svetodiod

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение
средняя школа №3
городского округа г. Выкса Нижегородской области
Светодиод
Физико-математическое отделение
Секция физическая
Работу выполнила:
Ученица 7 класса
Гранина Мария Александровна
Научный руководитель:
Учитель МБОУ СШ №3
Сегова Екатерина Евгеньевна
2015
Оглавление
Аннотация................................................................................................................................................... 3
Введение ...................................................................................................................................................... 5
Глава 1 Обзор литературы....................................................................................................................... 6
1.1 История создания ................................................................................................................................ 6
1.2 Виды светодиодов................................................................................................................................ 8
1.3 Строение светодиода.........................................................................................................................10
1.4 Принцип работы................................................................................................................................10
1.5 Цветовая гамма .................................................................................................................................11
1.6 Свойства светодиодов ......................................................................................................................12
1.7 Применение светодиодов .................................................................................................................13
Глава 2. Материалы и методы исследования .......................................................................................15
2.1.Анализ полученной информации из сети Internet ......................................................................15
2.2. Эксперименты по проявлению свойств светодиодов..................................................................15
Глава 3. Результаты исследования .........................................................................................................16
3.1. Исследование применения светодиодов .....................................................................................16
3.2. Результаты экспериментов ............................................................................................................18
3.2.1 Потребление электроэнергии светодиода и лампы накаливания ....................................18
3.2.2 Яркость свечения светодиода и лампы накаливания ........................................................20
3.2.3 Цветовая гамма свечения .........................................................................................................21
Заключение...............................................................................................................................................23
Используемые материалы .....................................................................................................................24
2
Аннотация
Исследовательская работа по физике
Тема данной работы: «Светодиод»
Объект исследования: светодиоды
Цель исследования: выяснить, какими преимуществами обладают светодиоды и
как их используют в жизни
Задачи исследования:
1.
Исследовать литературу.
2.
Найти области применения светодиодов.
3.
Провести опрос
4.
Провести серию экспериментов, сравнить светодиоды и лампу
накаливания
5.
Сделать выводы по полученным данным.
Для реализации поставленных задач в работе были использованы методы:
1. анализ литературы
2. эксперимент
3. сравнение
4. частично – поисковый
5. анкетирование
Гипотеза: так как светодиоды находят широкое применение, то возможно они
превосходят по своим свойствам лампы накаливания.
3
В данной работе дается определение светодиоду, рассматриваются свойства
светодиода и лампы накаливания, виды светодиодов, применение светодиодов в
жизни человека.
Работа состоит из введения и основной части. Во введении обоснована причина
выбора темы исследования. Далее приведены аргументы подтверждающие
важность выбранной темы. В основной части, рассматриваю теорию о
светодиодах, исторические факты, положительные свойства и преимущества,
применение светодиодов в жизни человека, эксперименты, делается вывод о том,
что светодиоды находят широкое применение в жизни человека и светодиоды
вытесняют другие источники света.
4
Введение
Люди
всё
чаще
стали
использовать
светодиодные
лампы
вместо
обыкновенных ламп накаливания. И мне стало интересно, почему так происходит.
Я решила узнать, что такое светодиод (рис.1), как он работает, какие его
преимущества перед лампой накаливания. Так же мне захотелось выяснить, как
широко человек использует светодиод.
Гипотеза исследования: так как светодиоды
находят широкое применение, то возможно
они превосходят по своим свойствам лампы
накаливания.
Объект исследования: светодиоды
Цель исследования: выяснить, какими
преимуществами обладают светодиоды и как
их используют в жизни
Рис.1
Задачи исследования:
1. Исследовать литературу.
2. Найти области применения светодиодов.
3. Провести опрос
4. Провести серию экспериментов, сравнить светодиоды и лампу накаливания
5. Сделать выводы по полученным данным.
Для реализации поставленных задач в работе были использованы методы:
1. анализ литературы
2. эксперимент
3. сравнение
4. частично – поисковый
5
Глава 1 Обзор литературы
При написании своей работы я использовала ресурсы сети Internet и учебник
физики за 8 класс А.В. Перышкин. Из этих источников я взяла исторические
факты о источнике света, некоторые характеристики и данные о светодиодах.
Также в работе мной использованы и другие интернет источники.
1.1 История создания
Светодиод или светоизлучающий диод— полупроводниковый прибор,
излучающий свет при пропускании через него электрического тока.
Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом
было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом из
Маркони Лабс. 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.
Эти эксперименты были позже, независимо от Раунда, повторены в 1923 году
О.В.Лосевым, который, экспериментируя в Нижегородской радиолаборатории с
выпрямляющим контактом из пары карборунд — стальная проволока, обнаружил
в
точке
контакта
двух
разнородных
материалов
слабое
свечение
—
электролюминесценцию полупроводникового перехода (в то время понятия
«полупроводниковый переход» ещё не существовало). Это наблюдение было
опубликовано, но тогда весомое значение этого наблюдения не было понято и
потому не исследовалось в течение многих десятилетий.
Лосев
показал,
что
электролюминесценция
возникает
вблизи
спая
материалов. Теоретического объяснения явлению тогда не было. Лосев вполне
оценил практическую значимость своего открытия, позволявшего создавать
малогабаритные твердотельные (безвакуумные) источники света с очень низким
напряжением питания (менее 10 В) и очень высоким быстродействием. Им были
получены два авторских свидетельства на «Световое реле» (первое заявлено в
феврале 1927 г.).
6
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 краснооранжевых 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.
Светодиоды оставались чрезвычайно дорогими вплоть до 1968 года (около
$200 за штуку), их практическое применение было ограничено. Исследования
Жака Панкова в лаборатории RCA привели к промышленному производству
светодиодов; в 1971 году им был получен первый синий светодиод. Компания
«Монсанто» была первой, организовавшей массовое производство светодиодов,
работающих в диапазоне видимого света и применимых в индикаторах. Компании
«Хьюллет-Паккард» удалось использовать светодиоды в своих ранних массовых
карманных калькуляторах.
В начале 1990-х Исама Акасаки, работавший вместе с Хироси Амано в
университете Нагоя, а также Судзи Накамура, работавший в то время
исследователем в японской корпорации Nichia Chemical Industries, смогли
изобрести дешевый синий светодиод (LED). За открытие дешевого синего
светодиода им троим, была присуждена Нобелевская премия по физике в 2014 г.
Синий светодиод, в сочетании с зеленым и красным, дает белый свет с высокой
энергетической эффективностью, что позволило в дальнейшем создать, среди
прочего, светодиодные лампы и экраны со светодиодной подсветкой. В 2003 году,
компания Citizen Electronics первой в мире произвела светодиодный модуль по
запатентованной технологии непосредственно вмонтировав кристалл от Nichia на
7
алюминиевую подложку с помощью диэлектрического клея по технологии ChipOn-Board.
1.2 Виды светодиодов

Светодиод с пластиковой оболочкой-корпусом. (Рис.2)
Рис.2

Светодиодный фонарь (панель) для сценического направленного
освещения. (Рис.3)
Рис.3

Современный люминофорный светодиод в ручном электрическом
фонаре. (Рис.4)
8
Рис.4

Современные мощные сверхъяркие светодиоды на теплоотводящей
пластине с контактами для монтажа. (Рис.5)
Рис.5

Мощный белый светодиод 20Вт в сравнении с красным индикаторным
5 мм светодиодом. (Рис.6)
Рис.6
9
1.3 Строение светодиода
Светодиод состоит:

полупроводниковый кристалл на подложке

корпус с контактными выводами

оптическая система. (Рис.7)
Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды,
применявшиеся для индикации.
Рис.7
1.4 Принцип работы
В основе принципа действия светодиода лежит явление рекомбинации
(исчезновение пары свободных носителей противоположного заряда в среде с
выделением энергии) подвижных носителей электрических зарядов. При этом
происходит переход возбужденного электрона с высокого энергетического уровня
на более низкий, что сопровождается выделением электромагнитного излучения и
тепловой энергии.
10
Характеристики лампы накаливания и светодиода.
Свойство
Лампа
Светодиод
Потребление
Большое
В 10 раз меньше
электроэнергии
обычной лампы
Срок использования
Короткий
Длительный
Нагрев при работе
Есть
Нет
Яркость свечения
Тусклый
Яркий
Цветовая гамма
Отсутствует
Различная
1.5 Цветовая гамма
В первых светодиодах создавалось излучения от красного до жёлто-зелёного
цвета. Для производства осветительных светодиодов используются новые
материалы, способные выдерживать необходимые уровни тока, высокий нагрев и
высокую влажность. В красных и янтарных
светодиодах высокой яркости применяются
полупроводники алюминий индий – галлий,
в синих, зеленых и голубых – индий – нитрид
галлия. (Рис.8) Одним из способов получения
«сложных»
цветов
использование
является
(Рис.9)
совместное
в
одном
осветительном приборе светодиодов разных
типов.
Рис.8
11
Рис.9
1.6 Свойства светодиодов
По сравнению с другими электрическими источниками света светодиоды
имеют следующие отличительные свойства:
1.
Высокая световая отдача.
2.
Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие нити
накаливания и иных чувствительных составляющих).
3.
Длительный срок службы — от 30000 до 100000 часов (при работе 8
часов в день — 34 года). Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или
плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение
яркости.
4.
Спектр современных светодиодов бывает различным.
5.
Количество
циклов
включения-выключения
не
оказывают
существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от традиционных
источников света — ламп накаливания, газоразрядных ламп).
12
6.
Различный угол излучения — от 15 до 180 градусов.
7.
Безопасность
—
не
требуются
высокие
напряжения,
низкая
температура светодиода или арматуры, обычно не выше 60 °C.
8.
высокие
Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако,
температуры
противопоказаны
светодиоду,
как
и
любым
полупроводникам.
9.
Экологичность — отсутствие ртути, фосфора и ультрафиолетового
излучения в отличие от люминесцентных ламп.
1.7 Применение светодиодов
Светодиодные технологии освещения благодаря эффективному расходу
электроэнергии и простоте конструкции нашли широкое применение в
светильниках, прожекторах, светодиодных лентах, декоративной светотехнике и
особенно в компактных осветительных приборах — ручных фонариках.
Светодиодные
осветительные
приборы
подразделяются
на
уличные
и
интерьерные. Сегодня их применяют для подсветки зданий, автомобилей, улиц и
рекламных конструкций, фонтанов, тоннелей и мостов. Данное освещение
используют для подсветки производственных и офисных помещений, домашнего
интерьера и мебели
Светодиодное освещение применяется в светотехнике для
дизайнерского
освещения
в
специальных
современных
создания
дизайн-проектах.
Надёжность светодиодных источников света позволяет использовать их в
труднодоступных для частой замены местах (встроенное потолочное освещение,
внутри натяжных потолков и т. д.).

В уличном, промышленном, бытовом освещении (в том числе светодиодная
лента)

В качестве индикаторов — как в виде одиночных светодиодов (например,
индикатор включения на панели прибора), так и в виде цифрового или буквенноцифрового табло (например, цифры на часах)
13

Массив светодиодов используется в больших уличных экранах, в бегущих
строках. Такие массивы часто называют светодиодными кластерами или просто
кластерами

Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и
светофорах

Светодиоды
используются
в
качестве
источников
модулированного
оптического излучения (передача сигнала по оптоволокну, пульты ДУ,
светотелефоны)

В подсветке ЖК-экранов (мобильные телефоны, мониторы, телевизоры и т.
д.)

В играх, игрушках, значках, USB-устройствах и прочее.

В светодиодных дорожных знаках.

В гибких ПВХ световых шнурах Дюралайт.

В растениеводстве
14
Глава 2. Материалы и методы исследования
2.1.Анализ полученной информации из сети Internet
Изучив историю создания светодиодов и положительные свойства, я решила
узнать, действительно ли светодиод имеет такое широкое применение человеком.
Я провела опрос, задав простой вопрос «Где используют светодиоды?». Вместе с
моим научным руководителем, мы проанализировали ответы.
2.2. Эксперименты по проявлению свойств светодиодов
Эксперимент - истинный посредник между человеком и природой.
(Л. да Винчи)[8] Следуя этому правилу, я решила самостоятельно убедиться на
опыте в положительных качествах светодиодов, сравнив их с лампой
накаливания. Вместе с моим научным руководителем, мы провели серию опытов.
15
Глава 3. Результаты исследования
3.1. Исследование применения светодиодов
Чтобы понять, где применяются светодиоды я провела опрос. Я задавала
людям вопрос: «Где используют светодиоды?». Было опрошено 50 человек.
Обработав ответы, получили следующие результаты:
Проверив в научной литературе, я убедилась в достоверности ответов.
Действительно,
светодиоды
применяют
для
производства
осветительных
приборов и агрегатов, в фонарях, автомобильных фарах, в светодиодных
светильниках,
для
инфракрасных
излучателей
(пульты
дистанционного
управления). В технике и приборах светодиоды выполняют роль подсветки,
сигнальных лампочек и прочее (Рис. 10). Светодиодные лампочки сегодня
вытесняют устаревшие лампы накаливания и вредные лампы дневного света и
газоразрядные лампы. Светодиоды активно используются человеком.
16
Рис. 10
17
3.2. Результаты экспериментов
Проведем серию опытов.
3.2.1 Потребление электроэнергии светодиода и лампы
накаливания
Цель: Сравнить потребление электроэнергии светодиода и лампы накаливания
Приборы и материалы:
1. Источник постоянного тока
2. Соединительные провода
3. Измерительные приборы (вольтметр и амперметр)
4. Лампа накаливания
5. Светодиод
Ход работы:
 Соберем электрическую цепь, состоящую из источника постоянного тока,
проводов, лампы накаливания, амперметра и вольтметра. (Фото автора 1)
Фото автора 1
 Соберем электрическую цепь, состоящую из источника постоянного тока,
проводов, светодиод, амперметра и вольтметра.(Фото автора 2)
18
Фото автора 2
 Включаем цепь, снимаем показания приборов.
Расчёты:
Для лампы накаливания:
U=12В, I=0.08A, P=U*I;
P=12 B*0.08 A=0.96 Вт
Для светодиода:
U=12В, I=0.01A, P=U*I;
P=12 B*0.01 A=0.12 Вт
Вывод:
Пользуясь учебником «Физика-8» А.В. Перышкин, беру формулу для
расчета мощности. Исходя из этой формулы, я могу установить зависимость
между величинами. При постоянном напряжении мощность будет прямо
пропорционально зависеть от силы тока. Взяв светодиод и лампу небольших
размеров (мало отличающихся по внешнему виду друг от друга), провели
измерения. Сравнив расчеты проделанного опыта, было получено, что мощность
лампы накаливания больше мощности светодиода при постоянном напряжении.
Значит, лампа потребляет больше электроэнергии, чем светодиод.
19
3.2.2 Яркость свечения светодиода и лампы накаливания
Цель: Сравнить яркость свечения светодиода и лампы накаливания
Приборы и материалы:
1. Источник постоянного тока
2. Соединительные провода
3. Измерительные приборы (вольтметр)
4. Лампа накаливания
5. Светодиод
Ход работы:
 Соберем электрическую цепь, состоящую из источника постоянного тока,
проводов, лампы накаливания и вольтметра.
 Соберем электрическую цепь, состоящую из источника постоянного тока,
проводов, светодиод и вольтметра.
 Включаем цепь. (Фото автора 3)
Фото автора 3
Вывод:
При сравнении лампы и светодиода заметна разница в яркости
свечения при постоянном напряжении. Светодиод оказался ярче.
20
3.2.3 Цветовая гамма свечения
Цель: Сравнить цветовую гамму свечения лампы накаливания и светодиодов.
Приборы и материалы:
1. Источник постоянного тока
2. Соединительные провода
3. Лампа накаливания
4. Светодиоды
Ход работы:
 Соберем электрическую цепь, состоящую из источника постоянного тока,
проводов, лампы накаливания. (Фото автора 4)
Фото автора 4
 Соберем электрическую цепь, состоящую из источника постоянного тока,
проводов и светодиодов. (Фото автора 5)
21
Фото автора 5
 Включаем цепь.
Вывод:
Очевидно, что цветовая гамма светодиодов представлена в большем количестве,
чем у ламп накаливания.
22
Заключение
В ходе этой работы я узнала, что светодиоды имеют широкое применение в
жизни человека, так как он имеет больше положительных свойств перед другими
источниками света. Опытным путем я выяснила то светодиоды потребляют
меньше электроэнергии, более яркие, чем другие источники света, и имеют
широкую цветовую гамму свечения.
Изучая литературу, я узнала, что положительных свойств светодиода
оказалось намного больше, чем я предполагала. Наблюдая за различными
световыми приборами дома и в школе, я выяснила, что светодиоды нашли
широкое применение.
Со светодиодами сейчас знакомы все. Без них просто немыслима
современная техника. Это светодиодные фонари и лампы, индикация режимов
работы
различной
бытовой
техники,
подсветка
экранов
компьютерных
мониторов, телевизоров и так далее. Все перечисленные устройства содержат
светодиоды видимого диапазона излучения различных цветов. Современные
технологии позволяют получить практически любой цвет.
Основная область
применения таких светодиодов — это устройства автоматики и управления. Это
все еще раз доказывает, что светодиоды постепенно вытесняют обычные лампы
накаливания из повседневной жизни.
23
Используемые материалы
1. А.В. Перышкин. Физика 8 класс. Дрофа. Москва, 2013
Интернет-ресуры
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Светодиод#
3. http://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-svetodiodov-dlya-sistem-osvescheniya-obzor
4. http://cxem.net/beginner/beginner54.php
5.
http://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoetvorchestvo/2014/02/18/issledovatelskaya-rabota-svetodiod-skazku-sdelat
6. www.fizika-zaharova.narod.ru/Razrab.../Urok9.doc
7. http://aphorism-list.com/tema.php?page=exp&tktema=exp
8. http://www.diagram.com.ua/tests/fizika/index.shtml
9. http://ya-uznayu-mir.ru/tronex.html
10.http://mirsvetodiodov.ru/gde-ispolzuyutsya
11.https://www.google.ru/search
12.http://znanija.com/task/790454
24