В книге рассмотрены особенности эксплуатации популярных типов осветительных приборов на основе мощных светодиодов, которые обладают заметными преимуществами перед традиционными энергосберегающими лампами и лампами накаливания. Светодиоды – мощные твердотельные источники света, однако они также имеют недостатки, о которых дискутируют специалисты. На основе приведенных в книге данных у читателя есть возможность сэкономить и осознанно выбрать осветительные приборы – для своего быта, исходя из максимальной безопасности для здоровья.
Приводится много интересных примеров, полезных советов, важных предупреждений. Книга является «личным консультантом» для каждого рачительного хозяина; знания, добытые из нее, очень быстро окупятся посредством обоснованной экономии на затратах электроэнергии, без потери качества освещения.
Для широкого круга читателей.
Вступление. От автора
Уют, защита, тепло, надежность, стабильность и безопасность – именно с такими понятиями с давних времен ассоциируется у людей свет; он дает человеку развитие, силу и радость. Неудивительно поэтому, что многие из нас стремятся выбирать для жилья светлые комнаты и квартиры, загорать на солнце, да и вообще наполнять светлым свою жизнь и жизнь детей. Такой подход не только избавляет от сырости, подавленного настроения, но и улучшает самочувствие и настроение. Осенняя депрессия, свойственная тем временам года, когда солнечная активность падает, тоже имеет свои причины.
Искусственное освещение – источник энергии. Главное, чтобы оно было безопасным. Важно, чтобы дом был хорошо освещен как изнутри, так и снаружи. Игра света и тени, блеск солнечных зайчиков и блики стекла оживляют любое помещение. Не стоит ограничивать себя одной-единственной люстрой на потолке. Недавно мы узнали, что свет энергосберегающих ламп и ламп накаливания способствует расслаблению, что, казалось бы, делает их предпочтительными в освещении интерьеров. Но искусственные источники освещения имеют и свои недостатки. К примеру, «холодная» спектровая гамма скорее раздражает глаза, чем ласкает. А резкий или слишком яркий свет, который исходит от сверхмощных светодиодов, может даже ослеплять. Специалисты знают, что большое значение для комфорта и безопасности здоровья имеет также и то, на каком расстоянии от потолка и стен повышены светильники, какие лампы работают в осветительных устройствах. Все это не мелочи, а детали строительства собственного безопасного жилища, для тех, кто не манкирует собственным здоровьем. Кроме того, современные источники искусственного света даже позволяют экономить электроэнергию. В Европейском союзе и США еще более 20 лет назад появился термин «зеленое освещение», то есть освещение без опасности для здоровья человека, в том числе для его глаз.
Разбираться в таких нюансах сегодня может не каждый. Специалисты же советуют получить хотя бы минимум информации о том, какие бывают осветительные лампы, из чего они состоят, почему с одними лампами нам комфортно дома, а другие хочется поменять, даже если они не выслужили срока своей эксплуатации. Разбираться в таких вопросах, которые сегодня актуальны не только для богатых, – это хороший тон. При одинаковой или сопоставимой цене на внешне похожие лампочки немудрено сделать неверный выбор. Поэтому появилась эта книга – по многочисленным заказам читателей, которые по крохам собирали информацию и мечтали о книге, в которой будет все вместе и «все сразу». И вот такой простой ликбез появился.
Для разных ситуаций можно выбирать разные лампы. К примеру, для освещения кабинета или просто стола, за которым ребенок делает уроки, подходят энергосберегающие лампы белого оттенка, обеспечивающие естественный дневной свет без мигания. Однако, несмотря на такие преимущества энергосберегающих ламп, как продолжительный срок службы, ровный свет, возможность использовать их взамен обычных ламп накаливания, не рекомендуется применять энергосберегающие лампы в местах, где свет включается на короткий срок (ванная, кладовка, санузел), а также на улице, где температура воздуха может быть отрицательной.
Неровности квартиры тоже можно скрыть с помощью правильно расположенных светильников. Можно создать ощущение высоты при сравнительно низком потолке, воспользоваться настенными светильниками со светом, направленным вверх.
1. Популярные источники освещения
1.1. Осветительные лампы
1.1.1. Лампы накаливания
Лампа накаливания обыкновенная, или «классическая», типа С1 с патроном типоразмера Е14 или Е27 и мощностью 60 Вт (230 В, 660 лм, 60 Вт) рассчитана на 1000 часов непрерывной работы. Лампы с такой «удлиненной» колбой выпускаются матированные или прозрачные (стекло колбы).
Диаметр колбы 42 мм, длина (от цокольного контакта до конца колбы) 112,5 мм.
На рис. 1.1 представлена такая «классическая» лампа.
1.1.2. Энергосберегающие лампы
Еще с 1 сентября 2009 года в Европе запрещено продавать в розницу классические лампы накаливания с вольфрамовой нитью мощностью свыше 100 Вт. Вместо них европейцам предлагается применять флуоресцентные (энергосберегающие) лампы (далее – ЭЛ), потребляющие при той же заявленной силе света на 80 % меньше энергии. Или светодиодные лампы, о которых мы подробно будем говорить ниже.
Лампы накаливания существовали почти 130 лет. Сегодня очевидно, что их срок работы в 8-15 раз меньше, чем заявлен у энергосберегающих. Однако очень большое значение имеет качество сборки ламп.
На рис. 1.2 представлен вид на энергосберегающую лампу с цоколем Е14.
1.1.3. Ксеноновые, или галогенные, лампы
Есть еще один тип ламп – ксеноновые, или галогеновые. По конструкции ксеноновые лампы представляют собой колбу шаровой, эллипсоидной или трубчатой формы. К примеру, ДКсЭл 250-3, ДКсЭл 500-6, ДКсЭл 1000-6, ДКсЭл 2000-6, ДКсЭл 3000-6 и др. На рис. 1.5 представлен внешний вид ксеноновой лампы.
Рис. 1.5. Вид на ксеноновую лампу с цоколем Е27
1.1.4. Светодиодные лампы
Светодиодное освещение – это новое и динамично развивающееся направление, созвучное с повсеместной заменой ламп накаливания на лампы (не только) со встроенными ЭПР (электронными преобразователями) и светодиодные лампы (пока весьма дорогие). Тем не менее светодиодные лампы, адаптированные под стандартные патроны Е27 и Е14, уже есть в продаже, и их ассортимент будет расширяться в ближайшее время хорошими темпами. Проблема в том, что пока стоимость такой лампы (с эквивалентной световой мощностью 100 Вт) не менее 2000 руб.
Они востребованы. Здесь же приведены описания локальных источников освещения на светодиодах – для компьютера (ноутбука, автомобиля) с гибкими выгнутыми шлангами и разъемами USB.
Рассмотрены вопросы крепежа различных светильников, включая галогенные, и режим эксплуатации (рекомендованные расстояния от ближайших конструкций, температурный режим, пожарная безопасность). Материалы, из которых изготавливаются источники искусственного освещения, – кристаллы на основе арсенид-галлия и др.
Светодиоды можно применять для подсветки интерьеров (дома и офиса), мест общего назначения и массового скопления людей, светофоров и уличных устройств (на столбах), освещения улиц и парков.
Осветительные лампы на основе мощных светодиодов обладают заметными преимуществами перед традиционными осветительными приборами.
1.2. Ограничения и особенности осветительных ламп
По электромагнитной совместимости современные светотехнические изделия соответствует требованиям ГОСТ Р 51318.15, ГОСТ Р 51317.3.2, ГОСТ Р 51317.3.3 и ГОСТ Р 51514. Степень защиты от внешних воздействий по IP20 соответствует требованиям и условиям ГОСТ 14254.
Такие изделия не требуют обслуживания, кроме периодического (раз в полгода) контроля состояния колбы и желательной (но не обязательной) очистки внешней рассеивающей поверхности мягкой тканью. Органические растворители или легковоспламеняющиеся жидкости использовать для протирки колбы не следует по соображениям электро– и пожаробезопасности.
Бытовые светотехнические изделия имеют 2-й класс защиты от поражения электрическим током по ГОСТ 12.2.007.0.
Электрическая прочность изоляции составляет не менее 1,5 кВ в соответствии с ГОСТ Р МЭК 60598-1 при нормальных условиях (температура окружающего воздуха +22 °C, относительная влажность воздуха 20 %). Следует отметить, что светодиодные лампы не подлежат ремонту в домашних условиях.
Срок службы светодиодов, заявленный производителем, составляет не менее 50 000 часов.
1.2.1. Световой поток и его соотношение у разных ламп
Энергию любого источника света переносят излучаемые им электромагнитные волны. Именно скорость излучаемой энергии говорит нам о силе свечения каждого конкретного источника. Световую энергию человек воспринимает визуально, глазом, а наши глаза воспринимают разную длину излучения по-разному.
Излучение, которое, к примеру, имеет длину 0,55 мкм (зеленое), наши глаза воспринимают сильнее, чем 0,63 мкм (красное). Эти частные данные даны для примера.
Световой поток любой осветительной лампы измеряется в люменах и максимально близко характеризует возможности того или иного источника света осветить помещение. Однако часто бывает так, что информация о световом потоке светодиодных ламп не указана на упаковке, а вместо нее пишут мощность лампы накаливания, обладающей таким же световым потоком.
Подобная информация производителя является отчасти лукавой, так как нет возможности ее проверки. Если на упаковке указан световой поток 280 лм или не указан вовсе, но написано, что мощность лампы составляет 4 Вт и она эквивалентна 50-ваттной лампе накаливания, то спорить придется только с применением расчетов и аргументов, которые опровергнуть трудно. Вот они. Среднестатистическая (типовая, для быта) лампа накаливания мощностью 50 Вт имеет световой поток не 280 лм, а около 560 лм. То есть в данном случае данные, указанные продавцом или производителем, некорректны и призваны, видимо, только лишь для активизации продаж.
1.2.2. Что делать при замене разных типов ламп
Итак, мы узнали, что световой поток – это одно из самых главных понятий в случае замены освещения на светодиодное. Это если меняем лампы накаливания на светодиодные. А если сравнивать галогенные лампы и светодиодные? В этом случае подбор эквивалентной мощности для замены галогенных ламп будет более сложной, точнее многоуровневой, задачей.
К примеру, если галогенная лампа рассчитана на 220 В, то можно воспользоваться различными таблицами в Интернете, а для подбора замены 12-вольтовой лампы следует учитывать, что такие лампы имеют световой поток той же мощности, что требует внести поправку, на коэффициент которой влияет тип галогенной лампы. Для решения этой задачи помогут сравнительные табл. 1.2–1.4, представленные в данной главе.
1.3. Особенности конструкции светодиодных ламп
Конструкция светотехнических изделий влияет не только на ресурс работы и надежность, но и на стоимость готовых изделий. Так, оптимальная конструкция призвана обеспечить отвод тепла от кристалла, выдерживать термоциклирование, обеспечить высокую технологичность монтажа. На долговечность работы изделия также влияют метод монтажа кристалла и материал теплоотводящего основания.
Кроме светодиодов белого свечения различной цветовой температуры, существуют RGB-источники света, предназначенные для универсальных устройств управления освещением и цветом, в том числе для архитектурной и ландшафтной подсветки, в дизайнерских решениях кафе, ресторанов и др. Система питания и управления RGB-источниками света на основе светодиодной матрицы RGB работает как в динамическом режиме по протоколу управления DMX 512, так и в автоматическом режиме, по установленной программе.
Все источники света изготавливаются на печатных платах с алюминиевым основанием и могут комплектоваться вторичной оптикой для получения необходимой диаграммы направленности светового потока. Отчасти такое решение реализовано в промышленных светильниках большой мощности.
С учетом экономичности изделий на основе мощных светодиодов и относительно большого срока наработки на отказ такие решения рентабельны и в части снижения затрат на обслуживание, и по эффективности освещения.
Интересно, что на долговечность эксплуатации и в общем смысле надежность светодиодной осветительной лампы определяющим образом влияет качество технологии монтажа и сборки. В третьей главе мы поговорим об этом подробно, а сейчас тезисно затрону проблему.
1.4. Базовые изделия в линейке мощных полупроводниковых светодиодов
В большинстве популярных сегодня источников освещения на светодиодах используется многокристальный светодиод. В результате снижена себестоимость за счет уменьшения количества компонентов. Основное назначение – создание высокоэффективных источников света для всех видов освещения (общего, промышленного, уличного и т. д.) в случаях, когда требуется обеспечить большой световой поток при небольших габаритах. Основной цвет свечения изделий – белый. В светодиодах используются кристаллы EZ1000 новой серии EZBright. Размер кристаллов 1000x1000 мкм. Сборка светодиода осуществляется в корпусе с улучшенными тепловыми свойствами. Это если говорить о семействе ХР-С.
Основным назначением приборов семейства ХР-С являются компактные высокоэффективные источники света для общего, аварийного, промышленного и уличного освещения. Цвет свечения – белый, диапазон цветовых температур от 2600 °К до 10 000 °К. По оттенкам белого цвета светодиоды делятся на три группы: теплый (2600…3700 °К), естественный (3700…5000 °К) и холодный (5000…10 000 °К) белый цвет.
При сборке светодиода кристалл монтируется на кремниевую плату, что улучшает тепловые характеристики изделия. Приборы отличаются от серии МС-Е меньшими габаритными размерами, симметричным корпусом и большим значением угла распределения света.
Светодиоды семейства ХР-Е предназначены для компактных высокоэффективных источников света для всех видов освещения. Характеристики цветовых температур аналогичны семейству ХР-С.
В светодиодах данной серии используются кристаллы EZ1000 серии EZ Bright.
1.5. Светодиодные модули как элемент экономичного освещения будущего
Светодиодные модули представляют собой несколько мощных (сверхъярких) светодиодов, смонтированных на одной плате. Модули соединяются в светильники в одном корпусе. Их выпускает сегодня довольного много фирм, названия которых мы опускаем, чтобы не было лишней рекламы.
На рис. 1.12 представлен светодиодный модуль для локального освещения.
Рис. 1.12. Современный светодиодный модуль для локального освещения
1.5.1. Особенности и характеристики
Модули предназначены только для автоматизированного монтажа и пайки с использованием стандартных технологических процессов, обеспечивающих низкую себестоимость готовых изделий, что упрощает решение проблем по обеспечению теплового режима приборов.
Прежде всего это высокоэффективные источники света для общего, аварийного и промышленного освещения, взрывобезопасного оборудования, подсветки ЖК-панелей мониторов большой площади, автономных светильников и фонарей, систем освещения автотранспорта.
Потребляемая мощность одного локального модуля 7,5 Вт, что намного меньше энергозатрат на «классическую» лампу накаливания, установленную, например, в гостиной.
Подключение светодиодного модуля к драйверу питания может осуществляться несколькими способами: путем разъемного соединения или пайкой к контактным площадкам. Применяются три схемы коммутации светодиодов: последовательная, параллельная и последовательно-параллельная.
1.5.2. Сравнительные характеристики световых модулей
Для сравнения: светодиодный модуль XLD-AC 1x01-01 представляет собой шестиугольную печатную плату на алюминиевом основании с одним установленным мощным светодиодом Cree XLamp размером 3,45 х 3,45 мм. Он адаптирован к применению вторичной оптики Carclo 10 мм для единичного светодиода серий ХР-С, ХР-Е, XP-G или ХТ-Е.
Технические характеристики модуля XLD-АС 1x01-01:
• рассеиваемая мощность не более 1,5 Вт (без применения элементов охлаждения);
• тип подключения – пайка к контактным площадкам;
• температура эксплуатации -40…70 °C;
1.5.3. Основные параметры светодиодов
Vf (Forward Voltage) – падение напряжения на светодиоде при номинальном рабочем токе. Существует неофициальный ряд значений, которых придерживаются изготовители: 1,8; 3; 5; 9 и 12 В. Светодиоды, рассчитанные на относительно низкое напряжение (Vf < 3 В), не содержат внутренних ограничительных резисторов, в отличие от «высоковольтных» приборов. Различают узко– и широкодиапазонные светодиоды, последние имеют Vf = 3…15 В. Прямое напряжение и цветовая температура светодиода в некоторой степени зависят от прямого тока. При превышении максимального прямого напряжения светодиода наступает его необратимый пробой, если драйвер не ограничивает ток.
If (Forward Current) – прямой ток через активный светодиод. Безопасным током для всех типов светодиодов можно считать 10 мА. Именно его рекомендуется устанавливать при проверке работоспособности прибора. Прямой ток влияет на световой поток, прямое напряжение и цветовую температуру светодиода.
Vr (Reverse Voltage) – постоянное обратное напряжение, которое можно подавать на светодиод без опасности его повреждения. Ток утечки при этом гарантируется, как правило, не более 10 мкА. Большинство светодиодов не предназначено для работы в обратном направлении. При увеличении обратного напряжения до 7… 10 В светодиод превращается в стабилитрон, максимальный ток стабилизации которого ограничен мощностью рассеяния.
Pv (Power Dissipation) – средняя мощность рассеяния, при которой гарантируется долговременная эксплуатация светодиода во всем диапазоне температур.
Tj (Junction temperature) – температура полупроводникового перехода. Определяет срок службы светодиода и его цветовую температуру. Прямое напряжение и световой поток светодиода снижаются с ростом Tj. Для мощного прибора с номинальным прямым током 350 мА изменение прямого напряжения в диапазоне -40… 120 °C составляет 0,55 В, а светового потока – 25 %.
1.5.4. Ресурс светодиодного освещения
Светодиодные модули для декоративного освещения представляют собой прямоугольную печатную плату на стеклотекстолитовом основании с напаянными мощными светодиодами. Подключение модулей к источнику питания осуществляется с помощью установленных на плате нажимных разъемов.
Ресурс светодиода определяют две составляющие – ресурс самого кристалла и ресурс оптической системы. Для изготовления оптических систем используются различные сочетания эпоксидных смол. Смола, как известно, изменяет свои свойства со временем (особенно под воздействием высоких температур), именно этим объясняется эффект «замутнения» линзы.
Поэтому заявляемое в рекламных целях время непрерывной работы светодиода в 100 000 часов (почти 15 лет) вызывает сомнение, тем более что на практике еще никто не проверил эту магическую цифру
Прогнозируемый ресурс производимых сегодня светодиодов как минимум в два раза меньше, т. е. примерно 50 000 часов, с 30 %-ной потерей яркости после 25 000 часов непрерывной работы.
Это неплохо, по сравнению с ресурсом лампы накаливания, который составляет менее 1000 часов.
