Світлодіодні лампи: повний вперед або друга зміна?

  1. Стандарти світлової ефективності ЛН загального призначення
  2. Світлодіодні лампи для загального освітлення
  3. Чим визначається успіх СД-ламп?
  4. Фотометричні якості світлодіодних ламп
  5. Конструктивний дизайн світлодіодних ламп
  6. Електричні характеристики світлодіодних ламп
  7. Світлодіодні лампи: доступність товару
  8. література
  9. Схожі Записи

Світлодіодні лампи: повний вперед або друга зміна?

Підтримуючи енергоефективні джерела світла, провідні країни світу вирішили законодавчо «заборонити» виробництво ламп розжарювання потужністю 40-100 Вт. Щоб уникнути ажіотажу, забороняти почали поетапно, до 2014 р наступники «лампочкам Ілліча» пророкували світлодіодні лампи. У 2011 р поточний стан цієї технології обговорювалося в публікації Н. Нарендрана, одного з провідних фахівців світлотехнічного дослідного центру (LRC) при Ренсселеровском політехнічному інституті. У цій статті ми представимо погляд цього співробітника LRC на світлодіодні лампи та їх готовність до поетапної заміни ламп розжарювання.

Михайло Мальков,
[email protected]

Кандидат фізико-математичних наук. Закінчив фізичний факультет і аспірантуру МДУ ім. М.В. Ломоносова. Основна область інтересів - зондовая діагностика і моделювання газового розряду. МДУ ім. Н.П.Огарева, ген. директор ТОВ «Іннотех»

Опубліковано в журналі Lumen & ExpertUnion №2 / 2012

Прийнятий США в 2007 р «Закон про енергетичну незалежність і безпеку» викликав на початку 2011 р шквал повідомлень - як достовірних, так і відверто смішних - про те, що станеться з лампочками з 1 січня 2012 р ЗМІ різних країн зарясніли анекдотичним повідомленнями про створення жителями запасів ламп розжарювання (ЛН) - в деяких випадках навіть на все життя.

Висловлювалися сумніви і в тому, чи буде такий закон дійсно сприяти енергозбереження. У міру надходження новин про поетапної ліквідації ламп розжарювання набирали обертів і дискусії про те, що ж замінить класичне винахід Томаса Едісона. В якості перспективних кандидатур висувалися не тільки компактні люмінесцентні лампи, але і світлодіодні лампи. І якщо з першими все більш-менш зрозуміло, до твердотельному висвітлення виник ряд питань. Перш за все, чи готові світлодіодні лампи, як технологія, до поетапної заміни ламп розжарювання? Чи зможуть споживачі легко переключитися на лампи з СД? І головне, чи приймуть вони таку заміну?

Найважливіша місія освітлення - сприяти поліпшенню працездатності і гарного самопочуття користувачів, бути енергоефективним і екологічно чистим. І, звичайно ж, гармоніювати з архітектурними формами, створюючи візуально привабливе простір.

Ключем до успіху різних технологій освітлення є експлуатаційні характеристики використовуваних джерел світла. Найбільш поширеними параметрами є світловий потік, світлова віддача (лм / Вт), кольоровість випромінювання (колірна температура Tц і координати кольоровості), якість передачі кольору (індекс передачі кольору R а), термін служби і спад світлового потоку (швидкість зниження світлового потоку в часі). Для вибору системи освітлення або заміни ламп велике значення може мати і розподіл світла.

Основний недолік ламп розжарювання - дуже низька світлова віддача, близько 15 лм / Вт. І, тим не менш, вони займають значну частку в освітлювальному секторі, особливо в житлових будинках. У тому числі завдяки цьому, на освітлення в США припадає близько 22% загального обсягу виробленої електроенергії.

Зростаючий світовий попит на енергію, обмежене енергопостачання і політична нестабільність нафтовидобувних регіонів світу змусили багато країн застосувати заходи державного регулювання для зниження споживання енергії і випуску енергоефективних товарів. Закони про підвищення ефективності освітлення (а це більш правильний опис ситуації, ніж поетапне виведення з обігу ЛН або навіть їх заборону) прийняті в багатьох країнах.

Зазначений вище закон лише встановлює стандарти ефективності, задаючи мінімальну планку. Наприклад, для ламп розжарювання передбачається зниження потужності приблизно на 25%. Як показує таблиця нижче, з січня 2012 р поетапні заходи вводяться тільки для 100-Вт ламп, які повинні виробляти той же світловий потік при максимальній потужності 72 Вт. У 2013 р аналогічні вимоги будуть пред'являтися вже до 75-Вт лампам, а в 2014 р вже і до ламп потужністю 60 і 40 Вт. Ряд рефлекторних ЛН, включаючи PAR20, PAR30, PAR38, BR30, R20 і R40 певних потужностей в рамках цього закону також повинні підвищити свою ефективність.

Стандарти світлової ефективності ЛН загального призначення

Поточна потужність, ВтДіапазон світлового потоку, лмНова макс.потужність, ВтТермін служби, годДата введення

100 1490-2600 72 1000 1/1/2012 75 1050-1489 53 1000 1/1/2013 60 750-1049 43 1000 1/1/2014 40 310-749 29 1000 1 / 1/2014

Після вступу закону в силу лампи розжарювання, зрозуміло, можуть виготовлятися, аби уникнути таких вимог. Що стосується ринку, то роздрібні торговці і дистриб'ютори можуть продавати вже заборонені товари до тих пір, поки їх запаси не вичерпаються. Важливо пам'ятати, що заборонені далеко не всі типи ЛН. Так, законодавча заборона не торкнулася багатьох спеціальних типів ЛН, в т.ч. ламп-свічок, приладових, оранжерейних, кольорових ламп і т.д.

У 2020 р світлова віддача для будь-якого типу A-ламп повинна скласти не менше 45 лм / Вт. Які вироби будуть відповідати такому рівню ефективності?

На малюнку 1 представлені значення світлової віддачі для світлодіодних ламп, компактних люмінесцентних і галогенних ламп різних потужностей. Похила лінія відповідає мінімальній ефективності 45 лм / Вт. Як видно з малюнка, приблизно 90% всіх наявних в даний час світлодіодних ламп і КЛЛ вже відповідають йому. Поточна ж продукція в ряду галогенних ламп вже не буде відповідати заданим рівнем ефективності.

Світлодіодні лампи для загального освітлення

В даний час на ринку існує багато джерел світла, що відповідають вимогам енергозбереження. Однак в цьому відношенні світлодіодні лампи мають куди більший потенціал - їх теоретична ефективність (світлова віддача) набагато більше, ніж у інших джерел світла. Це, а також їх здатність виробляти цілком прийнятний світло білого кольору, спонукало багато країн вкладати кошти в дослідження і просування програм з розробки світлодіодного освітлення. Уже зараз комерційно доступні світлодіодні лампи (а точніше саме світлодіоди, які в них встановлені) мають світлову віддачу більш ніж 100 лм / Вт. А до 2020 р прогнозують 200 лм / Вт. Для цього необхідно домогтися підвищення ефективності ряду етапів отримання світла, наприклад, внутрішньої квантової ефективності, ефективності люмінофора, ефективності виходу світла (як з чіпа, так і СД збірки). Безумовно, також необхідно істотне зниження вартості СД, використовуваних для створення освітлювальних приладів.

Безумовно, також необхідно істотне зниження вартості СД, використовуваних для створення освітлювальних приладів

Світловий потік СД, КЛЛ і галогенних ламп різних потужностей [6]. (За даними на травень 2011 р).

Власне, світлодіодна збірка є лише частиною освітлювального приладу. І не можна судити про нього тільки за характеристиками світлодіодів. І дизайн, і місце установки, і навколишнє середовище роблять значний вплив на тепловий режим роботи СД, а тим самим і на світловий потік, термін служби і навіть кольоровість випромінювання. Інші компоненти освітлювальної системи (оптика або блоки живлення) також мають втрати енергії. В результаті середня ефективність світлодіодних систем освітлення становить приблизно 60% від ефективності «голої» світлодіодним збірки. А споживачів завжди цікавлять параметри кінцевого продукту і в даному випадку - готової світлодіодної лампи.

В останні кілька років світлова віддача систем СД-освітлення помітно підвищилася. Малюнок 2 дає уявлення про світлових потоках і ефективності СД-ламп, здатних замінити різні типи ламп розжарювання. Як видно, комерційно доступні світлодіодні лампи зі світловою віддачею 37-70 лм / Вт.

Для стимулювання індустрії освітлення в 2008 р Міністерство енергетики США оголосило конкурс на створення високоефективних світлодіодних ламп для заміни ламп розжарювання, запропонувавши грошовий приз, акції і т.д. На головний приз могли претендувати лампи для заміни 60-Вт ЛН. Мінімальні вимоги до конкурсантів дуже серйозні - світлова віддача не менше 90 лм / Вт при потужності не більше 10 Вт і світловому потоці більше 900 лм. При цьому індекс передачі кольору Ra повинен бути не менше 90, термін служби більше 25 000 ч, а колірна температура становитиме 2700-3000 К.

Після ряду незалежних випробувань в серпні 2011 р був оголошений перший переможець - ним виявилися світлодіодні лампи компанії Philips Lighting [10]. Наступний аналогічний конкурс буде організований з метою заміни лампи PAR38.

Чим визначається успіх СД-ламп?

Розглянемо ряд міркувань щодо фотометричного якості світла, механічного дизайну, електричних характеристик, системної інтеграції і надійності світлодіодних ламп, а також легкість їх покупки. Від цих факторів істотно залежить, чи стануть світлодіодні лампи дійсно придатними для заміни ЛН.

Від цих факторів істотно залежить, чи стануть світлодіодні лампи дійсно придатними для заміни ЛН

Світловий потік і світлова віддача комерційно доступних СД-ламп (A, G, MR і PAR типів). Дані бралися на веб-сайті Energy Star, серпень, 2011 р

Фотометричні якості світлодіодних ламп

Розподіл світлового потоку, передача кольору, зовнішній вигляд кольору і його однаковість є одними з найбільш важливих фотометричних якостей СД-ламп, призначених для заміни ЛН. Більшість світильників для житлових приміщень були розроблені під розподіл світла лампами розжарювання типу А, R або PAR. Наприклад, в настільному світильнику A-лампа «кидає» світло як вгору, до стелі, так і вниз, на поверхню столу. У той же час ряд СД-ламп мають більш вузький розподіл - більша його частина спрямована вгору, а менша - вниз. Для споживача це може бути неприйнятним. Що стосується колірних характеристик джерела світла, то загальне освітлення вимагає хорошої передачі кольору і координат кольоровості, що лежать поблизу локусу абсолютно чорного тіла. Колірна ж температура, в залежності від програми, повинна становити 2700-5500 К. Не менш важливо колірне сталість «від лампи до лампи». Лампи з відчутною різницею в координатах кольоровості, що знаходяться в безпосередній близькості, можуть створювати помітний дискомфорт.

Конструктивний дизайн світлодіодних ламп

Якщо розміри і конфігурації світлодіодних ламп схожі з лампами розжарювання, то вони, швидше за все, зможуть замінити їх у звичайних світильниках. Вага ж проблемою не є. Ранні компактні люмінесцентні лампи з магнітними баластами важили значно більше, ніж лампи розжарювання, які вони були покликані замінити. Сьогоднішні світлодіодні лампочки також значно важче ламп розжарювання через чавунних радіаторів.

Найважливішим аспектом конструктивного дизайну є управління тепловими режимами роботи СД. Використовувані методи відведення тепла повинні підтримувати температуру pn-переходу досить низькою, щоб забезпечити належну працездатність СД-ламп. Температура залежить як від робочого струму, так і умов експлуатації СД-лампи. У закритих, що встановлюються на стінах або стелях світильниках під час відсутності конвекції СД-лампи часто працюють при досить високих температурах. Для прикладу на малюнку 3 наведені температури радіаторів СД-ламп (призначених для заміни 40-, 60- і 75-Вт ЛН) при роботі в повсюдно використовуваних світильниках.

Температура радіаторів випробовуваних СД-ламп (призначених для заміни 40-, 60- і 75-Вт ЛН) при роботі в різних типах світильників

Підвищення температур радіаторів СД і температур pn-переходу можуть значно вплинути на характеристики і термін служби СД-ламп. Так, дослідження працездатності різних СД-ламп, проведені протягом 4000 год випробувань в LRC, показали, що з-за високих робочих температур сім з 22 ламп перевищили 30-% поріг падіння світлового потоку, як це показує малюнок 4. Також високий спад світлового потоку під час «відпалу» ламп2.

Спад відносного світлового потоку з часом для 22-х СД-ламп A-19 [9].

Електричні характеристики світлодіодних ламп

Електричні характеристики також мають велике значення для надійності світлодіодних систем освітлення. Високі температури впливають на блок живлення, скорочуючи термін служби всієї системи. Дослідження LRC [11,12] показали, що електролітичний конденсатор є найслабшим компонентом в драйвері, а нагрів значно знижує термін його служби - з температурою він зменшується експоненціально. Взагалі, вихід з ладу будь-якого з компонентів блоку живлення може порушити роботу світлодіодної освітлювальної системи.

Таким чином, для передбачення збою системи в реальних умовах експлуатації необхідні методи прискорених випробувань. В даний час LRC і ASSIST вивчають проблеми прогнозування надійності системи. Використання СД-ламп в системах діммірованія, встановлених в житлових будинках, також є певною проблемою. Нещодавно досліджувалися характеристики дімміруемих, комерційно доступних світлодіодних ламп і зміни робочих параметрів різних диммеров, що встановлюються в житлових об'єктах. При цьому вимірювалися мінімальний і максимальний світлові потоки ряду ламп (СД, КЛЛ і лампи розжарювання) для різних диммеров, а також пускові та робочі пікові струми останніх.

Дослідження показують, що характеристики однієї і тієї ж лампи змінюються при переході від одного діммера до іншого. Навіть лампи розжарювання при таких переходах змінюють діапазон яскравості [13-14]. Деякі методи діммірованія СД систем освітлення призводять до мерехтіння (пульсаціям) випромінюваного світла, яке в ряді випадків може бути неприйнятним. Так, воно може викликати різні неврологічні проблеми, включаючи епілептичний припадок, головні болі, втому, втому очей і, нарешті, призводити до погіршення зорової працездатності. На сприйняття мерехтливого світла можна впливати частотою, глибиною модуляції, скважностью і формою сигналу. Для прикладу, малюнки 5 і 6 показують пульсації світлового потоку СД-лампи при її роботі в двох розрізняються системах з регульованою яскравістю [15].

Для прикладу, малюнки 5 і 6 показують пульсації світлового потоку СД-лампи при її роботі в двох розрізняються системах з регульованою яскравістю [15]

Відносний світловий потік СД-лампи при її роботі з диммером 1

Відносний світловий потік СД-лампи при її роботі з диммером 1

Відносний світловий потік СД-лампи при її роботі з диммером 2

Нагадаємо, що лампи розжарювання, в залежності від потужності, також випромінюють мерехтливе світло з коефіцієнтом пульсації приблизно 6-8%. Досліджувана СД-лампа, що працює без підсвічування, має коефіцієнт пульсації 5,3% - трохи менше, ніж ЛН. Однак простое3 її підключення до живлення через схему діммірованія значно збільшує даний параметр приблизно до 10%. І вже при дворазовому діммірованіе коефіцієнт пульсації виростає до неприпустимих велічін4 - 33 і 97% (!) Відповідно для першого і другого диммеров. Стробоскопічні ефекти в цілому не викликають неприємних відчуттів, хоча і помітні аж до частот 1000 Гц [17].

Світлодіодні лампи: доступність товару

Вартість, доступність, ясна маркування продукції та гарантії є складовими успіху СД-ламп на ринку. Роздрібна ціна покупки таких джерел світла навіть в 2011 р часто шокує споживачів, які звикли до ціни близько 1 дол. Або менше за лампу розжарювання і до 2-5 дол. За компактну люмінесцентну лампу. Світлодіодні лампи продаються, як правило, за ціною 17-60 дол. В залежності від типу. Ціна повинна значно знизитися, і в цьому можуть допомогти різні пільги і субсидії. Як товар світлодіодні лампи повинні бути широко продається найкраще - в малих і великих магазинах роздрібної торгівлі, навіть в продуктових магазинах і аптеках. Заміна ними ламп розжарювання повинна бути легкою і забезпечена повсякденним наявністю однотипного продукту з тим же форм-фактором, зовнішнім виглядом і характеристиками.

Ясність маркування продукції також буде відігравати певну роль. Нові вимоги до маркування, передбачені Федеральною торговою комісією США, вже вступили в силу в 2012 р Це означає, що споживачі вже вивчають «нову мову освітлення». Вони будуть купувати світлодіодні лампи по величині світлового потоку, а не потужності. Це потребуватиме великої просвітницької роботи, тому що світловий потік, що випромінюється, скажімо, традиційної 100-Вт лампою розжарювання - таємниця за сімома печатками для рядового покупця. А йому треба вибирати КЛЛ або СД-лампу приблизно з тим же горезвісним світловим потоком! І, нарешті, з огляду на можливі проблеми з надійністю цих нових ламп, необхідно забезпечити гарантії того, що споживач зможе швидко замінити лампу, що вийшла з ладу раніше гарантійного терміну. Складні питання про те, як ця гарантія буде оформлена, хто буде відповідати за заміну ламп, необхідно розглянути найближчим часом.

В даний час для заміни ламп розжарювання потужністю 40-100 Вт на ринку пропонується цілий ряд альтернативних джерел світла. До них відносяться галогенні, КЛЛ і світлодіодні лампи. У міру того як СД-лампи стають доступнішими для використання в житлових приміщеннях і коштують дешевше, їх частка на ринку освітлення, за прогнозами, суттєво зросте.

Сьогодні деякі світлодіодні лампи мають цілком достатні для споживача світловий потік, координати кольоровості і світлову віддачу. Однак більша їх частина потребує доопрацювання через випромінювання, яке відрізняється від звичного теплого світла ламп розжарювання.

Роздрібна ціна покупки повинна істотно знизитися (в ідеалі - до 5 дол. Або менше), щоб зробити її порівнянної з ціною КЛЛ і галогенних ламп, тому що більшість споживачів купує лампи «тут і зараз», не замислюючись, скільки витратять потім.

Світлодіодні лампи повинні стати більш надійними і мати термін служби не менше 25 тис. Ч. В першу чергу, це відноситься до ламп з високою вартістю. Гарантія заміни поламаних ламп (до закінчення гарантійного терміну) дозволить помітно зменшити роздратування споживача. Буде потрібно певне регулювання, щоб витіснити з ринку інформаційно погано оформлену упаковку продукції, бо це може призвести до підриву у споживача довіри до всієї концепції світлодіодного освітлення. І, нарешті, придбання і заміна світлодіодних ламп повинна бути простою і легко здійсненним.

література

- Narendran N. Is solid-state lighting ready for the incandescent lamp phase-out? // Proc. SPIE, Vol. 8123, 812302. LEDs Magazine.
- US House votes down incandescent bulb-ban bill. 13 July 2011 // www.ledsmagazine.com / news / 8/7/12.
- Rea MS [The IESNA Lighting Handbook: Reference and Application, 9th edition] Illuminating Engineering Society of North America, New York (2000).
- US Department of Energy. [US Lighting Market Characterization, Volume 1: National Lighting Inventory and Energy Consumption Estimate] (2002).
- [Energy Independence and Security Act of 2007], Public Law 110-140, 110th Congress, December 19, Sec. 321-322 (2007).
- www.lightingfacts.com/downloads/LF_Product_Snapshot_May_2011.PDF.
- OIDA Optoelectronics Industry Development Association, [Light Emitting Diodes (LEDs) for General Illumination: An OIDA Technology Roadmap Update 2002] (2002).
- EnergyStar.gov, [ENERGY STAR Qualified LED Light Bulbs, Last Modified 8/30/2011] // www.energystar.gov/index.cfm?fuseaction=iledl.display_products_pdf (2011).
- Narendran, N., Freyssinier, JP LED: What to look for today and in the future. NALMCO Annual Tradeshow and Convention, October 18, 2010 Cabo San Lucas, Mexico (2010).
- US Department of Energy L-Prize // www.lightingprize.org / index.stm (2011).
- Han, L., and Narendran, N. Developing an accelerated life test method for LED drivers, Proc. SPIE 7422, 742 209 (2009).
- Han, L., and Narendran, N. An accelerated test method for predicting the useful life of an LED driver. IEEE Trans. Power Elec. 26 (8), 2249-2257 (2011).
- ASSIST, [ASSIST Technical Note: Dimming LED Integral Lamps] // www.lrc.rpi.edu/programs/solidstate/assist/pdf/ASSIST-TechNote-Dimming-LEDIntegralLamps.pdf (2011).
- ASSIST, [ASSIST Technical Note: Variations in Household Wall Dimmers for Lighting] // www.lrc.rpi.edu/programs/solidstate/assist/pdf/ASSIST-TechNote-Dimming- VariationsInHouseholdDimmers.pdf (2011).
- http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/poplawski_dimming_lightfair2012.pdf.
- Bullough, JD, Sweater Hickcox, K., Klein, TR, and Narendran, N. Effects of flicker characteristics from solid-state lighting on detection, acceptability and comfort. Light. Res. Technol. 43 (3), 337-348 (2011).
- Bullough, JD, Sweater Hickcox, K., Klein, TR, Lok, A., and Narendran, N. Detection and acceptability of stroboscopic effects from flicker. Light. Res. Technol.

Схожі Записи

« Рейтинг освітлювальних установок для магістралі районного значення Б2 / 2012 BOX І ROUND. ВИПРОБУВАННЯ офісних СВІТЛОДІОДНИХ СВІТИЛЬНИКІВ ВІД LUXON »

Перш за все, чи готові світлодіодні лампи, як технологія, до поетапної заміни ламп розжарювання?
Чи зможуть споживачі легко переключитися на лампи з СД?
І головне, чи приймуть вони таку заміну?
Які вироби будуть відповідати такому рівню ефективності?
Is solid-state lighting ready for the incandescent lamp phase-out?
Cfm?
Новости