Комбинированный светильник

Комбинированный светильник

.

Аннотация к работе.

В данной работе  затрагивается одна из актуальных проблем жизни человека  - улучшение качества искусственного освещения. Одним из путей ее решения является создание источника света, приближенного к естественному.

Первая часть работы посвящена выявлению преимуществ и недостатков современной электрической лампочки и лампы дневного света.

Вторая часть работы посвящена рассмотрению различных схем комбинированных светильников и выбору из них оптимального варианта.

В заключительной части работы обосновываются достоинства нашего светильника, который можно применять для практических нужд человека.

Оглавление

1. Введение                                                        4
2. Основная часть                                                

1. Искусственные источники света                                5
2. Комбинированный светильник                                8

3. Заключение                                                        11
4.  Литература                                                        12

Введение

С тех пор как первобытный человек научился добывать огонь, светильники прошли большой и сложный путь усовершенствования – от смолистой ветки и лучины до современной электрической лампы и лампы «дневного света».

В своей работе мы хотели обратить внимание на создание «экологически чистых» искусственных источников света. Критерием «экологической чистоты» служит максимальная приближенность их к естественным источникам как по спектральному составу излучения, так и по характеру светового потока «с точки зрения его пульсации».

Цель исследования: изучив спецлитературу по данному вопросу и обобщив имеющийся опыт по созданию комбинированных светильников,

выбрать и изготовить наиболее оптимальную модель.

Задачи:

1.        Рассмотреть искусственные источники света (современную электрическую лампочку и лампу дневного света) и выявить их преимущества и недостатки.

2.        Выбрать из нескольких схем комбинированных светильников оптимальный вариант.

3.        Рассмотреть применение комбинированных светильников в практической деятельности человека.

I.  Искусственные источники света.

Потомок лампочки Лодыгина - всем известная современная электрическая лампа – во многом отличается от своих предков. Современная лампа накаливания - очень удобный, безопасный и дешёвый источник света. Яркий свет электрической лампочки несравненно лучше света свечи или керосиновой лампы. Но у неё есть и недостатки. Первый существенный недостаток лампы накаливания - её низкий коэффициент полезного действия. В составе света, идущего от лампы накаливания, много невидимых лучей, на создание которых уходит большая часть энергии, и избавиться от такого непроизводительного расходования электрической энергии мы не можем. Помимо этого, много подводимой к лампе электрической энергии расходуется в виде тепла: оно теряется как в проводниках, так и в самой лампе. И только небольшая доля этой энергии  превращается в видимый свет. В лучших современных лампах накаливания эта доля не превышает 6-7 процентов. Это показывает, что затрачиваемая на освещение энергия расходуется крайне неэкономично. Как известно, большим преимуществом электрического освещения является то обстоятельство, что энергия, необходимая для получения света, вырабатывается на электростанции. «Успех электрической лампы, - писал академик С.И.Вавилов, - был обязан тому, что она позволила осуществить светоцентрали в виде электростанции». Но если расценивать это преимущество электрической лампы накаливания с точки зрения её экономичности, то оно часто ещё в несколько раз уменьшает коэффициент полезного действия электрической лампочки. Учитывая, что электрическая энергия вырабатывается на теплоэлектроцентрали, где расходуется химическая энергия топлива - торфа или угля, (причём примерно только пятая часть этой энергии преобразуется в электрический ток), становится ясно, что в лампе накаливания лишь около одного процента энергии, заключённой в таком ценном горючем, как уголь, преобразуется с пользой дела. Остальные 99 процентов энергии - бесполезные потери. Наша электрическая лампочка далеко не экономичный источник света.

Есть и второй большой недостаток у лампы накаливания: свет ее сильно отличается от дневного. В его составе много желтых и красных лучей. Как и костёр наших далеких предков лампа накаливания дает  яркий свет, отличный от солнечного. Это утомляет наши глаза, которые в процессе своего длительного развития привыкли, приспособились, к солнечному, дневному свету. Окраска различных предметов в свете лампы накаливания кажется нам иной, чем днем: синяя материя выходит почти чёрной, а красные тона кажутся более яркими. Поэтому при свете ламп накаливания очень трудно, а иногда и невозможно, производить работы, связанные с оценкой различных цветов. К таким работам относится, например, работа на текстильных  предприятиях; в типографии, когда она связана с красочной печатью. Путь некоторого улучшения электрической лампочки  нам известен. Это путь - повышения нагрева волоска лампы. Если добиться, чтобы волосок лампы был нагрет до 6000 градусов, он  будет испускать свет, близкий к дневному: КПД такой лампы значительно увеличивается. Но решить эту задачу очень тяжело. Для такой высокой температуры накала, нити сделанные и металлов, не годятся - они плавятся. Можно, конечно, найти другие материалы для волоска. Например, есть предложение применять в качестве нити накала  в электрических лампочках углеродистые химические соединения некоторых металлов. Однако они быстро перегорают.

Все источники света, которыми пользовались люди с древнейших времён и до недавнего времени были горячими.

Но нет ли других, совершенно других путей получения света, минуя огонь и тепло? На возможность создания светильников холодного света указывал еще великий  русский ученый М.В.Ломоносов. «Надо подумать, - писал он, - о безвредном свете гниющих деревьев».

Следует упомянуть о том, что в течении многих лет холодное свечение тел изучал академик В.В.Петров. Свечение разреженных газов или паров при пропускании через них электрического тока изучал еще М.В.Ломоносов.

Дальнейшее изучение свечения разреженных газов под действием электрического тока привело к созданию газосветных, или газоразрядных ламп. Первые такие лампы были еще в XIX веке.

Газосветные лампы экономичнее ламп накаливания в несколько раз. Однако значение их как источников освещения оказалось небольшим.

Проблема дневного света была решена на  пути использования другого вида люминесценции – явления так называемой фотолюминесценции.

В новых, выпускаемых сейчас нашей промышленностью, люминесцентных лампах, или, как их часто называют, лампах «дневного света», используются два явления – свечение разреженных газов при пропускании электрического тока и  явление фотолюминесценции.

Среди газоразрядных трубок уже давно были известны трубки, заполненные парами ртути. Свет этих ламп ближе всего подходит к белому. Однако, он все же далек от дневного. Кроме того, в излучении ртутных ламп очень много ультрафиолетовых лучей. Поэтому такие лампы применяются для уничтожения бактерий, обеззараживания воздуха помещений.

Недостаток ртутной лампы – обилие в ее излучении ультрафиолетовых лучей – оказался его достоинством.

Произошло это после того, как учеными было найдено простое и очень удачное решение: использовать в газоразрядной ртутной трубке явление фотолюминесценции. Эта задача была решена академиком С.И.Вавиловым. Новая люминесцентная лампа - это газоразрядная ртутная трубка, сделанная из обычного стекла, заполненная смесью паров ртути с аргоном. На внутреннюю поверхность ей нанесен тонкий  слой люминофора. Он поглощает ультрафиолетовые лучи и светится ярким белым светом, очень близким к дневному.

В настоящее время нашей промышленностью выпускаются лампы различных форм и типов, но наибольшее распространение получили прямолинейные лампы.

Для возникновения разряда в такой лампе необходимо: либо на время включения подогреть ее электроды, либо создать

временное повышение напряжение на электродах, либо использовать совместно оба эти приема. Соответственно различает две группы схем: а) импульсного зажигания (подогревают электроды и незначительно повышают напряжение);  б) мгновенного  зажигания (резко повышают напряжение без подогрева электродов).

Люминесцентная лампа – несомненно, более совершенный источник света. Только с появлением этих ламп была успешно решена проблема работы в ночные часы на таких предприятиях, где необходим дневной свет. Люминесцентные лампы дневного света значительно экономичнее ламп накаливания. Широкое их внедрение для освещения в быту и на производстве могло бы обеспечить значительную экономию электроэнергии. Кроме того, люминесцентные лампы обладает значительно большим сроком службы по сравнению с лампами накаливания. Таковы положительные качества люминесцентных ламп. Однако их повсеместному внедрению препятствует необходимость наличия дорогостоящего дросселя, а срок службы ламп ограничен преждевременным перегоранием нитей накала.

II.  Комбинированный светильник.

Учитывая недостатки люминесцентных ламп и ламп накаливания, мы рассмотрели ряд схем комбинированных светильников предложенных в изданиях «Электроника и автоматика в быту» и журнале «Физика в школе».

Рассмотрим схему №1.

Она называется «Вечная лампа», т.к. дает возможность использовать люминесцентную лампу с перегоревшей нитью накала, что значительно увеличивает продолжительность действия светильника. Недостатком этой схемы является использование балластных конденсаторов С1, С4 и резистора R1. Это приводит к дополнительным потерям энергии на резисторе R1.

Рассмотрим схему №2

Предлагаемая схема такого питания отличается использованием в качестве балластного сопротивления небольшой лампы накаливания типа «миньон»1.

Принципиальная схема питания люминесцентной лампы приведена на рис. 2. Лампа накаливания включена последовательно с выпрямителем, собранным по схеме удвоения напряжения. Использование лампы накаливания вместо балластных конденсатора или остеклованного резистора имеет большое преимущество. Конденсатор, используемый в таком случае, имеет большие емкость и габариты, сравнительно, дорог, так как должен быть рассчитан на амплитудное значение напряжения сети.

1.        Данилов В.; Бездроссельное питание люминесцентных ламп. // В помощь радиолюбителю, 1992. №14 с. 18.

Резистор сильно нагревается, а в случае пробоя одного из конденсаторов С1 или С2 сгорает (см. схема№1). Лампа накаливания в нормальном режиме

горит вполнакала, а при пробое одного из конденсаторов загорается полным накалом, что сигнализирует о неисправности. Нити накала люминесцентной лампы не подогреваются, что резко увеличивает срок ее службы, а также позволяет использовать лампы с перегоревшей нитью накала, которые при обычной схеме питания приходится выбрасывать. Для поджига лампы на один конец ее баллона наклеивают кольцевой ободок из фольги, соединенный проводником с выводами противоположного конца. Ободок поджига выполняется из фольги шириной 50 мм и приклеивается к баллону лампы клеем БФ-2.

Частота пульсации выпрямленного напряжения составляет 100 Гц, что значительно ослабляет неприятное ощущение от мерцания светового потока.

Недостатком данной схемы является неуверенный поджиг лампы.

Эта проблема была решена в схеме №3, по которой был собран наш светильник.

Налаживания схема не требует. Однако необходимо, чтобы лампа накаливания была включена в фазовый провод сети, а не в нулевой. Поэтому в тех случаях, когда зажигание люминесцентной лампы происходит неуверенно, следует перевернуть вилку в сетевой розетке.

Конструктивное исполнение светильника не вызывает затруднений (приложение №1). Диоды и конденсаторы выпрямителя имеют малые габариты и легко размещаются в том месте, где обычно находится дроссель. Патрон для лампы накаливания можно установить в отверстие, предназначенное для установки стартера.

По той же схеме, без изменения номиналов деталей, можно питать лампы ЛДЦ-40, ЛДЦ-30 и ЛДЦ-20. При этом лишь изменится степень накала лампы накаливания.

Лампа накаливания в нормальном режиме горит вполнакала, что увеличивает продолжительность ее работы в несколько раз.

Следующая схема №4 позволяет проводить ряд демонстрационных опытов с комбинированным светильником. Эта схема сложна в изготовлении и содержит дорогостоящие детали.

С помощью предлагаемой установки можно продемонстрировать следующее:

• возникновение самостоятельного газового разряда — неустойчивое, «мерцающее» свечение, а затем «холодное» зажигание люминесцентной лампы (а также оценить значения напряжений зажигания и номинального в рабочем режиме),

• неодинаковое влияние на свечение каждой из ламп изменений питающего тока (например, по причине возможной нестабильности напряжения питающей сети),

• большую относительную светоотдачу люминесцентной лампы по сравнению с лампой накаливания,

• влияние конденсатора на выходе выпрямителя: а) увеличение выходного напряжения; б) уменьшение пульсации выпрямленного тока (контролируют по стробоскопическому эффекту люминесцентной лампы)1.

Закиров Р.Р.; Демонстрационные опыты с комбинированным светильником. // Физика в школе №1. 2001г. с. 37.

III.  Заключение.

При работе люминесцентной лампы, включенной в сеть переменного тока с частотой 50 Гц, световой поток 100 раз секунду изменяется от минимального до максимального значения.

В силу остаточного свечения люминофора пульсации несколько сглаживаются, световой поток значительно изменяется, снижаясь, иногда, до 55 % максимального значения. Благодаря инерции органов зрения мы не замечаем пульсации с частотой 100 раз в секунду. При рассматривании быстродвижущихся или вращающихся предметов пульсации светового потока люминесцентных ламп действуют неприятно и опасно, так как искажают действительную картину движения предметов (стробоскопический эффект). Даже при его отсутствии пульсация светового потока вредна. Ленинградский институт гигиены труда и профзаболеваний производил изучение влияния пульсации светового потока на работоспособность людей непосредственно на производстве и в условиях лабораторного эксперимента. Проведенные наблюдения показали, что глубокие изменения  светового потока оказывают неблагоприятные действия на организм человека, вызывают снижение общей трудоспособности организма.

У нашего светильника нет вредного мигания, характерного для лампы дневного света. Более того спектр излучения такого светильника близок к солнечному (приложение №2).

Данный светильник можно применять для оптимального освещения комнаты, классной доски, теплиц, аквариума.

ЛИТЕРАТУРА

1. Айзенберг Ю. Б.; Что нужно знать о светильниках с люминесцентными лампами, – Москва: Энергия, 1964
2. Данилов В.; Бездроссельное питание люминесцентных ламп. // В помощь радиолюбителю, 1992. №14. С. 18.
3. Зак С. М., Пленковский Ю. А.; Монтаж светильников с газоразрядными лампами, – Москва: Энергия, 1982
4. Закиров Р.Р.; Демонстрационные опыты с комбинированным светильником. //Физика в школе. 2001. №1 с. 37.
5. Закиров Р. Р.; Если у вас ЛДС // Моделист — конструктор, 1993. № 2. С. 21.
6. Разумовский В.Г., Шамаш С.Я.; Изучение электроники в курсе физики средней школы: Пособие для учителей, − Москва: Просвещение, 1968. С. 92-96, 121-128.
7. Сидоров М. А.; От лучины до электричества, − Москва: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1953.
8. Фугенфиров М. И.; Пускорегулирующая аппаратура для люминесцентных ламп, − Москва: Энергия, 1964