VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Светодиодная противотуманная фара
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Тема работы: Светодиодная противотуманная фара
Актуальность работы: Задумывались ли вы когда-нибудь над тем, как устроен автомобиль? Как работают его основные детали? Обращая внимание на светодиодные фары, я давно думал о том, а как же работают эти фары. Когда на занятии по физике изучали лампы накаливания и при выполнении лабораторной работы исследовали потребляемую мощность этих ламп, я задумался о принципе действия светодиодов. А так, как я учусь в автотранспортном техникуме, то мне эти знания мне пригодятся и в дальнейшем. Каковы основные работы светодиодных фар? Какие типы фар есть еще? Также я решил узнать подробнее о светодиодных противотуманных фарах?
Новизна работы: Светодиодное освещение самое современное и эффективное среди других аналогов в осветительном оборудовании. Благодаря экономичности и высокой светоотдаче, лампы применяются в автомобилях. Большую популярность светодиодные фары для автомобиля получили за счёт своих эксплуатационных характеристик и возможностей, превышающих показатели других видов осветительного оборудования.
Цели работы: ознакомится с осветительной системой автомобиля, изобретением и принципом действия светодиодов, изготовить своими руками действующий макет светодиодной фары.
Задачи работы: для достижения поставленной цели мы поставили перед собой следующие задачи:
Отобрать и изучить информационные источники по теме работы.
Изучить историю изобретения светодиодов и их физические принципы действия.
Ознакомится с осветительной системой автомобиля. Ознакомиться с типами противотуманных фар.
Выявить преимущества использования светодиодов в автомобильных фарах.
Сделать действующий макет светодиодной фары.
Сделать вывод по выполненной работе.
Объект исследования: светодиодные фары.
Предмет исследования: принципы работы светодиодов и преимущества светодиодных фар.
Основная часть.
Система освещения автомобиля
Любой автомобиль невозможно было бы использовать в ночное время суток, а также в условиях ограниченной видимости из-за погодных осадков, без использования осветительных приборов. Их наличие дает возможность освещать дорожное полотно, сигнализировать о выполнении маневрирования и остановке автомобиля.
В современном автомобиле используется большое количество осветительных приборов и всех их объединяет система освещения автомобиля. Эта система выполняет несколько важнейших функций – освещение дороги и обочины, передача участникам на дороге информации об автомобиле (его габаритные размеры, направление движения, маневрирование). Также эта система обеспечивает освещение салона, грузового и подкапотного пространств. Поэтому она подразделяется на два вида – внешнее освещение автомобиля, и внутреннее.
Внешние осветительные приборы:
К внешним осветительным приборам относятся – передние фары, противотуманные фары, указатели поворота, задние блок-фары, осветители номерного знака (см. рисунок ниже).
1) Фары.
Передние фары обеспечивают освещение дороги впереди автомобиля и предоставление информации встречному и впереди идущему транспорту информации о габаритах авто. На каждом автомобиле таких фар две, и расположены они симметрично справа и слева. На большинстве автомобилей передняя фара имеет единый корпус, при этом в нем заключено сразу несколько осветительных элементов – ближний и дальний свет, габаритные огни, дневные ходовые огни. На современных моделях в корпус часто помещаются также и поворотники, хотя не всегда.
2) Габаритные огни и поворотники (указатели поворотов).
Габаритные огни предоставляют информацию водителям других транспортных средств о размерах автомобиля. Часто эти огни используются во время остановок для обозначения авто и его положения, когда головной свет тушится. Габаритные огни помимо передних фар еще располагаются и в задних блок-фарах. Поворотники предоставляют другим водителям на дороге информацию о совершении маневрирования (поворот, смена полосы передвижения, съезд на обочину для остановки). На многих автомобилях эти осветительные приборы входят в конструкцию передних фар и задних блок-фар, но есть и модели, где поворотники располагаются отдельно и устанавливаются на бамперы. Помимо этого часто имеются еще и дублирующие поворотники на боковых частях автомобиля, а также интегрированные в зеркала заднего вида. Особенностью этих осветительных приборов является то, что все они светят желтым цветом и синхронно, причем не постоянно, а в режиме мигания. То есть, при совершении маневра вправо, водитель переводит рычаг включения поворотов вверх, при этом сразу одновременно и с одной интенсивностью мигания включаются передний, боковой, расположенный на зеркале и задний поворотники с правой стороны. Также поворотники выполняют роль аварийной сигнализации. При ее включении начинают мигать все лампы поворотов с обеих сторон автомобиля.
Противотуманные фары. Их виды
Противотуманные фары (ПТФ) нужны для обеспечения лучшего освещения дороги при передвижении в условиях плохой видимости и атмосферных осадков. Они обеспечивают широкий световой луч, у которого усечена верхняя часть. За счёт этого свет не отражается от атмосферных осадков, и не слепит водителя, обеспечивая только освещение дороги.
Спереди автомобиля противотуманные фары используются парно, сзади же может быть установлен как один, так и два таких фонаря, допускается и полное их отсутствие.
Эти фонари являются необязательным осветительным элементом, поэтому используются они далеко не на всех автомобилях. Они располагаются на автомобиле обычно ниже других осветительных приборов и монтируются зачастую в бамперы.
В противотуманных фарах основную роль играет правильная направленность светового потока. Фара формирует широкий в горизонтальной плоскости и узкий в вертикальной плоскости световой поток, который располагается низко над поверхностью дороги и направлен вдоль неё. Известно, что туман редко достаёт до земли. Поэтому получается, что туман как бы подсвечивается фарами снизу.
Преимущество этих фар по сравнению с обычными заключается в том, что они освещают и обочину дороги, позволяя разглядеть боковую линию разметки на дорогах. Включить их можно в процессе движения вместе с габаритными огнями.
Виды противотуманных фар:
В настоящее время среди автолюбителей популярны три вида фар, используемых в тумане:
Светодиодные противотуманные фары – наиболее востребованный и экономичный тип фар, обладающий малой потребляемой мощностью и большим сроком службы. Преимуществом светодиодных фар является также широкий выбор цветов излучения, высокая яркость светового потока и небольшой нагрев фар.
Ксеноновые фары — наиболее востребованный тип среди владельцев дорогих марок авто. Излучаемый свет этих фар максимально приближен к солнечному свету, что обеспечивает хорошую пробиваемость тумана и уменьшает физическую нагрузку на глаза шофера. По сравнению с обычными фарами они имеют повышенный ресурс, более высокий КПД, меньше потребляет электроэнергию.
Галогеновые противотуманные фары — по многим техническим показателям уступают своим конкурентам, но продолжают пользоваться высоким спросом в среде автолюбителей благодаря невысокой стоимости.
История создания светодиода
Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД; англ. light-emitting diode, LED) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении.
С каждым днём светодиоды всё прочнее закрепляются в различных сферах деятельности человека. Светодиодные лампы получили широкое распространение только в 21 веке, однако светодиоды в приборах используются не один десяток лет, история открытия и создания светодиодов началась ещё в начале 20 века.
Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри. Раунд впервые открыл и описал электролюминесценцию, обнаруженную им при изучении прохождения тока в паре металл — карбид кремния (карборунд, SiC), и отметил жёлтое, зелёное и оранжевое свечение на катоде. Свои наблюдения изобретатель описал в издании “General world”, но объяснить не смог.
Следующий шаг в развитие светодиодов сделал русский экспериментатор Олег Лосев. Он обнаружил, что в радиоприемниках диоды испускают свет при прохождении электрического тока. Он исследовал это явление и опубликовал большое количество работ по этой теме. В 1927 году Лосев запатентовал “Световое реле”. Благодаря его открытиям мир узнал об электролюминесценции полупроводников.
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 Университете Иллинойса для 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, специально адаптированный к передаче данных по волоконно-оптическим линиям связи.
В начале 70-х появились зелёные светодиоды, а в середине доктор Жан Энри изобрел планарную технологию изготовления полупроводниковых кристаллов. В конце 80-х годов благодаря работам Ж.И. Алферова и других учёных, когда были получены новые материалы, увеличены были мощность, яркость, световая отдача, срок службы. В новых материалах были использованы соединения индия, галлия, алюминия.
Первый светодиод синего цвета был создан в 1971 году, однако технология была чрезмерно затратной. Синие светодиоды на основе карбида кремния серийно выпускался в 1980-х, но яркость была очень маленькая.
В 1996 году японские ученые во главе с изобретателем Сюдаи Накамура после 20 лет поисков совершили прорыв – изобрели дешёвый синий светодиод.
Сегодня благодаря эффективности светодиодов они используются в быту, промышленности, на улицах городов. Светодиоды признаны экономично выгодными и экологичными.
Принцип действия светодиодов
Светодиод — это полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом. При пропускании электрического тока через p-n-переход в прямом направлении носители заряда — электроны и дырки — рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Область p-n-перехода, образуется контактом двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую — донорскими.
Чтобы p-n-переход стал излучать свет, ширина запрещённой зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Чтобы соблюсти оба условия, зачастую одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и производители вынуждены идти на изготовление многослойных полупроводниковых структур, так называемых гетероструктур.
Очевидно, что чем больший ток проходит через светодиод, тем он светит ярче, поскольку, чем больше ток, тем больше электронов и дырок поступают в зону рекомбинации в единицу времени. Однако, из-за внутреннего сопротивления полупроводника и p-n-перехода диод нагревается и при большом токе может сгореть — расплавятся подводящие провода или будет пережжен сам полупроводник.
В отличие от ламп накаливания, электрический ток в светодиодах преобразуется непосредственно в световое излучение, при небольшом количестве потерь на нагревание. В результате светодиоды на несколько порядков более экономичны и незаменимы в тех приборах, где нагревание недопустимо. Особенностью светодиода является излучение в узкой части спектра. За это он полюбился дизайнерам для изготовления световой рекламы и декорирования помещений. УФ- и ИК-излучения, как правило, в светодиодах отсутствуют. Светодиод обладает высокой механической прочностью и надежностью. Срок службы светодиода достигает 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания, и в 5 — 10 раз больше, чем у люминесцентной лампы. Наконец, светодиод — низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный.
Преимущества использования светодиодов в автомобильных фарах.
Плюсы:
1) Энергопотребление. Если равнять с обычными лампами накаливания, то разница может достигать десятки раз. Причем сила светового потока будет намного выше, чем у обычных ламп накаливания, (сверхяркие светодиоды). Если потребления электричества меньше, то соответственно нагрузка на генератор также ниже. А это позволит экономить в топливе. Однако не стоит ожидать, что экономия будет составлять «литры» топлива, скорее всего это десятки – сотни граммов.
2) Срок службы. Светодиоды служат намного дольше, чем обычные лампы накаливания. А это значит можно надолго забыть об их замене.
3) Светодиоды намного эстетичнее, чем обычные лампы. Светодиоды могут иметь форму ленты, и из них можно составлять различные геометрические объекты. Что сейчас и делают многие производители автомобилей.
Минусы:
1) Цена. Светодиоды предлагают как недешевое дополнительное оборудование.
2) Если светодиоды перегорят, а такое тоже бывает, то ремонт такой фары будет стоить намного дороже.
Светодиодная фара своими руками.
Макет фары был изготовлен мною из подручных материалов. Чтобы изготовить фару, я использовал картон, из которого изготовил небольшую коробку. Дальше основание коробки, я обклеил чёрным картоном. Внутри коробки сделал два основания, чтобы на них закрепить светодиодную ленту.
Затем внутри установил светодиодную ленту. С обратной стороны закрепил источник питания 9 В (гальванический элемент) и включатель для подачи питания на светодиодную ленту. Все контакты пропаял.
После изготовления макета фары, я заметил, что свет не отражается от внутренней части фары и тогда решил установить под углом полоски из картона, покрытые слоем фольги (отражатели). Затем после их установки, заметил, что свет от ленты не рассеивается и установил в качестве рассеивателя гофрированный пластик, который закрепил двусторонним скотчем.
После изготовления макет фары был проверен в действии.
Заключение.
Светодиоды уже давно обосновались рядом с нами. Их используют в фонарях, мобильных телефонах, но также невероятной популярностью у автовладельцев пользуются светодиодные противотуманные фары.
Главной функцией любых противотуманных фар является обеспечение хорошей видимости во время тумана, дождя, снегопада и других «сложных» метеоусловий. Кроме того, благодаря широкому пучку света намного лучше освещается обочина, тем самым облегчая движение по извилистым дорогам.
Светодиодные «противотуманки» обладают рядом преимуществ, прежде всего они производят намного больше света на один ватт, чем стандартные лампы накаливания. При этом практически не нагреваются. Таким образом, расходуется намного меньше энергии, и, следовательно, увеличивается их эксплуатационный срок. Кроме того, они способны достичь рабочего свечения значительно быстрее, что также характеризует их только с самой лучшей стороны.
Список использованных источников:
Пузанков А.Г. Автомобили: Устройство автотранспортных средств: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / А.Г. Пузанков.—8-е изд., перераб.—М.: Издательский центр «Академия», 2013.—560 с.
Шестопалов С.К. Устройство легковых автомобилей: в 2 ч. — Ч.1. Классификация и общее устройство автомобилей, двигатель, электрооборудование: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / С.К. Шестопалов. — 4-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2016. — 304 с.
Пехальский А.П. Устройство автомобилей: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / А.П. Пехальский, И.А. Пехальский — 10-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2016. — 528 с.
http://avtomotoprof.ru/obsluzhivanie-i-uhod-za-avtomobilem/dlya-chego-nuzhnyi-protivotumannyie Статья: Для чего нужны противотуманные фары. Сайт: АВТОМОТОПРОФ
http://avtoritet.su/articles/topics/car-devices — Статья: Система освещения автомобиля. Сайт:
http://elektronika-muk.ru/radiodetal/istorija-svetodioda.html — Статья: история светодиода. Сайт: РадиоЭлектроника
http://autoleek.ru/jelektrooborudovanie/sistema-osveshhenija/sistema-osveshheniya-avtomobilya.html-Статья: Система освещения автомобиля. – Сайт: AVTOLEEK.RU