XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Услышать невидимые пульсации света

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Молодыко С.А. 1

---

1МБОУ «Школа N16» г. Самара

Новикова Е.И. 1

---

1МБОУ «Школа N16»

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВедение

Тема воздействия пульсаций источников освещения на окружающий мир периодически становится предметом активного обсуждения специалистов. В своей работе я рассмотрел явление пульсации светового потока на примере светодиодных ламп.

Проблема

Все источники света, работающие на переменном токе, создают мерцающий световой поток, незаметный для человеческих глаз. Мерцающий световой поток может пульсировать и тем самым наносить вред здоровью человека – может появиться зрительное утомление, снижение концентрации внимания, раздражительность и головные боли. Поскольку мерцание недоступно для восприятия невооруженным глазом, люди могут не осознавать, что причина плохого самочувствия и ухудшения здоровья, возможно, заключается именно в пульсации.

Актуальность

В настоящее время большую популярность набирают светодиодные лампы, как энергосберегающий источник света. Светодиодные лампы есть практически в каждом доме. Пульсация светового потока светодиодных ламп может являться причиной негативного воздействия на здоровье людей. Более того, человек не может устранить вредный фактор, так как человеческий глаз не улавливает пульсацию света. Исследование этого вопроса чрезвычайно актуально сегодня – людям необходимо знать о наличии негативных факторов в светодиодных лампах и о способах их устранения.

Цель работы

Научиться определять качество светодиодных ламп в домашних условиях и выявить факторы, влияющие на уровень пульсации в светодиодных лампах.

Задачи

1. Изучить нормативные документы, литературу и материалы Интернет-ресурсов по теме научной работы.

2. Изучить тему световой пульсации и ее влияние на здоровье человека.

3. Выявить способы преобразования пульсации в звуковые волны.

4. Изучить строение светодиодных ламп.

5. Разработать и собрать прибор по выявлению пульсаций от светодиодных ламп и измерению их уровня.

6. Изучить составление принципиальных электрических схем.

7. Провести тестирование собранным прибором светодиодных ламп разных производителей (не менее 10 шт.).

Практическая значимость работы

Результаты данной работы могут быть использованы при повторном изготовлении подобного прибора и/или для его усовершенствования в целях самостоятельного выявления исходящих пульсаций от светодиодных ламп при их выборе, что позволит избежать негативных последствий для здоровья.

Что такое «световые пульсации»

Пульсация – это термин, который имеет несколько значений в зависимости от контекста: в медицине «пульсация» – это повторяющееся биение (сердца, артерии), ритмическое движение (крови), биение пульса; в технике «пульсация» – это ритмическое изменение чего-либо (размеров, формы, скорости, давления и т.п.).

Пульсация светового потока является одной из основных характеристик источников искусственного освещения, которая отражает частоту мерцания и качество света в целом.

Пульсация светового потока – это колебания интенсивности света во времени, выраженное в процентах. Этот показатель характеризует относительную глубину пульсации освещенности в определенной точке помещения при питании ламп от сети переменного тока.

Количественной характеристикой пульсации служит коэффициент пульсации освещенности (Кп, %) – критерий оценки относительной глубины колебаний освещенности в осветительной установке в результате изменения во времени светового потока источников света при их питании переменным током, выражающийся формулой:

где Е_макс и Е_мин – максимальное и минимальное значения освещенности соответственно за период ее колебания, лк;

Е_ср – среднее значение освещенности за этот же период, лк.

Действующие нормативные акты, а именно актуализированная редакция СП 52.13330.2016 «Естественное и искусственное освещение» (актуализированная редакция СНиП 23-05-95) [4], определяет следующие требования к пульсации света:

• для помещений, в которых проводятся работы, требующие высокой точности – до 10%;

• для помещений с возможностью появления стробоскопического эффекта – до 10%;

• общеобразовательные организации (для детей старше 7 лет), организации профессионального среднего, высшего и дополнительного образования – до 10%;

• дошкольные образовательные организации (ДОО) (для детей младше 7 лет) – до 10%;

• для работы с компьютерной техникой – до 5%.

Отдельно хочется отметить про стробоскопический эффект. Стробоскопический эффект – это возникновение зрительной иллюзии неподвижности или мнимого движения предмета при его прерывистом (с определенной периодичностью) визуальном наблюдении [6]. Стробоскопический эффект может создавать опасность на производстве, так как при совпадении частоты мерцаний света и вращения детали она будет казаться неподвижной. А это в свою очередь создаст высокий риск получения серьезной производственной травмы.

Требования к комфортному освещению помещений жилых, общественных и административно-бытовых зданий (КЕО, нормируемая освещенность, цилиндрическая освещенность, объединенный показатель дискомфорта и коэффициент пульсации освещенности) также приведены в СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания (с изменениями на 30 декабря 2022 года)» [3]. Что касается воздействия пульсаций света на организм человека, то доказано, что при частоте мерцаний выше 50 Гц человеческий глаз их не воспринимает, т.е. пульсации остаются невидимыми, но в то же время, неразличимые для глаз мерцания светового потока, регистрируются сетчаткой глаза и мозгом, что может в свою очередь вызвать зрительное утомление, головные боли, снижение концентрации внимания, ухудшение самочувствия и другие негативные последствия. Согласно ГОСТ 33393-2015 «Здания и сооружения. Методы измерения коэффициента пульсации освещенности» [1] и СП 52.13330.2016 «Естественное и искусственное освещение» [4] – частота пульсации свыше 300 Гц не оказывает негативного влияния на здоровье человека.

В настоящее время большинство людей отдает предпочтение светодиодным лампам, тем более, что создание энергосберегающих осветительных приборов открыло возможности для экономии электроэнергии и средств на ее оплату. В данной работе рассмотрено явление световой пульсации на примере светодиодных ламп.

СВЕТОДИОДНЫЕ ЛАМПЫ

История светодиодных ламп начинается в середине 20 века. В 1907 году, британский физик Генри Джозеф Раунд изобрел светящийся диод на основе корборунда. Это синтетический материал, который по составу и свойствам соответствует минералу муассанит (карбид кремния). В чистом виде представляет собой бесцветные кристаллы с алмазным блеском. Светодиод, получил название «катафодный люминесцентный диод», был слабо светящимся и не был признан для применения. Впервые, оптический эффект, на основе которого были построены светодиоды, был описан русским инженером Олегом Владимировичем Лосевым в 1927 году. Он исследовал полупроводниковые кристаллы, в результате чего обнаружил эффект электролюминесценции. Но, к сожалению это открытие не нашло широкого применения в тот период.

История современной светодиодной лампы начинается в 1962 году. Американская компания «Ноксрол», предложила применение светодиодов в качестве индикаторов в электронике. Сначала светодиоды использовались для создания светоотражающих индикаторов на панелях приборов и мониторах. Но, благодаря развитию технологий и постоянным исследованиям, светодиодные лампы начали находить все большее применение. Одной из важных ступеней в развитии светодиодных ламп, является открытие синего светодиода в 1994 году японскими учёными и работниками корпорации «Ничиа» Хироши Амано, Исаму Акасаки и Шудзи Накамура. Открытие синего светодиода способствовало дальнейшему развитию в создании всего цветового спектра и созданию светодиодных ламп общего освещения. В 2000-х годах светодиодные лампы имели уже достаточную яркость для того, чтобы выпускать их в больших количествах для народного применения. А в 2014 году изобретение светодиодных ламп было удостоено Нобелевской премии по физике. Это стало важным и очень значимым событием для развития светодиодных технологий, и переходу к более энергоэффективному и экологичному освещению в современной жизни.

Светодиодная лампа – это источник света, который для создания освещения использует светодиоды. Основными компонентами светодиодных ламп являются: цоколь, радиатор, драйвер, плата со светодиодами, рассеиватель. Все компоненты работают совместно для преобразования электроэнергии в свет. Схема светодиодной лампы показана на Рис. 1.

Рис.1

Так как светодиодная лампа относится к электрическим приборам, то основными характеристиками этих ламп являются: напряжение, мощность, световой поток. В соответствии с требованиями ГОСТ 34819-2021 «Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний» [2] – в технических условиях и эксплуатационной документации на осветительные приборы в обязательном порядке должны быть указаны светотехнические характеристики.

Принцип работы светодиодных ламп основан на физических процессах в полупроводниках. Лампы оснащены светодиодами, которые испускают свет после прохождения электрического тока через границу соприкосновения двух полупроводников. Прохождение электрического тока в светодиодах приводит к взаимодействию электродов на энергетическом уровне, что вызывает видимое свечение.

На пульсацию света в светодиодных лампах влияет блок питания. Это связано с тем, что компоненты блока питания не всегда способны сгладить пульсацию тока, что приводит к мерцанию. Существует два вида блоков питания, которые влияют на пульсацию:

• через конденсатор – в бюджетных моделях вместо полноценного блока питания ставят конденсаторы малой ёмкости, которые быстро выходят из строя.

• через драйвер со стабилизацией тока – используются импульсные понижающие драйверы, которые за счёт цепочки обратной связи стабилизируют напряжение, поэтому лампы имеют низкий коэффициент пульсации.

Основными причинами, по которым из-за блока питания в светодиодных лампах возникают пульсации, являются:

• неисправность выпрямительного моста – если он вышел из строя, на лампу подаётся переменный ток, вызывающий повышенное мерцание.

• низкое качество компонентов блока питания – например, фильтрующих конденсаторов, которые не способны длительно работать даже на номинальных токах и напряжениях.

• истёк срок эксплуатации блока питания – при длительной исправной работе в блоке могут высохнуть конденсаторы стабилизации и потерять свою изначальную ёмкость.

Проанализировав данную информацию, я пришел к выводу, что к положительным характеристикам светодиодных ламп относится низкая мощность потребления и хорошая светоотдача. Очень важным моментом в лампах является наличие или отсутствие пульсации светового потока.

СПОСОБЫ ВЫЯВЛЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ светового потока

В бытовых условиях существует несколько простых и эффективных способов узнать, пульсирует ли светодиодная лампа:

• 1 способ: необходимо направить на лампу камеру мобильного телефона и наблюдать за изображением на экране. Если коэффициент пульсации очень высок, то на экране будет заметно мерцание светодиодной лампы (Рис. 2).

• 2 способ: необходимо сфотографировать светильник с выключенной вспышкой. Если на фотографии вокруг лампы возникнут темные полосы, то это будет свидетельствовать о наличии пульсации светового потока (Рис. 3).

Рис.2 Рис.3

• 3 способ: необходимо направить свет лампы на карандаш и начать быстро двигать им, имитируя работу вентилятора. Если при наблюдении обнаружится эффект фиксированных положений «вращающихся лопастей», значит пульсация света высокая.

Благодаря своей простоте методы доступны широкому кругу потребителей, но указанные выше способы могут обнаружить пульсации только на частоте до 100 Гц, чем и пользуются недобросовестные производители светодиодных ламп и повышают частоту пульсации выше 100 Гц. Обнаружить пульсации и точно измерить коэффициент пульсаций помогает дорогостоящий специализированный измерительный прибор – люксометр.

Разработка прибора

Для выявления пульсации от светодиодных ламп необходим специализированный дорогостоящий прибор – люксометр. Средняя стоимость люксометра на рынке составляет более 3 000 рублей, поэтому я решил собрать подобный прибор, выявляющий пульсации, самостоятельно из подручных материалов. Используемые материалы и применяемые инструменты (Рис. 4):

• колонка (с выходом AUX) – 1 шт. (была дома);

• фотоэлемент (солнечная панель) 1 шт. – 750 руб.;

• кабель от наушников – 1 шт. (был дома);

• крепежные пластины – 2 шт. (были в гараже);

• гайка М4 – 4 шт., винт М4х25 мм – 2 шт., винт М4х10 мм – 2 шт.

• ремешок-хомут нейлоновый – 8 шт. (были в гараже);

• трубки термоусадочные – 2 шт. (были в гараже);

• телескопическое основание – 1 шт. (было в гараже);

• клеевой пистолет, клеевые стержни;

• паяльник, флюс паяльный радиомонтажный активированный ЛТИ-120, канифоль, плоскогубцы, отвертка крестовая, шуруповерт, тиски.

Рис.4

Стоимость используемых материалов составила – 750 руб. Для удобства проведения измерений эксперимента за основу было взято телескопическое основание (найдено в гараже от сломанной щетки для мытья окон). При помощи шуруповерта в телескопическом основании были просверлены отверстия для фиксации 2-х крепежных пластин. При помощи тисков я подогнул крепежные пластины и зафиксировал их на основании винтом М4х15 (для дальнейшего крепления к ним солнечной панели). После этого я просверлил с 2-х сторон отверстия по центру в корпусе солнечной панели и закрепил ее на крепежные пластины винтами (М4*10) (Рис. 5, 6, 7).

Рис.5 Рис. 6 Рис. 7

Для изобретения используется колонка с выходом AUX. Для удобства было принято решение о фиксации колонки к телескопическому основанию. Фиксация была осуществлена при помощи клеевого пистолета, а для надежности крепление усилено хомутами (Рис. 8, 9, 10).

Рис.8 Рис. 9 Рис. 10

ИНТЕРЕСНЫЙ ФАКТ: клеевой пистолет (термопистолет) был изобретён в 1930 году английским механиком из Портленда Генри Грэм Грином. Его прямое назначение – отделка мебели, позже изобретение переняли строители для монтажных работ. В наши дни применение у клеевого пистолета более широкое, его используют не только на стройке и в мебельных цехах, но и в домашних работах по отделке и рукоделию.

На следующем этапе я начал паять электронную начинку – то, благодаря чему падающий от лампы свет будет преобразовываться в звук. Все детали должны быть спаяны, как представлено на Рисунках 11-13, место пайки для защиты соединения я закрыл термоусадкой. Принципиальная электрическая схема представлена на Рисунке 14.

При проведении работ при пайке необходимо соблюдать технику безопасности, которая включает правила обращения с паяльником, использование средств индивидуальной защиты и соблюдение мер, которые предотвращают травмы и возгорания. Основные правила безопасности:

• использовать негорючую подставку из металла или огнеупорного пластика;

• работать в проветриваемом помещении – канифоль и припой токсичны при испарении;

• не оставлять паяльник включенным без присмотра;

• не работать рядом с горючими и легковоспламеняющимся предметами и жидкостями [5].

Рис.11 Рис. 12 Рис. 13

ПОЛЕЗНЫЙ СОВЕТ: Если жало паяльника толстое, а нужно паять мелкие детали, то на жало паяльника необходимо накрутить тонкую медную проволоку [5].

Далее подключаем провод к колонке через разъем AUX, другой конец подключаем к солнечной панели, включаем колонку и устройство готово к работе. Принцип работы собранного прибора прост (Рис. 15) – при попадании света от лампы с пульсацией на фотоприемник свет преобразуется с помощью фотоэлемента в электрический сигнал и передается в колонку. Соответственно, чем больше пульсация света, тем больше колебания электрического сигнала, тем громче звук слышится. Если прибор издает слабый звук или не издает его вовсе, то в этом случае пульсация минимальна или ее совсем нет. Таким образом, невидимую пульсацию удалось услышать и по громкости звука определить ее уровень.

Рис.14 Рис.15

ПРОВЕДЕНИЕ ТЕСТИРОВАНИЯ ПРИБОРА

Следующим этапом работы стал сравнительный анализ светодиодных ламп различных производителей по производимым пульсациям. Для этого к солнечной батарее поочередно подносили 10 светодиодных ламп различных производителей на расстояние ориентировочно 20-30 см. Результаты тестирования приведены в Таблице 1.

Таблица 1

Исследование показало, что стоимость ламп не влияет на наличие или отсутствие пульсации. Также тестирование показало, что нельзя доверять информации на упаковках. В ходе тестирования встречались лампы с маркировкой «без пульсации», которые пульсировали.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Оригинальность выполненной работы заключается в создании прибора, благодаря которому получилось услышать «невидимое». Собрав прибор и проведя серию экспериментов, я более глубоко изучил техническое содержание темы, более детально изучил физическое явление – световые пульсации.

Изучив строение светодиодных ламп, был сделан вывод, что для исключения пульсации в светодиодных лампах необходим качественный блок питания. Было сделано предположение о зависимости уровня пульсации от цены – чем дороже светодиодная лампа, тем меньше она пульсирует. С помощью сконструированного прибора было протестировано 10 образцов светодиодных ламп. Исследование показало, что стоимость не влияет на отсутствие пульсации – встречались дорогие образцы с высоким уровнем пульсации и бюджетные варианты – с низкой пульсацией. Также тестирование показало, что нельзя доверять информации на упаковках – в ходе тестирования встречались лампы с маркировкой «без пульсации», которые пульсировали.

Также во время исследования был выявлен один важный момент – пульсации в светодиодных лампах могут появиться через некоторое время эксплуатации лампы. При покупке лампы и начале ее использования пульсации не будет, но через некоторое время у светодиодной лампы могут измениться характеристики, в том числе один из важных параметров – коэффициент пульсации.

На примере данного исследования показано, что такие обыденные вещи, как искусственное освещение, могут быть не всегда безопасными. А возможность самостоятельно выявлять и устранять негативные факторы, доступны каждому человеку. Интересуйтесь наукой, берегите свое здоровье и будьте здоровы.

Список использованных источников и литературы

1. ГОСТ 33393-2015 «Здания и сооружения. Методы измерения коэффициента пульсации освещенности».

2. ГОСТ 34819-2021 «Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний»

3. СП 52.13330.2016 «Естественное и искусственное освещение» (актуализированная редакция СНиП 23-05-95).

4. СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания (с изменениями на 30 декабря 2022 года)».

5. Белкин В.Г., Бондаренко В.К. Справочник радиолюбителя-конструктора. – М.: Радио и связь, 1983. – 560 с.

6. Вайткене Л.Д. Физика. – Москва: Издательство АСТ, 2017. – 256 с.

7. Гулиа Н.В. Удивительная физика. – М.: ЭНАС, 2008. – 416 с.

8. Ишлинский А.Ю. Новый политехнический словарь. – М.: Большая Российская Энциклопедия, 2000. – 671 с.

9. Кабардин О.Ф. Физика: Справ. Материалы: Учебное пособие для учащихся. – 2-ое издание, перераб. и доп. – М.: Просвещение, 1988. – 367 с.

10. www.история-вещей.рф

11. www.electrik.info

12. www.lemanapro.ru

13. www.fizika.ru