Проектирование осветительных приборов и систем на основе полупроводниковых источников света — процесс достаточно сложный. Уже отшумели времена, когда в погоне за быстрыми деньгами пренебрегали технологиями технически грамотной разработки. За последний год рынок значительно поумнел, и производить продукцию сомнительного качества стало крайне невыгодно. Стоит отдельно отметить работу экспертов, занятых созданием
отечественной нормативной базы, которые законным образом стараются вытеснить с рынка продукцию, дискредитирующую полупроводниковую светотехнику. Очевидно, что сейчас рынок вступил в стадию формирования и через некоторое время он станет упорядоченным и прозрачным. В условиях зрелой нормативной базы это неминуемо приведёт не только к экономическому, но и к технологическому росту. Это значит, что эффективность использования энергии станет одним из важнейших критериев оценки изделия и оценка эта будет весьма критична.
Эта статья по сути — скорее задачник, чем набор ответов на вопрос, как создать максимально эффективное изделие. В первую очередь, нам хотелось обозначить основные проблемы, с которыми неминуемо столкнётся любой разработчик. Ведь работа над осветительным прибором на базе светодиодов ведётся в трёх различных технических направлениях. И в каждом из них существуют свои явные и скрытые энергетические потери, которые необходимо правильно оценить. В противном случае идея создания энергосберегающего осветительного прибора будет утрачена. Не секрет, что существуют и такие приложения, в которых светодиодное решение вовсе не является конкурентом систем на основе других источников света, однозначно проигрывая им по светоотдаче или каким-либо другим качественным показателям. Поэтому при проектировании светотехнических систем также необходимо правильно оценивать эффективность и целесообразность применения светильников на светоизлучающих диодах. Эта оценка поможет получить важнейшие технико-экономические параметры, из которых позже рассчитывается объективное значение энергетической и экономической эффективности всего проекта.
ЧАСТЬ 1
Основные показатели энергоэффективности
Одним из основных параметров энергоэффективности для осветительных приборов и систем является световая отдача, выраженная отношением излучаемого источником света светового потока к потребляемой им мощности Лм/Вт. Этот параметр можно использовать как в отношении источника света, так и светильника в целом. Совершенно очевидно, что данные два значения будут существенно разниться, т.к. для светильника этот параметр корректируется потерями как минимум по оптическому и электрическому каналам. Эти потери и являются главной темой данной публикации. В первой части статьи мы остановимся на факторах, напрямую влияющих на величину потребляемой мощности светильника. О факторах, влияющих на величину светового потока, будет рассказано в следующих частях.
Итак, давайте рассмотрим, как образуется значение полной потребляемой мощности, и какие факторы влияют на ее величину. Для примера рассмотрим простую задачу: светильник, имеющий в своём составе 24 мощных светодиода, световой поток которых составляет 100 лм, и
AC/DC-драйвер с выходным стабилизированным током 350 мА. Чтобы ответить на вопрос, какую мощность потребляет такой светильник, необходимо проследить весь путь — от источника энергии до ее потребителя и попытаться выявить «подводные камни», которые присутствуют в явной или скрытой форме.
В первую очередь, мощность светильника напрямую зависит от мощности самих источников света, т.е. светодиодов. Большим заблуждением является мнение, что мощный светодиод при питании стабилизированным постоянным током величиной 350 мA потребляет мощность 1 Вт, излучая при этом указанный в техническом описании световой поток. В действительности мощность светодиода определяется произведением величины протекающего через него постоянного тока (forward current) и значения прямого падения напряжения на его электродах (forward voltage). Второй параметр светодиода всегда любезно предоставляется производителем, но редко бывает замечен разработчиком. У многих известных производителей величина данного параметра может значительно превышать ставшее уже негласным стандартом значение 3,2 В, что при простом перемножении на величину питающего тока (0,35 A) даст мощность 1,12 Вт. Следуя этому значению, нетрудно подсчитать, что кластер из 24 светодиодов будет потреблять 26,88 Вт, а не 24 Вт, как можно было бы ожидать. На первый взгляд, поправка несущественная, однако это 12% неучтённых энергетических затрат. И именно настолько придётся уменьшить значение световой отдачи источника света. Скорректировать эти потери можно только путём тщательной оценки параметров светодиода при проектировании.
Выбор источника питания
Рассмотрев реальное значение потребляемой мощности собственно светодиодов, стоит оценить значение потребляемой мощности всей системы. С этой целью следует подробно рассмотреть работу источника питания.
Так или иначе, разработчику требуется, прежде всего, определить, каким способом будет осуществляться питание светодиодов и, если это необходимо, продумать систему управления. Следует заметить, что это не такая простая задача, как кажется на первый взгляд. Прежде всего, необходимо учесть, что от качества источника питания (в дальнейшем ИП) и его КПД будет напрямую зависеть величина полной потребляемой от сети мощности. От них также зависит и уровень эмиссии гармонических составляющих потребляемого тока, влияющий на качество сетевой электроэнергии.
Основным критерием при выборе источника тока являлась и до сих пор является цена, а не его технические характеристики. Известная пословица гласит, что «скупой платит дважды». Поэтому следует хорошо понимать, за какие характеристики драйверов следует платить сразу, чтобы затем не возникли проблемы с сертификацией и сбытом продукции на рынке.
Из курса физики известно, что полная мощность S (BA) численно равна сумме активной мощности Р (Вт) и мощности реактивной Q (ВАр). Отношение активной мощности к полной мощности определяет величину коэффициента мощности (КМ, по-англ. PF — Power Factor). На значение активной мощности изделия оказывает влияние мощность светодиодного кластера и КПД ИП. Чем ниже КПД преобразователя, тем больше потери в драйвере и, следовательно, выше активная мощность. На уровень реактивной мощности влияет величина КМ. Чем меньше КМ, тем больше потери и, следовательно, выше реактивная мощность.
Длительное отсутствие внятной нормативной базы в этой области породило большое количество поделок, имеющих крайне низкие показатели эффективности из-за применения низкокачественных ИП. Применение в светильниках ИП с низким КПД практически полностью обесценивало все преимущества светодиодов как энергоэффективных источников света. А отсутствие элементарных понятий о коррекции коэффициента мощности (ККМ, по-англ. PFC — Power Factor Corrector) и требований к электромагнитной совместимости (ЭМС) исключало даже само понятие сертификации.
Для примера на рисунке 1 представлены эпюры напряжения сети (синяя кривая) и тока (жёлтая кривая) потребления светодиодных кластеров, состоящих из 24 светодиодов и ИП с активным ККМ (см. рис. 1а) и без ККМ (см. рис. 1б).
 |
Рис. 1а. Эпюры напряжения питания и тока потребления источника питания с ККМ. Экспериментально полученные параметры мощности Р = 33,5 Вт; S = 35,1 ВА; PF = 0,96 |
 |
Рис. 1б. Эпюры напряжения питания и тока потребления источника питания без ККМ. Экспериментально полученные параметры мощности Р = 35,5 Вт; S = 56,7 ВА; PF = 0,62 |
Параметр коэффициента мощности (PF) при форме тока потребления, близкой к синусоидальной (см. рис. 1а), численно равен cosφ и в лучших образцах ИП находится в пределах 0,93—0,97. Следует отметить, что данный параметр часто принимается за значение КПД источника, что является грубейшей ошибкой. Реальные показатели КПД для лучших АС/DC источников постоянного тока (драйверов) находятся в пределах 85—95%. Потери в 5—15% при преобразовании на столько же увеличат уровень потребляемой мощности источника питания. Игнорировать данный факт нельзя, т.к. в сочетании с параметром КМ значение КПД драйвера оказывает серьёзное влияние на увеличение полной потребляемой мощности светильника, снижению его световой отдачи и энергоэффективности всей системы освещения в целом.
Из рисунка 1б видно, что форма потребляемого тока значительно отличается от синусоидальной и КМ имеет низкое значение 0,62, что приводит к значительному увеличению полной потребляемой мощности (на 38%) и, самое главное, к эмиссии гармонических составляющих потребляемого тока. На рисунках 2а и 2б представлены соответствующие диаграммы эмиссии гармонических составляющих потребляемого тока. Синим цветом выделены допустимые уровни гармоник по ГОСТ Р 51317.3.2-2006 (IEC 61000-3-2:2005), а красным — результаты испытаний.
 |
Рис. 2а. Диаграмма эмиссии гармонических составляющих потребляемого тока источника питания с ККМ |
 |
Рис. 2б. Диаграмма эмиссии гармонических составляющих потребляемого тока источника питания без ККМ |
Очевидно, что допустимые уровни гармоник значительно превышены в изделии с ИП без ККМ. Ни о какой сертификации данного решения не может быть и речи.
Следует обратить особое внимание на тот факт, что значение указываемого в документации параметра коэффициента мощности (PF) справедливо только при полной нагрузке ИП (full loading), а при уменьшении нагрузки значительно снижается, что может создавать проблемы по уровню гармоник при глубоком диммировании. Этот аспект в настоящее время подвергается авторами тщательному изучению и стендовым испытаниям. В рамках данной публикации не представляется возможным углубиться в указанную проблему, поэтому результаты этих исследований планируется изложить в отдельной статье.
Упомянутые выше параметры являются важнейшими при подборе или проектировании систем питания светодиодных светильников. Оценивая их, крайне важно максимально снизить энергетические потери, связанные с питанием, поскольку уменьшение других видов потерь, речь о которых пойдёт в следующих частях статьи, требует более значительных затрат. Далее мы покажем, что значения их настолько велики, что пренебрегать 5—7% световой отдачи изделия становится просто недопустимым. Не следует также забывать о существовании нормативной базы, которая в будущем станет предъявлять новые, возможно, более жёсткие требования к светотехническим изделиям.
 |
Геннадий Терехов Технический директор ООО «Светотроника». Окончил Тульский Политехнический Институт, кафедра Технической кибернетики. Награжден медалями ВДНХ в 1985 и 1987 гг. за разработки встроенных микропроцессорных устройств и внедрение их в серийное производство. Участвовал в проектировании систем управления архитектурно-декоративным освещением для компаний «ГАЗПРОМ» и «Миракс Групп». С 2009 года занимает пост технического директора ООО «Светотроника». |
 |
Антон Булдыгин Вед. специалист, ООО «Светотроника» |