Как найти кпд лампы

Щелчок выключателя – и темная комната вмиг преобразилась, стали видны детали мельчайших элементов интерьера. Так мгновенно распространяется энергия от маленького устройства, заливая светом все вокруг. Что же заставляет создавать такое мощное излучение? Ответ сокрыт в названии осветительного прибора, который именуется лампой накаливания.

История создания первых осветительных элементов

Истоки возникновения первых ламп накаливания восходят к началу XIX столетия. Вернее сказать, лампа появилась чуть позже, но эффект свечения платины и угольных стержней под действием электрической энергии уже пытались наблюдать. Перед учеными возникло два сложных вопроса:

• нахождение материалов высокого сопротивления, способных раскаляться под воздействием тока до состояния излучения света;
• предотвращение быстрого сгорания материала в воздушной среде.

Наиболее плодотворными в этой области стали исследования и изобретения русского ученого Александра Николаевича Лодыгина и американца Томаса Эдисона.

Лодыгин предложил использовать в качестве элемента накаливания угольные стержни, которые находились в герметичной колбе. Недостатком конструкции была сложность выкачки воздуха, остатки которого способствовали быстрому сгоранию стержней. Но все же его лампы горели несколько часов, а разработки и патенты стали основой для создания более долговечных устройств.

Американский ученый Томас Эдисон, ознакомившись с работами Лодыгина, сделал эффективную вакуумную колбу, в которую поместил угольную нить из бамбукового волокна. Также Эдисон снабдил цоколь лампы резьбовым соединением, присущим современным лампам, и изобрел множество электротехнических элементов, таких как: штепсельный разъем, плавкий предохранитель, поворотный выключатель и многое другое. КПД лампы накаливания Эдисона был маленьким, хотя она могла работать до 1000 часов времени и получила практическое применение.

Впоследствии вместо угольных элементов было предложено использовать тугоплавкие металлы. Нить из вольфрама, применяемая в современных лампах накаливания, также была запатентована Лодыгиным.

Устройство и принцип действия лампы

Конструкция лампы накаливания принципиально не изменяется уже более сотни лет. Она включает в себя:

• Герметичную колбу, ограничивающую рабочее пространство и наполненную инертным газом.
• Цоколь, который имеет спиральную форму. Он служит для удержания лампы в патроне и электрического соединения ее с токоведущими частями.
• Проводники, ведущие ток от цоколя к спирали и удерживающие ее.
• Спираль накаливания, нагревание которой и создает излучение световой энергии.

Когда электрический ток проходит через спираль, она мгновенно нагревается до высочайших температур вплоть до 2700 градусов. Это обусловлено тем, что спираль имеет большое сопротивление току и на преодоление этого сопротивления расходуется много энергии, которая выделяется как тепло. Тепло раскаляет металл (вольфрам), и он начинает излучать фотоны света. Благодаря тому что колба не содержит кислород, в процессе нагрева не происходит окисление вольфрама, и он не перегорает. Инертный газ удерживает частички раскаленного металла от испарения.

Что такое КПД лампы накаливания

Коэффициент полезного действия показывает, какой процент затраченной энергии преобразуется в полезную работу, а какой нет. В случае лампы накаливания КПД невелик, так как всего 5-10% энергии идет на излучение света, остальная выделяется в качестве тепла.

КПД первых ламп накаливания, где телом накала выступал угольный стержень, был еще меньшим по сравнению с современными устройствами. Это обусловлено дополнительными потерями на конвекцию. Спиральные нити накала имеют более низкий процент этих потерь.

КПД лампы накаливания напрямую зависит от температуры нагрева спирали. Стандартно спираль лампы 60 Вт нагревается до 2700 ºС, при этом КПД всего 5%. Можно поднять величину нагрева до 3400 ºС, повысив напряжение, но это снизит срок службы устройства более чем на 90%, хотя лампа засветит ярче, и КПД возрастет до 15%.

Неправильно думать, что увеличение мощности лампы (100, 200, 300 Вт) ведет к увеличению КПД только потому, что повысилась яркость устройства. Лампа стала светить ярче за счет большей мощности самой спирали, а вследствие и большей световой отдачи. Но затраты энергии также возросли. Поэтому КПД лампы накаливания 100 Вт будет также в пределах 5-7%.

Разновидности ламп накаливания

Лампы накаливания бывают различного конструктивного исполнения и функционального назначения. Они делятся на осветительные приборы:

• Общего применения. К ним относятся лампы бытового использования разной мощности, рассчитанные на сетевое напряжение в 220 В.
• Декоративного исполнения. Имеют нестандартные типы колб в виде свечей, сфер и других форм.
• Иллюминационного типа. Маломощные лампы с цветным покрытием для создания красочных иллюминаций.
• Местного назначения. Устройства безопасного напряжения до 40 В. Применяют на производственных столах, для освещения рабочих мест станков.
• С зеркальным покрытием. Лампы, создающие направленный свет.
• Сигнального типа. Служат для работы в приборных панелях различных устройств.
• Для транспорта. Широкая линейка ламп повышенной износостойкости и надежности. Характеризуются удобной конструкцией, предполагающей быструю замену.
• Для прожекторов. Лампы повышенной мощности, доходящей до 10 000 Вт.
• Для оптических устройств. Лампы для кинопроекторов и аналогичных устройств.
• Коммутаторные. Применяемые в качестве сегментов индикатора цифрового отображения измерительных приборов.

Положительные и отрицательные стороны ламп с телом накала

Осветительные устройства накального типа имеют свои особенности. К положительным можно отнести:

• мгновенный розжиг спирали;
• экологическую безопасность;
• небольшие размеры;
• приемлемую цену;
• возможность создавать устройства разной мощности и величины рабочего напряжения как переменного, так и постоянного тока;
• универсальность применения.

К отрицательным:

• низкий КПД лампы накаливания;
• чувствительность к скачкам напряжения, снижающим срок эксплуатации;
• малое время рабочих часов, не превышающих 1000;
• пожароопасность ламп из-за сильного нагрева колбы;
• хрупкость конструкции.

Другие типы осветительных приборов

Существуют осветительные лампы, принцип действия которых в корне отличается от работы ламп накаливания. К ним относятся газоразрядные и светодиодные лампы.

Дуговых или газоразрядных ламп существует большое множество, но все они основаны на свечении газа при возникновении дуги между электродами. Свечение происходит в спектре ультрафиолета, который потом преобразуется в видимый человеческому глазу посредством прохождения через люминофорное покрытие.

Процесс, происходящий в газоразрядной лампе, включают два этапа работы: создание дугового разряда и поддержание ионизации и свечения газа в колбе. Поэтому все типы таких осветительных приборов имеют систему управления током. Устройства люминесцентные имеют более высокий коэффициент полезного действия по сравнению с КПД лампы накаливания, но небезопасны, так как содержат пары ртути.

Светодиодные осветительные устройства являются наиболее современными системами. КПД лампы накаливания и светодиодной лампы несравнимы. У последней оно достигает 90%. Принцип действия светодиода основан на свечении определенного типа полупроводника под воздействием напряжения.

Чего не любит лампа накаливания

Срок службы обычной лампы накаливания будет сокращен, если:

1. Напряжение в сети постоянно завышено от номинального, на которое рассчитан осветительный прибор. Это связано с увеличением рабочей температуры тела накала и, как следствие, повышенное испарение сплава металла, приводящего к выходу его из строя. Хотя КПД лампы накаливания при этом будет больше.
2. Резко тряхнуть лампу во время работы. Когда металл раскален до состояния близкого к плавлению, а расстояние между витками спирали уменьшено вследствие расширения вещества, любое механическое, резкое движение может привести к незаметному глазу межвитковому замыканию. Это уменьшает общее сопротивление спирали току, способствует ее большему разогреву и быстрому перегоранию.
3. Произойдет попадание влаги на разогретую колбу. В месте попадания возникает перепад температур, который производит разрушение стекла.
4. Дотронуться пальцами до колбы галогенной лампы. Галогенная лампа является разновидностью лампы накаливания, но имеет значительно большую световую и тепловую отдачу. При касании на колбе остается невидимое жирное пятно от пальца. Под воздействием температуры жир сгорает, образуя нагар, препятствующий теплоотдаче. В результате этого в месте прикосновения стекло начинает плавиться и может лопнуть или вздуться, нарушая газовый режим внутри, что приводит к перегоранию спирали. Галогенные лампы накаливания КПД имеют выше, чем обыкновенные.

Как заменить лампу

Если лампа перегорела, но не разрушилась колба, то заменить ее можно после полного остывания. При этом следует отключить питание. При вкручивании лампы глаза не нужно направлять в ее сторону, особенно если выключить электричество не представляется возможным.

Когда колба лопнула, но сохранила форму, желательно взять хлопчатобумажную ткань, свернуть в несколько слоев и, обхватив ею лампу, постараться удалить стекло. Далее пассатижами с изолированными ручками аккуратно выкрутить цоколь и вкрутить новую лампу. Все операции необходимо проводить при отключенном напряжении питания.

Заключение

Несмотря на то что КПД лампы накаливания составляет мало процентов и у нее появляется все больше конкурентов, она актуальна во многих сферах жизни. Существует даже самая старая лампочка, непрерывно работающая более ста лет. Это ли не подтверждение и увековечивание гениальности мысли человека, стремящегося изменить мир?

Led- лампочка – один из наиболее эффективных источников света на сегодня. Однако часть потребляемой им электроэнергии все равно уходит понапрасну – в виде тепла в окружающее пространство. Чтобы узнать точно, какой реальный коэффициент полезного действия у лэд-кристалла и насколько можно продлить срок его службы, требуется провести серию лабораторных опытов.

Поэтому рассмотрим, как в домашних условиях без использования специального оборудования измерить и рассчитать КПД светодиода, а также яркость и мощность, по каким основным причинам может понизиться эффективность и как ее повысить.

Как измерить КПД светодиода

Чтобы не сомневаться в достоверности добытых из интернет-источников данных о КПД конкретного светодиода, необходимо измерить и подсчитать его величину практическим методом. Для этого придется изготовить элементарный колориметр. Вся суть эксперимента сводится к измерению разницы температуры водной среды, в которую был опущен лед-элемент – до его включения и после работы заданное время.

Далее зная какое количества тепла при этом выделилось и общее количество затраченной энергии, с помощью формул из школьной физики можно легко подсчитать точную эффективность данного светильника.

Суть опыта сводится к
следующим действиям:

1. Необходимо взять сосуд с теплоизолированными стенками, для этого хорошо подходит колба или сам термос.
2. К выбранному для измерения светодиоду нужно припаять провода, ведущие от блока питания, и покрыть их открытые участки слоем изоляционного лака – во избежание утечки тока в водной среде.
3. В термос заливается 0,25 литра чистой воды с низким содержанием солей.
4. Измеряется начальная температура с помощью термометра (значение обязательно записывается) – до эксперимента.
5. Далее лэд-элемент целиком погружается в воду и подключается при открытой крышке.
6. С подачей питания необходимо одновременно включить секундомер.
7. По истечение пятнадцати минут сеть отключается, и температура замеряется заново (предварительно водная среда перемешивается). Данные фиксируются.

После этого эксперимент
повторяется аналогичным образом, но при этом матрица светодиода должна быть
полностью заклеена не пропускающим свет материалом. Все измеренные результаты записываются.
Практическая часть на этом завершается, начинается расчет КПД.

Обратите внимание! КПД светильника и КПД источника света – совершенно разные понятия. Показатель характеризует отношение исходящего из прибора света к общего световому потоку. Например, отдельный светодиод будет иметь эффективность в 100%, а при заключении ее в люстру – этот параметр снизиться. Кроме того, степень освещенности от различных светоисточников будет различной: от ламп накала – вдвое меньшим, тем от аналогичного по мощности лэд-кристалла, из-за изначальной направленности последнего.

Расчет эффективности

Изначально подсчитывается среднее энергопотребление. Для этого нужно умножить мощность на время. Например, в эксперименте использовалась светодиодная лампа мощностью ровно 50 Вт, то за 15 минут (что аналогично 900 сек.) затрачено 45000 Дж. Теперь произведем расчет КПД для светодиода, исходя из определения затрат в обоих экспериментах

Первый эксперимент: когда светодиод был заклеен, вода нагрелась с 22 до 57 градусов. Температурная разница составила 35 градусов. Зная удельную теплоемкость воды (4,2 тыс. Дж) и ее массу (250 мл – 0,25 кг), а также что потери на нагрев стекла колбы на каждый градус составили порядка 131 Дж, плюс на разогрев медного (теплоемкость 381 Дж) при массе 28 грамм светодиода, подставляем значения в формулу:

4200х0,25х35
(для воды 36750 Дж) + 131х35 (для колбы 4585 Дж) + 381х0,028х35 (для светодиода
373 Дж) = 41708 Дж.

Из
соотношения получаем: 41708/45000 = 93%. Следовательно, порядка 7% – чистые
тепловые потери от общего КПД данной светодиодной лампы.

Второй эксперимент: в аналогичном эксперименте с открытым светодиодом разница в нагреве воды составила 25 градусов подставляя ее значение в выше стоящую формулу, получаем = 26250 + 3275 + 266 = 29791 Дж.

Соотносим его с
расчетной мощностью: 29791/45000 = 66%.

На чистую световую энергию ушло порядка 34% энергии, однако с учетом чисто тепловых потерь, равных 7%, КПД = всего 27%!

КПД фирменных
светодиодов равен 24-28%. При этом это еще далеко не худший результат. Так у
некачественных дешевых аналогов он может оказаться в 2-3 раза меньше.

Яркость и мощность

В работе светодиодов
существует простое правило – чем выше мощность лед-кристалла, тем ярче световой
поток. Однако хорошего в этой зависимости мало – чем больше значение этих
показателей, тем меньше становится КПД. На графике для диода мощностью 50 Вт
(взятом за 100%-ую эффективность), приведенном ниже, эта особенность хорошо
прослеживается:

Подобное снижение
показателя КПД с повышением мощности характерно абсолютно для всех существующих
светодиодов. Причины явления скрыты в природе полупроводникового кристалла и
изменении его параметров в зависимости от условий работы.

Почему ухудшается эффективность
светодиодов

Для падения КПД
светодиодов по мере роста их мощности есть несколько оснований:

1. С увеличением
   силы свечения повышается нагрев полупроводниковой матрицы. В ответ на это
   снижается количество и энергия образуемых при p-n-переходе частиц
   света – фотонов. Дело не спасает даже качественный металлический радиатор, так
   как лед-кристалл расположен на подложке из сапфира – плохого проводника тепла.
   Разница нагрева может достигать от 12 до 27 градусов. Это в конечном итоге
   приведет к деградации основы кристалла, первые признаки которого проявляются
   как моргания света.
2. Паразитное
   внутреннее сопротивление тем больше, чем выше сила тока – причем в квадратной
   прямой зависимости. Из-за этого существенная доля энергии просто превращается в
   тепло, теряя проценты КПД – и тем сильнее, чем мощнее светодиода.

Как увеличить эффективность

Существует несколько
практических способов предотвратить снижение КПД и продлить срок службы
светодиоду:

1. Вместо одного лед-источника подключить два, используя параллельное соединение. Этим будет достигнуто снижение сопротивления вдвое. Таким образом можно получить лучшее освещение, но с меньшими затратами энергии и без перегрева.
2. Аналогичным способом при наличии свободного места в корпусе светильника можно установить сразу 3 или 4 светодиода.
3. Монтировать один светодиод, но с большой мощностью, чем рассчитано – если места на установку нескольких нет. Например, вместо 40 Вт поставить на 80 Вт.

Пользуясь такими
способами, можно поднять КПД конкретного светодиода в несколько раз. Кроме
того, никогда не используя более трети от предельной мощности можно существенно
продлить срок службы лед-элемента. Также нельзя забывать о габаритах кристалла
– от этого зависит уровень его нагрева и величина внутреннего сопротивления.

Важно! Некоторые виды светодиодов покрываются слоем специального вещества для изменения цвета светового потока. От его светопропускающей способности и прочих технических характеристик будет во многом зависеть итоговый КПД.

Основные выводы

КПД – важнейший
параметр в эксплуатации светодиодов. Чтобы измерить его в домашних условиях,
необходимо провести ряд измерений. Для этого потребуется элементарный
колориметр (например, можно взять термос), термометр и секундомер. Алгоритм
действий в опыте следующий:

1. В колбу
   наливается стакан чистой воды и измеряется его температура.
2. Затем в нее
   полностью погружается подготовленный светодиод и подключается к сети.
3. Через
   определенное время снова измеряется температура воды.

Измерения проводятся дважды – с открытым кристаллом и закрытым непрозрачной материей. На основании полученных данных по термодинамическим формулам вычисляются тепловые потери и рассчитывается КПД.

Для всех современных
светодиодов характерна такая особенность, что с увеличением мощности,
происходит падение КПД. Связанно это с особенностями полупроводниковой матрицы
и увеличивающимся нагревом, приводящем к постепенной деградации последней. Повысить
эффективность и долговечность можно, используя вместо одного диода сразу
несколько через параллельное соединение или поставив на его место более мощный.

Если вы знаете другие
эффективные способы, как повысить КПД и срок службы конкретного вида
светодиода, обязательно напишите об этом в комментариях.