Дослідження питання оптимізації світлодіодного освітлення – МАНЛаб


Дослідження питання оптимізації світлодіодного освітлення

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.
Рівень складності Високий
Рівень небезпеки Безпечно, але під наглядом керівника
Доступність використовуваних матеріалів На рівні шкільного обладнання
Орієнтовний час на виконання роботи До 1 години

Блок 1. Резюме

Робота спрямована на теоретичне й експериментальне дослідження питання оптимізації світлодіодного освітлення.

Мета роботи: визначити напругу та струм світлодіода, за яких його ефективність буде максимальною.

Завдання роботи: визначити освітленість, яку забезпечує світлодіод за різних електричних потужностей, та оптимальні умови.

Блок 2. Попередня інформація

Рис. 1. Обладнання для досліджень

Світлодіодом називається напівпровідниковий прилад з р-n переходом, що створює оптичне випромінювання при пропусканні крізь нього струму у прямому напрямі.

Світлодіоди мають такі переваги у порівнянні з іншими електричними джерелами світла:

– висока світлова віддача до 146 Лм/Вт, що зумовлює значно менші витрати електроенергії у порівнянні з лампами розжарювання та люмінесцентними лампами;

– висока механічна міцність та вібростійкість;

– тривалий термін служби – до 100000 год, що при роботі 8 год на добу складає 34 роки;

– кількість циклів увімкнення – вимкнення практично не впливає на ресурс, на відміну від ламп розжарювання та люмінесцентних ламп;

– можливість створення освітлювальних приладів у досить широкому діапазоні спектрів;

– спектральна чистота, що досягається не використанням фільтрів, а принципом дії самого світлодіоду;

– мала інерційність, на відміну від ламп розжарювання та люмінесцентних ламп, які після увімкнення ще деякий час виходять на номінальний режим освітлення;

– можливість виготовлення світлодіодів з різними кутами розсіювання світла – від 15° до 180°;

– низька собівартість індикаторних світлодіодів;

– безпека, зумовлена низькими напругами живлення;

– мала чутливість до низьких температур;

– екологічність, зумовлена відсутністю ртуті, фосфору та ультрафіолетового випромінювання, на відміну від люмінесцентних ламп.

Ефективність світлодіодів можна оцінювати та порівнювати використанням співвідношення освітленості в Лк, яку вони забезпечують на однаковій відстані, до електричної потужності, яку вони споживають, Лк/Вт:

(1)

де Е – освітленість на певній відстані, Лк;

Рел – електрична потужність, яку споживає світлодіод, Вт.

Електрична потужність, яку споживає світлодіод, може бути визначена як добуток струму світлодіода та напруги, що прикладена до нього, Вт:

(2)

Досліджувана проблема – з’ясувати, за яких умов ефективність світлодіода буде максимальною.

Ключові терміни та поняття, які дають змогу засвоїти процес виконання роботи: світлодіод, освітленість, електрична потужність, ефективність світлодіода, світлова віддача.

Джерела інформації, які попередньо потрібно опрацювати:

https://ru.wikipedia.org/wiki/Светодиод;

http://www.dialux-help.ru/blogs/perevody-statei/yefektivnost-led-i-ih-svetovaja-otdacha.html;

В. Сиротюк, В. Баштовий. Фізика. 11 клас. Підручник / Рівень стандарту. – Харків, 2012.

Блок 3. Обладнання

набірне поле «Школяр»; цифровий мультиметр UNI-T UT70А – 2 шт.; з’єднувальні провідники; цифровий люксметр ТКА-ПКМ або Mastech MS6610; джерело живлення з плавним регулюванням напруги.

Блок 4. Експериментальна процедура

  1. Складіть на набірному полі «Школяр» схему для дослідження світлодіоду відповідно до рис. 2, підключіть до неї джерело живлення постійного струму та мультиметри: один – на вимірювання струму світлодіода, а інший – на вимірювання напруги, що прикладена до світлодіоду (рис. 1).

Рис. 2. Схема для дослідження світлодіоду

  1. Переконайтеся, що ручки регуляторів джерела живлення розташовані в положенні, що відповідає нульовій напрузі. Увімкніть джерело живлення.
  2. За допомогою регуляторів плавно піднімайте напругу до моменту, коли світлодіод почне світитися.
  3. Виміряйте напругу, струм та освітленість, що відповідає початку світіння світлодіоду, та запишіть результати до таблиці. Освітленість вимірюйте при безпосередньому контакті центральної точки датчика люксметра з корпусом світлодіоду.
  4. Піднімайте напругу з кроком 0,1…0,2 В та кожного разу вимірюйте і записуйте до таблиці напругу, струм та освітленість.
  5. Припиніть підняття напруги та вимірювання, коли напруга, прикладена до світлодіоду, сягне 3,4 В.

Блок 5. Аналіз отриманих даних

  1. Результати досліджень запишіть у таблицю:
U, В І, А Е, Лк Рел, Вт η, Лк/Вт
1
2
3
4
….
  1. За формулою (2) визначте потужність, що споживає світлодіод.
  2. За формулою (1) визначте ефективність світлодіоду.
  3. Побудуйте графік залежності ефективності світлодіода від електричної потужності, яку він споживає.
  4. Користуючись отриманим графіком, визначте, за якої електричної потужності, напруги та струму ефективність світлодіода буде максимальною.

Блок 6. Напрями розвитку

  1. Поміркуйте про можливі сфери практичного застосування явища, що було досліджене.
  2. Дослідіть проблему з урахуванням економічних показників – вартості світлодіодів та електроенергії.
  3. Розробіть реальну систему освітлення з урахуванням результатів дослідження, визначте термін її окупності.