XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Регулятор свечения лампы
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
На современном этапе научно-технического прогресса огромную роль играет развитие электроники.
В каждом доме имеются бытовые электроприборы питанием от электрической сети переменного тока. Расширить возможности и удобство использования многих из этих устройств можно за счет регулирования потребляемой ими мощности.
Согласитесь, довольно часто возникают ситуации, когда требуется уменьшение яркости света:
зачастую поток освещения необходимо снизить перед сном в спальной комнате;
некоторые помещения по дизайнерскому исполнению требуют изменения световой картины;
иногда освещение в помещениях переводят в так называемый дежурный режим для того, чтобы сократить расход энергии.
Цель работы: Изучение регулятора яркости лампы
Задачи:
1. Узнать область применения регулятора яркости.
2. Определить виды регуляторов света.
3. Проверка работоспособности регулятора.
В производственных и бытовых помещениях настраивают лампы на разные режимы потребления. При этом выбирается оптимальное освещение и за счёт этого достигается приличная экономия электроэнергии.
Краткая история лампы накаливания
Лампы накаливания являются оригинальной формой электрического освещения и используются уже более 100 лет. В то время как Томас Эдисон считается изобретателем лампы накаливания, есть ряд людей, которые изобрели компоненты и прототипы лампочки задолго до Эдисона.
Одним из первооткрывателей был также британский физик Джозеф Уилсон Свон, который фактически получил первый патент на лампочку накаливания с углеродной нитью накаливания в 1878 году. Дом Свона был первым в мире, освещенным электрической лампочкой. Свон разработал более долговечную лампочку с использованием обработанной хлопчатобумажной нити, которая также устранила проблему раннего почернения лампы.
Современные лампы накаливания не являются энергоэффективными — менее 10% электроэнергии, подаваемой в лампу, преобразуется в видимый свет. Оставшаяся энергия теряется в виде тепла. Однако эти неэффективные лампочки по-прежнему широко используются сегодня благодаря таким преимуществам, как:
широкая и недорогая доступность;
простое встраивание в электрические системы;
возможность работы при низком напряжении, например, в устройствах с батарейным питанием;
широкий ассортимент формы и размера.
К несчастью для лампы накаливания, законодательство многих стран, включая США, предписывает постепенно отказаться от нее в пользу более энергоэффективных вариантов, таких как компактные люминесцентные лампы и светодиодные лампы.
Устройство и принцип работы лампы
Лампа накаливания обычно состоит из стеклянного корпуса, содержащего вольфрамовую нить накаливания. Электрический ток проходит через эту нить, нагревая ее до температуры, которая производит свет. Также в лампах есть стержень или стеклянное крепление, прикрепленное к основанию лампы. Оно позволяет электрическим контактам проходить через оболочку без утечек газа или воздуха.
Небольшие провода, встроенные в стержень, поддерживают нить накала и/или ее подводящие провода. Стеклянный корпус содержит либо вакуум, либо инертный газ для сохранения и защиты нити накала от испарения.
Что внутри лампы накаливания:
Стеклянная колба.
Инертный газ.
Вольфрамовая нить накала.
Контактный провод.
Контактный провод (идет к основанию).
Опорные провода.
Крепление/опора для стекла.
Базовый контактный провод.
Винтовые резьбы.
Изоляция.
Электрический контакт.
Принцип работы лампы накаливания заключается в нагреве некоего объекта. Атомы внутри него становятся термически возбужденными. Если объект не плавится, атомные электроны переходят на более высокий энергетический уровень за счет подаваемой энергии. Электроны высвобождают свою дополнительную энергию в виде фотонов. Затем эти фотоны испускаются с поверхности объекта в виде электромагнитного излучения.
Это излучение будет иметь разные длины волн. Лампа накаливания получает видимый свет путем нагрева.
Нить накала крепится через два подводящих провода. Один подводящий провод присоединен к ножному контакту, а другой заканчивается на металлическом основании лампы. Оба подводящих провода проходят через стеклянную опору, установленную в нижней середине лампы.
Два опорных провода, также прикрепленные к стеклянной опоре, используются для поддержки нити накала в ее средней части. Ножной контакт изолирован от металлического основания изоляционными материалами. Вся система заключена или в цветную, или покрытую фазой, или прозрачную стеклянную колбу. Она может быть заполнена инертными газами или в ней поддерживается вакуум в зависимости от мощности лампы накаливания.
Нить накаливания герметично откачивается с помощью стеклянной колбы подходящей формы и размера. Эта стеклянная колба используется для изоляции нити накала от окружающего воздуха, чтобы предотвратить ее окисление и свести к минимуму окружающий ее ток, и тем самым поддерживать высокую температуру нити накала.
Нить накаливания не обладает постоянным сопротивлением. Действие тока в лампе накаливания увеличивается вместе с напряжением. Лампочка становится достаточно горячей, чтобы светиться.
Регулятор яркости
Основная функция – повышение/понижение яркости света – сама по себе уже интересна. Можно задать «рабочий» режим, при котором видна каждая пылинка на столе, или приглушить свет до минимума, чтобы дать покой глазам и расслабиться
Слово «диммер» происходит от английского «dim», что в дословном переводе на русский язык означает «затемнять». Но сами русские диммер часто называют ещё светорегулятором, потому что он представляет собой электронное устройство, при помощи которого можно менять электрическую мощность (то есть регулировать в большую или меньшую сторону).
Чаще всего с помощью такого устройства управляют осветительной нагрузкой. Регулятор освещения предназначен для изменения яркости света, который излучают светодиодные лампы, а также лампы накаливания и галогенные.
Простейшим примером диммера является переменный резистор (или реостат). Ещё в 19 веке немецкий физик Иоганн Поггендорф изобрёл это устройство, чтобы с его помощью можно было регулировать напряжение и силу тока в электрической цепи путём увеличения или уменьшения сопротивления. Реостат представляет собой устройство с регулировкой сопротивления и проводящий элемент. Сопротивление может изменяться ступенчато и плавно. Для получения низкой яркости света необходимо уменьшить напряжение.
Все электронные современные диммеры в качестве основного элемента имеют в своём конструктивном исполнении ключ (он также может называться выключатель или переключатель), который управляется полупроводниковыми транзисторными, симисторными или тиристорными приборами. Большинство устройств не выдают на выходе синусоидальный сигнал, электронный ключ как бы отсекает участки синусоиды.
Чтобы вам было понятнее, в электрической сети протекает ток, который имеет синусоидальную форму. Для изменения яркости на лампу нужно подать обрезанную синусоиду. Двунаправленный тиристор отсекает у синусоидальной волны переменного тока передний либо задний фронт, за счёт чего уменьшается напряжение, питающее светильник.
Если вы собрались использовать выключатель с регулировкой яркости, сперва нужно узнать какие они бывают. И вообще все ли светодиодные лампы можно диммировать? Диммеры различаются по следующим критериям:
- По типу монтажа;
- По исполнению и способу управления;
- По способу регулирования.
Практическая часть
Диммер представляет собой регулятор яркости, который позволяет поворотом ручки изменить интенсивность света.
Данный прибор состоит из:
Потенциометра;
Потенциометры применяются в качестве плавных регуляторов усиления, регуляторов громкости и тембра, служат для плавной регулировки различных напряжений, а также используются в следящих системах, в вычислительных и измерительных устройствах и т.п.
Сетевой трансформатор;
Это агрегаты понижающего типа, которыми оснащаются разнообразные электроприборы, чаще всего бытовые. Задача сетевого трансформатора – снизить входное напряжение до оптимальных для бытового прибора значений (5, 12, 24 или 48 В).
Диодный мостик;
Диодный мост используется в качестве схемы выпрямления, преобразующей переменное напряжение в постоянное. Принцип его действия основан на односторонней проводимости — свойстве полупроводникового диода пропускать ток только в одном направлении.
Небольшой конденсатор;
|
Конденсатор – это устройство, способное накапливать электрический заряд. Такую же функцию выполняет и аккумуляторная батарея, но в отличие от неё конденсатор может моментально отдать весь накопленный заряд. Транзисторы. Это активные полупроводниковые приборы с несколькими электрическими переходами и тремя выводами, предназначенные для усиления сигнала и генерации колебаний. Транзисторы бывают разные, но можно выделить два основных класса: биполярные и полевые. Работа схемы заключается в следующем: после подключения фазы 220В к диммеру, на времязадающую цепочку будет подано напряжение, так как динистор закрыт, ток протекает только через конденсатор и резисторы. В зависимости от установленного поворотным резистором омического сопротивления будет зависеть и величина тока. От величины тока зависит и скорость заряда конденсатора, при достижении нужной величины потенциала на котором произойдет открытие динистора. Через цепь открывшегося динистора на симистор подается сигнал открытия, срабатывает ключ, пропускающий определенную часть полупериода к нагрузке. Ток удержания в симисторе не возникает, поэтому с разрядом конденсатора вся цепь переходит в исходное состояние вплоть до следующего полупериода, который откроет ключ и подаст на нагрузку потенциал. Как видите, такая схема диммера осуществляет регулировку яркости «обрезая» форму синусоиды до определенного импульса, уменьшая и величину напряжения, и его действующее значение. В виду нестабильного колебания кривой такую модель светорегулятора однозначно можно подключать к лампам накаливания, поскольку они не восприимчивы к форме напряжения. |
Заключение
В ходе проведенных работ был разработан и собран регулятор мощности.
Одной из главных задач являлась проверка работоспособности устройства. Устройство полностью удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям, является простым, надежным и экономичным.
Был принят во внимание вопрос о применении данного устройства. Ввиду его технических характеристик, он имеет высокий спектр использования.
Диммер — это не только регулятор освещения, его можно использовать как регулятор напряжения вообще, подключая через него любую активную нагрузку — лампу накаливания, паяльник, чайник, утюг. Но главное — максимальная мощность диммера должна соответствовать нагрузке. Не факт, что нагрузка при этом будет вести себя адекватно, и не будет подвергаться опасности выйти из строя. Минус — нет обратной связи и защиты от перегрева. Ведь от люстры тоже нет обратной связи — только через глаза.
Список использованных источников и литературы:
1.А. Евсеев "Стабилизированный регулятор мощности" // Радио, 2012г.
2.М. Марков "АЦП с интерфейсом RS-232" // Радио, 2015г.
3.П. Хоровиц, У. Хилл "Искусство схемотехники" - Изд. 6-е, М.: Мир, 2013.
4. Евсеев Ю. А., Крылов С. С. Симисторы и их применение в бытовой электроаппаратуре. — М.: Энергоатомиздат, 2019
5. http://www.eleton.com.ua/production/index3.php?show_level=55&from_level=14
6. http://nauchebe.net/2011/02/yomkostnye-datchiki-datchiki-vneseniya-yomkosti-v-sxemax-dlya-mk/
7. http://articles.m-strou.ru/article_5205.html