Рисунок 1. Историческая и прогнозируемая
эффективность источников света.
Взрывной рост эффективности светодиодов
сопровождается фантастическими темпами падения стоимости их массового
производства. По прогнозам, стоимость 1 лм излучения, сгенерированного
светодиодными источниками, к 2016 г. сравняется со стоимостью светового потока
газоразрядных ламп, а в 2020 г. этот показатель достигнет 1 долл. за 1000 лм.
К 2016 г. световая отдача промышленных
светодиодов приблизится к 200 лм/Вт. Высокая светоотдача в сочетании с падением
цен на светодиоды открывает широкую дорогу их использованию в осветительной
технике. Отдельные недостатки светодиодов перестанут быть сдерживающим фактором
их применения [1].
Рынок светодиодных светильников в России
Важным фактором развития рынка светодиодного
освещения в России стали ФЗ № 261 «Об энергосбережении и энергоэффективности» и
Постановление Правительства РФ № 602 «Об утверждении требований к осветительным
устройствам и электрическим лампам, используемым в цепях переменного тока в
целях освещения», принятые в 2009 и 2011 году соответственно. Эти
нормативно-правовые акты представляют собой основу для обязательного использования
энергосберегающих технологий и продуктов.
Светодиодное освещение является одним из самых
эффективных способов энергосбережения. К достоинствам светодиодного освещения
относится также более длительный срок службы, экологичность - светодиодные светильники
не требуют утилизации специальным образом, и легкость эксплуатации -
светодиодные светильники не боятся частого включения или выключения.
Основным недостатком светодиодных светильников,
по-прежнему, считается их цена. Однако эта проблема уже находит свое решение.
Следует отметить, что средняя стоимость светодиодного светильника, аналога ЛВО
4х18, на начало 2012 года составляла в среднем 3000 - 3200 рублей. А в 2013
году эта сумма варьировалась в пределах 2400 - 2600 рублей. Для сравнения ЛВО
4х18 с лампами стоит примерно в три раза дешевле, но это без учета стоимости
эксплуатации и обязательной по закону утилизации ртутьсодержащих ламп. Тоже
касается и светодиодных светильников для ЖКХ, уличных и промышленных
светодиодных светильников. Светодиодные светильники перестали быть роскошью и
стали соизмеримы с их газоразрядными аналогами. Так что тормозящим фактором
развития рынка светодиодных светильников сейчас является скорее
консервативность потребителей и отсутствие механизма контроля, за утилизацией
чрезвычайно опасных ртутьсодержащих ламп [2].
Преимущества и недостатки светодиодов
Итак, обозначим основные преимущества и
недостатки светодиодных светильников, а так же непосредственно самих
светодиодов.
Преимущества светодиодов:
Высокая световая отдача. Современные светодиоды
сравнялись по этому параметру с натриевыми газоразрядными лампами и
металлогалогенными лампами, достигнув 150 Люмен на Ватт;
Высокая механическая прочность, вибростойкость
(отсутствие нити накаливания и иных чувствительных составляющих);
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;
Спектр современных светодиодов бывает различным
- от тёплого белого (2700 К) до холодного белого (6500 К);
Малая инерционность - включаются сразу на полную
яркость, в то время как у ртутно-фосфорных (люминесцентных-экономичных) ламп
время включения от 1 сек до 1 мин, а яркость увеличивается от 30 % до 100 % за
3-10 минут, в зависимости от температуры окружающей среды;
Количество циклов включения-выключения не
оказывают существенного влияния на срок службы светодиодов (в отличие от
традиционных источников света - ламп накаливания, газоразрядных ламп);
Низкая стоимость индикаторных светодиодов, но
относительно высокая стоимость при использовании в освещении, которая снижается
при увеличении производства и продаж (экономия от масштаба);
Безопасность - нет необходимости в высоком
напряжении;
Нечувствительность к низким и очень низким
температурам. Однако высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и
любым полупроводникам;
Экологичность - отсутствие ртути, фосфора и
ультрафиолетового излучения, в отличие от люминесцентных ламп.
Недостатки светодиодов:
Высокая цена. Светодиодные светильники для
распространенных офисных потолков стоят от 3000 рублей. Аналогичные светильники
с 4 люминисцентными лампами по 18 Вт стоят от 700 руб. И это только минимальные
цены в отечественных магазинах.
Деградация кристаллов. Практика показывает, что
срок в 100,000 часов практически недостижим. Сам производитель дает гарантию на
срок 3-5 лет, а вовсе не на 11. Тут дело в том, что есть явление деградации,
т.е. тихого умирания кристаллов светодиодов. Сначала они теряют яркость, потом
совсем гаснут.
Неприятный спектр свечения. Так же спектр
свечения светодиода отличается от солнечного спектра. Это в свою очередь может
привести к раздражению глаз при длительном контакте. По свидетельству
психологов, более 80% респондентов отрицательно отзываются о применении таких
светильников дома.
Направленность света. Светодиоды дают
направленный свет даже с наличием линзы, расширяющей угол свечения. Вам может
понадобиться больше таких ламп для получения привычной равномерной освещенности.
Конечно, можно применять выравнивающие матовые фильтры или линзы Френеля, но
это снижает световой поток.
Наличие вспомогательных элементов. Для
стабильной и долговечной работы этих светильников нужно применять весьма
дорогие блоки питания (драйвера для светодиодов) и системы охлаждения, так как
светодиоды очень чувствительны к току питания, а также сбрасывают тепло в
сторону, противоположную излучению света. Без этих устройств, светодиоды быстро
деградируют. Это, в свою очередь, увеличивает стоимость эксплуатации
светодиодного оборудования [3].
Низкая предельная температура: мощные светодиоды
требуют внешнего радиатора для охлаждения, потому что имеют неблагоприятное
соотношение своих размеров к выделяемой тепловой мощности (они слишком
маленькие) и не могут рассеять столько тепла, сколько выделяют. Современный
светодиод мощностью 10 Ватт требует большой пассивный радиатор, который не
только удорожает конструкцию, но и с трудом может быть вписан в бытовые
осветительные приборы [4].
Прогнозирование срока службы светодиодов
светодиодный светильник освещение
Прежде чем переходить к изложению различных
данных, требуется определить, что же такое «срок службы» светодиодов. В
рекомендациях ASSIST [5] он определяется на основе концепции «срока полезной
службы»[6]. Этот термин подразумевает период рабочего времени, в течение
которого источник света еще обеспечивает приемлемый для данного приложения
уровень света, и, кроме того, его излучение не обнаруживает заметного цветового
сдвига. При этом определены два основных пороговых уровня спада светового
потока светодиодов для различных типов приложений. Так, при использовании
светодиодов для общего освещения критическим предлагается считать уменьшение
начального светового потока более чем на 30%. Для декоративного освещения, где
уровень света не является критичным, рекомендуется считать пороговым спад в
50%.
Таким образом, время горения (в часах) до
снижения потока в 70% или 50% от начального и есть срок службы СД сборки,
решетки или модуля. Обозначается он как L70 или же L50.
Необходимо заметить, что у наиболее успешных
источников света (скажем, люминесцентные лампы Т8 и Т5) спад светового потока
до выхода их из строя может быть значительно меньше, чем 30% (см. рис. 2).
Рисунок 2. Спад светового потока различных типов
ламп [7].
Таким образом, критерий срока службы, основанный
на концепции спада светового потока, для обычных ламп выполняется далеко не
всегда. Однако для светодиодных ламп, этот параметр является одним из самых важных.
Светодиоды испытываются в специальных камерах
(см. рис. 3).
Рисунок 3. Общий (а) и схематический (б) вид
испытательной камеры и её оборудования.
Тестируемые образцы СД (или СД решетки/модули)
устанавливаются внутри специально сконструированных испытательных камер. Камеры
в обоих (по вертикали и горизонтали) направлениях размещаются в шахматном
порядке, так что поток тепла из нижних камер не влиял на температурный режим
верхних.
Нужно учесть, что минимальный срок испытаний
должен составлять не менее 6 тыс. часов (250 дней) при номинальном рабочем
токе. Это обеспечит базис для более точных предварительных оценок стабильности
светового потока. При этом первая тысяча часов (период первоначального
«отжига») не учитывается - для прогнозов могут быть использованы лишь
последующие 5 тыс. ч, поскольку включение данных первой тысячи часов может
привести к заведомо ложным оценкам срока службы.
Испытания светодиодных источников света на спад
светового потока рекомендуется проводить при температуре p-n перехода 55ºС
или 85ºС.
Рекомендованный объём выборки в 20 изделий. Любое изменение в объёме выборки
приведет к изменению погрешности и интервала времени для прогнозирования срока
службы. Для объёма выборки 20 изделий (и более) величины светового потока не
должны прогнозироваться далее 6-кратного времени D полной продолжительности
испытания. Аналогично, при объёме выборки в 10 изделий величины светового
потока не должны прогнозироваться далее 5,5D. Когда прогнозируемая величина L70
(или L50) является величиной положительной и меньшей (или равной) 6D (5,5D для
объёма выборки 10 изделий), она утверждается как величина срока службы. В
противоположном случае, когда прогнозируемая величина L70 (или L50) > 6D
(> 5,5D для объёма выборки 10 изделий), в качестве величины срока службы
утверждается значение 6D (или 5,5D для объёма выборки 10 изделий) [8].
Экспериментальные данные, которые используются
для описываемой экстраполяции, сначала нормализуются к единице (100%) при 0 ч
горения для каждого образца в пределах данной выборки и затем усредняются в
каждой точке измерений спада светового потока.
Подбор эмпирической экспоненциальной кривой
спада светового потока Ф(t), которая имеет общий вид
(1),
осуществляется нахождением величины
В - прогнозируемой начальной постоянной, и α - постоянной скорости спада
светового потока по методу наименьших квадратов. После расчета постоянных В и
d, искомое значение времени (срока службы Lp), необходимого для достижения
заданного уровня светового потока, рассчитывается по выражению
(2)
где р - некоторый заданный уровень
от начального светового потока.
(3)
Подбор по методу наименьших
квадратов осуществляется следующим образом: взяв логарифм от обеих частей
соотношения (1) имеем
(4).
Тогда, обозначая , m=-d, b=ln B
получаем уравнение прямой линии:
(5)
Для набора n экспериментальных точек
на графике (x1, y1), (x2, y2)..., (xn, yn), где n - общее число усредненных
экспериментальных точек xk=tk, yk=lnФk, где k = 1, 2, ..., n, метод наименьших
квадратов для величин m и b , даст соответственно
(7)
(8)
Проведя необходимые расчеты и
обратные преобразования, находим В=exp(b), d = -m.
Приведем пример исследования спада
светового потока в процессе горения партии светодиодных ламп мощностью 10 Вт в
объеме 10 шт. Испытания проводили при температуре поверхности светодиодного
модуля в лампе, которая не превышает 85ºС. Измерения светового потока
проводили через каждые 1000 часов горения лампы. Параметры лампы при измерении
светового потока были стабилизированы - в течение последних 5 мин. горения
перед измерениями значения мощности и светового потока не отличались более чем
на 1 %. Напряжение питания во время измерения светового потока в
фотометрическом шаре диаметром 1 м поддерживалась с точностью ± 0,2 %.
Результаты измерения светового потока через 1000 час. и результаты расчетов
приведены в таблице 1.
Т а б л и ц а 1 - Результаты
измерения светового потока и расчетов при подборе эмпирической кривой методом
наименьших квадратов
Полученный прогноз полезного срока
службы по стабильности светового потока, то есть к снижению светового потока на
30 %, для исследуемой партии светодиодных ламп составляет 53 тыс. ч.
Учитывая [9], прогноз срока службы
по результатам испытаний до
6 тыс. ч. можно утверждать, что исследуемая партия ламп имеет полезный срок
службы не меньше, чем четырехкратное время испытаний, то есть 24 тыс. ч. Для
получения прогноза на более длительный период нужно проводить испытания до 0,25
задекларированного его значения. Так как для данной партии ламп производителем
задекларированный средний срок службы 40 тыс. ч., то для прогнозирования этого
показателя испытания необходимо продлить до 10 тыс. ч [10].
Выводы
Полезный срок службы светодиодных ламп можно
оценивать по результатам их испытаний на спад светового потока. Прогноз срока
службы по результатам спада светового потока светодиодных ламп ограничивается
стандартами МЭК до 4-хкратного времени испытаний.
Результаты прогноза срока службы, испытанной
партии ламп до 6 тыс. ч. позволяет декларировать работу светодиодных источников
света без спада светового потока - 24 тыс. ч.
Список использованных источников
Журнал
«Современная светотехника» №6, 2011г. Карев А. Технический директор МГК
«Световые технологии».
Интернет
ресурс: <http://led-lpo.ru/2013/02/rynok-svetodiodnyx-svetilnikov-v-rossii-vchera-i-segodnya/>
Интернет
ресурс: <http://msvet.ru/faq?question=10>
ASSIST. 2005. ASSIST recommends: LED
life for general lighting, 1(1-7). Troy, N.Y.: LRC.. Narendran, J.
Bullough, N. Maliyagoda, and A. Bierman, «What is useful life for white light
LEDs?» J. Illum. Eng. Soc. 30(1): 57, 2001.. Taylor. Industry
alliance proposes standard definition for LED life ledsmagazine.com April 2005.
Мальков
М. Спад светового потока светодиодных сборок и долгосрочное прогнозирование их
срока службы / Михаил Мальков // Lumen & expertunion. - 2012. - 01 июня. -
С. 123-136.
Self-ballasted LED-lamps for general
lighting services - Performance requirements [Електронний ресурс]
: ІЕС/PAS
62612:2009. - Режим доступа к журн.
: <http://webstore.iec.ch/preview/info_iecpas62612%7Bed1.0%7Den.pdf>.
Кожушко
Г.М., Басова Ю.А., Прогнозирование срока службы светодиодных ламп по спаду
светового потока // Высшее учебное заведение Укоопсоюза "Полтавский
университет экономики и торговли"