Текст книги "Современные осветительные приборы: выбор, подключение, безопасность"

В табл. 1.3 представлены электрические и световые характеристики некоторых светодиодных ламп.

Таблица 1.3. Электрические и световые характеристики некоторых светодиодных ламп

1.2. Ограничения и особенности осветительных ламп

По электромагнитной совместимости современные светотехнические изделия соответствует требованиям ГОСТ Р 51318.15, ГОСТ Р 51317.3.2, ГОСТ Р 51317.3.3 и ГОСТ Р 51514. Степень защиты от внешних воздействий по IP20 соответствует требованиям и условиям ГОСТ 14254.

Такие изделия не требуют обслуживания, кроме периодического (раз в полгода) контроля состояния колбы и желательной (но не обязательной) очистки внешней рассеивающей поверхности мягкой тканью. Органические растворители или легковоспламеняющиеся жидкости использовать для протирки колбы не следует по соображениям электро– и пожаробезопасности.

Бытовые светотехнические изделия имеют 2-й класс защиты от поражения электрическим током по ГОСТ 12.2.007.0.

Электрическая прочность изоляции составляет не менее 1,5 кВ в соответствии с ГОСТ Р МЭК 60598-1 при нормальных условиях (температура окружающего воздуха +22 °C, относительная влажность воздуха 20 %). Следует отметить, что светодиодные лампы не подлежат ремонту в домашних условиях.

Срок службы светодиодов, заявленный производителем, составляет не менее 50 000 часов.

Бытовые изделия нежелательно использовать в помещениях с повышенной влажностью окружающего воздуха – более 80 % – и с большим содержанием пыли. При работе светодиодных ламп рабочая температура теплоотвода может достигать 70 °C. Не рекомендуется смотреть на горящий светодиод – можно повредить глаза.

В свое время были утверждены дополнения к «Гигиеническим требованиям к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий» (СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03). Из новых правил (СанПиН 2.2.1/2.1.1.2585-10) исключена формулировка, ограничивающая применение источников света двумя типами: лампами накаливания и газоразрядными лампами.

Вместо этого в правилах ограничен допустимый диапазон цветовых температур – от 2400 °К до 6800 °К.

В том же регламенте введено требование к наличию защитного угла у светодиодных светильников (конкретные значения не приводятся). В новой версии документа снижение нормы освещенности на одну ступень допустимо для источников света с индексом цветопередачи выше 90.

Внимание, важно!

В редакции СанПиН запрещено применение светодиодов в учреждениях дошкольного, школьного и профессионально-технического образования, а также во многих помещениях медицинских учреждений.

Энергию любого источника света переносят излучаемые им электромагнитные волны. Именно скорость излучаемой энергии говорит нам о силе свечения каждого конкретного источника. Световую энергию человек воспринимает визуально, глазом, а наши глаза воспринимают разную длину излучения по-разному.

Излучение, которое, к примеру, имеет длину 0,55 мкм (зеленое), наши глаза воспринимают сильнее, чем 0,63 мкм (красное). Эти частные данные даны для примера.

Световой поток любой осветительной лампы измеряется в люменах и максимально близко характеризует возможности того или иного источника света осветить помещение. Однако часто бывает так, что информация о световом потоке светодиодных ламп не указана на упаковке, а вместо нее пишут мощность лампы накаливания, обладающей таким же световым потоком.

Подобная информация производителя является отчасти лукавой, так как нет возможности ее проверки. Если на упаковке указан световой поток 280 лм или не указан вовсе, но написано, что мощность лампы составляет 4 Вт и она эквивалентна 50-ваттной лампе накаливания, то спорить придется только с применением расчетов и аргументов, которые опровергнуть трудно. Вот они. Среднестатистическая (типовая, для быта) лампа накаливания мощностью 50 Вт имеет световой поток не 280 лм, а около 560 лм. То есть в данном случае данные, указанные продавцом или производителем, некорректны и призваны, видимо, только лишь для активизации продаж.

Внимание, важно!

Диапазон инфракрасного и ультрафиолетового излучений не доступен для глаз человека, поэтому для характеристики мощности излучения с учетом ее воспринимаемости глазами он условно суммируется согласно длинам волн, учитывая при этом кривую чувствительности глаз, в результате чего мы получаем нормированную величину, называемую световым потоком.

Но и эквивалентная мощность при выборе лампы также имеет важное значение, особенно при выборе светодиодных ламп взамен лампам накаливания. Наиболее правильным способом будет определение светового потока светодиодных ламп путем пересчета их согласно эквивалентной мощности ламп накаливания.

Практический пересчет лампы накаливания на светодиодную – задача, довольно легко решаемая.

В табл. 1.4 будет рассмотрена мощность светового потока обычной лампочки, светодиодной и люминесцентной.

Проведем пересчет лампы накаливания на светодиодную по такому показателю, как световой поток. Чтобы световой поток ламп накаливания был равен 250 лм, понадобится лампочка мощностью 20 Вт. Такой же световой поток обеспечивается светодиодной лампой 2–3 Вт, для люминесцентной лампы мощность равна 5–7 Вт. Другой важный вопрос – соотношение мощности светодиодных ламп. Выгода использования светодиодных ламп очевидна, об этом мы будем говорить на протяжении своей книги. Но не будем забывать и отрицательные стороны светодиодного освещения при его использовании в быту (жилых помещениях, где люди находятся подолгу).

Сравнительная характеристика разных осветительных ламп в части их светового потока представлена в табл. 1.4.

Таблица 1.4. Сравнительная характеристика разных осветительных ламп в части их светового потока

Теперь сравним лампы накаливания 40 Вт со светодиодной лампой мощностью 7 Вт. Эти данные сведены в табл. 1.5.

Таблица 1.5. Сравнительные данные лампы накаливания и светодиодной лампы сопоставимой мощности

Как видно из табл. 1.5, световая отдача все же получается довольно различной.

Итак, мы узнали, что световой поток – это одно из самых главных понятий в случае замены освещения на светодиодное. Это если меняем лампы накаливания на светодиодные. А если сравнивать галогенные лампы и светодиодные? В этом случае подбор эквивалентной мощности для замены галогенных ламп будет более сложной, точнее многоуровневой, задачей.

К примеру, если галогенная лампа рассчитана на 220 В, то можно воспользоваться различными таблицами в Интернете, а для подбора замены 12-вольтовой лампы следует учитывать, что такие лампы имеют световой поток той же мощности, что требует внести поправку, на коэффициент которой влияет тип галогенной лампы. Для решения этой задачи помогут сравнительные табл. 1.2–1.4, представленные в данной главе.

1.3. Особенности конструкции светодиодных ламп

Конструкция светотехнических изделий влияет не только на ресурс работы и надежность, но и на стоимость готовых изделий. Так, оптимальная конструкция призвана обеспечить отвод тепла от кристалла, выдерживать термоциклирование, обеспечить высокую технологичность монтажа. На долговечность работы изделия также влияют метод монтажа кристалла и материал теплоотводящего основания.

Кроме светодиодов белого свечения различной цветовой температуры, существуют RGB-источники света, предназначенные для универсальных устройств управления освещением и цветом, в том числе для архитектурной и ландшафтной подсветки, в дизайнерских решениях кафе, ресторанов и др. Система питания и управления RGB-источниками света на основе светодиодной матрицы RGB работает как в динамическом режиме по протоколу управления DMX 512, так и в автоматическом режиме, по установленной программе.

Все источники света изготавливаются на печатных платах с алюминиевым основанием и могут комплектоваться вторичной оптикой для получения необходимой диаграммы направленности светового потока. Отчасти такое решение реализовано в промышленных светильниках большой мощности.

С учетом экономичности изделий на основе мощных светодиодов и относительно большого срока наработки на отказ такие решения рентабельны и в части снижения затрат на обслуживание, и по эффективности освещения.

Интересно, что на долговечность эксплуатации и в общем смысле надежность светодиодной осветительной лампы определяющим образом влияет качество технологии монтажа и сборки. В третьей главе мы поговорим об этом подробно, а сейчас тезисно затрону проблему.

Лидирующие производители светодиодных ламп кристаллов решают эту проблему по-разному. К примеру, компании Lumileds Lighting и Nichia используют медное теплоотводящее основание.

Nichia «приклеивает» кристалл к подложке, а технологи фирмы Limileds Lighting используют эвтектическую установку.

Каждый из методов обладает как положительными, так и отрицательными особенностями. Пайка кристалла на подложку позволяет снизить тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом (это, конечно, плюс), но при этом возникает диодный контакт между теплоотводящим основанием и кристаллом, что требует обязательной электрической изоляции СЛ при одиночном или групповом монтаже на печатную плату. Этот «минус» не только снижает технологичность и делает более дорогим производство готовых изделий, но в итоге увеличивает тепловое сопротивление между корпусом и теплоотводом (радиатором).

Кремниевая подложка и медное теплоотводящее основание по определению имеют значительно отличающиеся коэффициенты объемного расширения при нагревании, что при термоциклировании приводит к нарушению эвтектики, к повреждению кристалла и, как следствие, к преждевременному старению источника света.

В этом ключе можно всесторонне рассматривать с разных сторон технологии изготовления СЛ, параметры их надежности и эффективности и совершенствовать процедуру изготовления.

Внимание, важно!

Метод приклеивания кристалла к медному теплоотводящему основанию позволяет уменьшить нагрузки на кристалл и одновременно обеспечивает лучшую (по сравнению с предыдущим методом) его электрическую изоляцию. При этом снижаются долговечность и надежность СЛ, что, с другой стороны, делает продукцию фирмы Nichia (особенности технологии которой рассмотрены последней) более дешевой и коммерчески доступной потребителям при прочих равных условиях.

При работе СЛ рабочая температура радиатора охлаждения (теплоотвода) может достигать 80 °C. Также не рекомендуется смотреть на горящий светодиод – можно повредить глаза.

1.4. Базовые изделия в линейке мощных полупроводниковых светодиодов

В большинстве популярных сегодня источников освещения на светодиодах используется многокристальный светодиод. В результате снижена себестоимость за счет уменьшения количества компонентов. Основное назначение – создание высокоэффективных источников света для всех видов освещения (общего, промышленного, уличного и т. д.) в случаях, когда требуется обеспечить большой световой поток при небольших габаритах. Основной цвет свечения изделий – белый. В светодиодах используются кристаллы EZ1000 новой серии EZBright. Размер кристаллов 1000x1000 мкм. Сборка светодиода осуществляется в корпусе с улучшенными тепловыми свойствами. Это если говорить о семействе ХР-С.

Основным назначением приборов семейства ХР-С являются компактные высокоэффективные источники света для общего, аварийного, промышленного и уличного освещения. Цвет свечения – белый, диапазон цветовых температур от 2600 °К до 10 000 °К. По оттенкам белого цвета светодиоды делятся на три группы: теплый (2600…3700 °К), естественный (3700…5000 °К) и холодный (5000…10 000 °К) белый цвет.

При сборке светодиода кристалл монтируется на кремниевую плату, что улучшает тепловые характеристики изделия. Приборы отличаются от серии МС-Е меньшими габаритными размерами, симметричным корпусом и большим значением угла распределения света.

Светодиоды семейства ХР-Е предназначены для компактных высокоэффективных источников света для всех видов освещения. Характеристики цветовых температур аналогичны семейству ХР-С.

В светодиодах данной серии используются кристаллы EZ1000 серии EZ Bright.

Основное применение полупроводниковых приборов серии XR-C7090 – электронные устройства небольшой стоимости. Выпускаются светодиоды оранжевого, зеленого, голубого и синего цветов. В них используются кристаллы EZ700 новой серии EZ Bright, сборка осуществляется по технологии, аналогичной семейству XR-E. Эффективность этого кристалла при номинальном токе примерно соответствует приборам семейства XR7090 с кристаллом предыдущего поколения ХВ900. Благодаря меньшей площади кристалла его себестоимость в массовом производстве ниже, соответственно, ниже и стоимость изделий.

К примеру, корпус XR-E7090 обеспечивает рекордно низкое тепловое сопротивление между переходом и теплоотводом – до 8 °C/Вт – и равномерный градиент температуры поверхности теплоотводящего основания.

Высокую температурную стабильность и долговечность первичной оптики обеспечивают линзы из кварцевого стекла с автоматической фокусировкой – одно из новейших технических решений. Малая эквивалентная площадь излучающей поверхности позволяет реализовать небольшие углы рассеивания светового потока при использовании вторичной оптики.

Как и полупроводниковые приборы серии XR-C7090, светодиоды XR-E7090 предназначены только для автоматизированного монтажа с использованием стандартных технологических процессов, что упрощает обеспечение теплового режима приборов. Прежде всего это высокоэффективные источники света для общего, аварийного и промышленного освещения, взрывобезопасного оборудования, подсветки ЖК-панелей большой площади, автономных светильников и фонарей, систем подсветки автотранспорта.

Приборы TMXR-E7090 хорошо себя зарекомендовали и используются в источниках света для светофоров и автомобильных фар. Эта область техники сегодня развивается стремительными темпами.

Усилиями инженеров-разработчиков воплощены в готовые изделия последние технологические достижения в области создания осветительных приборов на светодиодах и их компонентах – светодиодных кластерах, драйверах питания и вторичной оптике (линзы и линзодержатели – их польза хороша видна из сравнительных тестов светодиодных ламп «1КЕА» и «Оптолюкс» – см. выше).

Светодиодные светильники по назначению подразделяются на два основных вида: для уличного, промышленного и архитектурно-художественного освещения (линейные светильники и прожекторы) и для внутреннего освещения (офисные светильники и светодиодные лампы).

Высококачественные компоненты светодиодного освещения, такие как коллиматоры и линзы к ним, выпускают, например, компании Carclo (Великобритания) и Ledil (Финляндия), а сами модули изготавливает фирма XLight.

1.5. Светодиодные модули как элемент экономичного освещения будущего

Светодиодные модули представляют собой несколько мощных (сверхъярких) светодиодов, смонтированных на одной плате. Модули соединяются в светильники в одном корпусе. Их выпускает сегодня довольного много фирм, названия которых мы опускаем, чтобы не было лишней рекламы.

На рис. 1.12 представлен светодиодный модуль для локального освещения.

Рис. 1.12. Современный светодиодный модуль для локального освещения

Как вариант модуль XR-E7090 обеспечивает рекордно низкое тепловое сопротивление между переходом и теплоотводом – до 8 °C – и равномерный градиент температуры поверхности теплоотводящего основания. При сборке светодиода кристалл монтируется на кремниевую плату, что улучшает тепловые характеристики изделия.

Рассматриваемое изделие отличается от других серий меньшими габаритными размерами, симметричным корпусом и большим значением угла распределения света. Перекрывают весь диапазон цветовых температур белого цвета – от 2600 до 10 000 °К.

По оттенкам белого цвета светодиоды делятся на три группы: теплый (2600…3700 °К), естественный (3700…5000 °К) и холодный (5000…10 000 °К) белый цвет.

Сборка светодиода на производстве осуществляется в корпусе с улучшенными тепловыми свойствами.

К примеру компания NeoPac еще 7 лет назад выпустила светодиодную матрицу NeoBulbTurbo со световым потоком 2150 лм.

Потребляемая мощность модуля 80 Вт, что намного меньше энергозатрат на «классическую» лампу накаливания, установленную, к примеру, в гостиной или в автомобильной фаре.

Отличительная особенность также и в том, что высокую температурную стабильность и долговечность оптической системы в качестве первичной оптики обеспечивают линзы из кварцевого стекла с автофокусировкой; это одно из новейших технических решений. Причем малая эквивалентная площадь излучающей поверхности позволяет получить столь же малые углы рассеивания светового потока при использовании вторичной оптики.

Модули предназначены только для автоматизированного монтажа и пайки с использованием стандартных технологических процессов, обеспечивающих низкую себестоимость готовых изделий, что упрощает решение проблем по обеспечению теплового режима приборов.

Прежде всего это высокоэффективные источники света для общего, аварийного и промышленного освещения, взрывобезопасного оборудования, подсветки ЖК-панелей мониторов большой площади, автономных светильников и фонарей, систем освещения автотранспорта.

Потребляемая мощность одного локального модуля 7,5 Вт, что намного меньше энергозатрат на «классическую» лампу накаливания, установленную, например, в гостиной.

Внимание, важно!

Устройства хорошо зарекомендовали себя и практически используются в том числе в источниках света для светофоров и автомобильных фар; эта область техники – в части триумфального проникновения светодиодов во все области жизни – сегодня также развивается стремительными темпами. Есть и возражения. Спектр лампы накаливания оптимален для человеческого глаза (лампу «доводили» более 50 лет), а от светодиодных ламп люди слепнут. Но в угоду «экономичности» или рентабельности производители часто опускают такие моменты.

К примеру, в Киеве светофоры со светодиодными лампами становятся причиной ДТП – в солнечную погоду их вообще не видно, а ночью они «ослепляют» водителей.

Подключение светодиодного модуля к драйверу питания может осуществляться несколькими способами: путем разъемного соединения или пайкой к контактным площадкам. Применяются три схемы коммутации светодиодов: последовательная, параллельная и последовательно-параллельная.

Для сравнения: светодиодный модуль XLD-AC 1x01-01 представляет собой шестиугольную печатную плату на алюминиевом основании с одним установленным мощным светодиодом Cree XLamp размером 3,45 х 3,45 мм. Он адаптирован к применению вторичной оптики Carclo 10 мм для единичного светодиода серий ХР-С, ХР-Е, XP-G или ХТ-Е.

Технические характеристики модуля XLD-АС 1x01-01:

• рассеиваемая мощность не более 1,5 Вт (без применения элементов охлаждения);

• тип подключения – пайка к контактным площадкам;

• температура эксплуатации -40…70 °C;

• температура хранения -50…80 °C.

Светодиодный модуль XLD-AClx01-MCE-01 представляет собой печатную плату диаметром 47 мм на алюминиевом основании с установленным 4-кристальным светодиодом МС-Е размером 7x9 мм. Модули выпускаются в двух исполнениях: с последовательным соединением кристаллов – XLD-AC1X01-MCE-SC-01 и с параллельным соединением кристаллов – XLD-AC1X01-MCE-IC-01.

Технические характеристики XLD-AClx01-MCE-01:

• рассеиваемая мощность не более 2 Вт (без применения элементов охлаждения);

• тип подключения – пайка к контактным площадкам;

• соединение светоизлучающих кристаллов – последовательное или независимое;

• модуль адаптирован к применению вторичной оптики Carclo для светодиодов МС-Е;

• температура эксплуатации -40…70 °C;

• температура хранения -50…80 °C;

• печатная плата рассчитана на установку одного мощного

4-кристального светодиода Cree XLamp серии МС-Е.

В табл. 1.6 представлены сведения о сверхъярких светодиодах компании Osram Opto Semiconductors.

Таблица.1.6. Сверхъяркие светодиоды компании Osram Opto Semiconductors

Примечание: * – цветовая температура, °К.

В табл. 1.7 представлены сведения о сверхъярких светодиодах компании Upes Electronics Corporation.

Таблица 1.7. Сверхъяркие светодиоды компании Upes Electronics Corporation

Примечание: * – цветовая температура, °К.