Светодиодные лампы: полный вперед или вторая смена?

Светодиодные лампы: полный вперед или вторая смена?

Ноя 25 • L[PRO]SPECTU, Статьи • 1853 Просмотров •

1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (5 votes, average: 4,40 out of 5)
Загрузка...

Светодиодные лампы: полный вперед или вторая смена?

Поддерживая энергоэффективные источники света, ведущие страны мира решили законодательно «запретить» производство ламп накаливания мощностью 40–100 Вт. Чтобы избежать ажиотажа, запрещать начали поэтапно, до 2014 г. В преемники «лампочкам Ильича» пророчили светодиодные лампы. В 2011 г. текущее состояние этой технологии обсуждалось в публикации Н. Нарендрана, одного из ведущих специалистов светотехнического исследовательского центра (LRC) при Ренсселеровском политехническом институте. В настоящей статье мы представим взгляд этого сотрудника LRC на светодиодные лампы и их готовность к поэтапной замене ламп накаливания.

Светодиодные лампы: полный вперед или вторая смена?

Михаил Мальков,
michail.malkov@yandex.ru

Кандидат физико-математических наук. Окончил физический факультет и аспирантуру МГУ им. М.В. Ломоносова. Основная область интересов — зондовая диагностика и моделирование газового разряда. МГУ им. Н.П.Огарева, ген. директор ООО «Иннотех»

Опубликовано в журнале Lumen&ExpertUnion №2/2012

Принятый США в 2007 г. «Закон об энергетической независимости и безопасности» вызвал в начале 2011 г. шквал сообщений — как достоверных, так и откровенно смешных — о том, что произойдет с лампочками с 1 января 2012 г. СМИ разных стран запестрели анекдотичными сообщениями о создании жителями запасов ламп накаливания (ЛН) — в некоторых случаях даже на всю оставшуюся жизнь.

Высказывались сомнения и в том, будет ли такой закон действительно способствовать энергосбережению. По мере поступления новостей о поэтапной ликвидации ламп накаливания набирали обороты и дискуссии о том, что же заменит классическое изобретение Томаса Эдисона. В качестве перспективных кандидатур выдвигались не только компактные люминесцентные лампы, но и светодиодные лампы. И если с первыми все более или менее понятно, к твердотельному освещению возник ряд вопросов. Прежде всего, готовы ли светодиодные лампы, как технология, к поэтапной замене ламп накаливания? Смогут ли потребители легко переключиться на лампы с СД? И главное, примут ли они такую замену?

Важнейшая миссия освещения — способствовать улучшению работоспособности и хорошему самочувствию пользователей, быть энергоэффективным и экологически чистым. И, конечно же, гармонировать с архитектурными формами, создавая визуально привлекательное пространство.

Ключом к успеху различных технологий освещения являются эксплуатационные характеристики используемых источников света. Наиболее распространенными параметрами являются световой поток, световая отдача (лм/Вт), цветность излучения (цветовая температура Tц и координаты цветности), качество передачи цвета (индекс цветопередачи Rа), срок службы и спад светового потока (скорость снижения светового потока во времени). Для выбора системы освещения или замены ламп большое значение может иметь и распределение света.

СМОГУТ ЛИ ПОТРЕБИТЕЛИ ЛЕГКО ПЕРЕКЛЮЧИТЬСЯ НА СВЕТОДИОДНЫЕ ЛАМПЫ? И ГЛАВНОЕ, ПРИМУТ ЛИ ОНИ ТАКУЮ ЗАМЕНУ?

Основной недостаток ламп накаливания — очень низкая световая отдача, около 15 лм/Вт. И, тем не менее, они занимают значительную долю в осветительном секторе, особенно в жилых домах. В том числе благодаря этому, на освещение в США приходится около 22% общего объема производимой электро­энергии.

Растущий мировой спрос на энергию, ограниченное энергоснабжение и политическая нестабильность нефтедобывающих регионов мира вынудили многие страны применить меры государственного регулирования для снижения потребления энергии и выпуска энергоэффективных товаров. Законы о повышении эффективности освещения (а это более правильное описание ситуации, чем поэтапный вывод из обращения ЛН или даже их запрет) приняты во многих странах.

Указанный выше закон лишь устанавливает стандарты эффективности, задавая минимальную планку. Например, для ламп накаливания предусматривается снижение мощности приблизительно на 25%. Как показывает таблица ниже, с января 2012 г. поэтапные меры вводятся только для 100-Вт ламп, которые должны производить тот же световой поток при максимальной мощности 72 Вт. В 2013 г. аналогичные требования будут предъявляться уже к 75-Вт лампам, а в 2014 г. уже и к лампам мощностью 60 и 40 Вт. Ряд рефлекторных ЛН, включая PAR20, PAR30, PAR38, BR30, R20 и R40 определенных мощностей в рамках этого закона также должны повысить свою эффективность.

Стандарты световой эффективности ЛН общего назначения

Текущая мощность, Вт Диапазон светового потока, лм Новая макс. мощность, Вт Срок службы, ч  Дата введения
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

 

После вступления закона в силу лампы накаливания, разумеется, могут изготавливаться, лишь бы они удовлетворяли этим требованиям. Что касается рынка, то розничные торговцы и дистрибьюторы могут продавать уже запрещенные товары до тех пор, пока их запасы не исчерпаются. Важно помнить, что запрещены далеко не все типы ЛН. Так, законодательный запрет не коснулся многих специальных типов ЛН, в т.ч. ламп-свечей, приборных, оранжерейных, цветных ламп и т.д.

В 2020 г. световая отдача для любого типа A-ламп должна составить не менее 45 лм/Вт. Какие изделия будут соответствовать такому уровню эффективности?

В 2020 Г. СВЕТОВАЯ ОТДАЧА ДЛЯ ЛЮБОГО ТИПА A-ЛАМП ДОЛЖНА СОСТАВИТЬ НЕ МЕНЕЕ 45 ЛМ/ВТ

На рисунке 1 представлены значения световой отдачи для светодиодных ламп, компактных люминесцентных и галогенных ламп различных мощностей. Наклонная линия соответствует минимальной эффективности 45 лм/Вт. Как видно из рисунка, примерно 90% всех имеющихся в настоящее время светодиодных ламп и КЛЛ уже соответствуют ему. Текущая же продукция в ряду галогенных ламп уже не будет соответствовать заданному уровню эффективности.

Светодиодные лампы для общего освещения

В настоящее время на рынке существует много источников света, отвечающих требованиям энергосбережения. Однако в этом отношении светодиодные лампы обладают куда большим потенциалом — их теоретическая эффективность (световая отдача) намного больше, чем у других источников света. Это, а также их способность производить вполне приемлемый свет белого цвета, побудило многие страны вкладывать средства в исследования и продвижение программ по разработке светодиодного освещения. Уже сейчас коммерчески доступные светодиодные лампы (а точнее именно светодиоды, которые в них установлены) имеют световую отдачу более чем 100 лм/Вт. А к 2020 г. прогнозируют 200 лм/Вт. Для этого необходимо добиться повышения эффективности ряда этапов получения света, например, внутренней квантовой эффективности, эффективности люминофора, эффективности выхода света (как из чипа, так и СД сборки). Безусловно, также необходимо существенное снижение стоимости СД, используемых для создания осветительных приборов.

Световой поток СД, КЛЛ и галогенных ламп различных мощностей [6]. (По данным на май 2011 г.).

Световой поток СД, КЛЛ и галогенных ламп различных мощностей [6]. (По данным на май 2011 г.).

Собственно, светодиодная сборка является лишь частью осветительного прибора. И нельзя судить о нем только по характеристикам светодиодов. И дизайн, и место установки, и окружающая среда оказывают значительное влияние на тепловой режим работы СД, а тем самым и на световой поток, срок службы и даже цветность излучения. Другие компоненты осветительной системы (оптика или блоки питания) также имеют потери энергии. В результате средняя эффективность светодиодных систем освещения составляет примерно 60% от эффективности «голой» светодиодной сборки. А потребителей всегда интересуют параметры конечного продукта и в данном случае — готовой светодиодной лампы.

СРЕДНЯЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СВЕТОДИОДНЫХ СИСТЕМ ОСВЕЩЕНИЯ СОСТАВЛЯЕТ ПРИМЕРНО 60% ОТ «ГОЛОЙ» СД-СБОРКИ. А ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ВСЕГДА ИНТЕРЕСУЮТ ПАРАМЕТРЫ КОНЕЧНОГО ПРОДУКТА

В последние несколько лет световая отдача систем СД-освещения заметно повысилась. Рисунок 2 дает представление о световых потоках и эффективности СД-ламп, способных заменить различные типы ламп накаливания. Как видно, коммерчески доступны светодиодные лампы со световой отдачей 37–70 лм/Вт.

Для стимулирования индустрии освещения в 2008 г. Министерство энергетики США объявило конкурс на создание высокоэффективных светодиодных ламп для замены ламп накаливания, предложив денежный приз, акции и т.д. На главный приз могли претендовать лампы для замены 60-Вт ЛН. Минимальные требования к конкурсантам весьма серьезны — световая отдача не менее 90 лм/Вт при мощности не более 10 Вт и световом потоке более 900 лм. При этом индекс цветопередачи Ra должен быть не менее 90, срок службы более 25 000 ч, а цветовая температура составлять 2700–3000 К.

После ряда независимых испытаний в августе 2011 г. был объявлен первый победитель — им оказались светодиодные лампы компании Philips Lighting [10]. Следующий аналогичный конкурс будет организован с целью замены лампы PAR38.

Чем определяется успех СД-ламп?

Рассмотрим ряд соображений относительно фотометрического качества света, механического дизайна, электрических характеристик, системной интеграции и надежности светодиодных ламп, а также легкость их покупки. От этих факторов существенно зависит, станут ли светодиодные лампы действительно пригодными для замены ЛН.

Световой поток и световая отдача коммерчески доступных СД-ламп (A, G, MR и PAR типов). Данные брались на веб-сайте Energy Star, август, 2011 г.

Световой поток и световая отдача коммерчески доступных СД-ламп (A, G, MR и PAR типов). Данные брались на веб-сайте Energy Star, август, 2011 г.

Фотометрические качества светодиодных ламп

Распределение светового потока, цветопередача, внешний вид цвета и его единообразие являются одними из самых важных фотометрических качеств СД-ламп, предназначенных для замены ЛН. Большинство светильников для жилых помещений были разработаны под распределение света лампами накаливания типа А, R или PAR. Например, в настольном светильнике A-лампа «бросает» свет как вверх, к потолку, так и вниз, на поверхность стола. В то же время ряд СД-ламп имеют более узкое распределение — большая его часть направлена вверх, а меньшая — вниз. Для потребителя это может быть неприемлемо. Что касается цветовых характеристик источника света, то общее освещение требует хорошей цветопередачи и координат цветности, лежащих вблизи локуса абсолютно черного тела. Цветовая же температура, в зависимости от приложения, должна составлять 2700–5500 К. Не менее важно цветовое постоянство «от лампы к лампе». Лампы с ощутимой разницей в координатах цветности, находящиеся в непосредственной близости, могут создавать заметный дискомфорт.

Конструктивный дизайн светодиодных ламп

Если размеры и конфигурации светодиодных ламп схожи с лампами накаливания, то они, скорее всего, смогут заменить их в обычных светильниках. Вес же проблемой не является. Ранние компактные люминесцентные лампы с магнитными балластами весили значительно больше, чем лампы накаливания, которые они были призваны заменить. Сегодняшние светодиодные лампочки также значительно тяжелее ламп накаливания из-за металлических радиаторов.

Важнейшим аспектом конструктивного дизайна является управление тепловыми режимами работы СД. Используемые методы отвода тепла должны поддерживать температуру p-n-перехода достаточно низкой, чтобы обеспечить надлежащую работоспособность СД-ламп. Температура зависит как от рабочего тока, так и условий эксплуатации СД-лампы. В закрытых, устанавливаемых на стенах или потолках светильниках в отсутствие конвекции СД-лампы часто работают при достаточно высоких температурах. Для примера на рисунке 3 приведены температуры радиаторов СД-ламп (предназначенных для замены 40-, 60- и 75-Вт ЛН) при работе в повсеместно используемых светильниках.

Температура радиаторов испытуемых СД-ламп (предназначенных для замены 40-, 60- и 75-Вт ЛН) при работе в различных типах светильников

Температура радиаторов испытуемых СД-ламп (предназначенных для замены 40-, 60- и 75-Вт ЛН) при работе в различных типах светильников

Повышение температур радиаторов СД и температур p-n-перехода могут значительно повлиять на характеристики и срок службы СД-ламп. Так, исследования работоспособности различных СД-ламп, проведенные в течение 4000 ч испытаний в LRC, показали, что из-за высоких рабочих температур семь из 22 ламп превысили 30-% порог падения светового потока, как это показывает рисунок 4. Также высок спад светового потока во время «отжига» ламп2.

Спад относительного светового потока со временем для 22-х СД-ламп A-19 [9].

Спад относительного светового потока со временем для 22-х СД-ламп A-19 [9].

Электрические характеристики светодиодных ламп

Электрические характеристики также имеют большое значение для надежности светодиодных систем освещения. Высокие температуры воздействуют на блок питания, сокращая срок службы всей системы. Исследования LRC [11,12] показали, что электролитический конденсатор является самым слабым компонентом в драйвере, а нагрев значительно снижает срок его службы — с температурой он уменьшается экспоненциально. Вообще, выход из строя любого из компонентов блока питания может нарушить работу светодиодной осветительной системы.

Таким образом, для предсказания сбоя системы в реальных условиях эксплуатации необходимы методы ускоренных испытаний. В настоящее время LRC и ASSIST изучают проблемы прогнозирования надежности системы. Использование СД-ламп в системах диммирования, установленных в жилых домах, также является определенной проблемой. Недавно исследовались характеристики диммируемых, коммерчески доступных светодиодных ламп и изменения рабочих параметров различных диммеров, устанавливаемых в жилых объектах. При этом измерялись минимальный и максимальный световые потоки ряда ламп (СД, КЛЛ и лампы накаливания) для различных диммеров, а также пусковые и рабочие пиковые токи последних.

ИССЛЕДОВАНИЯ ПОКАЗЫВАЮТ, ЧТО ХАРАКТЕРИСТИКИ ОДНОЙ И ТОЙ ЖЕ ЛАМПЫ ИЗМЕНЯЮТСЯ ПРИ ПЕРЕХОДЕ ОТ ОДНОГО ДИММЕРА К ДРУГОМУ

Исследования показывают, что характеристики одной и той же лампы изменяются при переходе от одного диммера к другому. Даже лампы накаливания при таких переходах меняют диапазон яркости [13–14]. Некоторые методы диммирования СД систем освещения приводят к мерцанию (пульсациям) излучаемого света, которое в ряде случаев может быть неприемлемым. Так, оно может вызывать различные неврологические проблемы, включая эпилептический припадок, головные боли, усталость, утомление глаз и, наконец, приводить к ухудшению зрительной работоспособности. На восприятие мерцающего света можно воздействовать частотой, глубиной модуляции, скважностью и формой сигнала. Для примера, рисунки 5 и 6 показывают пульсации светового потока СД-лампы при ее работе в двух различающихся системах с регулируемой яркостью [15].

 

Относительный световой поток СД-лампы при ее работе с диммером 1

Относительный световой поток СД-лампы при ее работе с диммером 1

 

 

Относительный световой поток СД-лампы при ее работе с диммером 2

Относительный световой поток СД-лампы при ее работе с диммером 2

 

Напомним, что лампы накаливания, в зависимости от мощности, также излучают мерцающий свет с коэффициентом пульсации примерно 6–8%. Исследуемая СД-лампа, работающая без диммера, имеет коэффициент пульсации 5,3% — немного меньше, чем ЛН. Однако простое3 ее подключение к питанию через схему диммирования значительно увеличивает данный параметр примерно до 10%. И уже при двукратном диммировании коэффициент пульсации вырастает до недопустимых величин4 — 33 и 97% (!) соответственно для первого и второго диммеров. Стробоскопические эффекты в целом не вызывают неприятных ощущений, хотя и заметны вплоть до частот 1000 Гц [17].

Светодиодные лампы: доступность товара

Стоимость, доступность, ясная маркировка продукции и гарантии являются слагаемыми успеха СД-ламп на рынке. Розничная цена покупки таких источников света даже в 2011 г. часто шокирует потребителей, привыкших к цене около 1 долл. или меньше за лампу накаливания и к 2–5 долл. за компактную люминесцентную лампу. Светодиодные лампы продаются, как правило, по цене 17–60 долл. в зависимости от типа. Цена должна значительно снизиться, и в этом могут помочь различные льготы и субсидии. Как товар светодиодные лампы должны быть широко продаваемы — в малых и больших магазинах розничной торговли, даже в продуктовых магазинах и аптеках. Замена ими ламп накаливания должна быть легкой и обеспечена повседневным наличием однотипного продукта с тем же форм-фактором, внешним видом и характеристиками.

БОЛЬШИНСТВО ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПОКУПАЕТ ЛАМПЫ НА ОСНОВЕ ПЕРВИЧНЫХ РАСХОДОВ БЕЗ УЧЕТА ВСЕХ ОПЕРАТИВНЫХ ЗАТРАТ С ТЕЧЕНИЕМ ВРЕМЕНИ

Ясность маркировки продукции также будет играть определенную роль. Новые требования к маркировке, предусмотренные Федеральной торговой комиссией США, уже вступили в силу в 2012 г. Это означает, что потребители уже изучают «новый язык освещения». Они будут покупать светодиодные лампы по величине светового потока, а не мощности. Это потребует большой просветительской работы, потому что световой поток, излучаемый, скажем, традиционной 100-Вт лампой накаливания — тайна за семью печатями для рядового покупателя. А ему надо выбирать КЛЛ или СД-лампу примерно с тем же пресловутым световым потоком! И, наконец, учитывая возможные проблемы с надежностью этих новых ламп, необходимо обеспечить гарантии того, что потребитель сможет быстро заменить лампу, вышедшую из строя раньше гарантийного срока. Сложные вопросы о том, как эта гарантия будет оформлена, кто будет отвечать за замену ламп, необходимо рассмотреть в ближайшее время.

В настоящее время для замены ламп накаливания мощностью 40–100 Вт на рынке предлагается целый ряд альтернативных источников света. К ним относятся галогенные, КЛЛ и светодиодные лампы. По мере того как СД-лампы становятся более доступными для использования в жилых помещениях и стоят дешевле, их доля на рынке освещения, по прогнозам, существенно вырастет.

Сегодня некоторые светодиодные лампы имеют вполне достаточные для потребителя световой поток, координаты цветности и световую отдачу. Однако большая их часть нуждается в доработке из-за излучения, которое отличается от привычного теплого света ламп накаливания.

Розничная цена покупки должна существенно снизиться (в идеале — до 5 долл. или меньше), чтобы сделать ее сопоставимой с ценой КЛЛ и галогенных ламп, потому что большинство потребителей покупает лампы «здесь и сейчас», не задумываясь, сколько потратят потом.

Светодиодные лампы должны стать более надежными и иметь срок службы не менее 25 тыс. ч. В первую очередь, это относится к лампам с высокой стоимостью. Гарантия замены вышедших из строя ламп (до истечения гарантийного срока) позволит заметно уменьшить раздражение потребителя. Потребуется определенное регулирование, чтобы вытеснить с рынка информационно плохо оформленную упаковку продукции, ибо это может привести к подрыву у потребителя доверия ко всей концепции светодиодного освещения. И, наконец, приобретение и замена светодиодных ламп должна быть простой и легко выполнимой.

Литература

– 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 M.S. [The IESNA Lighting Handbook: Reference and Application, 9th edition] Illuminating Engineering Society of North America, New York (2000).
– U.S. Department of Energy. [U.S. 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, J.P. LED: What to look for today and in the future. NALMCO Annual Tradeshow and Convention, October 18, 2010, Cabo San Lucas, Mexico (2010).
– U.S. 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, 742209 (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, J.D., Sweater Hickcox, K., Klein, T.R., 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, J.D., Sweater Hickcox, K., Klein, T.R., Lok, A., and Narendran, N. Detection and acceptability of stroboscopic effects from flicker. Light. Res. Technol.

 

 

Похожие Записи

Комментарии закрыты.

« »

(function (d, w, c) { (w[c] = w[c] || []).push(function() { try { w.yaCounter33329553 = new Ya.Metrika({ id:33329553, clickmap:true, trackLinks:true, accurateTrackBounce:true, webvisor:true }); } catch(e) { } }); var n = d.getElementsByTagName("script")[0], s = d.createElement("script"), f = function () { n.parentNode.insertBefore(s, n); }; s.type = "text/javascript"; s.async = true; s.src = "https://mc.yandex.ru/metrika/watch.js"; if (w.opera == "[object Opera]") { d.addEventListener("DOMContentLoaded", f, false); } else { f(); } })(document, window, "yandex_metrika_callbacks");