Новости

03 апреля 2019
Светодиодное освещение в деталях

Светодиодные световые приборы имеют общие черты с традиционной светотехникой и в то же время отличаются от нее. Очень важно понимать эти сходства и различия для того, чтобы корректно проводить сравнения между обычными и светодиодными приборами, а также для того, чтобы правильно подбирать светодиодные приборы для различных областей применений.
Уже было отмечено, что правильно сконструированные светодиодные световые приборы по своим эксплуатационным характеристикам и экономичности не уступают и даже превосходят традиционные, например, КЛЛ. Подобно традиционной светотехнике, существуют различные типы светодиодных световых приборов, различающиеся по уровню светового потока, размерам и предназначенные для большого количества областей применения. Светодиодные световые приборы могут устанавливаться и запитываться так же просто, как и традиционные, с использованием обычной электропроводки и кабелей.
Главным отличием светодиодных источников света от традиционных является то, что в светодиодах применяется совершенно иной принцип генерации света и используются абсолютно другие материалы. Менее очевидным отличием является то, что в светодиодном источнике света стирается граница между лампой и светильником. В светодиодной осветительной технике «лампы», которыми являются светодиоды, неотделимы от «светильника», а именно: корпуса, электроники и линзы.



Эти два различия оказывают очень большое влияние на методы испытаний светодиодных источников света, измерение их светового потока, оценку их пригодности для конкретного применения и способы сравнительной оценки светодиодных и традиционных световых приборов.
Понимание различий между двумя типами систем освещения поможет избежать многих трудностей, связанных с использованием светодиодов. Корректная интерпретация основных технических характеристик светодиодных световых приборов поможет правильно выбрать осветительное устройство для конкретной области применения. Ниже представлен общий обзор технологии светодиодного освещения. Эта информация поможет вам лучше разобраться в светодиодных системах освещения.



Оцениваем световой поток: как важен свет
Световой поток – термин, косвенно характеризующий то, какое количество света излучается световым прибором, а также то, как именно прибор излучает и распределяет этот свет. Официальным термином для описания количества и распределения видимого света, излучаемого конкретным источником, является термин «фотометрические данные».
Как правило, производители светотехники заявляют основные фотометрические характеристики выпускаемой продукции в спецификациях или технических паспортах, где представляют таблицы и графики, описывающие мощность или яркость лампы или светового прибора, диаграммы распределения света в пространстве и данные об энергоэффективности. Консультанты-светотехники и конструкторы используют эти данные для предварительной оценки возможностей светового оборудования и его пригодности для конкретной области применения. Часто производители светотехники представляют и более подробную информацию, необходимую для глубокого анализа, компьютерной визуализации, моделирования системы освещения здания и т. п.
Для оценки и сравнения традиционных световых приборов чаще всего используется понятие светового потока, измеряющегося в люменах. Люмен – это единица измерения всего воспринимаемого светового потока, испускаемого источником света. (Ниже мы приводим более подробное разъяснение того, что значит ≪весь воспринимаемый световой поток, испускаемый источником света≫.) В быту специалисты, занимающиеся освещением, покупатели и просто пользователи для оценки осветительного оборудования часто прибегают к термину «яркость». Это не только ошибочно, но и может ввести в заблуждение, особенно в отношении светодиодных световых приборов.



Компьютерное графическое изображение, полученное с помощью ПО AG32 на основании необработанных фотометрических данных для светодиодных светильников ColorBlast Powercore, разработанных компанией Philips Color Kinetics.Изображение моделирует световые эффекты, полученные с помощью ColorBlast Powercore в стеклянном световом коробе.



По ряду причин световой поток не является единственным параметром, характеризующим возможности осветительного прибора. Оценка возможностей светодиодных осветительных приборов с помощью светового потока может дать ложное представление о возможностях светодиодных световых приборов и их пригодности для конкретных областей применения.
Для оценки возможностей светодиодных осветительных приборов и сравнения их с традиционными источниками света вместо понятия «световой поток» лучше использовать термин «полезный свет». Параметром для измерения полезного света является освещенность. Освещенность
характеризует интенсивность света, падающего на поверхность. Если площадь поверхности измеряется в квадратных футах, то единицей освещенности является фут-кандела. Если площадь измеряетсяmв квадратных метрах, то единицей освещенности является люкс (лк).



Для освещения обеденного зала в ресторане «Флинстеринг» в Бреде, Голландия, используются потолочные светодиодные светильники eW Downlight Powercore, разработанные компанией Philips Color Kinetics, и отраженный свет. Рекомендуемый уровень освещенности в таких обеденных залах – 10 фут-кандел (100 лк).



Полезный свет характеризует количество света от осветительного прибора, которое достигает освещаемого участка. Это та часть светового потока осветительного прибора, которая эффективно направляется на рабочую поверхность без учета потерь света. В качестве рабочей поверхности может выступать любой участок объекта, который необходимо осветить: коридора, офисного помещения с компьютерами, кухонного стола или наружной стены пирамиды Майя в Гватемале. Потери света могут возникать по различным причинам: например, свет может частично загораживаться или рассеиваться корпусом светильника, излучаться в неправильном направлении, теряться в результате прохождения через светофильтры и линзы или из-за неправильной ориентации светового прибора, а также по другим причинам.
В справочной книге «The IESNA Lighting Handbook» объемом порядка 1000 страниц, выпущенной Светотехническим обществом Северной Америки (IES)11, подчеркивается важность использования характеристики полезного света, особенно для белого света и повседневных областей применения. Наряду с главами, посвященными описанию способов создания нужного количества полезного света для отдельных областей применения, в книге содержится подробная информация об оптимальных уровнях освещенности для различных интерьеров, промышленных помещений, открытых площадок, спортивных сооружений, транспортных магистралей и аварийного освещения.
Так, для офисных помещений с планировкой открытого типа и большим количеством компьютеров, а также для стоек регистрации в аэропорту рекомендуемый уровень освещенности составляет 30 фут-кандел (300 лк). Уровень освещенности в грузовых лифтах должен составлять около 5 фут-кандел (50 лк), а для чтения в кресле в комнате – около 50 фут-кандел (500 лк). В лекционных залах, где используются наглядные пособия, уровень освещенности должен быть порядка 100 фут-кандел (1000 лк).



Люмены: какие сложности возникают с ними
Традиционное использование понятия «световой поток» для оценки и сравнения светодиодных световых приборов вызывает ряд проблем:
- Так как полное и точное определение того, что такое люмен и другие фотометрические термины является достаточно сложным, многие понимают их неправильно. Без правильного понимания того, что означают эти термины, невозможно точно оценить свойства светодиодных источников света.
- Использование светового потока для оценки воспринимаемой интенсивности источника света имеет ряд недостатков, которые усугубляются особенностями спектра излучения светодиодных источников света, особенно в области синего края спектра видимого света.
- Производители традиционных световых приборов часто указывают полный световой поток лампы, а не всего светового прибора. Так как в светодиодной осветительной арматуре невозможно отделить лампу от светильника, то для правильного сравнения светодиодных световых приборов с традиционными нужно использовать понятие «световой поток» только для светового прибора в целом.
- Светодиодные и традиционные световые приборы по-разному испытываются, вследствие чего и некоторые фотометрические данные для них указываются по-разному. Для правильного сравнения световых приборов необходимо учитывать эти различия.
- Полный световой поток светильника не учитывает потери света. Так как светодиодные световые приборы являются направленными и излучают белый или цветной свет без использования светофильтров, а также без дополнительной фокусировки и экранирования, то и потери света у них гораздо ниже, чем у традиционного оборудования. Светодиодные световые приборы доставляют большую часть излучаемого светового потока до освещаемой поверхности. Следовательно, светодиодные световые приборы с меньшим значением светового потока могут доставить такое же или большее количество полезного света в нужное место, чем традиционные осветительные приборы с большим значением светового потока в люменах.



Что такое люмен?
Световые измерения можно проводить двумя способами: радиометрическим или фотометрическим. Радиометрический способ предполагает измерения для всех длин волн излучения источника света, в диапазоне длин волн как видимого, так и невидимого излучения. При фотометрическом способе измерения выполняются только для видимого света. Суммарная электромагнитная энергия, излучаемая источником света на всех длинах волн, называется потоком излучения и измеряется в ваттах. Суммарная электромагнитная энергия, излучаемая источником света в диапазоне длин волн видимого света, называется световым потоком и измеряется в люменах.
Так как видимость относится только к человеку, фотометрические данные учитывают чувствительность глаза человека, которая зависит от длины волны видимого света (цвета). Зависимость чувствительности глаза человека с нормальным зрением от длины волны представляет собой колоколообразную кривую. Эта кривая известна как спектральная эффективность светового потока и часто называется кривой относительной спектральной чувствительности глаза. Согласно этой кривой, наивысшая чувствительность глаза достигается в зеленой спектральной области (длина волны 550 нм) и постепенно снижается как к красному, так и к синему краям спектра.
При расчете светового потока происходит взвешивание света для различных длин волн с помощью кривой относительной спектральной чувствительности глаза. Два источника света, имеющие одинаковые значения лучистого потока, но излучающие различные спектры в пределах кривой чувствительности глаза, будут иметь разные значения светового потока. Представим, например, два источника света с потоком излучения 1 Вт каждый. Один источник излучает синий свет на длине волны 480 нм, а второй – зеленый свет на длине волны 555 нм. Как показывает кривая относительной спектральной чувствительности глаза, синий свет будет выглядеть менее ярким, чем зеленый, несмотря на то что суммарная мощность каждого источника одинакова. Другими словами, зеленый свет дает больше люменов, чем синий, хотя оба источника света излучают одинаковое количество энергии.



Функция спектральной эффективности светового потока взвешивает воспринимаемую интенсивность света с разными длинами волн на основании зависимости чувствительности глаза человека от длины волны света. Глаз человека имеет максимальную чувствительность для света с длиной волны 550 нм в зелено-желтой части видимого спектра и менее чувствителен на его красном и синем краях.



На практике кажущаяся интенсивность источника света зависит от индивидуального восприятия каждым человеком.
В 1924 г. Международная комиссия по освещению (МКО), признанный авторитет в области света, освещения, цвета и цветового пространства, стандартизировала чувствительность человеческого глаза к видимому свету, введя такое понятие как «стандартный наблюдатель». Стандартный наблюдатель обладает нормальной чувствительностью глаза к видимому свету при определенных условиях, установленных стандартом. Кривая относительной спектральной чувствительности глаза, которая используется в измерениях светового потока и других фотометрических измерениях, является кривой чувствительности глаза именно стандартного, а не произвольного наблюдателя. Измерения светового потока и другие фотометрические измерения являются, таким образом, аппроксимациями и идеализациями, которые могут успешно применяться для оценки и сравнений различных источников света.



Световой поток рассчитывается с использованием кривой относительной спектральной световой эффективности. Следовательно, два источника света, имеющие одинаковую мощность, но излучающие свет с разными длинами волн, будут иметь разные значения светового потока в люменах.



Недостатки кривой относительно спектральной чувствительности глаза
Хорошо известно, что кривая относительной спектральной чувствительности глаза недооценивает воспринимаемую интенсивность света с длинами волн, лежащими на синем краю спектра видимого света. В течение многих лет было предложено большое количество модификаций кривой относительной спектральной чувствительности глаза, хотя ни одна из них не получила всемирного признания. Например, коррекция Джадда-Воса подстраивает кривую чувствительности глаза для более точного представления нормальной чувствительности человеческого глаза, особенно для синего цвета.
Коррекция Джадда-Воса не вносит больших изменений в стандартную кривую относительной спектральной чувствительности глаза и имеет небольшой эффект при сравнении традиционных источников света друг с другом. Но коррекция может иметь большой эффект при измерении светового потока, излучаемого светодиодными источниками света и при сравнении их с традиционными источниками света.



Для повышения точности стандартной кривой относительной спектральной чувствительности глаза к свету с различными длинами волн были предложены ее различные корректировки, например, коррекция Джадда-Воса.



Длины волн видимого света, исключенные из измеренного стандартным методом значения светового потока, могут привести к значительной недооценке воспринимаемой интенсивности некоторых светодиодов. Коррекция Джадда-Воса частично компенсирует этот эффект.



Традиционные источники света обычно излучают свет в широком диапазоне длин волн видимого света. Спектр излучения ламп накаливания обычно перекрывает весь диапазон длин волн видимого света. Люминесцентные источники света имеют спектры излучения с пиками, характеризующиеся интенсивным излучением в узких диапазонах длин волн и меньшей интенсивностью в остальной части спектра. Это связано с наличием спектральных линий ртути, которая отсутствует в светодиодах.
Одноцветные светодиоды обычно излучают свет в одном узком диапазоне длин волн, что усугубляет недостатки кривой относительной спектральной чувствительности глаза. Например, вычисленное значение светового потока для синего светодиода с пиком на длине волны около 460 нм не учитывает значительную часть видимого света, испускаемого светодиодом.
Фактически недостатки кривой чувствительности глаза могут привести к получению заниженных значений воспринимаемого светового потока, излучаемого светодиодными источниками света, особенно для синих светодиодов. Воспринимаемая интенсивность светодиодных световых приборов может быть больше, а в некоторых случаях – намного больше той, которая для них указывается.



Относительное и абсолютное фотометрирование и КПД светового прибора
Несмотря на все недостатки использования понятия «световой поток» для точной оценки воспринимаемой интенсивности некоторых светодиодных источников света, оно широко применяется в светотехнической промышленности. При проведении сравнительного анализа средств освещения часто приходится сравнивать указываемый производителем световой поток светодиодных световых приборов с указанным световым потоком традиционной светотехники. Для выполнения правильных сравнений необходимо понять различия в методах получения и представления фотометрических данных для традиционных и светодиодных световых приборов. Учитывая эти различия, можно избежать ошибок при интерпретировании и сравнении фотометрических данных для традиционного и светодиодного оборудования.



Традиционные осветительные приборы испытываются методом относительного фотометрирования, при котором светильники и установленные в них лампы испытываются по отдельности. Испытания ламп и испытания светильников настолько отличаются друг от друга, что фотометрирование ламп и фотометрирование светильников являются разными инженерными специальностями с собственными стандартами и методиками. Полный световой поток и цветность (цвет) ламп, используемых в светильниках, обычно измеряются с использованием фотометрических шаров, а распределение силы света и коэффициент полезного действия (КПД) светильников – с помощью гониофотометров, которые также позволяют измерять световой поток.
При относительном фотометрировании световой поток ламп, используемых в светильниках, используется в качестве эталона, при этом световой поток светильника измеряется относительно этого эталона. Определенная часть светового потока, излучаемого лампами светильника, загораживается или
поглощается корпусом светильника, поэтому полный световой поток светильника всегда выражается в процентах от общего светового потока ламп. Эти проценты и составляют КПД светового прибора.
Так как светодиоды обычно неотделимы от световых приборов, в которых они используются в качестве источников света, относительное фотометрирование непригодно для измерения светового потока этих приборов. Для испытаний светодиодных световых приборов используется абсолютное фотометрирование. Утвержденные процедуры и условия испытаний для абсолютного фотометрирования указаны в документе «Электрические и фотометрические измерения твердотельных освети-тельных изделий» (Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products, публикация IES LM-79-08), выпущенном IESNA в начале 2008 г.
При абсолютном фотометрировании измеряется только световой поток светильника, а не установленных в нем ламп, так как измерение характеристик светодиодов отдельно от светильника является невозможным и бессмысленным. Следовательно, и понятие КПД светового прибора, представляющего собой отношение светового потока светильника к световому потоку его ламп, применительно к светодиодному оборудованию не имеет смысла. Другими словами, КПД светодиодных световых приборов, в которых светодиоды являются неотделимыми компонентами, всегда равен 100%.
Светотехнические консультанты и разработчики систем освещения иногда ошибочно сравнивают полный световой поток ламп традиционного светильника с полным световым потоком светодиодных световых приборов. Для правильного сравнения необходимо уменьшить измеренное количество люменов лампы, умножив его на КПД светильника. Это уменьшение светового потока обычно учитывается в таблицах зонального распределения светового потока.
Например, для монтируемых под навесными шкафами люминесцентных светильников серии Slique T2 SQ, разработанных компанией Alkco, указывается 860 лм для двух ламп T2, установленных в светильнике. Однако в таблице зонального распределения светового потока указывается его значение 575 лм, так как светильник излучает только 66,9% всего светового потока используемых в нем ламп (66,9% от 860 = 575)14. Это означает, что 33,1% света, произведенного лампами светильника, теряется внутри корпуса светильника. При выполнении сравнения монтируемого под навесным шкафом люминесцентного светильника Slique T2 с монтируемым под шкафом светодиодным светильником, предназначенным для аналогичной области применения, следует сравнивать световой поток светодиодного светильника со световым потоком светильника Slique T2, а не с указанным производителем световым потоком установленных в нем ламп.



Линзы, светофильтры, экраны и другие источники потерь
Количество света, создаваемого световым прибором на рабочей поверхности, зависит не только от светового потока самого прибора, но и от ряда других факторов. К ним относятся размещение прибора в пространстве, расстояние до освещаемой поверхности и потери света в результате фокусировки, фильтрации, экранирования и других вспомогательных приемов, используемых для направления или видоизменения излучения источника света.
Светодиодные источники света изначально являются направленными, и это минимизирует потери, связанные с фокусированием и экранированием света. Поскольку светодиоды испускают цветной свет, устраняются потери, связанные с использованием светофильтров для изменения цвета или распределения света, излучаемого традиционными источниками света.



Фильтры могут задерживать значительный процент светового потока, излучаемого светотехникой. Некоторые синие и красные светофильтры могут задерживать до 96% светового потока, излучаемого традиционными прожекторами 15. Светодиодные прожекторы, такие как ColorReach™ Powercore (см. фото), освещающие Королевскую военную академию в г. Бреда (Голландия), позволяют естественным образом получать интенсивный насыщенный цвет без использования светофильтров.



Пример общего освещения: потолочные светильники
Клиент обратился к вам за помощью в выборе светильников для освещения коридоров в новом офисе и хочет, чтобы вы изучили возможность установки светодиодных потолочных светильников как альтернативу КЛЛ с точки зрения экономичности в потреблении электроэнергии и обслуживании, однако сомневается, что «яркость» светодиодных светильников будет достаточной.



Вы понимаете, что «яркость» является субъективной оценкой, а клиент фактически говорит о световом потоке, выраженном в люменах. При сравнении светового потока некоторых типичных светодиодных потолочных светильников и аналогичных светильников с лампами накаливания или люминесцентными лампами оказывается, что светодиодные светильники уступают традиционным. Вам известно, что следует скорректировать световой поток с учетом КПД светильника и других потерь, и главным параметром для применения светильника является не его «яркость», а количество «полезного света», доставляемого светильником на рабочую поверхность, расположенную от него на определенном расстоянии.
Согласно информации, указанной в Справочной книге Светотехнического общества Северной Америки (The IESNA Lighting Handbook), для коридоров, вестибюлей и других мест общего пользования в офисах оптимальным является уровень освещенности 5–10 фут-кандел (50–100 лк). Рабочей поверхностью для таких помещений является плоскость, расположенная на расстоянии 30 дюймов (0,75 м) над полом. Любой монтируемый на потолок светильник, способный обеспечить на этой плоскости освещенность 10 фут-кандел (100 лк), подходит для этой области применения.
eW Downlight Powercore – это монтируемый на поверхность излучающий вниз светильник, разработанный компанией Philips Color Kinetics.Согласно заявленным характеристикам, световой поток светильника eW Downlight Powercore равен 405–527 люменов в зависимости от цветовой температуры и ширины пучка света. Сравнимый по характеристикам излучающий вниз светильник с КЛЛ имеет полный световой поток 860 лм, создаваемый двумя 13-ваттными лампами Т4. По информации, опубликованной организацией National Lighting Product Information Program (Национальная Программа Информации о Светотехнической Продукции – NLPIP – независимым исследовательским центром, занимающимся вопросами освещения и предоставляющим специалистам в области освещения объективную информацию, полученную в процессе испытаний), КПД этих светильников с КЛЛ равен 50,1%.17 Это означает, что фактический световой поток, излучаемый светильниками с КЛЛ, примерно соответствует световому потоку светильников eW Downlight Powercore.



Модель архитектурной студии, иллюстрирующая освещение чертежных столов, которые являются целевыми освещаемыми объектами. Для этой области применения требуется уровень освещенности на рабочей поверхности около 50 фут-кандел (500 лк).



В NLPIP была создана модель коридора для измерения уровней освещенности, обеспечиваемых с помощью излучающих вниз светильников с КЛЛ и других сравнимых по характеристикам светильников. Результаты испытаний показали, что монтируемые на потолке высотой 9 футов (3 м) светильники с КЛЛ обеспечивают на рабочей поверхности среднюю освещенность, равную 11 фут-кандел (110 лк). Согласно заявленным данным, светильники eW Downlight Powercore могут обеспечивать среднюю освещенность, равную 15 фут-кандел (150 лк) на расстоянии 9 футов, при использовании узкого пучка света. Таким образом, светильники eW Downlight Powercore дают больше света в этой области применения, чем светильники с КЛЛ. Другими преимуществами светодиодных излучающих вниз светильников являются полезный срок службы, в 10-20 раз превышающий срок службы светильников с КЛЛ, и 40%-ное сокращение потребления электроэнергии (15 Вт вместо 26 Вт).



Пример отраженного освещения: светильники направленного света
Светодиодные светильники со встроенной оптикой и устройствами фокусировки могут направлять свет на целевые освещаемые объекты более эффективно, чем люминесцентные лампы и лампы накаливания, которые излучают свет во всех направлениях. Значительное количество света, излучаемого люминесцентной лампой или лампой накаливания, теряется в светильнике или загораживается его деталями, обратно поглощается лампой или излучается в ненужном направлении. У некоторых типов световых приборов (таких как потолочные излучающие вниз светильники, встраиваемые светильники отраженного света и светильники для установки под навесными шкафами) от 40 до 50% светового потока, излучаемого лампой, теряется до того, как свет выходит за пределы светильника.



Светодиодные светильники для световых карнизов с встроенными фокусирующими устройствами излучают все 100% своего светового потока (177 люменов) в пределах угла расхождения пучка, равного 110°. Люминесцентный светильник для светового карниза излучает 85% из создаваемых его лампами 700 люменов, что соответствует 182 люменам в телесном угле 110° – т.е. примерно такому же значению, как и у светодиодного прибора.



Для светодиодных светильников, излучающих свет в определенном направлении, не требуется отражателей и рассеивателей света, которые могут задерживать свет, и они могут более эффективно доставлять свет на целевую освещаемую область. Например, eW Cove Powercore, линейный светодиодный светильник, разработанный компанией Philips Color Kinetics, излучает свет в пределах телесного угла, равного 110°. При значении светового потока 177 лм на фут эта светотехника излучает гораздо меньше света, чем популярная лампа F32T8, которая излучает 700 люменов на фут. Однако анализ показывает, что eW Cove Powercore обеспечивает сравнимый уровень освещенности целевой освещаемой области.
С учетом всех потерь, около 85% люменов лампы F32T8 выходит из осветительной арматуры, что снижает световой поток до 595 люменов на фут. Однако эти 595 люменов излучаются во всех направлениях, то есть в телесном угле 360°. В любом телесном угле 110° содержится 30% светового потока, или 182 люмена, – почти столько же, сколько и у eW Cove Powercore. Так как светильник eW Cove Powercore включает в себя встроенную линзу и его корпус может поворачиваться в пределах 180°, это упрощает разработчикам и монтажникам осветительной арматуры нацеливание света в нужном направлении без использования внешних линз и рассеивателей, использование которых может привести к снижению светового потока осветительного прибора.



Качество света
Понятие «качество света» применяется как к цветному, так и к белому свету. Такие характеристики, как постоянство, насыщенность и точность цвета, относятся как окрашенному, так и к белому свету, но при этом для белого света, используемого для общего освещения, применяются и другие параметры. Двумя основными характеристиками качества белого света являются коррелированная цветовая температура (Тцв) и индекс цветопередачи. Коррелированная цветовая температура показывает, каким является белый свет – теплым (красноватым), нейтральным или холодным (голубоватым).
Индекс цветопередачи показывает, насколько хорошо источник света передает цвета освещаемых предметов. В настоящее время белые светодиоды имеют наиболее стабильные цветовые температуры, которые могут лежать в более широком диапазоне, чем у других источники света.
По своей способности точно передавать цвета белые светодиоды приближаются к традиционным источникам света, а зачастую и превосходят их.



Индекс цветопередачи и белые светодиоды
Индекс цветопередачи отражает способность источника света правильно передавать цвета различных объектов в сравнении с идеальным источником света. Этот параметр является количественным показателем качества воспроизведения цветовых оттенков по шкале от 0 до 100. По определению, индекс цветопередачи солнечного света или освещения лампами накаливания равен 100. Максимальное подобие воспроизводимых цветов по отношению к эталонному источнику света также соответствует значению индекса, равному 100.
МКО разработала тест, позволяющий измерить, как цвета восьми стандартных цветовых образцов, обозначенных R1–R8, меняются при освещении источником света по отношению к освещению эталонным источником света. Цвета восьми образцов имеют относительно низкую насыщенность и равномерно распределены по всему диапазону тонов. Некоторые производители осветительных приборов также используют образец R9, имеющий насыщенный красный цвет. Индекс цветопередачи, обозначаемый Ra, определяется по результатам измерений для всех образцов цвета.



Восемь стандартных цветовых образцов, используемых при традиционном способе определения индекса цветопередачи.



Обеспечивают ли светодиоды приемлемый индекс цветопередачи?
Минимально приемлемое значение индекса цветопередачи источника света зависит от области его применения:
- Значение индекса цветопередачи в диапазоне 90–100 требуется в торговых и производственных помещениях, в которых точная цветопередача является критично важной – например, в магазинах по продаже тканей и произведений искусства или в художественных студиях.
- Для большинства офисных, торговых, образовательных, медицинских и других рабочих и жилых помещений индекс цветопередачи должен быть не ниже 70–90.
- В производственных, охранных и складских помещениях, где точная цветопередача не имеет большого значения, могут использоваться источники света с минимальным индексом цветопередачи, равным 50.
Выпускаемые в настоящее время осветительные приборы с белыми люминофорными светодиодами имеют индекс цветопередачи 80 или больше, что сравнимо с этим параметром у компактных люминесцентных ламп, кварцевых металлогалогенных ламп и некоторых холодно-белых люминесцентных ламп. Осветительные приборы на таких светодиодах имеют индекс цветопередачи, достаточный для большинства областей применения.



«Индекс цветопередачи» – не главный критерий при оценке белых светодиодов
Индекс цветопередачи в течение многих лет используется для сравнения ламп накаливания, люминесцентных и разрядных ламп высокого давления, тем не менее МКО пришла к выводу, что этот параметр не может исчепывающим образом оценивать качество цветопередачи белых светодиодов (см. Технический отчет МКО 177:2007, Цветопередача белых светодиодных источников света – CIE Technical Report 177:2007, Color Rendering of White LED Light Sources).
Выводы МКО основаны на фундаментальных исследованиях и экспериментах, показывающих, что наблюдатели оценивают качество освещения светодиодами значительно выше, чем можно ожидать, исходя из их расчетных значений индекса цветопередачи. Некоторые белые люминофорные светодиоды и белые полноцветные светодиоды RGB имеют значение индекса цветопередачи не выше 20. Однако, такой свет кажется людям более привлекательным.
Это несоответствие объясняется тем, что в стандартных методах измерения индекса цветопередачи используются источники света, которые имитируют излучение абсолютно черного тела – твердого тела, излучающего при нагревании свет определенного цвета, например, нити накала лампы накаливания – или дневной свет. Люминофорное покрытие многих люминесцентных ламп усовершенствовалось в течение многих лет, чтобы обеспечить высокое значение индекса цветопередачи, но это оказало незначительное влияние на видимое качество цветопередачи люминесцентных источников света.
Исследователи из Национального института стандартов и технологии (NIST) разрабатывают шкалу качества цвета (CQS), которая позволит лучше, чем индекс цветопередачи, измерять способность цветопередачи всех источников белого света, включая белые светодиоды. Согласно информации NIST, CQS оценивает различные аспекты качества цвета, включая цветопередачу, цветоразличение и предпочтения наблюдателя. В дополнение к нескольким другим рекомендациям, CQS заменяет 8 образцов цвета, которые используются в расчете индекса цветопередачи, 15 образцами цвета, более полно представляющими привычные цвета объектов и учитывающие спектральные характеристики светодиодов.
CQS находится на стадии разработки и еще не одобрена различными светотехническими лабораториями, которые продолжают использовать стандартное определение индекса цветопередачи, несмотря на его известные недостатки. До принятия CQS или аналогичной альтернативной методики разработчики и дизайнеры должны лично, желательно на месте предполагаемой установки, проверять светодиодные источники с низким индексом цветопередачи, чтобы оценить их реальную цветопередачу.



Светодиоды и постоянство цвета
Постоянство цвета является показателем качества света как цветных, так и белых светодиодов. Для белого света применяется коррелированная цветовая температура (Тцв), значение которой показывает, каким воспринимается белый цвет: теплым (красноватым), нейтральным или холодным (голубоватым). Стандартное определение Тцв допускает отклонения цветности, которые легко могут различаться наблюдателями даже при одинаковой Тцв. Поэтому обеспечить постоянство цвета является важнейшей задачей производителей светодиодов, которые разрабатывают методы строгого контроля над цветовыми характеристиками света.



Понятие коррелированной цветовой температуры
Говоря техническим языком, слово «температура» в понятии коррелированной цветовой температуры характеризует излучение абсолютно черного тела – твердого тела, обладающего определенными свойствами и находящегося в раскаленном состоянии. Она измеряется в градусах Кельвина (К), в которых обычно измеряется абсолютная температура. При повышении температуры черного тела цвет испускаемого им светового излучения изменяется следующим образом: красный – оранжевый – желтый – белый – голубой. Это напоминает кусок железа, который нагревается в кузнечном горне. Последовательность изменения цвета соответствует кривой в цветовом пространстве (см. диаграмму цветового пространства МКО 1931 ниже).
Лампа накаливания излучает свет с цветовой температурой приблизительно 2700 K, которая находится в теплой или красноватой области цветового пространства. Так как в лампе накаливания используется нить, которая накаляется при излучении света, температура нити является также цветовой температурой светового излучения.



Кривая излучения абсолютно черного тела в цветовом пространстве МКО 1931 определяет диапазон цветовых температур, от теплого (красноватого) до холодного (голубоватого) света.



Спектральный анализ видимого света позволяет определить цветовую температуру источников света, отличных от ламп накаливания, таких как люминесцентные лампы и светодиоды. Фактическая температура светодиода, излучающего свет с цветовой температурой 2700 K, обычно равна приблизительно 80 °С, хотя светодиод излучает свет того же цвета, что и нить, нагретая до температуры 2700 K.
Из представленной выше диаграммы следует, что все источники света, измеренные значения цветности которых лежат на одной линии, проведенной перпендикулярно кривой излучения абсолютно черного тела, имеют одинаковую цветовую температуру. Однако при этом цветовые тона света, излучаемого источниками света с одинаковыми значениями Тцв, могут значительно отличаться друг от друга. По этой и по другим причинам производители светодиодов используют метод управления цветовыми вариациями (и другими характеристиками), известный как сортировка по бинам.



Залог стабильной цветности: сортировка светодиодов по бинам
При изготовлении светодиоды отличаются по цвету, световому потоку и прямому напряжению. Так как эти различия значительны, параметры светодиодов измеряются, и светодиоды поставляются на рынок, отсортированными по подклассам, или бинам. Такая сортировка позволяет отобрать светодиоды, отвечающие указанным техническим условиям, например, выбрать светодиоды для светофоров, цвет которых отвечает европейскому стандарту.
Одной из основных задач производителей светотехники является такое деление светодиодов на бины, которое сводит к минимуму различие цветов между отдельными осветительными приборами или между партиями такой продукции.
Чтобы понять, как определяется бин, снова обратимся к диаграмме цветового пространства МКО 1931 и увеличим масштаб для кривой излучения черного тела. Изменения цветовой температуры располагаются на кривой излучения абсолютно черного тела, но изменения цвета светодиода располагаются также выше и ниже кривой излучения черного тела. Светодиоды, у которых цветовые координаты лежат выше кривой излучения абсолютно черного тела, имеют зеленоватый оттенок, а те, у которых ниже, – розоватый. На практике это означает, что указание цветовой температуры не обеспечивает одинаковый цвет. Например, две представленные ниже диаграммы иллюстрируют два гипотетических бина светодиодов, цветовая температура каждого из которых равна 5300 K, с отклонением +/- 300 K. Бин 1 имеет некоторое отклонение цвета, так как его область лежит выше и ниже кривой излучения абсолютно черного тела. Отклонение в цвете у бина 2 в четыре раза больше, хотя он также соответствует указанной производителем цветовой температуре.
Порог, при котором разница цвета становится заметной, определяется эллипсом Мак-Адама. Эллипс Мак-Адама вычерчивается на диаграмме цветового пространства так, что цвет в центре эллипса отличаетсяна определенную величину от цвета в любой точке на границе эллипса. Шкала эллипса Мак-Адама определяется стандартным порогом цветоразличения (SDCM). Разница цвета, соответствующая 1 единице SDCM, не видна, от 2 до 4 единиц – едва видна, 5 и больше единиц – отчетливо видна. Размер и ориентация эллипсов Мак-Адама зависят от положения в цветовом пространстве (см. диаграмму выше), даже если каждый эллипс определяет одинаковое отклонение цвета в центре эллипса от цвета на границе эллипса.



Примечание: для ясности эллипсы Мак-Адама, показанные на этой и других диаграммах, увеличены в 10 раз по сравнению с действительным размером.



Стандарт цветности C78.377A, разработанный Американским национальным институтом стандартов (ANSI), определяет 8 номинальных значений Тцв, диапазоны цветов которых ограничиваются рамками, окружающими эллипсы Мак-Адама с 7 ступенями. Светодиоды, цвет которых соответствует указанному номинальному значению Тцв и цветовому диапазону, соответствуют стандарту.



Разница цвета в пределах областей,которые соответствуют стандартам Тцв и цветности, легко заметна. Поэтому на практике производители светодиодов разделяют каждую область на несколько бинов. Например, компания OSRAM предлагает несколько бинов светодиодов с одной цветовой температурой. Каждый бин находится в пределах области, соответствующей стандарту ANSI для этой цветности. На диаграмме ниже приведен пример разбиения на бины для светодиодов OSRAM Golden DRAGON с цветовой температурой 2700 K.



Хотя все 16 бинов, предлагаемых компанией OSRAM, соответствуют стандарту ANSI C78.377A для номинальной Тцв 2700 K, они отличаются по Тцв и цветовому тону.
Стандарт ANSI C78.377A является одним из шагов на пути к обеспечению постоянства цвета, однако некоторые производители светодиодных источников света используют стандарты, превосходящие ANSI C78.377A. Например, компания Philips Color Kinetics разработала математическую модель для сортировки под названием OptibinR, которая гарантирует одинаковый цвет излучения для отдельных осветительных приборов и партий осветительных приборов.
Допуски Тцв и цветового тона для светодиодных осветительных приборов в модели Optibin находятся в 4-единичном эллипсе Мак-Адама, а не в 7-единичном эллипсе, определенном в стандарте ANSI. Для того чтобы отличия цвета были практически незаметны, модель Optibin предписывает использовать светодиоды из бинов, которые расположены как можно ближе к кривой излучения абсолютно черного тела в пределах 4-единичного эллипса. Запатентованный алгоритм интеллектуально комбинирует светодиоды из разных бинов для каждой партии осветительных приборов, гарантируя одинаковый цвет излучения для осветительных приборов, закупаемых и поставляемых в разное время.



Выбор правильного белого цвета
Светодиоды могут изготавливаться в широком диапазоне цветовых температур, которые аппроксимируют цветовые температуры различных несветодиодных источников света, дневного и солнечного света. Чтобы выбрать правильную цветовую температуру для конкретной области применения, необходимо учесть множество факторов.
Определенные цветовые температуры, соответствующие свету от теплого до холодного, ассоциируются с определенными источниками света и обстановкой. Цветовая температура также влияет на эмоциональное воздействие пространства и может сильно изменять внешний вид предметов, выставленных в магазинах, галереях и музеях. Правильный выбор цветовой температуры позволяет подобрать источник света, соответствующий обстановке, может положительно повлиять на поведение покупателя и повысить производительность труда на рабочем месте.



Светодиодные светильники белого света с фиксированной цветовой температурой могут легко заменить большинство традиционных источников света. В настраиваемых светодиодных светильниках белого света цветовая температура может регулироваться прямо во время работы при помощи контроллеров освещения.
Настраиваемый белый свет идеален для освещения сменных витрин в магазинах, для изменения обстановки в общественных местах (например, различных схем утреннего, вечернего и ночного освещения), а также для применения в театрах и студиях, когда требуется изменять уровни и оттенки белого света.



Полный диапазон цветовых температур
Подобно люминесцентным источникам, светодиоды могут обеспечить весь диапазон цветовых температур света: теплый, нейтральный, холодный, дневной. Хотя в одной осветительной установке обычно не рекомендуется использовать различные типы источников света, при модернизации освещения светодиоды могут заменять люминесцентные и галогенные лампы, а также лампы накаливания и металлогалогенные лампы.
Настраиваемые светильники белого света, такие как, например, из серии IntelliWhiteR, разработанные компанией Philips Color Kinetics, позволяют получить разную цветовую температуру в одном осветительном приборе.



Световая отдача светодиодных приборов
Световая отдача (светоотдача), или энергоэффективность светового прибора, – это количество света (в люменах), производимого на единицу потребляемой электроэнергии (в ваттах): лм/Вт.
Самой высокой светоотдачей обладают красные светодиоды и светодиоды, излучающие холодный белый свет (голубоватый) с цветовой температурой 5000 K и выше. По состоянию на конец 2009 г. светодиоды значительно превосходят по светоотдаче лампы накаливания и сравнялись по этому показателю с большинством типов люминесцентных ламп. Светодиоды, излучающие теплый белый свет с цветовой температурой 2600–3500 K, приближаются по светоотдаче к КЛЛ и продолжают постоянно совершенствоваться. В лабораторных условиях уже достигнута световая отдача, равная 150 лм/Вт, а у лучших светодиодов, изготовленных в промышленных условиях, она достигает 100 лм/Вт. Максимальная светоотдача современных светодиодных световых приборов достигает и даже превышает уровень 50 лм/Вт.



Сравнение светоотдачи светодиодных и традиционных световых приборов
Для правильного сравнения световой отдачи светодиодного и традиционного осветительного оборудования необходимо учитывать энергоэффективность всей системы, включающей источник света, блок питания, балласт, электронику, корпус прибора и оптику. При установке в световой прибор световая отдача как светодиодов, так и обычных ламп, значительно снижается. Как правило, это происходит по одним и тем же причинам.
Люминесцентные лампы и другие разрядные источники света требуют использования балластов для обеспечения напряжения зажигания и для ограничения тока лампы. Для светодиодов требуются драйверы и другие электронные устройства для преобразования сетевого напряжения в напряжение, при котором могут работать светодиоды, а также для управления электрическим током, регулирования светового потока и цветности излучения. Как правило, КПД светодиодных драйверов составляет около 85%. Только по одной этой причине указанная производителем светоотдача светодиода, установленного в световой прибор, должна быть уменьшена приблизительно на 15%.22 Фокусирующие приспособления, рабочие температуры и другие факторы также приводят к снижению световой отдачи светодиодов. Световая отдача не светодиодных источников света также должна быть уменьшена с учетом потерь в корпусе светового прибора, наличия линз, светофильтров и т. п.



Практические примеры
Световая отдача для потолочного излучающего вниз светильника на основе КЛЛ равна 72 лм/Вт, но потери света, возникающие при установке лампы в светильник, приводят к ее уменьшению на 67%. В результате этого световая отдача светильника составляет 24 лм/Вт. Светоотдача светодиодного излучающего вниз светильника равна 66 лм/Вт, но потери также приводят к снижению на 49%. В результате этого световая отдача светодиодного светильника составляет 34 лм/Вт,– этот показатель выше, чем у традиционного с КЛЛ.
Номинальная светоотдача КЛЛ с цветовой температурой 4000 К, используемой в световом приборе для освещения стен, находится в пределах 85–90 лм/Вт. Потери в светильнике составляют 62%, в результате чего реальная светоотдача составляет приблизительно 34 лм/Вт. Таким образом, этот параметр светильника с КЛЛ сравним со световой отдачей светодиодных световых приборов для подсветки стен с цветовой температурой 4000 К, которая составляет приблизительно 35 лм/Вт.
В таблице ниже приведены исходные значения световой отдачи ламп и источников света для различных типов световых приборов. Общие потери света складываются из потерь в осветительной арматуре, балластах, драйверах, фокусирующих устройствах и т. п. В таблице также представлены значения общей светоотдачи световых приборов. Исходная световая отдача монтируемого на поверхность светодиодного излучающего вниз светильника самая низкая (в этом примере используется eW Downlight Powercore, разработанный компанией Philips Color Kinetics). Однако его общая светоотдача превосходит энергоэффективность асимметричного линейного люминесцентного светильника и соответствует этому параметру у встраиваемого излучающего вниз светильника с КЛЛ.



Минимизация энергопотребления в выключенном состоянии
Одним из факторов, которому зачастую не придается должного значения, но который может значительно снизить световую отдачу системы, является энергопотребление светильника в выключенном состоянии. Электроэнергия расходуется в выключенном состоянии, когда выключатели или регуляторы находятся в цепи между блоком питания или трансформатором и светильником. При таком подключении трансформатор продолжает потреблять электроэнергию даже тогда, когда световой прибор выключен. Мощность, потребляемая трансформатором при выключенном световом приборе, может превосходить 2 Вт23, а потери от этого могут составлять до 20% общего энергопотребления системы.
Данная проблема отсутствует у светодиодных приборов, запитываемых непосредственно от электросети. Примером таких светильников служат светильники eW Profile Powercore производства компании Philips Color Kinetics, где силовая часть интегрирована в электронику прибора и поэтому расположена после выключателей или диммеров.



Почему необходимо отводить тепло
Ошибочно полагать, что светодиоды не генерируют тепла. Несмотря на то, что светодиоды и не излучают его в потоке света (т. е. обладают холодными пучками света), они все же вырабатывают тепло.
Как и другие источники света, светодиоды преобразуют электрическую энергию в энергию излучения и генерируют тепло. Отношение тепловой энергии к энергии излучения зависит от потребляемой мощности и эффективности системы. Лампы накаливания вырабатывают большое количество инфракрасного (ИК) излучения и выделяют большое количество тепла. При этом они излучают малое количество видимого света. Люминесцентные и металлогалогенные лампы производят не только большее количество видимого света, но и большое количество ИК- и ультрафиолетового (УФ) излучения, а также много тепла. Как это ни странно, светодиоды преобразуют относительно небольшую часть электроэнергии в энергию излучения – примерно столько же, сколько металлогалогенные и люминесцентные лампы – но так как они излучают очень малое количество ИК- и УФ-излучения, то доля (в процентном отношении) видимого света, испускаемого светодиодами, сравнима с такой же долей у металлогалогенных и люминесцентных ламп и превосходит ее у ламп накаливания.
В таблице ниже приведены сравнительные данные о долях (в процентном отношении) потребляемой мощности, преобразуемых в энергию излучения и в тепло светодиодами и некоторыми традиционными источниками света. Эти данные относятся к источникам белого света.



Эффективный отвод тепла является очень важным фактором для обеспечения нормальной работы светодиода, так как сильный нагрев снижает световой поток светодиода и уменьшает его полезный срок службы. Для нормальной работы светодиодного источника света от него должно отводиться генерируемое в нем тепло. В правильно сконструированных световых приборах применяются эффективные радиаторы и другие теплоотводящие и конвекционные устройства, удаляющие тепло от светодиодных источников света и рассеивающие его в окружающем пространстве.



Температура p-n-перехода
Одной из важнейших характеристик светодиода является температура p-n-перехода, которая часто обозначается как Tj. Как было описано в главе 2, p-n-переход является тем местом в светодиоде, где электрическая энергия (энергия электронов) преобразуется в видимый свет (фотоны) и в тепло. При увеличении температуры p-n-перехода световой поток и срок службы светодиода уменьшаются.
На температуру перехода светодиода влияют три фактора: ток возбуждения, теплоотвод и окружающая температура. Как правило, чем выше ток возбуждения, тем выше температура перехода.
Количество тепла, которое может быть отведено, зависит от окружающей температуры и конструкции устройства отвода тепла от светодиода в среду, окружающую световой прибор.
Обычно мощные светодиодные осветительные приборы включают в себя излучатель, печатную плату и теплоотвод. Излучатель припаивается к печатной плате. Он включает полупроводниковый кристалл, оптику и теплоотвод, с помощью которого тепло отводится от полупроводникового кристалла. В большинстве светодиодных световых приборов используются печатные платы с алюминиевой подложкой (MCPCB).
Через печатную плату с алюминиевой подложкой тепло передается с теплоотвода светодиода на внешний радиатор, на котором установлена печатная плата. Через внешний радиатор, закрепленный на корпусе светового прибора или конструктивно совмещенный с ним, тепло отводится в окружающее пространство. При отсутствии или блокировке внешнего теплоотвода светодиоды, находящиеся внутри светового прибора, выходят из строя за считанные минуты.



Отвод тепла в правильно сконструированном светодиодном световом приборе. Радиаторы и другие устройства отвода тепла проводящего и конвекционного типа отводят тепло от светодиодов.



Влияние температуры p-n-перехода на световой поток
Производители измеряют световой поток выпускаемых ими светодиодов при использовании импульса тока длительностью 15–20 мс при фиксированной температуре перехода, равной 25 °C. Температура перехода светодиода в правильно сконструированной светодиодном световом приборе при нормальной работе с установленными теплоотводящими устройствами обычно находится в диапазоне 60–90 °C или даже может превышать это значение. Так как рабочая температура перехода почти всегда больше 25 °C, то установленные в световом приборе светодиоды излучают как минимум на 10% меньше света, чем указывают их производители, если дополнительно не предоставлены данные для более высоких температур перехода.
На графике ниже показано, какое влияние оказывает повышение температуры перехода на световой поток светодиодов разных цветов. Янтарные и красные светодиоды наиболее, а синие – наименее чувствительны к изменениям температуры перехода.



Влияние температуры p-n-перехода на полезный срок службы
Непрерывная работа светодиода при высокой температуре перехода значительно сокращает полезный срок службы светодиодного светового прибора. На графике ниже показана зависимость светового потока светодиода от времени его работы для двух светодиодов, работающих при одинаковом токе возбуждения, но при разных температурах перехода. Зависимости были получены на основании данных измерений, выполнявшихся в течение 10 000 часов работы светодиода. На графике также показан прогноз до 100 000 часов работы. При повышении температуры перехода на 11 °C оценочное значение полезного срока службы уменьшается на 57%, с 37 000 до 16 000 часов.
Производители постоянно повышают срок службы светодиодов при высоких рабочих температурах. Например, в опубликованной в июле 2009 года информации о стабильности белого светодиода Cree XLamp XR-E, гарантируется сохранение светового потока на уровне 70% от исходного значения в течение срока службы более 50 000 часов при токе возбуждения 700 мА, температуре перехода 110 °C и температуре окружающей среды 45 °C.



Полезный срок службы: стандарт LM-80, стабильность светового потока и срок службы светодиодных световых приборов
Так же как и в случае фотометрических измерений, таких как измерение светового потока и световой отдачи, расчеты срока службы для светодиодных и традиционных источников света существенно отличаются друг от друга. Чтобы правильно сравнить их, необходимо понимать эти различия и проанализировать приводимые справочные значения.
Испытание осветительного прибора на срок службы на первый взгляд может показаться простым, а именно: включить и выяснить, сколько времени он будет работать. Но измерения и оценка не являются простой задачей, особенно для светодиодных источников света. Современные методы испытаний традиционных источников света (ламп накаливания, люминесцентных ламп, разрядных ламп высокого давления, натриевых ламп низкого давления и т. д.) тщательно проработаны и хорошо понятны.Метод испытания на срок службы для светодиодных источников света является сравнительно новым и, соответственно, менее понятным.
В данном разделе объясняется, как интерпретировать расчеты полезного срока службы для отдельных и встроенных в световые приборы светодиодных источников света, а также предлагается метод для выполнения правильных сравнений традиционных осветительных приборов со светодиодными.



Номинальный срок службы традиционных источников света
В утвержденных методах испытания на срок службы традиционных источников света требуется измерить и указать значение номинального срока службы лампы. Эти методы опубликованы Светотехническим обществом (IES) в различных официальных изданиях. Например, стандарт LM-65-01 определяет процедуры испытаний для определения срока службы компактных люминесцентных ламп (КЛЛ), а LM-49-01 – процедуры испытаний для определения срока службы ламп накаливания. LM-65-01 и LM-49-01 были разработаны и начали использоваться в 2001 году, и заменили старые стандарты, опубликованные соответственно в 1991 и в 1994 году.
Оба этих стандарта устанавливают условия испытаний, размеры выборки и методы обработки данных, полученных при испытаниях, для получения номинальных значений срока службы. Для КЛЛ стандарт LM-65 определяет статистически обоснованный размер выборки образцов, которые должны испытываться при температуре окружающей среды 25 °C с циклом длительностью три часа во включенном состоянии и 20 минут в выключенном состоянии (так как срок службы КЛЛ зависит от количества ее включений и выключений). Время, через которое половина ламп выходит из строя, является номинальным средним сроком службы лампы.
Для ламп накаливания стандарт LM-49 определяет статистически обоснованный размер выборки образцов, которые должны испытываться в указанном производителем диапазоне рабочих температур и напряжений. Лампы могут охлаждаться до температуры окружающей среды один раз в сутки (обычно на время от 15 до 30 минут). Так же как для КЛЛ, номинальным средним сроком службы лампы является время, по истечении которого половина ламп продолжает работать.



Стабильность светового потока и его спад во времени
В сентябре 2008 года IES выпустила стандарт Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources (Измерение стабильности светового потока светодиодных источников света), публикация IES LM-80-08. Стандарт LM-80 – это «светодиодный» аналог LM-65, LM-49 и других стандартов на испытания традиционных источники света, но принципиально отличается от них, что иногда сбивает с толку.
Вместо измерения номинального срока службы лампы стандарт LM-80 предписывает измерять, насколько снижается световой поток светодиодного источника через определенное количество часов его работы. Это значение описывает термин «спад светового потока».
Обратным по отношению к спаду светового потока является понятие стабильности светового потока. Термин «стабильность светового потока» является промышленным стандартом для обозначения доли светового потока, сохраняемой источником света в течение указанного времени, выраженной в процентах от исходного светового потока.
Световой поток, излучаемый всеми электрическими источниками света, с течением времени снижается, в частности, приложения к стандартам LM-65 и LM-49 посвящены спаду светового потока ламп накаливания и КЛЛ с течением времени. В случае ламп накаливания спад светового потока вызван уменьшением диаметра нити накала и осаждением частиц испаренного вольфрама на внутренних стенках колбы. Лампы накаливания обычно теряют 10–15% своего исходного светового потока в течение среднего срока службы, равного 1 000 часов. В люминесцентных лампах спад светового потока вызван фотохимической деструкцией люминофорного покрытия и стеклянной трубки, а также осаждением светопоглощающего материала на внутренних стенках трубки. В высококачественных люминесцентных лампах, в которых используются редкоземельные люминофоры, теряется лишь 5–10% исходного светового потока после 20000 часов работы. Потеря светового потока в КЛЛ больше, но большинство правильно сконструированных ламп теряют не более 20% своего исходного светового потока после 10 000 часов работы.



Центр международной торговли в г. Лас-Вегас, штат Невада. Здесь используется более 8 000 футов (2438,4 м) линейных светодиодных светильников eW Cove Powercore производства компании Philips Color Kinetics для освещения атриума в здании C, имеющего сложную геометрию. Светодиодные световые карнизы отраженного света в таких зданиях имеют преимущества над аналогичной подсветкой с использованием традиционных источников света. Полезный срок их службы до 70 000 часов и очень низкая степень отказов: светодиодные светильникидля световых карнизов гарантируют надежное освещение в течение многих лет без образования темных пятен, возникающих из-за выхода из строя ламп, которые могут портить элегантный вид подсвечиваемого объекта.



В светодиодных источниках света к факторам, влияющим на спад светового потока, относятся ток возбуждения и тепло, генерируемое в устройстве (на p-n переходе), которые вызывают деградацию материала светодиода. В некоторых белых светодиодах может происходить деградация люминофорного покрытия подобно тому, как это происходит в люминесцентных лампах. Некоторые светодиоды могут также терять световой поток из-за помутнения или появления темных пятен в герметике, покрывающем светодиодный кристалл.
Характеристики стабильности светового потока имеют вид Lp, где L – это исходный световой поток источника света, а р – это выраженный в процентах остаточный световой поток после определенного количества часов работы. Например, L97 показывает, как долго источник света сохраняет 97% (или теряет 3%) своего исходного светового потока, L44 показывает, как долго источник света сохраняет 44% (или теряет 56%) своего исходного светового потока, и т. д.
Так как качественные светодиодные источники света могут излучать полезный свет в течение десятков тысяч часов и так как они редко полностью выходят из строя, то понятие «стабильности светового потока» часто используется вместо понятия номинального срока службы светодиода. Измерение номинального срока службы светодиодных источников света (среднее время до выхода из строя для статически обоснованной выборки) потребует непрерывной работы источников света до тех пор, пока они не перестанут излучать свет, и этот процесс может занять много лет. Так как светодиодные источники света продолжают излучать свет даже после того, как их первоначальный световой поток уменьшиться на 50% или больше, светотехническим консультантам и проектировщикам нужно знать, как долго светодиодные световые приборы будут сохранять достаточно высокий процент первоначального светового потока, а не сколько времени пройдет до выхода источника света из строя.



Определение полезного срока службы светодиодных источников света
Общество твердотельных осветительных систем и технологий (Alliance for Solid State Illumination Systems and Technologies – ASSIST) – группа под руководством исследовательского центра по вопросам освещения, входящего в состав Политехнического института Ренселаер в г. Троя, штат Нью-Йорк, – выпустила серию рекомендаций по определению понятия «полезного срока службы» светодиодных источников света. ASSIST определяет «полезный срок службы» как промежуток времени, в течение которого источник света обеспечивает минимально допустимый уровень света для данного применения.
Исследования, выполненные ASSIST, показывают, что изменение уровня освещенности в обычном офисе обычно остается незаметным, пока он остается на уровне выше 70% своего исходного значения, особенно в тех случаях, когда уровень освещенности изменяется постепенно. Поэтому для применений, связанных с общим освещением, ASSIST рекомендует определять полезный срок службы как промежуток времени, в течение которого исходный световой поток источника света снижается до 70% исходного значения (L70). Для декоративного и акцентного освещения ASSIST рекомендует определять полезный срок службы как промежуток времени, в течение которого исходный световой поток источника света снижается до 50% исходного значения (L50).
L70 и L50 широко используются в работе со светодиодным освещением как два важных пороговых значения полезного срока службы и применяются в широком диапазоне областей применения освещения.



Несовпадение оценок стабильности светового потока
Существует несовпадение между результатами испытаний, полученными согласно стандарту LM-80 и порогами L70 и L50, которые определяют полезный срок службы изделия. Недостаток, который можно назвать нестыковкой оценок стабильности светового потока, является источником многих неприятностей для светотехнических консультантов, проектировщиков и других специалистов, занимающихся вопросами освещения, которым требуется знать, как долго система освещения будет обеспечивать эффективное освещение для конкретной области применения.
Это очень важно, чтобы правильно сравнить традиционные и светодиодные световые приборы, а также для правильного определения затрат на их установку, обслуживание и замену. Ниже, подробнее об этом.
Стандарт LM-80 предписывает испытания светодиодных источников света в течение 6 000 часов и рекомендует испытания в течение 10000 часов. Эти испытания должны выполняться при трех разных температурах p-n-перехода (55 °C, 85 °C и при третьей температуре, которая должна определяться производителем) так, чтобы пользователи могли видеть, как температура влияет на световой поток. Стандарт также определяет дополнительные условия испытания для получения согласованных и сопоставимых результатов.



К сожалению, стандарт LM-80 не содержит рекомендаций относительно того, как экстраполировать данные измерений для получения значений L70 или L50. Этот метод (IES Technical Memorandum TM-21) в настоящее время находится на стадии разработки. До тех пор, пока документTM-21 не будет опубликован, единственным способом, с помощью которого производитель светодиодного источника света может доказать, что указанные им значения параметров L70 и L50 соответствуют LM-80, является испытание светодиодных источников света до тех моментов, пока они не достигнут этих пороговых значений. Так как типичное значение L70 составляет 50 000 часов, такое испытание должно продолжаться более пяти лет! Это не только непрактично, но и с учетом быстрого развития светодиодных технологий приведет к тому, что испытываемые светодиоды устареют к моменту окончания испытания.
На практике ведущие производители светодиодных источников света испытывают свои изделия согласно стандарту LM-80 в течение минимум 6 000 или 10 000 часов, а затем применяют свои собственные методы экстраполяции для получения значений параметров L70 и L50. Так как эти методы являются интеллектуальной собственностью, производители могут даже и не раскрывать математические формулы и вспомогательные данные.
Например, ведущий производитель светодиодных источников света публикует необработанные данные для своих высокоэффективных белых светодиодов в отчете об испытаниях согласно стандарту LM-80. Отчет содержит данные о статистически значимой выборке приборов, каждый из которых испытывался в течение 6 000 часов в соответствии с методикой LM-80, и экстраполированные данные L70, основанные на экспоненциальной модели. Хотя этих данных достаточно для того, чтобы производитель вызвал доверие, пользователи и специалисты дополнительно выиграли бы, если бы эти формулы экстраполяции и принятые допущения были раскрыты для них.



Модель долговременного прогнозирования стабильности светового потока, разработанная компанией Philips Lumileds, ведущим производителем светодиодных источников света, базируется на результатах испытаний по стандарту LM- 80. Светодиодные источники света испытываются в течение 6 000 часов, а данные долговременной стабильности светового потока получаются методом экстраполяции.



Другой ведущий производитель светодиодных источников света строит модель стабильности светового потока высокоэффективных белых светодиодов на интерпретации необработанных данных испытаний по стандарту LM-80. Согласно опубликованным им данным, график стабильности светового потока является линейным после первых 5000 часов работы, поэтому применяется линейная модель с использованием таких переменных, как температура теплоотвода, расположенного внизу светодиода, температура p-n-перехода, температура окружающей среды и ток возбуждения. В то время как сами формулы экстраполяции и необработанные данные не раскрываются, производитель четко объясняет свою методику и предоставляет большое количество графиков, показывающих прогнозируемое значение стабильности светового потока на уровне L70 при разных температурах окружающей среды и разных токах возбуждения.
Независимо от используемого метода экстраполяции, следует помнить о том, что хотя значения L70 и L50 могут базироваться на измерениях по стандарту LM-80, сами они не являются данными измерений по LM-80.



Полезный срок службы светодиодных источников света в световых приборах
Утвержденный метод фотометрических измерений светодиодного оборудования предписывает выполнять испытание светодиодных световых приборов в собранном состоянии (как указано в IES LM-79-08). В утвержденном методе измерения стабильности светового потока требуется совершенно противоположное: предписывается выполнять отдельные испытания светодиодных источников света, но не технику в собранном виде. Стандарт LM-80 четко определяет источники света, только как «узлы, блоки, и модули». Это означает, что производители светодиодных световых приборов должны создавать свои собственные методы расчета стабильности светового потока для выпускаемых ими светодиодных световых приборов. Так же как и значения L70 и L50, указываемые производителями светодиодных источников света, значения стабильности светового потока, указываемые производителями светодиодных световых приборов, могут быть получены на основании данных испытаний по стандарту LM-80 и экстраполяции этих данных, но эти значения не являются результатом измерений по стандарту LM-80.
Внешняя температура, температура внутри прибора и ток возбуждения оказывают большое влияние на стабильность светового потока светодиодного источника света, используемого в светодиодном световом приборе, но также на этот параметр могут оказывать влияние различные свойства светового прибора, такие как характеристики линз, цвет корпуса, качество компонентов и конструкция устройств отвода тепла. Такие рабочие факторы, как скачки напряжения, статические заряды, вибрация и проникновение влаги также могут оказывать большое влияние на стабильность светового потока светодиодного прибора. Испытание по стандарту LM-80 для светодиодной светотехники может оказаться слишком сложным и дорогостоящим для производителей, так как они должны будут испытывать все различные варианты выпускаемых ими светодиодных световых приборов, чтобы учесть все факторы и комбинации этих факторов.



Слева: светодиодный узел, включающий в себя один светодиодный кристалл, линзу и подложку. Справа: светодиодная матрица (модуль), включающая в себя несколько светодиодных узлов. Стандарт LM-80 применяется только для узлов, модулей и блоков, но не для техники в собранном виде.



Поэтому на практике известные производители светодиодной светотехники гарантируют, что используемые в выпускаемой ими светодиодной осветительной технике токи возбуждения и рабочие температуры (особенно температуры p-n-переходов) находятся в пределах, указанных производителями светодиодных источников света в их отчетах о стабильности светового потока. Производители светотехники затем выполняют свои собственные расчеты для определения полезного срока службы светодиодных источников света, используемых в выпускаемом ими оборудовании, основанные на собственном понимании воздействия конкретных физических факторов.



Полезный срок службы – не одно и то же что полный срок службы светового прибора
Важно помнить о том, что «полезный срок службы» и «полный срок службы» светового прибора – это два совершенно разных понятия. Полезный срок службы светового прибора зависит от к прогнозируемого значению стабильности светового потока светодиодных источников света, входящих в состав прибора – другими словами, это количество часов, в течение которых светодиодный световой прибор будет обеспечивать достаточное количество света в конкретной области применения.
С другой стороны, срок службы светодиодного светового прибора связан с надежностью компонентов, входящих в его состав, включая электронику, материалы, корпус, провода, разъемы, уплотнители, и т. д. Вся система будет работать ровно столько, сколько проработает входящий в нее критический компонент с самым коротким сроком службы. Таким компонентом может оказаться уплотнители, оптический элемент, светодиод или что-то другое. С этой точки зрения светодиодный источник света является одним из критических компонентов, хотя именно он является и наиболее надежным компонентом всего светового прибора.



Известные производители светодиодных световых приборов тратят много времени и сил на разработку и конструирование систем освещения, включая алгоритмы управления, топологию печатных плат, обеспечение качества компонентов, устройства отвода тепла, оптику, механическую конструкцию. Конструкция светодиодных световых приборов затем обычно проверяется с помощью ряда натурных испытаний для подтверждения соответствия требованиям к рассеянию тепла, световому потоку и т. д.
Так как все характеристики светодиодного светового прибора являются взаимозависимыми, его эксплуатационные характеристики могут быть определены только с помощью испытания прибора как единой системы.



Сравнение полезного срока службы традиционных ламп и светодиодных световых приборов
Так как все электрические источники света имеют спад светового потока в процессе работы, то должна существовать возможность экстраполировать номинальный срок службы и спад светового потока традиционных источников света до значений L70 и L50. Это позволит консультантам-светотехникам, осуществляющим подбор оборудования, и проектировщикам освещения сравнивать полезный срок службы используемых в светотехнике светодиодных источников света с полезным сроком службы ламп накаливания и люминесцентных ламп.
- Сравнение с лампой накаливания. Номинальный средний срок службы 60-ваттной лампы накаливания равен 1 000 часов. Если предположить, что в течение срока службы лампа накаливания теряет 10%–15% своего светового потока, то лампа выйдет из строя, прежде чем достигнет порога L70. Следовательно, ее номинальный срок службы фактически является ее полезным сроком службы.
- Сравнение с КЛЛ. Номинальный средний срок службы 18-ваттной КЛЛ равен 15 000 часов, ее исходный световой поток равен 1250 лм, а расчетный световой поток – 1125 лм, что соответствует снижению светового потока на 10% после 6 000 часов работы. Следовательно, лампа достигнет порога L70 через 18 000 часов работы. Но так как ожидается, что лампа выйдет из строя через 15 000 часов, то ее номинальный срок службы фактически является ее полезным сроком службы.
- Сравнение с линейной люминесцентной лампой. В настоящее время существуют высокоэффективные люминесцентные лампы с очень длительным номинальным сроком службы. Например, 48-дюймовая, 32-ваттная люминесцентная трубка T8 со средним номинальным сроком службы 33 000 часов теряет 5% исходного светового потока через 13 200 часов работы, или 40% своего срока службы. При постоянной скорости спада светового потока лампа достигнет порога L70 через 79 200 часов работы. Это значение сопоставимо со значением полезного срока службы многих светодиодных источников света. Ожидается, что лампа выйдет из строя через 33 000 часов, то есть намного раньше, чем она достигнет порога L70. Следовательно, ее номинальный срок службы, а не порог L70, фактически является ее полезным сроком службы.
- Сравнение с разрядной лампой высокого давления. В отличие от люминесцентных ламп и ламп накаливания, оценка номинального срока службы для этих ламп базируется на сохранении работоспособности 67% испытанных ламп (вместо 50% для люминесцентных ламп и ламп накаливания). После 9 600 часов работы лампа сохраняет 90% своего исходного светового поток, что определяет порог L70 на уровне 28 800 часов. В то время как номинальный срок службы лампы и параметр L70 приблизительно совпадают, ее номинальный срок службы немного меньше. И снова номинальный срок службы этой лампы фактически равен ее полезному сроку службы.



Как показали приведенные выше примеры, для традиционных источников света номинальный срок службы обычно эквивалентен полезному сроку службы, так как традиционные источники света обычно выходят из строя до того, как достигают соответствующих порогов стабильности светового потока. Сравнение значений полезного срока службы светодиодных световых приборов со значениями номинального срока службы обычных ламп позволяет оценить, скольких замен ламп можно избежать при использовании светодиодных источников света вместо традиционных. Эта оценка дает важную информацию для сравнения общих затрат, связанных с системой освещения.
Например, линейный светодиодный светильник для карнизов eW Cove Powercore производства компании Philips Color Kinetics имеет значение L70, равное 60 000 часов. Использование eW Cove Powercore вместо люминесцентного светильника с лампой T8, рассмотренной в приведенном выше примере, позволяет избежать двух замен ламп, или четырех заменламп при использовании этих светильников вместо тех, что на основе КЛЛ, или 60 замен ламп при использовании вместо ламп накаливания. Светодиодный светильник Philips Gardco Radiant LED, потребляющий столько же электроэнергии и излучающий такой же световой поток, что и натриевая лампа высокого давления для уличного освещения, указанная в приведенном выше примере, имеет значение L70, лежащее в диапазоне от 50 000 до 100 000 часов в зависимости от температуры окружающей среды и тока возбуждения. В этом случае светодиодная альтернатива имеет полезный срок службы, превосходящий полезный срок службы газоразрядной лампы высокого давления в 2–4 раза.



Достоверность информации
К сожалению, иногда не совсем ясно как прогнозируются значения стабильности светового потока, выполняемые производителями светодиодных источников света и светильников. Как специалисты, осуществляющие подбор светового оборудования, и проектировщики освещения могут проверить, являются ли значения, указываемые производителями, достоверными и точными?
Прежде всего, специалистам, выбирающим марку товара, и разработчикам проектов освещения следует искать производителя с хорошей репутацией, а также убедиться, что он предоставляет полный набор опубликованных технических характеристик, фотометрических данных и другую техническую информацию. Однако, следует помнить о том, что специалисты по освещению не могут просто запросить у производителя светодиодных световых приборов данные по стандарту LM-80. Как было указано выше, данными по стандарту LM-80 обязаны обладать только производители светодиодных источников света, причем эти данные относятся к времени работы, значительно меньшему, чем принятые пороговые значения срока службы.
Однако, пользователи могут повысить свое доверие к цифрам, которые указывают производители светодиодных световых приборов, убедившись в том, что:
- Светодиодные источники света, используемые в светотехнике, испытывались в соответствии со стандартом LM-80.
- Производитель светодиодного источника света использует правильный метод прогнозирования значений сохранения светового потока L70 и L50 на основании результатов испытания по стандарту LM-80.
- Производитель светодиодных световых приборов выполняет свои собственные измерения температуры p-n-перехода, тока возбуждения и других важных параметров, и получает значения L70 и L50 методом экстраполяции данных LM-80, представленных производителем светодиодного источника света.
- Фотометрические данные, указанные производителем светодиодных световых приборов, основаны на результатах испытаний, выполненных в соответствии со стандартом LM-79 независимой испытательной лабораторией, связанной с Национальным институтом стандартов и технологий (NIST).
Ведущие производители светодиодной светотехники разрабатывают продукцию с гарантией высокой надежности и долговечности. Хотя световые приборы все же иногда выходят из строя, правильно сконструированное светодиодное оборудование может надежно работать в течение многих тысяч часов до тех пор, пока находящиеся внутри него светодиодные источники света не достигнут конца своего полезного срока службы.



Включение и питание светодиодных световых приборов
Понимание того, как осуществляется питание и управление светодиодными системами освещения, может помочь получить ответы на следующие вопросы:
- Насколько легко установить светодиодную светотехнику?
- Можно ли регулировать световой поток прибора, и если да, то как?
- Требуются ли для светового прибора дополнительные источники питания, и если да, то сколько?
- Требуется ли для светового прибора отдельный контроллер?
- Какие контроллеры имеются в продаже и насколько сложным является управление ими?
- Может ли конкретный светодиодный световой прибор использоваться для модернизации уже установленной системы освещения?



Светодиодные драйверы
Ток светодиода увеличивается сильнее, чем подаваемое на него напряжение. Следовательно, даже небольшие изменения напряжения могут привести к большим изменениям тока, что может привести к выходу светодиода из строя. Чтобы подключить светодиодный световой прибор к источнику напряжения, такому как электросеть или батарея, и не повредить при этом светодиодные источники света, необходимо контролировать потребляемую мощность таким образом, чтобы светодиоды могли безопасно ее использовать. Эту функцию выполняет светодиодные драйверы.
Светодиодный драйвер – это электронное устройство, которое превращает источник напряжения в источник тока, который поддерживает ток на постоянном уровне, несмотря на изменения входного напряжения. Светодиодный драйвер защищает светодиоды от обычных колебаний напряжения, а также от перенапряжений и скачков напряжения.
Светодиодные светильники, в которых используются светодиодные драйверы, подключаются к источнику питания так же просто, как и традиционные светильники. Все большее количество встроенных драйверов для светодиодных светильников белого света позволяют регулировать световой поток



Варианты питания светодиодных световых приборов
Способ питания светодиодных световых приборов выбирается для каждой конкретной области применения, исходя из их эксплуатационных характеристик, удобства использования и стоимости. Существует три варианта электропитания:
- Низковольтная питающая сеть
- Встроенный источник питания
- Интегрированный источник питания.



Низковольтная питающая сеть
Низковольтные светодиодные световые приборы требуют соответствующих источников питания или трансформаторов, преобразующих сетевое напряжение в низкое, и специальной кабельной разводки. Низковольтный источник питания выглядит как «кирпичик» на кабеле питания, похожий на источник питания для ноутбука и обычно выдает постоянный ток.
Низковольтные системы имеют довольно низкий КПД, так как в процессе преобразования сетевого напряжения в низкое происходит потеря электроэнергии во время преобразования, фильтрации и стабилизации тока. Однако для некоторых областей применения низковольтные системы являются предпочтительными. В гибких, мобильных применениях и в индустрии развлечений широко используют низковольтные осветительные приборы, часто совмещаемые с театральными устройствами для управления светом и звуком. Низковольтные световые приборы иногда выбирают по эстетическим соображениям, например, при оформлении сцены, когда недопустимо использовать кабели. В этом случае он может запитываться от батарей, а для управления им могут использоваться беспроводные радио контроллеры.
Типичная схема подключения низковольтных световых приборов – «звезда», когда каждый прибор или группа приборов подключается напрямую к низковольтному источнику питания с помощью одного силового кабеля, часто с помощью специального кабеля для конкретной модели. Вход источника питания подключается к электросети. Количество световых приборов, подключаемых к одному источнику питания, ограничивается такими факторами, как потребляемая мощность, расстояние между световыми приборами и источником питания, а также количеством выходов источника питания.



Типичная низковольтная система включает в себя один или несколько источников питания, которые обеспечивают питание и управление для одного или нескольких световых приборов. На рисунке каждый источник питания PDS-150e обеспечивает работу трех световых приборов ColorBlast 12.



ColorBlast 12 – это низковольтный светодиодный прожектор заливающего света изменяемого цвета производства компании Philips Color Kinetics, который часто используется для подсветки стен во время сценических представлений. От одного источника питания может запитываться до трех световых приборов, каждый из которых может находиться на расстоянии до 60 футов (20 м) от источника питания. Для систем освещения, в которых используется много световых приборов, используется несколько источников питания, которые устанавливаются в зависимости от расположения светильников и подключаются к электросети.



Встроенный источник питания
При использовании встроенного источника питания реализуется такая же общая схема, как и в низковольтных системах питания, но с рядом преимуществ. Внешние источники питания заменяются стандартными импульсными источниками питания, встроенными непосредственно в светильники, что позволяет напрямую подключать их к электросети. Это позволяет снизить затраты на монтаж, однако, наличие дополнительных компонентов внутри светильника может привести к увеличению его размеров и к ухудшению теплового режима.
ColorBlazeR производства компании Philips Color Kinetics – это мощный светодиодный светильник, предназначенный для театрального освещения, снабженный встроенным источником питания и устройствами контроля температуры, такими как термодатчики и охлаждающие вентиляторы. ColorBlaze легко подключается к электросети с помощью стандартного силового кабеля, отвечающего требованиям МЭК.



Интегрированный источник питания
Интеграция источника питания является принципиально другим методом обеспечения электропитания. Интегрированный источник питания внедряется непосредственно в схему светильника для создания эффективного силового каскада, объединяющего в себе преобразование сетевого напряжения и стабилизацию тока светодиода. С помощью введения единого силового каскада внутрь светодиодного светильника можно избежать значительных потерь электроэнергии, которые имеются в низковольтных схемах с несколькими силовыми каскадами.



За счет объединения модулей питания и коррекции коэффициента мощности со светодиодными драйверами непосредственно в схеме светодиодных светильников система питания Powercore устраняет часть потерь, присутствующих при использовании низковольтной питающей сети.



В этом случае пользователи могут получить много преимуществ, включающих в себя увеличение энергоэффективности системы, снижение затрат на установку, эксплуатацию и обслуживание.
Powercore, интегрированная система питания с микропроцессорным управлением, запатентованная компанией Philips Color Kinetics, используется во многих светодиодных светильниках с прямым питанием от сети, выпускаемых этой компанией. Технология Powercore является современной, полностью интегрированной системой питания для светодиодных светильников:
- Powercore позволяет избежать от 18 до 30% потерь мощности, связанных с использованием внешних источников питания и кабелей.
- Powercore предусматривает наличие в каждом светильнике системы активной коррекции коэффициента мощности, что позволяет снизить эксплуатационные затраты и обеспечить максимальную эффективность эксплуатации. Коэффициент мощности световых приборов, в которых используется Powercore, обычно выше 0,995, что очень близко к идеальному коэффициенту мощности, равному 1,000.
- Powercore обеспечивает световому прибору универсальное напряжение питания. Светильники с технологией Powercore могут питаться от переменного напряжения в диапазоне 100–240 В, так как этот источник питания может надежно и эффективно обеспечить мощность, необходимую для работы светодиодов.
- За счет сведения к минимуму необходимого количества источников питания Powercore упрощает и удешевляет установку и обслуживание светодиодных световых приборов.



Управление светодиодными световыми приборами
Термин «управление» включает в себя целый набор методов, протоколов и устройств для эксплуатации светодиодных световых приборов. Простейшими видами управления являются включение/выключение и регулирование светового потока. Для многих одноцветных и фиксированных светодиодных светильников белого света это единственно применимые способы управления.
Управление полноцветными и настраиваемыми белыми светодиодными световыми приборами позволяет получить различные RGB цвета, отрегулировать цветовую температуру, а также создать простые рисунки с изменяющимися цветами, сложные световые шоу (доступные как простым пользователям, так и профессиональным режиссерам-постановщикам) и даже крупномасштабные видеоэкраны. Динамические светодиодные световые приборы обычно управляются с помощью сигналов, поступающих из специально разработанных для этого контроллеров с использованием коммуникационных протоколов, предназначенных для управления источниками света. Коммуникационный протокол – это стандартный набор правил для передачи сигналов и информации по каналу связи.



Управление по стандарту DMX
По мере развития светотехнической промышленности развивались также и коммуникационные протоколы. Наиболее популярным форматом управления светильниками с изменением цвета является DMX512-A, или сокращенно просто DMX. Он был разработан в 1986 году Проектной комиссией Института театральных технологий США (USITT) для управления театральным и сценическим освещением. DMX используется в большинстве театральных пультов управления освещением, но эти пульты обычно слишком громоздки, сложны, специализированы и дороги для общих областей применений. Поэтому некоторые производители динамических светодиодных светильников разрабатывают и выпускают свои собственные DMX-контроллеры.
Они являются более компактными, чем театральные пульты управления освещением, и зачастую обладают специальными функциями, такими как запрограммированные последовательности для световых шоу и встроенные световые эффекты, разработанные для того, чтобы упростить и автоматизировать управление светом обычными пользователями.
DMX-контроллеры взаимодействуют со светодиодными светильниками с помощью адресов DMX. Каждому используемому в системе освещения светильнику назначается адрес, или группа адресов. Эти адреса позволяют контроллеру выделять отдельные светильники в системе и посылать им индивидуальные сигналы для того, чтобы каждый из них излучал нужный свет.
Однозначная адресация и управление светодиодными светильниками изменяемого цвета позволяют одновременно получать свет изменяемого цвета и яркости для разных светильников. Такое управление обеспечивает возможность получить бесконечное количество динамических эффектов и их комбинаций, от цветов, переходящих из одного в другой, до сложных световых шоу, имитирующих природные явления или отображающих абстрактные картины.



iPlayer® 3 производства компании Philips Color Kinetics является компактным контроллером светодиодной системы освещения, способным управлять двумя отдельными DMX-системами с 512 адресами каждая.



Большинство светодиодных светильников имеют три канала, по одному для каждого цвета, используемого в приборе – обычно красного, зеленого и синего. Соответственно, каждый светильник получает от контроллера три отдельных канала данных DMX, один из которых используется для красных светодиодов, второй для зеленых, а третий для синих. Первый светильник установки может быть запрограммирован на получение данных DMX по адресам 1, 2, и 3; второй – на получение данных DMX по адресам 4, 5, и 6; и т. д. Протокол DMX поддерживает до 512 DMX-адресов. Одна система DMX может включать в себя максимум 170 однозначно адресуемых трехканальных световых приборов (512 деленное на 3 = 170 плюс два неиспользуемых канала). Система освещения может включать в себя одну или несколько систем DMX.
iPlayerR 3 производства компании Philips Color Kinetics является компактным, но при этом мощным DMX контроллером для полноцветных светодиодных светильников. Как и многие другие DMX контроллеры, iPlayer позволяет сохранять многочисленные варианты световых шоу во внутренней памяти контроллера (по аналогии с сохранением файлов на компьютере). Имеется возможность выбирать, запускать, останавливать, и сохранять в памяти отдельные варианты световых шоу, а также управлять работой подключенных светильников с помощью расположенных на iPlayer 3 кнопок управления или подключаемой внешней клавиатуры, специально разработанной для iPlayer 3. Помимо 10 настраиваемых световых эффектов, включающих в себя бегущие огни, мерцание, вспышки и цветовые переходы, iPlayer поставляется с компьютерной программой Color-PlayR 3 для создания световых шоу, которая работает на любом компьютере с операционной системой Macintosh или Windows.



Управление по сети Ethernet
Так как светодиодные световые приборы по своей природе являются цифровыми устройствами, управление работой систем освещения может выполняться с помощью сети Ethernet. Системы на базе Ethernet не имеют таких ограничений по адресации, как системы на базе DMX, поэтому они являются предпочтительными для более крупных установок. Управление по сети Ethernet требуется для крупномасштабных видео установок, в которых должны обеспечиваться адресация и управление работой большого количества светодиодов, число которых может измеряться тысячами или десятками тысяч.
Светодиодные приборы прямого наблюдения, разработанные специально для воспроизведения видео, иногда включают в себя множество индивидуально управляемых сегментов или элементов. Например, iColor Flex SLX производства компании Philips Color Kinetics представляет собой полоску, состоящую из 50 индивидуально управляемых полноцветных светодиодных элементов. Крупномасштабные видео установки могут быть собраны из большого количества полосок iColor Flex SLX, смонтированных на двухмерной или трехмерной поверхности.
В торговом комплексе Стадион центр, расположенном в г. Вена, Австрия, используется 37 620 индивидуально адресуемых элементов iColor Flex SLX для воспроизведения рекламы, видео и динамических полноцветных представлений на изогнутом фасаде торгового комплекса. Некоторые контроллеры, подключаемые к сети Ethernet, такие как, например, Video System Manager Pro производства компании Philips Color Kinetics, могут адресовать и управлять работой до 250 000 отдельных светодиодных элементов, каждый из которых имеет три канала управления.



Другие варианты управления
DMX512 и Ethernet – это два наиболее распространенных коммуникационных протокола, используемых для управления работой светодиодных систем освещения, но также используются и другие варианты:
- В Европе вместо DMX широко используется протокол связи Digital Addressable Lighting Interface (DALI).
- Некоторые компании разработали свои собственные, защищенные патентами, протоколы связи на базе Ethernet, например KiNET для систем освещения Philips Color Kinetics.
- ACN и Streaming ACN – это стандартные методы передачи данных, раз работанные Entertainment Services & Technology Association (ESTA) для передачи данных DMX через сеть Ethernet. Streaming ACN – это наращиваемый метод передачи данных для большого количества систем DMX.
И это лишь некоторые из возможных вариантов. Как это часто случается, при увеличении количества вариантов возникает проблема, связанная с совместимостью. Иногда можно использовать преобразователи для подключения светильника, рассчитанного на один коммуникационный протокол, к контроллеру, работающему с другим протоколом. Состав системы может быстро усложниться, поэтому лучше всего использовать компоненты, разработанные для совместного использования.



Регулирование светового потока светодиодных световых приборов
Световой поток светодиодных приборов может регулироваться двумя разными способами в зависимости от их типа и возможностей.
- Светодиодные светильники изменяемого цвета и белого света с настраиваемой цветовой температурой могут диммироваться с помощью DMX или других интерфейсов управления.
- Одноцветные и не настраиваемые белые светодиодные светильники могут регулироваться с помощью совместимого светорегулятора (диммера) общего назначения.



Регулирование светового потока светодиодных светильников
с помощью DMX или другого управляющего интерфейса
Как указывалось выше, для управления светильниками с изменяемым цветом освещения или с возможностью настройки белого света может использоваться DMX или другой коммуникационный протокол, предназначенный для управления. Любой из этих управляющих интерфейсов может использоваться для регулирования светового потока светильников, уменьшая его одинаково во всех каналах.
На практике регулирование светового потока обычно является стандартной функцией контроллеров, клавиатур и других устройств, специально разработанных для конкретных моделей светодиодных светильников.
iWR Scene Controller и ColorDial™ Pro, два простых контроллера настенной установки производства компании Philips Color Kinetics, обеспечивают возможность кнопочного управления настраиваемыми белыми и полноцветными светодиодными светильниками соответственно.



Регулирование светового потока светодиодных светильников с помощью диммеров общего назначения
Световой поток одноцветных и не настраиваемых белых светодиодных светильников со встроенными регулируемыми драйверами может регулироваться с помощью существующих диммеров общего назначения. В большинстве светодиодных драйверов для регулирования подаваемой на светодиоды мощности используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Подобно диммерам, используемым для ламп накаливания, ШИМ включает и выключает светодиоды с высокой частотой, что уменьшает время нахождения светодиода во включенном состоянии и обеспечивает уменьшение излучаемого им света (диммирование).
Обычные диммеры для ламп накаливания работают как выключатели, которые включают и выключают лампу 120 раз в секунду. «Срезая» начало каждой волны переменного тока, они регулируют величину мощности, подаваемой на лампу. Такие переключения выполняются с достаточно высокой частотой, поэтому глаз человека не замечает мигания. Такое диммирование известно как управление с отсечкой по переднему фронту.
Большинство светодиодных драйверов несовместимы с диммерами для ламп накаливания и в целом с методом отсечки по переднему фронту. При прямом подключении светодиодных светильников к диммерам для ламп накаливания при низких уровнях диммирования может быть заметно мигание. Кроме этого, скачки напряжения могут вывести светодиодную систему освещения из строя.
Многие типы светодиодных светильников, питающихся от импульсных источников питания, лучше работают с электронными низковольтными диммерами (ELV-типа). Светодиодные светильники, работающие с магнитными трансформаторами, например MR16-совместимые светодиодные лампы, обычно требуют использования магнитных низковольтных диммеров (MLV-типа).



Большинство диммеров ELV-типа являются диммерами с отсечкой по заднему фронту, то есть отрезают заднюю часть каждой половины синусоиды. В целом диммеры с отсечкой по заднему фронту работают со светодиодными светильниками существенно надежнее. Диммеры ELV-типа подключаются так же, как стандартные диммеры, за исключением того, что они имеют провод «дополнительная нейтраль», по которому на диммер продолжает подаваться питающее напряжение даже после того, как подключенный к нему светильник выключается.



Большинство диммеров ELV-типа являются диммерами с отсечкой по заднему фронту, то есть отрезают заднюю часть каждой половины синусоиды. В целом диммеры с отсечкой по заднему фронту работают со светодиодными светильниками существенно надежнее. Диммеры ELV-типа подключаются так же, как стандартные диммеры, за исключением того, что они имеют провод «дополнительная нейтраль», по которому на диммер продолжает подаваться питающее напряжение даже после того, как подключенный к нему светильник выключается.
Диммеры с отсечкой по заднему фронту используются гораздо реже, чем диммеры с отсечкой по переднему фронту. В новых установках это не вызывает проблем – достаточно просто установить вместе с новыми светильниками диммер рекомендуемого типа. При модернизации системы освещения, когда происходит замена традиционных светильников светодиодными, необходимо заменить существующие диммеры с отсечкой по переднему фронту совместимыми диммерами с отсечкой по заднему фронту.
Нужно правильно выбирать диммеры, чтобы избежать мигания и послесвечения, то есть испускания света после выключения светильника. Конкретный светодиодный светильник будет нормально работать толькос несколькими совместимыми с ним диммерами. Конструкция драйвера, примененного в приборе, определяет, какой должен использоваться диммер. Производители светодиодных светильников обычно публикуют список проверенных и испытанных диммеров, и только эти диммеры должны использоваться.



Нижний порог регулирования и номинальная мощность диммера
Эффективный порог регулирования большинства светодиодных светильников находится на уровне приблизительно 10% и меняется в зависимости от применяемого диммера. В большинстве имеющихся в продаже диммеров имеется подстроечный потенциометр, с помощью которого можно отрегулировать минимальный уровень регулирования. Мощность выбранного диммера должна соответствовать мощности системы освещения. Для определения минимальной мощности диммера нужно умножить количество светильников, которыми управляет диммер, на мощность каждого прибора. Если в системе освещения используются разные светильники, то можно определить суммарную мощность для каждого типа прибора, а затем сложить эти мощности.
12-битные и 16-битные светодиодные драйверы высокого разрешения на порядок повышают количество «шагов» регулирования, что полностью устраняет видимые изменения яркости при регулировании. Светодиодные светильники высокого разрешения обычно можно регулировать и за пределами порога в 10%, существующего у 8-битных светодиодных драйверов.



Что нужно знать о светодиодном освещении и производителях светодиодных систем освещения
Усвоив основы техники светодиодного освещения, пользователи смогут быть лучше проинформированы о качестве конкретных светодиодных световых приборов, о репутации их производителей и об их пригодности для конкретных областей применения. При выборе светодиодного светового решения пользователю следует принимать во внимание перечисленные ниже факторы:
- Репутация. Выбирайте производителя с хорошей репутацией, тех кто зарекомендовал себя как производитель качественной светодиодной светотехники.
- Поддержка. Убедитесь, что производитель светодиодных осветительных приборов обеспечивает оперативную техническую поддержку по телефону и Интернету, и что он осуществляет замену/ремонт поврежденной или вышедшей из строя продукции
- Комплексное световое решение. Наиболее эффективные светодиодные приборы и световые решения являются результатом работы целой системы, при котором сами световые приборы, аксессуары к ним, источники питания и управляющие устройства формируют единую систему, каждый компонент которой работает, как составная часть целого.
- Широкий ассортимент продукции. У вас больше шансов добиться успеха, если выберете производителя с широким ассортиментом продукции.
- Способы управления. Выбирайте производителей, предлагающих интегрированные комплексные решения по управлению освещением, специально разработанные и оптимизированные для работы с выпускаемыми ими светодиодными приборами.
- Отвод тепла. Механическая конструкция светового прибора должна обеспечивать хорошее рассеивание тепла, а его встроенное программное обеспечение должно иметь функцию контроля температуры p-n-перехода. Лучшие производители светодиодов применяют ключевые компоненты, соответствующие стандартам, принятым для военной техники.
- Диммирование. Убедитесь, что светодиодные световые приборы белого света хорошо и надежно диммируются с помощью стандартных диммеров общего назначения.
- Испытания в соответствии со стандартами. Производители светодиодной светотехники должны пользоваться услугами независимых испытательных лабораторий, связанных с Национальным институтом стандартов и технологий (NIST), публиковать точные и полные технические характеристики и фотометрические данные, а также предоставлять пользователям файлы данных и отчеты, подготовленные испытательной лабораторией.
- Качество света. Светодиодные приборы должны соответствовать стандартам ANSI или превосходить их, здесь идет речь о сортировке по бинам в зависимости от стабильности светового потока, цвета или цветовой температуры и прямого напряжения. Белые светодиоды должны правильно передавать цвета и должны иметь высокую светоотдачу.
- Полезный срок службы. Этот параметр должен быть рассчитан и указан в техническом паспорте светового прибора. Температура p-n-перехода светодиодного источника света должна быть такой, чтобы обеспечивался оптимальный баланс между излучаемым световым потоком и сроком службы прибора.
- Стойкость к атмосферным воздействиям. Стойкость к атмосферным воздействиям может сильно зависеть от типа светового прибора, качества корпуса и согласованности производственного процесса. Степень защиты корпуса IP от воды и пыли является важным фактором, но не гарантирует длительный срок службы.
- Электрическая схема. Правильно сконструированный световой прибор должен иметь надежную электрическую схему. Убедитесь в наличии таких устройств, как устройства защиты от короткого замыкания, от скачков напряжения и от подключения с обратной полярностью.

Литература:1. Журнал ЭНЕРГЕТИКА , №4 (35), ноябрь 2010г.2. Вейнерт Д., Сполдинг Ч. Светодиодное освещение. Справочник. Принципы работы, преимущества и области применения// компания Philips Color Kinetics, 2010.

   Методы теплоотвода в светодиодной технике

View more
07 июня 2019
Методы теплоотвода в светодиодной технике
Организация теплового отвода в led-технике – очень важная задача, которая актуальна как для разработчиков, так и для производителей LED-продукции
Samsung: кристаллы — «с ног на голову», параметры светодиодов — «выше крыши»

View more
07 июня 2019
Samsung: кристаллы — «с ног на голову», параметры светодиодов — «выше крыши»
Уличное освещение стало более ярким и естественным благодаря инновационным светодиодным кристаллам Керамик 3535 от компании «Самсунг»
Как внедряли светодиоды в архитектуре

View more
07 июня 2019
Как внедряли светодиоды в архитектуре
Как только появились полупроводниковые технологии, современные специалисты смогли разработать архитектурное освещение
Не стоит верить зрению, или Как обманывают производители

View more
07 июня 2019
Не стоит верить зрению, или Как обманывают производители
Первые изделия в РФ появились в 2005-м году, но конкурентоспособная архитектурная подсветка фасадов начинает свою историю с конца 2007-го
Работаем по всей России
Закрыть
Вы на сайте уже 5 минут!
Мы можем перезвонить вам в течении 10 минут или вы можете продолжить прогулку по сайту
*По статистике, освещение привлекает до 30% потенциальных покупателей к объектам освещения
Закрыть
Вы на сайте уже 2 минуты!
Мы можем перезвонить вам в течении 10 минут или вы можете продолжить прогулку по сайту
*По статистике, освещение привлекает до 30% потенциальных покупателей к объектам освещеннм ягнятами