«Как изготовить светодиодный фонарик от одной пальчиковой батарейки?»

Районная научно-практическая конференция «Новое поколение»

Полное название темы работы
«Как изготовить светодиодный фонарик от одной пальчиковой батарейки?»

Название секции
Техническое творчество и изобретательство

Тип работы
Исследовательская работа

Возрастная номинация
4-7 класс

Фамилия, имя автора
Борисов Илья Евгеньевич
07.07.2003 г.р.

Адрес
662931, Курагинский район, с. Шалоболино
ул. Кирова, 6

Место учебы
МБОУ Шалоболинская СОШ №18 Курагинского района

Класс
6 класс

Место выполнения работы
НОУ «Академик»
Лаборатория физики

Руководитель
Борисов Евгений Васильевич, учитель физики
МБОУ Шалоболинская СОШ №18 (39136) 734-07

Научный руководитель
-

Ответственный за корректуру текста работы
Грищенко Ольга Леонидовна, куратор по работе с одаренными детьми

e-mail контактный телефон
s-181@yandex.ru
(39136)73-2-93














АННОТАЦИЯ
Борисов Илья
с. Шалоболино МБОУ Шалоболинская СОШ №18, 6 класс
«Как изготовить светодиодный фонарик от одной пальчиковой батарейки?»
Руководитель: Борисов Евгений Васильевич, учитель физики
Цель исследования:
Получение повышения напряжения с помощью явления самоиндукции в экспериментальной модели светодиодного фонарика.
Методы проведённых исследований:
Эксперимент, наблюдение, сравнение, анализ.

Основные результаты работы:
Изготовлена экспериментальная модель светодиодного фонарика.
Проведено сравнение результатов обычного фонарика от двух батареек с напряжением 3В и с экспериментальной моделью фонарика с использованием явления самоиндукции в катушке индуктивности для повышения напряжения от одной батарейки 1,5В до 3,5В.
Результаты исследований занесены в таблицы и на основании полученных данных построены графические зависимости.
Сделаны выводы о работе светодиодного фонарика с использованием явления самоиндукции.















ВВЕДЕНИЕ

Если ученик в школе не научился сам ничего творить, то в жизни он всегда будет только подражать, так как мало таких, которые бы, научившись копировать, умели сделать самостоятельное применение этих сведений
Алексей Толстой.
Мне всегда хотелось изучать мир руками, выдумывать, творить, изобретать. К сожалению, колесо изобрели задолго до того, как я родился, но в мире еще столько неизученного и интересного.
Мой друг, учащийся 8 класса, увлёкся исследовательской работой по физике, которая связана с изучением и исследованием работы зарядного устройства. И мне тоже захотелось узнать на практике, как работают электрические устройства. Я часто присутствовал рядом с моим другом во время его работы, которую он делал. И видя мой интерес, Евгений Васильевич предложил мне попробовать свои силы в изготовлении и исследовании работы простого устройства - светодиодного фонарика. Я согласился, так как я часто хожу вечером с фонариком за молоком на другой конец улицы. Мне было предложено познакомится с явлением самоиндукции, возникающем в катушке индуктивности в момент отключения тока. Для облегчения понимания происходящих процессов внутри электрического устройства, Евгений Васильевич предложил сравнить их с поведением воды в гидравлическом устройстве – «гидравлический таран».
Так я впервые начал знакомится с очень интересной и таинственной областью физики – «Электричество и магнетизм».

Цель исследования:
Получение повышения напряжения с помощью явления самоиндукции в экспериментальной модели светодиодного фонарика.
Основные задачи:
Приобрести знания в области электрических и магнитных явлений в практическом конструировании блокинг-генератора.
Изготовить рабочую модель светодиодного фонарика из доступных материалов в школьной лаборатории.
Исследовать явление повышения напряжения от1,5В до 3,5В в работе светодиодного фонарика, проанализировать полученные результаты эксперимента по параметрам: напряжение, сила тока.
Проблема: Как получить напряжение 3,5 В для питания одного и более светодиодов от одной пальчиковой батарейки 1,5 В?
Гипотеза: Предполагаю, что существуют в природе электромагнитные явления, с помощью которых возможно произвести повышение напряжения необходимого для нормальной работы светодиода.
Методы проведённых исследований:
изучение и анализ информации,
изготовление генератора и эксперимент,
наблюдение и обобщение собственного опыта работы,
сравнительный анализ результатов














ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Изучение и анализ информации. Изготовление и проведение исследований электрических схем фонариков.

Изготовление малогабаритного экономичного LED фонарика (светодиодный фонарик) очень простое с точки зрения схемотехники изделие. Главным его достоинством является его экономичность. Обычно все фонарики используют щелочные батарейки типа АА от 2-х до 4-х штук, в зависимости от мощности фонарика. Например, применение светодиода мощностью 24 мВт при использовании 4-х щелочных пальчиковых батареек типа АА обеспечит работу фонарика до 30 дней непрерывной работы [3]. При этом утверждается, что можно запитать, например красные и желтые светодиоды, напряжение питания которых при токе 20 мА составляет 1,8 - 2,4 В. А для синих, белых и зеленых - 3 - 3,5 В, поэтому запитать синий или белый светодиод от пальчиковой батарейки напрямую невозможно.[5]
Когда я взял одну пальчиковую батарейку на 1,5В и подключил к ней светодиод, он у меня не засветился. Тогда я добавил ещё одну батарейку последовательно первой батарейке, и мой светодиод загорелся в полную силу. Я убедился на опыте что для светодиода действительно необходимо иметь напряжение около 3В для полного свечения.
Я решил проверить, на сколько дней хватит энергии двух батареек с подключенным к ним светодиодом. Результаты измерений занёс в таблицу №1

Таблица №1. Измерения электрических параметров схемы №1 (Рис. 1)
Дата
Время
Напряжение (В)
Сила тока (мА)
Яркость свечения светодиода

10.10.2015г.
08-00
3,15
14

·100%


20-00
2,85
7

·80%

11.10.2015г.
07-50
2,80
6

·75%


21-00
2,75
5

·70%

12.10.2015г.
08-00
2,70
4

·65%


20-00
2,65
3

·60%

13.10.2015г.
08-00
2,60
2

·55%


21-00
2,55
2

·50%


Евгений Васильевич предложил мне поискать информацию о различных разработках светодиодных фонариков в интернете. И оказалось, что светодиод можно запитать от одной пальчиковой батарейки на 1,5В. Но для этого необходимо подключить светодиод в электрическую схему с использованием транзистора, трансформатора, диода и сопротивления. Во всех предложенных схемах используется явление самоиндукции. Мне стало интересно, что это за явление самоиндукции, позволяющее от более низкого по напряжению источника тока получить напряжение примерно в 2,5 раза больше.
Было найдено несколько схем на основе блокинг-генераторов для получения повышенного напряжения от менее низкого источника питания. Мы решили остановится на схеме фонарика приведённого на рисунке №2, которая позволяет питать светодиод белого или синего свечения, требующий напряжения питания до 3,5 В, от одного гальванического элемента или аккумулятора NiCD, NiMH, даже разряженных до напряжения 0,8 В под нагрузкой.[7]
. Чтобы понять явление самоиндукции, можно обратиться к устройству гидравлического тарана. Природа подарила нам в падающей воде не только источник бесплатной энергии, но и простейший способ преобразования естественной гравитационной энергии. Ведь с точки зрения физики, потенциальная энергия воды и есть аккумулированная в ней гравитационная энергия. Этот способ является, прежде всего, физическим явлением.[8] Гидравлический таран (Рис.3) состоит из питательного бака с водой - 1, нагнетательной трубы- 2, ударного клапана- 3, нагнетательного клапана- 5, воздушного колпака- 4 и отводящей трубы- 6. Его работа происходит следующим образом: вода из питательного бака 1 поступает по нагнетательной трубе 2 к открытому ударному клапану 3 и под напором h вытекает наружу с возрастающей скоростью. При некоторой скорости воды давление на ударный клапан превышает силу, удерживающую клапан в открытом состоянии (например, силу пружины), закрывает его и преграждает выход воде наружу. Происходит резкая остановка движущейся воды и, так называемый, «гидравлический удар». В пространстве нагнетательной трубы от ударного клапана 3 до нагнетательного клапана 5 давление воды почти мгновенно поднимается до величины, соответствующему напору H. В результате открывается нагнетательный клапан. Однако на повышение давления вода затрачивает только часть своей скорости. А с оставшейся скоростью она через открывающийся при этом клапан поступает в воздушный колпак 4. Возникшая от клапана 3 волна «гидравлического удара» за некоторое время движения по трубе 2 достигает бака 1 и, отражаясь там от невозмущенной воды, начинает двигаться опять к ударному и нагнетательному клапану, снижая при этом скорость. Таких отражений происходит несколько. За время многочисленных отражений волны, оставшийся объем воздуха в воздушном колпаке сжимается до давления, соответствующему напору H. В свою очередь, вода из колпака под тем же давлением по отводящей трубе 6, поступает на высоту H к потребителю. За счет таких отражений начальная скорость воды в питательной трубе через некоторое время полностью затрачивается на поддержание в трубе повышенного давления. После чего давление воды под клапанами падает чуть ниже атмосферного. В результате, существующее повышенное давление в воздушном колпаке закрывает нагнетательный клапан, а низкое давление под ударным клапаном и механизм открытия (например, сжатая пружина) позволяет ударному клапану открыться. Так вся схема автоматически приходит в исходное состояние. Процесс повторяется вновь. В итоге, при определенной культуре изготовления деталей, вода может подниматься на расчетную высоту H автоматически непрерывно много лет. Движущиеся части тарана два клапана, проектируются так, что повышение давления в питательной трубе закрывает ударный и открывает напорный клапан, а понижение давления действует в обратном порядке. При этом весь смысл работы устройства заключается в том, что оно поднимает объем воды qH на высоту H, используя энергию объема воды q, находящейся на высоте h.[8]
В нашей электрической схеме, происходит аналогичный процесс. Вместо ударного клапана у нас стоит транзистор, который открывается и закрывается при подаче напряжения на базу транзистора. Во время прохождения электрического тока через катушку индуктивности, часть энергии нарастающего тока переходит в энергию магнитного поля катушки. В момент отключения транзистора цепь разрывается и накопившиеся энергия магнитного поля уходит на подержание движения электронов в катушке индуктивности, тем самым создавая резкий всплеск напряжения на концах катушки. Через диод этот скачок тока сливается на конденсатор.
В электротехнике это простейший блокинг-генератор, который работает в автоматическом режиме пока включено питание устройства. Он выдает с достаточно большой частотой эти импульсы повышенного напряжения, и наш светодиод будет гореть ровным белым светом (смотри Рис.5). Батарейка выполняет роль питательного бака. Диод выполняет роль нагнетательного (или второго) клапана. Катушка индуктивности используется в качестве нагнетательной трубы, где используется магнитное поле вместо гравитационного поля. Конденсатор - это ёмкость, в которую под повышенным напряжением сливается электрический ток. И уже с конденсатора идет увеличенный по напряжению электрический ток на светодиод.
С помощью Евгения Васильевича была изготовлена электрическая схема фонарика на текстолитовой плате. Результаты измерений мы занесли в таблицу 1.

Таблица №1. Измерения электрических параметров схемы №2 (Рис.2)
Дата

Время
(ч)
Напряжение
на батарейке
(В)
Напряжение
на конденсаторе
4700 мкФ (В)
Ток потреб-
ления (мА)
Яркость свечения светодиода

16.10.2015
17-03
1,556
3,736
21

·100%


20-25
1,394
3,568
20


17.10.2015
7-30
1,233
3,527
19

·90%


21-00
1,12
3,486
18


18.10.2015
7-35
0,943
3,309
17

·80%


19-00
0,694
3,084
16


19.10.2015
7-30
0,566
3,046
15

·70%


21-00
0,524
3,058
14


20.10.2015
7-40
0,498
3,045
13

·60%


19-00
0,489
3,033
12


21.10.2015
7-40
0,476
3,018
10

·50%


21-00
0,469
3,003
9


22.10.2015
7-30
0,456
2,945
8

·40%


20-00
0,441
2,913
7


23.10.2015
9-00
0,437
2.898
6

·30%


18-00
0,434
2,854
5



Схема показала свою работоспособность. Наш светодиод загорелся ярко и непрерывно проработал 8 дней, где его яркость упала до 30%. Яркость светодиода мы выставили на максимальную яркость с помощью переменного сопротивления =1 кОм. Построен график полученных данных от даты.

График зависимости электрических величин от даты проведения измерений
13 EMBED Excel.Chart.8 \s 1415

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Благодаря моему исследованию, я познакомился с информацией о магнитных и электрических явлениях. Познакомился на практике, как с помощью электромагнитного явления самоиндукции можно увеличить в импульсном варианте напряжение от источника тока в 2,5 раза. Во время изготовления электрической схемы я научился пользоваться паяльником, познакомился с электрическими приборами: транзистор, диод, конденсатор, катушка индуктивности и сопротивление. Проводя исследования моей модели фонарика, я научился производить измерения силы тока с помощью амперметра, измерять напряжение мультиметром, а полученные измерения заносить в таблицу и на основании них строить графические диаграммы.
В ходе исследования я понял, что поставленная мной проблема получения 3,5В от источника тока в 1,5В преодолевается с помощью применения импульсного прерывания электрического тока на выходе катушки, основанном на электромагнитном явлении самоиндукции.
По первой электрической схеме фонарика измерения проводились 4 суток, в течение которых напряжение на двух батарейках уменьшилось на 0,55В. а яркость свечения одного светодиода уменьшилась на 50%.
По второй электрической схеме фонарика измерения проводились 8 суток. Где начальное напряжение на питающей батарейке 1,556В, понизилось до 0,434В, при этом два светодиода продолжали светить на 30%.
Мой эксперимент доказал, что второй вариант устройства светодиодного фонарика имеет запас по потреблению тока на несколько дней больше чем обычный вариант фонарика, где наглядно видна экономия батареек, а также вместо одного светодиода в нашей схеме мы использовали два.
Хочется продолжить свою работу по изучению данной темы и найти такой вариант электрической схемы, где фонарик мог бы светить постоянно без замены батареек. Считаю очень полезным занятием для мальчишек окунуться в мир электричества и магнетизма. Электрические и магнитные явления таят в себе очень много загадок.


БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Схема экономичного импульсного фонарика на мультивибраторе
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Экономичный светодиодный фонарь
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Экономичный LED фонарик
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]Делаем фонарик на светодиодах своими руками
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Экономичный светодиодный фонарик на одной батарейке
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Экономичный фонарь на 2-х батарейках (аккумуляторах)
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] светодиодный фонарик с одной батарейкой. Радиотехника.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Схемы гидротарана . Гидротаран своими руками
Гидротаран- источник неисчерпаемой чистой энергии
Справочник по транзисторам /В. А. Аронов, А. В. Баюков и др. М., Энергоиздат, 1982г.
Справочник по диодам /В. А. Аронов, А. В. Баюков и др. М., Энергоиздат, 1982г.
Искусство схемотехники перевод с английского под редакцией канд. техн. Наук М.В. Гальперина Москва «МИР», 1984 год.

Приложение 1.
КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ

Дата
Вид деятельности
Полученный результат
Примечание

Сентябрь 2015г.
Выбор темы
Определился с темой исследования.
Электричество таит в себе ещё очень много тайн.

Сентябрь 2015г.
Работа с информацией по выбранной теме.
Создан библиографический список используемой информации


Октябрь 2015г.
Исследовательские пробы

Собрана первая модель светодиодного фонарика по схеме №1.
Проведены измерения и занесены в таблицу №1

Октябрь
2015г.
Исследовательские пробы
Собрана вторая модель светодиодного фонарика по схеме №2


Октябрь 2015г.
Проведены измерения напряжения и силы тока.
Построена таблица измерений
При проведении проб решено изменить электрическую схему

Ноябрь 2015г.
Начало оформления исследовательской работы
Написаны: аннотация, введение, глава1.


Декабрь 2015г.
Продолжение оформления исследовательской работы
Написаны: основная чавсть, таблицы №1 и №2, построен график.


Январь 2015г.
Оформление учебно-исследовательской работы в соответствии с требованиями районной НПК «Новое поколение».
Электронный вариант научно-исследовательской работы.


Февраль
2016г.
Оформление презентации к научно-исследовательской работе.
Оформление презентации.


Февраль
2016г.
Подготовка к выступлению на РНПК
Презентация научно-исследовательской работы в школе №18.


Март 2016г.
Выступление на РНПК «Новое поколение»




Диаграмма 20Root Entry