Исследовательский проект по физике "Энергосбережение в быту"

Аннотация:

В представленном проекте рассмотрена история создания ламп накаливания, светодиодных и люминесцентных ламп. Отмечен вклад таких ученых, как Яблочков, Лодыгин, Фабрикант и Лосев. Практическая, экспериментальная часть состояла в выявлении характеристик ламп накаливания, светодиодных и люминесцентных ламп, в проведении сравнительного анализа эффективности работы данных видов ламп с точки зрения срока их службы, стоимости, энергопотребления. На основе этого сделаны практические рекомендации по использованию различных видов ламп.

Объем работы - 30 страниц.

Количество таблиц - 2, рисунков - 8, приложений - 14.

Литературных источников - 6.

Введение:

На занятиях физики и географии мы узнали, что для получения энергии необходимо топливо. Человечество использует различные виды топлива: газ, нефть, уголь, торф. При переработке топлива в окружающую среду поступают вредные вещества.

Большая часть этих ресурсов является невозобновляемыми. Перед человечеством со всей очевидностью встаёт проблема энергосбережения с целью рационального расходования ограниченных природных ресурсов и сохранения экологической ситуации, нарушение которой зачастую является последствиями технологических процессов, связанных с энергопроизводством.

Значительная часть ежегодно расходуемых природных ресурсов приходится в мире на производство электроэнергии. Поэтому если экономить в домах электроэнергию, как считают ученые, то будет не только меньше перерабатываться топлива, но и чище станет окружающая среда.

Все большую популярность у ученых мира обретают возобновляемые источники энергии. Однако их освоение экономически дорого и требует времени для исследования.

Поэтому с помощью энергосберегающего режима жизни дома можно не только способствовать улучшению экологической ситуации, но и сэкономить определенную сумму денег в бюджете семьи.

Цель: изучение возможности экономии электроэнергии в быту с помощью использования энергосберегающих источников света.

Задачи:

Рассмотреть и сравнить основные характеристики различных ламп

Сравнить расход электроэнергии в семье в стандартных условиях (использование ламп накаливания) и в условиях использования энергосберегающих ламп.

Основная часть:

ЛАМПА НАКАЛИВАНИЯ

Из истории создания лампы накаливания

11 и юля 1874  года российский инженер Алекса ндр Николаевич Лодыгин (приложение 1) получил пате нт за номером 1619 на нитевую лампу. В качестве нити накала он использовал угол ьный стержень, помещённый в вакуумированный сосуд.

В 1875 - 1876 годах, русский электротехник Павел Николаевич  Яблочков (приложение 2), работая над «электрической свечой», открыл, что ка олин,  который он использовал для изоляции углей свечи – электропроводен при высокой температуре. После чего он создал «каолиновую лампу», где «нить накала» была изготовлена из каолина. Особенностью данной лампы было то, что она не требовала вакуума, и «нить накала» не перегорала на открытом воздухе. Однако Яблочков считал, что лампы накаливания неперспективны, и не верил в возможность их применения в широком масштабе.

Весь материал – смотрите документ.

Костромское областное бюджетное учреждение профессионального образования «Костромской энергетический техникум имени Ф.В. Чижова»

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПРОЕКТ

«ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В БЫТУ»

Преподаватель физики Баженов В.М.

Содержание:

1. Аннотация____________________________________________________3

1. Введение_____________________________________________________4 Основная часть:_______________________________________________ 5

   1. Лампы накаливания____________________________________________5

      1. Из истории создания ламп накаливания_______________________5

      2. Конструкция лампы накаливания____________________________5

      3. Принцип работы_________________________________________8

      4. Анализ зависимости энергии от частоты излучения_____________10

      5. Преимущества и недостатки ламп___________________________11

   2. Энергосберегающие лампы_____________________________________12

      1. Из истории создания энергосберегающих ламп________________12

      2. Конструкция энергосберегающей лампы_____________________13

      3. Принцип работы ________________________________________13

      4. Преимущества и недостатки______________________________13

   3. Светодиодные лампы_________________________________________14

      1. Из истории создания______________________________________14

      2. Конструкция светодиодной лампы__________________________16

      3. Принцип работы светодиодной лампы_______________________17

      4. Преимущества и недостатки_______________________________18

      5. Применение____________________________________________19

   4. Практическая часть___________________________________________20

2. Заключение_________________________________________________26

3. Приложение_________________________________________________27

4. Список литературы___________________________________________30

Аннотация:

В представленном проекте рассмотрена история создания ламп накаливания, светодиодных и люминесцентных ламп. Отмечен вклад таких ученых, как Яблочков, Лодыгин, Фабрикант и Лосев. Практическая, экспериментальная часть состояла в выявлении характеристик ламп накаливания, светодиодных и люминесцентных ламп, в проведении сравнительного анализа эффективности работы данных видов ламп с точки зрения срока их службы, стоимости, энергопотребления. На основе этого сделаны практические рекомендации по использованию различных видов ламп.

Объем работы-30 страниц.

Количество таблиц-2, рисунков-8, приложений-14.

Литературных источников-6.

Введение:

На занятиях физики и географии мы узнали, что для получения энергии необходимо топливо. Человечество использует различные виды топлива: газ, нефть, уголь, торф. При переработке топлива в окружающую среду поступают вредные вещества.

Большая часть этих ресурсов является невозобновляемыми. Перед человечеством со всей очевидностью встаёт проблема энергосбережения с целью рационального расходования ограниченных природных ресурсов и сохранения экологической ситуации, нарушение которой зачастую является последствиями технологических процессов, связанных с энергопроизводством.

Значительная часть ежегодно расходуемых природных ресурсов приходится в мире на производство электроэнергии. Поэтому если экономить в домах электроэнергию, как считают ученые, то будет не только меньше перерабатываться топлива, но и чище станет окружающая среда.

Все большую популярность у ученых мира обретают возобновляемые источники энергии. Однако их освоение экономически дорого и требует времени для исследования.

Поэтому с помощью энергосберегающего режима жизни дома можно не только способствовать улучшению экологической ситуации, но и сэкономить определенную сумму денег в бюджете семьи.

Цель: изучение возможности экономии электроэнергии в быту с помощью использования энергосберегающих источников света.

Задачи:

• Рассмотреть и сравнить основные характеристики различных ламп

• Сравнить расход электроэнергии в семье в стандартных условиях (использование ламп накаливания) и в условиях использования энергосберегающих ламп.

Основная часть:

ЛАМПА НАКАЛИВАНИЯ

1. Из истории создания лампы накаливания

11 июля 1874 года российский инженер Александр Николаевич Лодыгин (приложение 1) получил патент за номером 1619 на нитевую лампу. В качестве нити накала он использовал угольный стержень, помещённый в вакуумированный сосуд.

В 1875-1876 годах, русский электротехник Павел Николаевич Яблочков (приложение 2), работая над «электрической свечой», открыл, что каолин, который он использовал для изоляции углей свечи – электропроводен при высокой температуре. После чего он создал «каолиновую лампу», где «нить накала» была изготовлена из каолина. Особенностью данной лампы было то, что она не требовала вакуума, и «нить накала» не перегорала на открытом воздухе. Однако Яблочков считал, что лампы накаливания неперспективны, и не верил в возможность их применения в широком масштабе.

В 1890-х годах А. Н. Лодыгин изобретает несколько типов ламп с нитями накала из тугоплавких металлов. Александр Николаевич предложил применять в лампах нити из вольфрама (именно такие применяются во всех современных лампах) и молибдена и закручивать нить накаливания в форме спирали. Он предпринял первые попытки откачивать из ламп воздух, что сохраняло нить от окисления и увеличивало их срок службы во много раз. Также им были изготовлены и газонаполненные лампы (с угольной нитью и заполнением азотом).

В 1906 году Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric.

1. Конструкция лампы накаливания (приложение 3)

1. колба;
2. полость колбы (вакуумированная или наполненная газом);
3. тело накала;
4. электрод (токовые вводы);
5. электрод;
6. крючки-держатели тела накала;
7. ножка лампы;
8. внешнее звено токоввода, предохранитель;
9. корпус цоколя;
10. изолятор цоколя (стекло);
11. контакт донышка цоколя.

Колба: Колба защищает тело накала от воздействия атмосферных газов. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала тела накала (приложение 4). Газовая среда: Колбы первых ламп были вакуумированы. Большинство современных ламп наполняются химически инертными газами (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности , уменьшают путём выбора газа с большой молярной массой. Смеси азота N₂ с аргоном Ar являются наиболее распространёнными в силу малой себестоимости, также применяют чистый осушенный аргон, реже — криптон Kr или ксенон Xe (молярные массы: N₂ — 28,0134 г/моль; Ar: 39,948 г/моль; Kr — 83,798 г/моль; Xe — 131,293 г/моль). Тело накала: Формы тел накала весьма разнообразны и зависят от функционального назначения ламп. Наиболее распространённым является из проволоки круглого поперечного сечения, однако находят применение и ленточные тела накала (из металлических ленточек). Поэтому использование выражения «нить накала» нежелательно — более правильным является термин «тело накала», включенный в состав Международного светотехнического словаря. Тело накала первых ламп изготавливалось из угля (температура возгонки* угля 3559 °C).

*-переход вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое.

В современных лампах применяются почти исключительно спирали из вольфрама, иногда осмиево-вольфрамового сплава. Для уменьшения размеров тела накала ему обычно придаётся форма спирали, иногда спираль подвергают повторной или даже третичной спирализации, получая соответственно биспираль или триспираль (приложение 5). КПД таких ламп выше за счёт уменьшения теплопотерь из-за конвекции (уменьшается толщина ленгмюровского слоя*).

Предохранитель: В конструкции ламп общего назначения предусматривается предохранитель — звено из ферроникелевого сплава, вваренное в разрыв одного из токовводов и расположенное вне колбы лампы — как правило, в ножке. Назначение предохранителя — предотвратить разрушение колбы при обрыве нити накала в процессе работы. Дело в том, что при этом в зоне разрыва возникает электрическая дуга, которая расплавляет остатки нити, капли расплавленного металла могут разрушить стекло колбы и послужить причиной пожара. Предохранитель рассчитан таким образом, чтобы при зажигании дуги он разрушался под воздействием тока дуги, существенно превышающего номинальный ток лампы. Ферроникелевое звено находится в полости, где давление равно атмосферному, а потому дуга легко гаснет. Из-за малой эффективности в настоящее время отказались от их применения.

Цоколь: Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Джозефом Уилсоном Суоном. Размеры цоколей стандартизованы. У ламп бытового применения наиболее распространены цоколи Эдисона E14 (миньон), E27 и E40 (число обозначает наружный диаметр в мм). Итак - конструкции ламп накаливания весьма разнообразны и зависят от назначения. Однако общими являются тело накала, колба и токовводы.

*-это один из слоёв внутри электровакуумных приборов, где изменяется потенциал ионов в области пространственного заряда.

В зависимости от особенностей конкретного типа лампы могут применяться держатели тела накала различной конструкции; лампы могут изготавливаться бесцокольными или с цоколями различных типов, иметь дополнительную внешнюю колбу и иные дополнительные конструктивные элементы.

1. Принцип работы

В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (тела накаливания) при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока).

Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений. Сила тока определяется по закону Ома I=U/R и мощность по формуле P=U·I , или P=U²/R. Так как металлы имеют малое удельное сопротивление (порядка 10^-3-10^-1 Ом·мм²/м) и толщина провода в обычных лампах составляет 40—50 микрон, для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод.

Так как при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление на порядок меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в десять — четырнадцать раз больше рабочего тока). Так, обычная лампа на 60 Вт в момент включения потребляет свыше 700 Вт, а 100-ваттная — более киловатта. По мере прогрева спирали её сопротивление возрастает, а мощность падает до номинальной. Для сглаживания пиковой мощности могут использоваться терморезисторы с сильно падающим сопротивлением по мере прогрева, реактивный балласт в виде ёмкости или индуктивности, диммеры* (автоматические или ручные) (приложение 6). Напряжение на лампе растет по мере прогрева спирали и может использоваться для шунтирования балласта автоматикой.

*-регулятор электрической мощности нагрузки, как правило включаемый последовательно с ней. Обычно используется для регулировки яркости свечения ламп накаливания, галогенных ламп или светодиодов.

Без отключения балласта лампа может потерять от 5 до 20 % мощности, что тоже может быть выгодно для увеличения ресурса.

_{ } Температура тела накала резко возрастает после включения тока, его сопротивление увеличивается и ток уменьшается. Относительное изменение сопротивления прямо пропорционально изменению температуры T, α - температурный коэффициент сопротивления, равен относительному изменению сопротивления проводника при нагревании на 1К. У вольфрама и осмий-вольфрамовых сплавов температурный коэффициент сопротивления 4,6-5,5·10^-3 К^-1. При нагревании проводника его _ геометрические размеры меняются незначительно, сопротивление меняется в основном за счет изменения удельного сопротивления. Температурный коэффициент сопротивления мало меняется при изменении температуры проводника, поэтому можно считать, что удельное сопротивление линейно зависит от температуры. Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводности и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение (приложение 7).

Для повышения КПД лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала (приложение 8), которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити — температурой плавления. Поэтому в современных лампах накаливания применяют материалы с наибольшими температурами плавления — вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C).

В воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превращается в оксид. По этой причине тело накала помещают в колбу, из которой в процессе изготовления лампы откачивается воздух. В настоящее время только лампы малой мощности (для ламп общего назначения — до 25 Вт) изготавливают в вакуумированной колбе. Колбы более мощных ламп наполняют инертным газом (азотом, аргоном или криптоном). Повышенное давление в колбе газонаполненных ламп резко уменьшает скорость испарения вольфрама, благодаря чему не только увеличивается срок службы лампы, но и есть возможность повысить температуру тела накаливания, что позволяет повысить КПД и приблизить спектр излучения к белому. Колба газонаполненной лампы не так быстро темнеет за счёт осаждения материала тела накала, как у вакуумной лампы.

1. Анализ зависимость энергии от частоты излучения.

Для оценки качества света используется цветовая температура. При типичных для ламп накаливания температурах 2200—3000 K излучается желтоватый свет, отличный от дневного. В вечернее время «тёплый» (мелатонина, важного для регуляции суточных циклов организма и нарушение его синтеза негативно сказывается на здоровье.

Низковольтные лампы накаливания при той же мощности имеют больший ресурс и светоотдачу благодаря большему сечению тела накаливания. Поэтому в многоламповых светильниках (люстрах) целесообразно применение последовательного включения ламп на меньшее напряжение вместо параллельного включения ламп на напряжение сети. Например, вместо параллельно включенных шести ламп 220 В и 60 Вт применить шесть последовательно включенных ламп 36 В 60 Вт, то есть заменить шесть тонких спиралей одной толстой.

Возрастающая характеристика сопротивления нити накала (при увеличении тока сопротивление растет) позволяет использовать лампу накаливания в качестве примитивного стабилизатора тока. При этом лампа включается в стабилизируемую цепь последовательно, а среднее значение тока выбирается таким, чтобы лампа работала вполнакала.

В мигающих лампах последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампы самостоятельно работают в мерцающем режиме.

1. Преимущества и недостатки ламп накаливания

Преимущества:

• высокий индекс цветопередачи

• налаженность в массовом производстве

• малая стоимость

• небольшие размеры

• отсутствие пускорегулирующей аппаратуры

• нечувствительность к ионизирующей радиации

• чисто активное электрическое сопротивление (единичный коэффициент мощности)

• быстрый выход на рабочий режим

• невысокая чувствительность к сбоям в питании и скачкам напряжения

• отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации

• возможность работы на любом роде тока

• нечувствительность к полярности напряжения

• возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт)

• отсутствие мерцания при работе на переменном токе (важно на предприятиях).

• отсутствие гудения при работе на переменном токе

• непрерывный спектр излучения

• приятный и привычный в быту спектр

• устойчивость к электромагнитному импульсу

• возможность использования регуляторов яркости

• не боятся низкой и повышенной температуры окружающей среды, устойчивы к конденсату

Недостатки:

• низкая световая отдача

• относительно малый срок службы

• хрупкость, чувствительность к удару и вибрации

• бросок тока при включении (примерно десятикратный)

• при термоударе или разрыве нити под напряжением возможен взрыв баллона

• резкая зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения

• лампы накаливания представляют пожарную опасность. Через 30 минут после включения ламп накаливания температура наружной поверхности достигает в зависимости от мощности следующих величин: 25 Вт — 100 °C, 40 Вт — 145 °C, 75 Вт — 250 °C, 100 Вт — 290 °C, 200 Вт — 330 °C. При соприкосновении ламп с текстильными материалами их колба нагревается ещё сильнее. Солома, касающаяся поверхности лампы мощностью 60 Вт, вспыхивает примерно через 67 минут.

• нагрев частей лампы требует термостойкой арматуры светильников

• световой коэффициент полезного действия ламп накаливания, определяемый как отношение мощности лучей видимого спектра к мощности, потребляемой от электрической сети, весьма мал и не превышает 4 %. Включение электролампы через диод (приложение 9), что часто применяется с целью продления ресурса на лестничных площадках, в тамбурах и прочих затрудняющих замену местах, ещё больше усугубляет её недостаток: значительно уменьшается КПД, а также появляется значительное мерцание света.

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ЛАМПЫ

1. История создания.

Первым предком лампы дневного света были газоразрядные лампы. Впервые свечение газов под воздействием электрического тока наблюдал Михаил Ломоносов, пропуская ток через заполненный водородом стеклянный шар.

В 1926 году Эдмунд Гермер (Edmund Germer) предложил увеличить давление в пределах колбы и покрывать колбы флуоресцентным порошком

В 1951 году за разработку в СССР люминесцентных ламп группа ученых во главе с В. А. Фабрикантом были удостоены звания лауреата Сталинской премии второй степени.

1. Конструкция энергосберегающей лампы

(приложение 10)

1. цоколь,

2. люминесцентную лампу

3. электронный блок

1. Принцип работы

Компактные энергосберегающие лампы работают так же, как и обычные люминесцентные лампы с тем же принципом преобразования электрической энергии в световую. Трубка имеет на концах два электрода, которые нагреваются до 900-1000 С и испускают множество электронов, ускоряемых приложенным напряжением, которые сталкиваются с атомами аргона и ртути. Возникающая низкотемпературная плазма в парах ртути преобразуется в ультрафиолетовое излучение. Внутренняя поверхность трубки покрыта люминофором, преобразующим ультрафиолетовое излучение в видимый свет (приложение 11). Подбирая определенный вид люминофора, можно изменять цветность света лампы. К электродам подводится переменное напряжение, поэтому их функции постоянно меняются: они становятся то анодом, то катодом. Генератор подводимого к электродам напряжения работает на частоте в десятки килогерц, поэтому энергосберегающие лампы, по сравнению с обычными люминесцентными лампами, не мерцают.

1. Преимущества и недостатки

Преимущества:

• приближенный к естественному спектру излучения лампы;

• длительный срок службы (2000-20000 часов в отличие от 1000 у ламп накаливания), при условии обеспечения достаточного качества электропитания, балласта и соблюдения ограничений по числу включений и выключений

• разнообразие оттенков света;

• рассеянный свет;

Недостатки:

• химическая опасность;

• неравномерный спектр;

• мерцание лампы с частотой питающей сети;

• вышедший из строя стартёр вызывает фальстарт лампы (визуально определяется несколько вспышек перед стабильным зажиганием)

Область применения

• Коридор, освещённый люминесцентными лампами

• Люминесцентные лампы нашли широкое применение в освещении общественных зданий: школ, больниц, офисов и т. д. С появлением компактных люминесцентных ламп с электронными балластами, которые можно включать в патроны E27 и E14 вместо ламп накаливания, люминесцентные лампы завоёвывают популярность и в быту.

• Люминесцентные лампы наиболее целесообразно применять для общего освещения, прежде всего помещений большой площади, это позволяет улучшить условия освещения и при этом снизить потребление энергии на 50-83 % и увеличить срок службы ламп. Люминесцентные лампы широко применяются также и в местном освещении рабочих мест, в световой рекламе, подсветке фасадов.

• До начала применения светодиодов являлись единственным источником для подсветки жидкокристаллических экранов.

СВЕТОДИОДНЫЕ ЛАМПЫ

1. История создания.

Светодиодная лампа является одним из самых экологически чистых источников света. Принцип свечения светодиодов позволяет использовать в производстве и работе самой лампы безопасные компоненты. Светодиодные лампы не содержат ртутьсодержащих веществ, поэтому они не представляют опасности в случае выхода из строя или разрушения. Различают законченные устройства - светильники и элементы для светильников - сменные лампы.

Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из Маркони Лабс.

В 1961 году Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли и запатентовали технологию инфракрасного светодиода.

Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал Ник Холоньяк в компании General Electric в 1962 году. Холоньяк, таким образом, считается «отцом современного светодиода». Его бывший студент, Джордж Крафорд, изобрёл первый в мире жёлтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз в 1972 году. В 1976 году Т.Пирсол создал первый в мире высокоэффективный светодиод высокой яркости для телекоммуникационных применений, изобретя полупроводниковые материалы, специально адаптированные к передачам через оптические волокна.

Светодиоды оставались чрезвычайно дорогими вплоть до 1968 года (около $ 200 за штуку), их практическое применение было ограничено. Компания «Monsanto » была первой, организовавшей массовое производство светодиодов, работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компании «Hewlett-Packard » удалось использовать светодиоды в своих ранних массовых карманных калькуляторах.

Вплоть до начала 1970-х годов американскими учёными светодиоды назывались «Losev Light» (Свет Лосева). Постепенно название «Losev Light» упоминалось реже и реже, и постепенно забылось.

О. В. Лосев (приложение 12) вполне оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать малогабаритные твёрдотельные (безвакуумные) источники света с очень низким напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Полученные им два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в феврале 1927г.) формально закрепили за СССР приоритет в области светодиодов, утраченный в 1960-гг. в пользу США после изобретения современных светодиодов, пригодных к практическому применению.

1. Конструкция светодиодного светильника (приложение 13).

1. Светодиодный модуль;

2. Осветительная арматура;

3. Печатная плата;

4. Алюминиевое основание;

5. Светодиод;

6. Винтовой цоколь;

7. Блок питания;

8. Место крепления.

Основу светодиода составляет искусственный полупроводниковый кристаллик размером 0,3 × 0,3 мм. Цвет свечения зависит от материала кристаллика. Так, красные и желтые светодиоды, как правило, изготовляют на основе арсенида галлия, зеленые и синие - на галлий-нитридной основе. Усиления свечения добиваются разными способами. В одних случаях в состав кристаллика вводят специальные добавки и присадки, в других - применяют многослойные структуры, что позволяет реализовать в одном кристаллике сразу несколько р-n-переходов, увеличив тем самым яркость его свечения.

Кристаллик "сажают" в металлическую полированную чашечку (медную или алюминиевую), которая является отражателем и "катодом" (-), к самому кристаллику "приваривают" золотую нить -"анод" (+). Затем всю конструкцию заливают прозрачным компаундом*, которому придают определенную форму (назовем это колбой).

От нее зависит угол излучения света, испускаемого кристалликом. Если верх колбы плоский, свет выходит широким пучком (угол составляет 120-130°). Если верх выпуклый, получается линза, собирающая свет в более

* - термоактивная, термопластическая полимерная смола (отверждаемая в естественных условиях) и эластомерные материалы с наполнителями и (или) добавками или без них после затвердевания. Используется в качестве электроизоляционного материала и как средство взрывозащиты.

узкий пучок (угол 8-60°). Чем меньше угол излучения, тем более интенсивный световой поток дает кристалл.

Выпускаются светодиоды разных цветов: красного, желтого, зеленого, синего, сине-зеленого и белого; причем белые светодиоды с недавних пор бывает нескольких оттенков (холодного, теплого, "солнечного" и т. д.).

Стоимость светодиодов зависит от цвета и колеблется довольно существенно. Если выбрать для примера наиболее простые устройства с диаметром колбы 5 мм, то самыми дешевыми окажутся красные, а самыми дорогими - зеленые.

Иногда светодиодным светильником называют традиционный светильник с установленной сменной светодиодной лампой. Однако специально спроектированный светильник обладает большей энергоэффективностью и надежностью. Светодиодные источники света в основном используются для направленного или местного освещения по причине особенностей полупроводникового излучателя светить преимущественно в одном направлении.

1. Принцип работы

Сегодня физика работы светодиода кажется весьма простой: при подаче «прямого» напряжения на p- и n- области кристалла полупроводника, через p-n переход носителями положительных и отрицательных зарядов начинает создаваться электрический ток. В процессе передачи тока происходит так называемая рекомбинация – слияние и взаимная компенсация электронов (отрицательных зарядов) и «дырок» (положительных зарядов). Но рекомбинация, как явление энергетических превращений, обязательно сопровождается излучением какого-либо кванта. В обычных полупроводниках высвобожденная энергия рекомбинации превращается в тепло. Но изменяя состав полупроводникового кристалла, можно достичь эффекта, когда «свободным» квантом рекомбинации будет фотон. А фотон, как известно – квант света. Таким образом, свечение светодиода есть следствие рекомбинации зарядов в p-n переходе полупроводника специального состава. Очевидно, что если практически вся энергия рекомбинации переходит в световую энергию, то на тепловую ничего не остается. Этим объясняется отсутствие нагрева работающего светодиода. Цвет излучаемого светодиодом света не монохроматичен, как у лазера, но имеет довольно узкий спектр, что долгое время определяло область применения светодиодов как индикаторных приборов. Но в зависимости от состава полупроводника, оказалось возможным создавать светодиоды, излучающие от средне-инфракрасного до жесткого ультрафиолетового спектры. Эта особенность светодиодов сильно расширила горизонты использования приборов: от медицинских до научно-исследовательских лабораторий. Легкий, надежный, эффективный и стабильный источник излучения нашел применение в тысячах и тысячах отраслях (приложение 14).

1. Преимущества и недостатки.

По сравнению с другими электрическими источниками света

(преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:

• Высокая световая отдача. Современные светодиоды сравнялись по этому параметру с натриевыми газоразрядными лампами и металлогалогенными лампами, достигнув 150 Люмен на Ватт.

• Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих).

• Длительный срок службы — от 30000 до 100000 часов (при работе 8 часов в день — 34 года). Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости.

• Спектр современных светодиодов бывает различным — от тёплого белого = 2700 К до холодного белого = 6500 К.

• Малая инерционность — включаются сразу на полную яркость, в то время как у ртутно-фосфорных ламп время включения от 1 секунды до 1 минуты, а яркость увеличивается от 30 % до 100 % за 3-10 минут, в зависимости от температуры окружающей среды.

• Количество циклов включения-выключения не оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных источников света — ламп накаливания, газоразрядных ламп).

• Различный угол излучения — от 15 до 180 градусов.

• Низкая стоимость индикаторных светодиодов, но относительно высокая стоимость при использовании в освещении, которая снизится при увеличении производства и продаж.

• Безопасность — не требуются высокие напряжения, низкая температура светодиода или арматуры, обычно не выше 60 градусов Цельсия.

• Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.

• Экологичность — отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового излучения в отличие от люминесцентных ламп.

1. Применение

Все типы светильников можно разделить на три группы:

• Светодиодные светильники для улиц, парков, дорог, для архитектурного освещения. Эти светильники выполняются в защищенном от влаги и пыли корпусе. Корпус обычно выполняет роль теплоотвода и изготавливается из хорошо проводящих тепло материалов.

• Светильники для производственных целей, ЖКХ и офисов. К изделиям предъявляются повышенные требования к качеству освещения, в том числе к стабильности и цветопередаче, условиям эксплуатации.

• Светильники для бытовых нужд обычно выпускаются невысокой мощности, но должны удовлетворять многочисленным требованиям к качеству освещения, электробезопасности, пожароопасности и, в немалой степени, — к внешнему виду. Зачастую бытовые светильники имеют сменные лампы.

• Светодиодные светильники хорошо подходят для освещения музеев и раритетов, поскольку спектр лампы не содержит ультрафиолетовой составляющей

Практическая часть

Сегодня, для использования в домашних условиях, промышленность предлагает принципиально различные типы светильников. У каждой из этих ламп есть достоинства и недостатки. Поэтому я решил сравнить экономичность использования светодиодных ламп и ламп накаливания.

Цель: рассмотреть энергопотребление разных видов ламп в домашних условиях.

Описание: одна из комнат освещается светодиодными лампами (мощностью 5 Вт), а другая лампами накаливания (мощностью 50 Вт). Замеряя время их работы, рассчитаем их энергопотребление.

Таблица 1

	1 день	2 день	3 день	4 день	5 день
Светодиоды (большая комната)	5 ч. 30 мин.	5 ч. 20 мин.	4 ч. 45 мин.	5 ч.	4 ч. 30 мин.
Потребляемая энергия	0,0275	0,0265	0,02375	0,025	0,0225
Стоимость	0,08	0,08	0,07	0,08	0,07
Итого:	0,38
Лампы накаливания (маленькая комната)	1 ч. 30 мин.	30 мин.	2 ч. 30 мин.	1 ч.	2 ч.
Потребляемая энергия	0,075	0,025	0,125	0,05	0,1
Стоимость	0,23	0,08	0,38	0,15	0,3
Итого:	1,14

Вывод: Таким образом, светодиодные лампы менее энергозатратны, следовательно, финансово более выгодны.

Таблица 2

Сравнение стоимости светодиодных ламп, энергосберегающих ламп и ламп накаливания.
		Светодиодные лампа		Энергосберегающие лампа		Лампа накаливания
1	Срок службы		50 000 часов		6 000 часов			1 000 часов
2	Потребляемая мощность		8,5 W		14W			60W
3	Стоимость лампы		750 руб.		200 руб.			20 руб.
4	Количество кВт/ч, используемых за 50 000 часов		425		700			3000
5	Стоимость электричества (при 3 руб. за кВт/ч)		1 275 руб.		2 100 руб.			9 000 руб.
	Количество ламп, необходимых для срока службы 50 000 часов		1		8			50
7	Общая стоимость ламп		750 руб.		1 600 руб.			1000 руб.
8	Общая стоимость эксплуатации одной лампы за 50000 часов		2 025 руб.		3 700 руб.			10 000 руб.
Содержание вредных веществ		нет		Ртуть 4 мг			нет
Гарантия		5 лет		нет			нет

Содержание вредных веществ	нет	Ртуть 4 мг	нет
Гарантия	5 лет	нет	нет

Заключение:

Всё новые страны на планете присоединяются к акции «Час без электричества», ставшей ежегодной. На главных улицах городов на это время выключают освещение витрин, иллюминацию реклам и т.п. По часовым поясам акция перемещается по планете. В 2009 г. Россия тоже впервые стала участницей этой акции в г. Москва. Мнения людей по этому поводу, судя по интервью ЦТ, разделились.

Основанием для заключения может служить сравнение стоимости обслуживания разных вид ламп, а именно ламп накаливания, люминесцентных ламп и светодиодных ламп.

Использование энергосберегающих ламп позволяет снизить расходы электроэнергии на 80% при таком же световом потоке, что и у ламп накаливания.

Кроме экономии электроэнергии, есть ещё одно преимущество энергосберегающих ламп. Они производят меньше тепла, чем традиционные лампы. Это дает возможность применять небольшие люминесцентные лампы высокой мощности в сложных конструкциях бра, светильников, люстр, где лампа накаливания может просто расплавить провод или пластиковую часть патрона.

Я считаю, что начать энергосбережение можно со смены освещения, заменив старые лампы накаливания светодиодными и энергосберегающими лампами.

Лично я «ЗА» потому, что теперь вижу в этом не только экономический, но и здоровье сберегающий смысл!

ПРИЛОЖЕНИЯ

Александр Николаевич Лодыгин	Павел Николаевич Яблочков
Приложение 1.	Приложение 2
Лампа накаливания	Рис 1 Рис 2 Рис 3
Приложение 3	Приложение 4
	Биспираль
Приложение 5
диммер
Приложение 6	Приложение 7
Приложение 8	Приложение 9
Приложение 10	Приложение 11
Олег Лосев
Приложение 12	Приложение 13
Светодиодный фонарь (панель) для сценического направленного освещения. Светодиод с пластиковой оболочкой-корпусом.	Современный люминофорный светодиод в ручном электрическом фонаре. Яркость свечения сравнима с яркостью лампы накаливания мощностью 15 Вт.	Современные мощные сверх-яркие светодиоды на теплоотводящей пластине с контактами для монтажа.
Приложение 14

Список литературы:

1. http://energosber.info/articles/energy-tools/61919/

2. http://ru.wikipedia.org

3. http://www.netschools.ru/sch1567/dost/demowork/zaslav.pdf

4. http://lib.znate.ru/docs/index-243535.html

5. http://www.himtrade.com.ua/support/49.htm

6. http://www.mdm-light.ru/articles.asp?AID=A3F25C06-436F-4F1E-BAF6-08B26530FA15&show=all

31