V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Измерение пульсаций
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Тема воздействия пульсаций источников освещения на окружающий мир периодически становится предметом активного обсуждения специалистов. Статьи, поднимающие вопросы о мере влияния невидимого глазом мигания многих современных источников освещения, опубликованы во многих тематических журналах. Все источники света, работающие на переменном токе, создают мерцающий световой поток. Частота электрической сети обычно составляет 50 Гц, частота мерцания люминесцентной лампы обычно выше в два раза частоты электроэнергии, то есть 100 Гц. Умеренная частота мерцания (от 100 Гц до 500 Гц) незаметна человеческому глазу и может воспринимается только через стробоскопический эффект, вызывающий неблагоприятные последствия для здоровья человека, таким как головная боль, напряжение глаз и усталость. Стробоскопический эффект иногда вызывает иллюзии при движении в ночное время, в результате чего движущиеся объекты могут показаться замедленными или стоящими на месте. Кроме того, такой эффект также потенциально опасен в промышленных условиях, может привести к проблемам безопасности в строительстве. Есть определенные группы людей, более уязвимых для негативных последствий мерцания, в том числе дети, больные аутизмом, страдающие мигренью и больных эпилепсией. Поскольку мерцание недоступно для восприятия невооруженным глазом, люди обычно не осознают, что причина дискомфорта, возможно, заключается в мерцании.
Однако, кроме частоты мерцания необходимо учитывать относительную амплитуду изменения освещенности, то есть разницу между самым ярким и самым темным состояниями по отношению к среднему значению освещенности. Данный параметр называется коэффициента пульсации освещенности (КПО) и выражается в процентах. Значение данного параметра может оказывать даже большее влияние на качество освещения, чем частота.
Методы контроля КПО на рабочих местах разработаны НИИСФ РААСН и введен в действие в 2012 году ГОСТ Р 54945-2012. В документе описаны методики с помощью специализированных приборов, а также с помощью измерительного преобразователя излучения и осциллографа. Первый вариант требует наличия сложного и дорогостоящего прибора, а второй метод можно использовать и в бытовых условиях, если найти подходящий преобразователь излучения с нужными характеристиками. Измерители абсолютного значения КПО должны быть прокалиброваны по эталонному источнику света. Такого источника у нас нет, поэтому в данной работе будут проведены исследования возможности использования элемента бытовой солнечной батареи в качестве преобразователя излучения для сравнительного измерения КПО.
Цель работы: разработать и изготовить стенд для исследования характеристик элемента солнечной батареи, сделать вывод о допустимости применения в качестве преобразователя для сравнительного измерения КПО и провести проверку степени мерцания лампы накаливания, люминесцентной лампы, энергосберегающей и светодиодной ламп.
Гипотеза: Возможно ли использования элемента солнечной батареи в качестве преобразования световой энергии для сравнительного измерения КПО?
Методы:
- теоретический анализ литературы по данной проблеме;
- разработка и сборка измерительного стенда;
- эксперимент, наблюдение;
- измерения.
Задачи:1. Разработать и изготовить стенд для измерения пульсаций.2. Разработать принципиальную электрическую схему устройства.3. Исследовать с помощью осциллографа проверку степени мерцания лампы накаливания, люминесцентной лампы, энергосберегающей и светодиодной ламп.
Нами был разработан и изготовлен стенд для проведения экспериментов и измерений (фото 1). Фото 1. Конструкция стенда для проведения экспериментов и измерений.
Принципиальная схема стенда представлена на рисунке 1.
Осветительная лампа подключается к сети переменного тока через выключатель. Элемент солнечной батареи нагружен на резистор R1 и постоянное напряжение с нее выводится на контакт Uпост относительно общего провода. Этот же сигнал, через конденсатор C1, обрезающий постоянную составляющую, подается на контакт Uимп. В качестве нагрузки для импульсного сигнала выступает резистор R2. Номиналы резисторов и конденсатора подбирались опытным путем для получения стабильного сигнала на экране осциллографа.
Рис. 1. Принципиальная схема стенда.
Конструкция. На подставке из ДСП закреплен пластиковый держатель с панелью солнечной батареи внутри. Для уменьшения воздействия посторонних осветительных приборов на результаты измерения из непрозрачного пластика мы изготовили усеченную пирамиду, закрывающую фотоэлемент сверху. Также на подставке установлены: розетка для подключения осветительных приборов, напряжение в которой разрывается выключателем, три патрона для временного хранения электрических ламп и три контакта для подключения осциллографа. Необходимые элементы схемы расположены непосредственно на выходных контактах. Стенд подключается к сети переменного тока 220В с помощью шнура с вилкой.
Исследования.
Для исследования линейности элемента солнечной батареи в качестве источника освещения мы выбрали лампу накаливания. В качестве измерительного прибора мы применили многоканальный цифровой осциллограф DS203 (фото 2).
Фото 2. Многоканальный цифровой осциллограф DS203.
Канал A осциллографа (синий) мы подключаем к контактам с импульсным напряжением, канал B (желтый) – к контактам с постоянным напряжением. Освещая солнечную батарею лампой накаливания, подключенной к сети переменного тока частотой 50 Гц, проводим несколько измерений, постепенно приближая источник света к солнечной батарее. Результаты измерений занесены в таблицу 1.
|
№ измерения |
Постоянное напряжение, В |
Импульсное напряжение, В |
|
1 |
0,3 |
0,095 |
|
2 |
0,5 |
0,100 |
|
3 |
0,8 |
0,100 |
|
4 |
1,1 |
0,100 |
|
5 |
1,4 |
0,095 |
|
6 |
1,6 |
0,070 |
|
7 |
1,8 |
0,055 |
|
8 |
2,0 |
0,050 |
|
9 |
2,15 |
0,044 |
Таблица 1. Результаты измерений постоянного и импульсного напряжений в зависимости от освещенности солнечной батареи.
а)
б)
в)
Рис. 2. Осциллограммы при различной интенсивности освещения солнечной батареи: а) при выходном напряжении 0,5 В; б) при выходном напряжении 1,4 В; в) при выходном напряжении 2,15 В.
Анализируя результаты в таблице 1, можно заметить, что при изменении постоянного напряжения в пределах от 0,3В до 1,4В амплитуда импульсного напряжения практически постоянная, а после превышения предела в 1,6В начинает резко уменьшаться. Это объясняется свойствами p-n переходов, из которых состоит светочувствительный слой солнечной батареи. Таким образом, мы можем сделать вывод, что панель солнечной батареи возможно применить для сравнительных измерений КПО с некоторыми ограничениями, а именно: необходимо соблюдать уровень освещенности элемента, при котором выходное постоянное напряжение будет в пределах 0,8-1,1В.
Следующим этапом работы стал сравнительный анализ различных ламп по рабочей частоте и коэффициенту пульсаций. Для этого к солнечной батарее мы поочередно подносим различные виды ламп на расстояние, при котором постоянное напряжение на выходе батареи будет равно 1 вольт. Для сравнения будем использовать: 1) лампа накаливания; 2) энергосберегающая лампа; 3) люминесцентная лампа с дросселем; 4) светодиодная лампа.
Рис. 3. Установка курсора канала B на постоянное напряжение 1,1вольт.
Для удобства проведения исследований установим курсор канала B на постоянное напряжение 1,1вольт, чтобы ориентироваться на него при выборе расстояния до лампы (рис. 3).
1. Лампа накаливания. По осциллограмме (рис. 4) видно, что частота пульсаций лампы накаливания равна 100 Гц (период 10 мс), а форма сигнала пульсаций – синусоида. При этом амплитуда пульсаций составляет 75мВ.
Рис. 4. Осциллограмма пульсаций лампы накаливания.
2. Энергосберегающая лампа с высоковольтным преобразователем. На осциллограмме (рис.5) мы видим, что частота пульсаций составляет также 100 Гц, а амплитуда – 80 мВ, что сравнимо с показателями лампы накаливания. Однако, форма сигнала отличается от синусоиды и напоминает пилообразный сигнал. Необходимо отметить, что встречаются экземпляры энергосберегающих ламп, у которых частота мерцания составляет 400 Гц, за счет увеличения частоты внутреннего преобразователя напряжения.
3. Люминесцентная лампа с дросселем. По рис.6. мы видим, что частота пульсаций составляет также 100 Гц. В то же время их амплитуда составляет 0,8 В, что в 10 раз больше, чем две предыдущие лампы. Мерцание этой лампы заметно визуально.
Рис. 5. Осциллограмма пульсаций энергосберегающей лампы.
Рис. 6. Осциллограмма пульсаций люминесцентной лампы с дросселем.
4. Светодиодная лампа. Осциллограмма работы светодиодной лампы представлена на рис. 7. Здесь мы видим, что пульсаций нет совсем. Необходимо также отметить, что в зависимости от производителя в светодиодных лампах могут применяться различные схемы получения постоянного напряжения из переменного, а, следовательно, не исключена вероятность того, что и светодиодная лампа может светиться с пульсациями.
Рис. 7. Осциллограмма работы светодиодной лампы.
Вывод.
В своей работе мы использовали различные источники информации (научная и учебная литература, Интернет). Проводя эксперимент, мы пришли к выводу, что, используя панель солнечной батареи возможно применить для сравнительных измерений КПО с некоторыми ограничениями, а именно: необходимо соблюдать уровень освещенности элемента, а также для влияния на здоровье окружающих. Оригинальность нашей работы была в создании модели по схеме, в интеграции предметов (физики, электротехники, экологии). Создав модель и проводя эксперименты, мы более глубоко изучили техническое содержание темы, более детально изучили некоторые физические явления (альтернативные источники энергии). То есть была доказана взаимосвязь теории с практикой. Стробоскопический эффект потенциально опасен в промышленных условиях, может привести к проблемам безопасности в строительстве. Есть определенные группы людей, более уязвимых для негативных последствий мерцания, в том числе дети, больные аутизмом, страдающие мигренью и больных эпилепсией. Поскольку мерцание недоступно для восприятия невооруженным глазом, люди обычно не осознают, что причина дискомфорта, возможно, заключается в мерцании, поэтому данные исследования важны для человека. Коэффициент пульсации освещенности (КПО) может оказывать большее влияние на качество освещения, чем частота. В зависимости от производителя в светодиодных лампах могут применяться различные схемы получения постоянного напряжения из переменного, а, следовательно, не исключена вероятность того, что и светодиодная лампа может светиться с пульсациями и влиять на организм человека.
Практическая значимость работы связана с повышением электробезопасности и надежности освещения.
Литература:
1. Ишлинский А.Ю. «Новый политехнический словарь», издательство Большая Российская Энциклопедия.
2. Кизлюк А.И. «Справочник по устройству и ремонту телефонных аппаратов зарубежного и отечественного производства (Глава: диоды)», издательство: Библион.
3. Белкин В.Г., Бондаренко В.К. «Справочник радиолюбителя-конструктора» издательство: Москва «Радио и связь».
4. Журнал для старшекласников и учителей «Потенциал» №6 -2014
5. ru.wikipedia.org http://slovari.yandex.ru
6. И.В.Левин «Справочник конструктора точных приборов» издание третье, Издательство «Машиностроение», Москва.7. В.О. Шпаковский, «Для тех, кто любит мастерить», Москва, Просвещение8. Р.И. Гжиров, Краткий справочник конструктора, Санкт- Петербург, «Машиностроение»9. В.Г. Белкин, Справочник радио конструктора, Москва, «Радио и связь