X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Преимущества светодиодных ламп в быту

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Солукова К.А. 1

---

1Гимназия№5

Казачкина Т.С. 1

---

1Гимназия№5

Работа в формате PDF

602.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

I.ВВЕДЕНИЕ

Одним из самых первых электрических источников света стала легендарная лампа накаливания. Ее патент был принят в 1879 году. С тех пор долгое время этот прибор применялся человечеством во многих сферах деятельности. Однако сегодня лампа накаливания постепенно отходит в прошлое, так как лампы накаливания потребляют значительно больше электроэнергии. На смену ей пришли более экономичные источники освещения.Одной из разновидностью являются светодиодные лампы. Низкое энергопотребление, дополненное огромным сроком службы, колоссальной светоотдачей и экологичностью – это четыре неоспоримых плюса, благодаря которым лампы на основе светодиодов сегодня выходят в лидеры

В современном мире мы не представляем свою жизнь без электроэнергии. Все бытовые приборы использование интернета и компьютера требуют наличие электричества

А так как, в последнее время все чаще встает вопрос о бережном отношении к ресурсам, об их экономном и об увеличение их эффективности использования, то я решила проверить действительно ли, светодиодные лампы потребляют меньше электроэнергии, чем лампы накаливания и сформулировала следующую цель.

Цель работы:исследовать преимущества использования светодиодных ламп в быту

Задачи:

1. Изучить характеристики светодиодных ламп.

2. Изучить строение светодиодных ламп и ламп накаливания.

3. Выявить преимущества и недостатки светодиодных ламп.

4. Провести опрос об использовании светодиодных ламп в быту

5. Изучить характеристика ламп накаливания

6 .Изучить преимущества и недостатки ламп накаливания.

В данной работе представлены результаты экспериментов, которые позволяют выяснить возможно ли снизить затраты на электроэнергию при замене ламп накаливания на светодиодные лампы.
Гипотеза:светодиодные лампы в своем использовании практичнее, чем лампы накаливания.

Методы исследования: эмпирическое исследование, теоретическое исследование.

Предмет исследования:сравнение свойств светодиодных ламп.

Объект исследования: лампы накаливания и светодиодные лампы.

II. Основная часть

II.1. Характеристики светодиодных ламп.

Так как светодиодная лампа относится к электрическим приборам, то основными характеристиками этих ламп является напряжение, мощность, световой поток. Поэтому я обратилась к дополнительным источникам информации для изучения данных характеристик.

«Напряжение питания. Напряжение питания (U, В) принято указывать на коробке в виде диапазона, в пределах которого производитель гарантирует нормальную работу изделия.Как правило, светодиодная лампа со встроенным токовым драйвером имеет широкий диапазон входных напряжений.Если источник питания не содержит качественного стабилизатора, то перепады напряжения в сети питания будут сильно сказываться на светоотдаче и влиять на качество освещения.

Мощность. Мощность потребления светодиодной лампы (P, Вт) – вторая по важности техническая характеристика, которая показывает на то, сколько электроэнергии потребляет светодиодная лампа за 1 час. Суммарное энергопотребление складывается из мощности светодиодов и мощности драйвера. Наиболее востребованы в наше время led осветительные приборы мощностью 5-13 Вт, что соответствует 40-100 ваттным лампам с нитью накала. Качественные драйвера импульсного типа потребляют не более 10% энергии от общей мощности.

Световой поток. С появлением светодиодов мощность потребления источников света снизилась в разы, а КПД вырос. За счет этого появилась экономия, о которой так часто напоминают рекламные ролики. Световой поток (Ф, лм или lm) – величина, которая указывает на количество световой энергии, отдаваемой осветительным прибором. Опираясь на значение светового потока можно легко подобрать замену существующей лампочке со спиралью. Наравне со световым потоком часто можно встретить понятие «световая отдача». Её определяют как отношение светового потока к потребляемой мощности и измеряют в лм/Вт. Данная характеристика более полно отражает эффективность источника излучения. Также величина светового потока зависит от цветовой температуры. В случае со светодиодами принято указывать световой поток для нейтрального света (4500°K). Чем выше цветовая температура, тем больше световой поток и наоборот. Разница в светоотдаче между однотипными светодиодными лампами теплого (2700°K) и холодного (5300°K) свечения может достигать 20%.» ¹

Проанализировав данную информацию, я пришла к выводу, что к положительным характеристикам светодиодных ламп относится низкая мощность потребления и хорошая светоотдача.»¹

II.2 Строение светодиодной лампы

«В их состав входят контактный цоколь, корпус, выполняющий функцию радиатора, плата питания и управления, плата со светодиодами и прозрачный колпак. Планируя использование светодиодных ламп в сети 220 В, следует помнить, что они не смогут работать с таким током и напряжением. Для того чтобы исключить перегорание светильников, в их корпусах устанавливаются платы питания и управления, снижающие напряжение и выпрямляющие ток. Устройство такой платы оказывает серьезное влияние на срок эксплуатации лампы. Качественные светильники непременно оборудуются стабилизаторами, например, балластными трансформаторами. В наиболее распространенных управляющих схемах используются сглаживающие фильтры, в состав которых входит конденсатор и резистор. В наиболее дорогих моделях в блоках управления и питания используются микросхемы. Каждый отдельно взятый светодиод излучает довольно слабый свет. Поэтому для достижения нужного светового эффекта, группируется необходимое количество элементов. С этой целью используется плата, изготовленная из диэлектрического материала, с нанесенными токопроводящими дорожками. Светодиодная плата является еще и понижающим трансформатором. С этой целью все элементы включаются последовательно в общую цепь, и сетевое напряжение равномерно распределяется между ними. Единственным существенным недостатком такой схемы является обрыв всей цепочки в случае перегорания хотя-бы одного светодиода. Защиту всей лампы от попадания влаги, пыли и других негативных воздействий обеспечивает прозрачный колпак. Некоторые свойства колпака позволяют усилить общее свечение. Дело в том, что его внутренняя сторона покрыта слоем люминофора, который начинает светиться под действием энергии квантов. Поэтому снаружи поверхность колпака выглядит матовой. Люминофор обладает более широкий спектр излучения, в несколько раз превышающий аналогичный показатель у светодиодов. В результате, излучение становится сравнимо с естественным солнечным светом. Без такого покрытия светодиоды оказывают раздражающее действие на глаза, вызывая усталость и болевые ощущения. Лучше всего изучать полезные качества, устройство и принцип действия светодиодных ламп на схемах при напряжении электрической сети 220 вольт. Однако мощность лампы и ее светоотдача не имеют прямой зависимости между собой. Этот фактор следует учитывать при выборе светодиодных светильников. В светодиодных лампах, рассчитанных на 220 вольт, в схеме отсутствует трансформатор. Поэтому выбор светильников происходит не по мощности, а по степени освещенности, создаваемой ими.²

С троение ламп накаливания

«Конструкции ламп весьма разнообразны и зависят от назначения. Однако общими являются тело накала, колба и токовводы. В зависимости от особенностей конкретного типа лампы, могут применяться держатели тела накала различной конструкции. Крючки-держатели тела накала ламп накаливания (в том числе ламп накаливания общего назначения) изготовляются из молибдена. Лампы могут изготавливаться бес цокольными или с цоколями различных типов, иметь дополнительную внешнюю колбу и иные дополнительные конструктивные элементы.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. В настоящее время отказываются от применения предохранителей из-за их малой эффективности.

Колба защищает тело накала от воздействия атмосферных газов. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала тела накала.

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.Особой группой являются галогенные лампы накаливания. Принципиальной их особенностью является введение в полость колбы галогенов или их соединений. В такой лампе испарившийся с поверхности тела накала металл вступает в соединение с галогенами, и затем возвращается на поверхность нити за счёт температурного разложения получившегося соединения.

Формы тел накала весьма разнообразны и зависят от функционального назначения ламп. Наиболее распространённым является проволока круглого поперечного сечения, однако находят применение и ленточные тела накала. В лампах общего назначения тело накала закреплено в форме половины шестиугольника для равномерности светового потока по направлениям.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. КПД таких ламп выше за счёт уменьшения теплопотерь из-за конвекции (уменьшается толщина ленгмюровского слоя).

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). Также встречаются цоколи без резьбы (удержание лампы в патроне происходит за счёт трения или нерезьбовыми сопряжениями — например, байонетным) — британский бытовой стандарт, а также бесцокольные лампы, часто применяемые в автомобилях».³

II.3. Преимущества светодиодных ламп

      « В настоящее время большое значение придается экономичной и долговечной работе осветительных приборов. Поэтому на первый план выходят светильники, создающие яркое освещение с выделением минимального количества тепла и небольшим энергопотреблением. Они обладают низкой чувствительностью к перепадам тока и напряжения, могут выдерживать большое количество включений и выключений.Всеми этими качествами в полной мере обладают светодиодные лампы. Они имеют несколько разновидностей, отличающихся по конструктивным и техническим характеристикам, что позволяет выбрать наиболее подходящий вариант. Все лампы отличаются наличием или отсутствием мерцания, степенью экологической безопасности, необходимостью в использовании выпрямителей тока и других дополнительных приборов.»⁴

• II.4. Недостатки светодиодных ламп

«Среди недостатков светодиодных ламп, которые присущи всем типам изделий, стоит выделить следующие:

деградация кристалла, в результате чего он постепенно, из года в год, теряет яркость;

нейтральный и холодный белый свет подавляет выделение гормона мелатонина, который отвечает за регуляцию сна;

применение понижающего преобразователя с функцией стабилизации тока, что ведёт к удорожанию изделия».⁵

II.5 Характеристика ламп накаливания

Так как лампы накаливания относятся к электрическим приборам, то основными характеристиками этих ламп является напряжение, мощность, световой поток. Поэтому я обратилась к дополнительным источникам информации для изучения данных характеристик.

II.6. Преимущества ламп накаливания.

«Важным преимуществом данного типа ламп является то, что они представлены в очень широком ассортименте – современный рынок предлагает лампы накаливания различной мощности, напряжения, типа, которые могут быть приспособленными к определенным условиям применения. Лампа включается непосредственно в сеть и не требует использования никаких дополнительных аппаратов.

Лампы накаливания могут работать даже при серьезных отклонениях напряжения сети от номинального, хотя, резко меняют свои характеристики, сокращается срок их службы. Лампы практически полностью независимы от условий окружающей среды, температуры, повышения уровня влажности и т.д., поэтому могут использоваться в любых помещениях и даже в самых сложных условиях.»⁶ I.7.Недостатки ламп накаливания

«Cледует выделить то, что к концу срока службы незначительно снижается световой поток (до 15%). Также к минусам относят низкую световую отдачу, ограниченный срок службы ламп, преобладание в спектре излучения желто-красной части спектра, большую зависимость всех характеристик ламп от подводимого напряжения. Так, чем выше напряжение, тем более короткий срок службы лампы, тем более ярко она светит.»⁷

II.8. Практическая часть

Эксперимент: сравнение потребления электроэнергии энергосберегающей лампы и лампы накаливания по электросчетчику.

Цель: Сравнить потребление электроэнергии светодиодных ламп с лампами накаливания.

Приборы: Настольная лампа со светодиодной лампочкой, настольная лампа с лампочкой накаливания такой же мощности.

Требования безопасности:

Эксперимент проводить только с разрешения родителей и с их помощью.

Осторожно! Электрический ток! Убедиться в том, что изоляция проводов не нарушена и приборы исправны.

На столе не должно быть никаких посторонних предметов. Оберегать приборы от падения.

Не оставлять без надзора включенные в сеть электрические устройства и приборы.

Ход эксперимента:

Приготовить домашние электроприборы к эксперименту, то есть выключить почти все электроприборы, оставьте только самые необходимые, которые постоянно потребляют одинаковое количество электроэнергии.

Включить одну из ламп и записать показания энергии по электросчетчику (предыдущие).

В течение часа следить, чтобы не было изменений в работе электроприборов. Через час снова записать показания энергии по электросчетчику (текущие).

Выполнить пункты 2 и 3 для другой лампы. Не забывать следить, чтобы не было изменений в работе электроприборов.

Вычислить разность показаний для каждой лампы и результаты записать в таблицу

Вывод: Потребление электроэнергии светодиодной лампой меньше, чем потребление электроэнергии лампой накаливания. Таким образом, светодиодные лампы действительно экономят электроэнергию.

При проведении эксперимента возникли следующие трудности: поддерживать постоянное потребление электроэнергии во время эксперимента. По этой причине не все опыты оказались удачными. Но в целом эксперимент удался.

II.9. Опрос: использование светодиодных ламп в быту.

Среди своих одноклассников и знакомых я провела следующий опрос (Приложение 1).

В опросе приняло участи 35 учеников гимназии.

Я получила следующие результаты:

Вывод: Таким образом, светодиодные лампы находят широкое применение в быту. Большинство опрошенных пока используют лампы накаливания и светодиодные лампы. Результаты опроса показывают, что светодиодные лампы являются востребованными, так как экономят электроэнергию.

Задача. Расчет потребления электроэнергии ламп в своей квартире

Исходные данные:

- Стоимость электроэнергии 2,40 рубля за 1 кВт∙ч;

- Стоимость светодиодной лампы х рублей;

- Стоимость лампы накаливания х рублей;

- Среднее время работы светодиодной лампы 25000 часов;

- Среднее время работы обычной лампы 1000 часов;

- Мощность светодиодные лампы 6 Вт;

- Мощность лампы накаливания 60 Вт;

- Время горения лампы 7 часов в день;

- Количество ламп в квартире 17 штук;

Найти:

стоимость электроэнергии за год работы светодиодной лампы и лампы накаливания;

сравнить получившиеся стоимости с учетом стоимостей ламп;

сделать вывод об экономии электроэнергии при замене ламп.

Решение:

7ч ∙ 365дн = 2555ч – в год работает одна лампа.

2555ч ∙ 17 = 43435ч – в год работают 17 ламп.

6Вт ∙ 43435ч =260610Вт∙ч =260,61кВт∙ч – потребляют светодиодные лампы в год

260,61кВт∙ч ∙ 2,40 рубля/1 кВт∙ч =625,464рублей ≈ 626 рублей в год плата за энергию при эксплуатации светодиодных ламп.

60Вт ∙ 43435ч =2606100Вт∙ч = 2606,1кВт∙ч – потребляют обычные лампы в год

2606,1кВт∙ч∙ 2,40 рубля/1 кВт∙ч =6254,64рублей ≈ 6255 рублей в год плата за энергию при эксплуатации ламп накаливания

6255руб. –626руб. = 5629 рублей – экономия.

Таким образом, экономия денежных средств при эксплуатации светодиодных ламп очевидна, и составляет более пяти тысяч рублей в год. Эти расчеты выполнены без учета стоимости ламп.

Найдем стоимость ламп на год и итоговые затраты.

17∙110руб. = 1870 рублей стоимость 17 светодиодные ламп.

3∙110руб. = 330рублей стоимость 3-х запасных светодиодныеламп.

1870+330 = 2200 рублей годовые затраты на приобретение светодиодные ламп.

2200+ 626=2826рублей (≈2830руб.) итоговые затраты на светодиодные лампы (то есть стоимость ламп и плата за электроэнергию на год).

17∙32руб = 544 рублей стоимость 17 ламп накаливания.

10∙32руб = 320 рублей стоимость 10-ти запасных ламп накаливания.

320+ 544 = 864 рублей годовые затраты на приобретение обычных ламп.

6254,64 + 864= 7118,64 рублей (≈ 7119труб.) итоговые затраты на обычные лампы.

Я получила, что при покупке 17-ти светодиодных ламп и их эксплуатации в течении года потребуется около 3-х тысяч рублей, тогда как на обычные лампы пришлось бы потратить примерно 7 тысяч рублей.

Таким образом, светодиодные лампы, несмотря на высокую стоимость, действительно экономичнее в 2 раза (!)

Эксперимент 2.«Яичница на лампочке»

Опыт демонстрирует разницу в выделении тепла при работе светодиодной лампы и лампы накаливания.

Для опыта понадобятся: светодиодная лампа, лампа накаливания, два патрона с проводами и электровилками, два стакана, два сырых куриных яйца.

1. В два стакана разбиваем два сырых куриных яйца.

2. Подключаем лампы в электросеть.

3. Помещаем лампы в стакан с сырым яйцом, цоколем вверх.

4. После приготовления яичницы, лампы отключаются от сети.

Вывод:

Мы выяснили, что в стакане, куда была помещена лампа накаливания яйцо начала сворачиваться, в то время как в стакане со светодиодной ничего не произошло, потому что светодиодная лампочка в отличии от лампы накаливания не нагревается, а просто излучают свет.

III.ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнив данную исследовательскую работу, я сначала изучила строение тех и других ламп, изучила преимущества и недостатки ламп накаливания и светодиодных. Я узнала, что светодиодные лампы выделяют меньше тепла, чем лампы накаливания. Покупая обычные лампочки, мы можем рассчитывать на их работу в течение пяти-шести месяцев. Как правило, после этого срока нить накаливания просто перегорает. В современных осветительных приборах нить накаливания просто отсутствует. Соответственно, и ломаться там нечему. Качественная лампочка светодиодного типа может работать до 12 000 часов, что равняется примерно 2-3 годам эксплуатации в достаточно интенсивном режиме. И при свете светодиодной лампы даже работается лучше.Следовательно, основные достоинства светодиодных ламп-низкое энергопотребление, дополненное огромным сроком службы, колоссальной светоотдачей и экологичностью – это четыре неоспоримых плюса, благодаря которым лампы на основе светодиодов сегодня выходят в лидеры

IV.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ И ИНТЕРНЕТ - РЕСУРСОВ

http://fb.ru/article/281504/lampyi-nakalivaniya-harakteristiki-plyusyi-i-minusyi

https://electric-220.ru/news/ustrojstvo_i_princip_raboty_svetodiodnoj_lampy/2017-02-12-1178

https://ru.wikipedia.org/wiki/Лампа_накаливания

http://ledjournal.info/byt/preimuschestva-i-nedostatki-led-lamp.html

http://ledjournal.info/byt/preimuschestva-i-nedostatki-led-lamp.html

http://fb.ru/article/281504/lampyi-nakalivaniya-harakteristiki-plyusyi-i-minusyi

http://fb.ru/article/281504/lampyi-nakalivaniya-harakteristiki-plyusyi-i-minusyi

http://fb.ru/article/281504/lampyi-nakalivaniya-harakteristiki-plyusyi-i-minusyi

Пёрышкин А.В. Физика. 8 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений. - М: Дрофа, 2010.

Приложение 1.

Какими лампами Вы пользуетесь дома?

А. Лампами накаливания; Б. Светодиодными лампами;

В. И те и другие лампы; Г. Не знаю, как они называются.

Как долго Вы пользуетесь светодиодными лампами?

А. Не пользуюсь. Б. Около месяца.

В. Около полугода. Г. Около года. Д. Больше двух лет.

Заметили ли Вы экономию электроэнергии при пользовании светодиодными лампами по сравнению с лампами накаливания?

А. Да, большая экономия; Б. Да, но не очень большая экономия;

В. Нет никакой экономии; Г.Не заметили различия в потреблении электроэнергии.

Какие преимущества светодиодных ламп Вы можете назвать?

А. Экономия энергии и финансов. Б. Долгий срок службы.

В. Свой ответ _________________________________________________

Какие недостатки светодиодных ламп Вы можете назвать?

А. Высокая стоимость. Б. Долгая фаза разогрева после включения.

В. Свой ответ _________________________________________________

Как относитесь к тому, что лампы накаливания снимаются с производства?

А. Одобряю. Б. Не одобряю. В. Первый раз слышу. Г. Мне всё равно.