remata en D4, por exemplo. Seguridade: un taboleiro é seguro de usar xa que o cableado é interno, pero evite tocar os extremos conectados da batería coa pel. Se o fas, podes sentir electricidade menor. Tampouco toque a resistencia cando estea en uso, xa que pode facer moito calor.

Construíndo un circuíto sinxelo

Primeiro paso: insira o soporte da batería. Na imaxe superior podes ver os cables do soporte da batería no lugar da placa. Ten en conta que a batería non está conectada ata que o circuíto estea listo para probar. O fío vermello é positivo e o fío negro é negativo. A corrente fluirá do vermello polo circuíto e volverá á batería ao conector negro. Teña en conta que o taboleiro ten un + por riba da fila onde se insire o fío vermello e a - enriba da columna onde se insire o fío negro. 

Segundo paso: engade unha resistencia. Un extremo terá que estar nun burato da mesma columna onde se inseriu o fío vermello da batería ... neste caso está na fila 7 baixo o vermello + e o outro extremo está en D6. Podería ser calquera fila ou columna en lugar de D6, pero debe estar na mesma fila que o máis longo ao LED.

Terceiro paso: engade un LED. O cable máis longo dun LED debe ser o primeiro en secuencia na ruta da corrente. Entón, teña en conta que se colocou na mesma fila (6) que a resistencia. O extremo máis curto do LED colocouse na mesma columna que o conector de batería negra, na fila 5. Podería colocarse en calquera burato da columna negra.

Paso catro: conecta unha batería. Enchufe a batería de 9 voltios no conector para alimentar o circuíto.

Este é un circuíto sinxelo nunha placa de mesa, polo que fomos capaces de ser flexibles á hora de seleccionar que buratos colocar os cables. Ás veces, se hai moitos compoñentes, o cadro real pode ter que organizarse con máis coidado.

Lectura recomendada

• DK Eyewitness Books: Electricity (ISBN: 978-1465408990)  
• Electrónica para nenos: xoga con circuítos sinxelos (ISBN: 978-1593277253)  
• Ensínate electricidade e electrónica (ISBN: 978-1259585531) 

Actividade escrita 

Escribe un ensaio (ou parágrafo segundo a idade) describindo como a invención dos LED afectou o deseño de produtos cotiáns. Considere a eficiencia enerxética dos LED na súa discusión.

Aliñación aos marcos curriculares

Normas comúns estatais comúns para matemáticas dos Estados Unidos (3-5 anos)

• Terceiro grao: representar e interpretar datos (CCSS.MATH.CONTENT.3.MD.B.4)
• Cuarto grao: representar e interpretar datos (CCSS.MATH.CONTENT.4.MD.B.4)
• Quinto grao: representar e interpretar datos (CCSS.MATH.CONTENT.5.MD.B.2)

Normas para a alfabetización tecnolóxica da Asociación Internacional de Educación Tecnolóxica (grados 3-5)

• Capítulo 8 - Os atributos do deseño
  • Definicións de Deseño
  • Requisitos de deseño
• Capítulo 9 - Deseño de Enxeñaría
  • Proceso de Deseño de Enxeñaría
  • Creatividade e tendo en conta todas as ideas
  • Modelos
• Capítulo 10 - O papel da resolución de problemas, investigación e desenvolvemento, invención e experimentación na resolución de problemas
  • Solución de problemas
  • Invención e innovación
  • Experimentación
• Capítulo 11 - Aplicar o proceso de deseño
  • Recolle información
  • Visualiza unha solución
  • Probar e avaliar solucións
  • Mellorar un deseño
• Capítulo 16 - Tecnoloxías de enerxía e enerxía
  • A enerxía ten diferentes formas
  • Ferramentas, máquinas, produtos e sistemas

Tradución do plan de lección

[conmutador de idioma]

Recursos de tradución adicionais

• swahili