Энергоэффективность светодиодных ламп с регулируемой яркостью

Светотехническая отрасль быстро преобразуется благодаря развитию и совершенствованию светодиодных технологий. У этих технологий наступает этап зрелости, на котором светоотдача и срок службы светодиодных ламп достигают сравнимых или более высоких показателей, чем у люминесцентных ламп. Одним из главных преимуществ применения светодиодов является возможность регулировки их яркос­ти.
В этой публикации обсуждаются результаты небольшого исследования, цель которого состояла в сравнении эффективности регулируемых светодиодных ламп с эффективностью 60-Вт лампы накаливания. На рынке предлагается немало регулируемых светодиодных ламп со стандартным регулятором (диммером) с отсечкой фазы. В исследовании измерялся световой поток двух ламп (с номинальной мощностью 6 и 12 Вт) с разными диммерами. Кроме того, рассматривается не только светоотдача самих ламп, но и системы в целом, в т.ч. потери в диммере и электросети при различных нагрузках. 

Сначала измерялись параметры системы без диммеров (см. табл. 1). На данном этапе исследования применялся стабилизированный лабораторный источник питания на 230 В АС, 50 Гц.

Как видно, измеренная мощность светодиодных ламп превышает указанную на них номинальную мощность. Результирующая эффективность в 3–6 раз больше, чем у лампы на­ка­ли­вания. Однако у светодиодных ламп достаточно высокий суммарный коэффициент гар­моник (THD), что приводит к сни­жению коэффициента мощности и увеличению кажущейся мощ­ности. THD и коэффициент мощнос-
ти математически определялись в соответствии со стандартом IEEE 1459.

В следующих измерениях яркость лампы регулировалась с помощью диммеров с отсечкой фазы. Измерения осуществлялись в трех режимах: нерегулируемом, частично регулируемом и регулируемом на минимальном уровне яркости, при котором свет еще был виден. В эксперименте использовались 13 стандартных европейских диммеров с отсечкой фазы по заднему и переднему фронтам. Измерялись входная (Pin) и выходная (Pout) электрическая мощность диммера, после чего рассчитывалась разностная мощность (dP). Для расчета дополнительно рассеиваемой мощности в сети электропитания вычислялась неактивная мощность (Pnact) (см. табл. 2).

В последнем ряду значений для каждой из ламп указана расчетная эффективность. Эти данные были получены путем измерения светового потока с помощью люксметра в изолированной среде на определенном расстоянии. Количество светового потока рассчитывалось на основе данных измерения освещенности и значения номинального светового потока, указанного в спецификации изделия. Уровень затемнения (см. табл. 2) — это относительное уменьшение светового потока в определенном положении диммера. Вторая цифра в этой строке является значением эффективного светового потока (лм) лампы, приходящегося на единицу средней выходной мощности (Вт) диммера. Последняя цифра получается путем деления расчетного светового потока (лм) лампы на кажущуюся мощность. Одним из неожиданных результатов измерения являются очень большие значения THD, полученные в условиях регулировки яркостью. Даже если в качестве нагрузки используется лампа накаливания, гармоники имеют большую амплитуду, что увеличивает нагрузку на электросеть и вызывает ее загрязнение.
Полученные данные можно проанализировать с помощью нескольких графиков. На первом из них (см. рис. 1) показана зависимость эффективности ламп от их уровня яркости.
Следует заметить, что на рисунке 1 значения по вертикальной оси даны в логарифмическом масштабе. На графике представлены кривые светодиодных ламп, которые описывают не только поведение кажущейся мощности, но и действительной мощности от светового потока. Потери на диммере в данных этого графика не учтены. Из рисунка отчетливо видно, что показатели эффективности и потребляемой мощности светодиодных ламп превосходят показатели ламп накаливания. Светоотдача светодиодных ламп в условиях регулирования яркости в 40–80 раз выше, чем у ламп накаливания. На минимальном уровне яркости параметры 6-Вт светодиодной лампы, которая питается с помощью драйвера SSL2101 от NXP, лучше, чем у 12-Вт лампы.

Рис. 1. Зависимость эффективность от уровня яркости лампы

До сих пор существует лишь ограниченное число светодиодных драйверов для регулировки в диапазоне до 10 Вт. Для оптимального решения требуется обеспечить совместимость драйверов, предусмотреть размеры системы и ее стоимость, коэффициент мощности и эффективность. С точки зрения экономии расхода энергии, применение светодиодных ламп с регулируемой яркостью в приложениях с малым уровнем освещения намного эффективнее, чем использование ламп накаливания. Главная причина этого различия в том, что при регулировке яркости лампы накаливания температура вольфрамовой нити уменьшается, в результате чего не только уменьшается рассеиваемая мощность, но и спектр излучаемого света. При этом большее количество энергии преобразуется в тепло, а не в видимый свет. Светодиоды, в отличие от ламп накаливания, не страдают таким недостатком. Напротив, эффективность светодиодов увеличивается при низких токах, т.к. их рабочая температура понижается, а яркость уменьшается в меньшей мере.

На рисунке 2 представлена диаграмма рассеяния мощности в диммере.

Рис. 2. Рассеяние мощности на диммере

Мощность рассеивания одного из тестируемых диммеров составила 3,9 Вт. Это значение было получено для электронного диммера 60-Вт лампы накаливания в режиме нерегулируемой яркости. Из графика видно, что совместная работа светодиодной лампы и диммера не приводит к увеличению рассеиваемой на нем мощности. На самом деле, ее величина уменьшается. В среднем рассеиваемая мощность на диммере у 60-Вт лампы накаливания составляет 0,67 Вт, у 12-Вт светодиодной лампы — 0,4 Вт, а у 6-Вт светодиодной лампы — 0,31 Вт.

Неактивная (пассивная) мощность численно определяется как квадратный корень из разности квадратов полной и активной мощностей. В импульсных источниках питания для светодиодных ламп эта мощность почти целиком определяется гармониками тока высших порядков, которые появляются в результате использования драйвера и диммера с отсечкой фазы. Лампа накаливания в нерегулируемом режиме работает как идеальный резистор, у которого очень малый ток гармонической составляющей, а коэффициент мощности приближается к единице. Категория «нерегулируемый режим» означает, что сетевой диммер включен, но световой поток лампы имеет максимальную величину.
На горизонтальной оси графика (см. рис. 3) данные представлены в нелинейном масштабе. Пассивная мощность нерегулируемой лампы накаливания ниже, чем у нерегулируемых светодиодных ламп. Однако диммер с отсечкой фазы, регулирующий яркость лампы накаливания, создает гармонические токи, величина которых превышает амплитуду этих составляющих в случае со светодиодными лампами с регулируемой яркостью. Замена лампы накаливания с диммером одной из светодиодных ламп, принявших участие в эксперименте, позволяет снизить не только загрязнение электросети, но и дополнительные потери мощности.

Рис. 3. Пассивная мощность

На диаграмме рисунка 4 показаны относительные амплитуды 2–20-й гармоник тока в режиме регулирования потока света. Эти значения были получены с помощью одного диммера с отсечкой фазы.
На этой диаграмме видна разница между светодиодными лампами и лампой накаливания. Амплитуда гармоник высших порядков у лампы накаливания уменьшается по мере увеличения порядкового номера, тогда как про светодиодные лампы этого не скажешь. Следует заметить, что на диаграмме приводятся относительные цифры.

Рис. 4. Гармонические составляющие тока в сети

Наконец, давайте обсудим, в какой степени гармонические токи вызывают потери мощности в сети электропитания. Такой анализ сам по себе сложен и определяется многими факторами. Качество электроэнергии — один из них. Кроме того, в сети электроснабжения при определенных условиях может возникнуть резонанс.
Сеть электропитания характеризуется некоторым импедансом оконечного устройства, который зависит от частоты гармоник (см. рис. 5).

Рис. 5. Импеданс электросети

Возведенное в квадрат среднеквадратичное значение полного тока, умноженное на значение суммарного импеданса (с учетом импеданса оконечного устройства), позволяет оценить рассеяние мощности в реальной электросети. При составлении таблицы 3 с результатами расчетов предполагалось, что во всех низковольтных сетях потребителей находится по 60 светодиодных ламп (равное распределение).
Благодаря меньшему потреблению светодиодных ламп (при том же световом потоке) суммарные потери мощности этих источников света меньше, чем у регулируемых ламп накаливания, даже с учетом относительно больших потерь из-за гармонических составляющих тока. Светодиодные лампы позволяют сэкономить на рассеиваемой в электросети мощности 30–50 Вт.

Наконец, рассмотрим случай, когда светодиодные лампы применяются не в качестве замены ламп накаливания, т.е. активная мощность всех этих источников света — максимально допустимая. В таком случае при мощности 3680 Вт (230 В ∙ 16 А) потребуется 306 12-Вт или 613 6-Вт светодиодных ламп. При этом кажущаяся мощность может превзойти номинальную емкость инфраструктуры, а рассеиваемая мощность увеличивается настолько, что возникает риск перегрева системы и возникновения пожара. Чтобы предотвратить такую ситуацию, разработчики должны принимать в расчет кажущуюся мощность светодиодных источников света.

Светодиодные лампы потребляют в 4–8 раз меньше энергии, чем лампы накаливания с тем же световым потоком. В условиях регулирования яркости излучения этот показатель вырастает до 40–80. Хотя гармонические составляющие тока при эксплуатации регулируемых светодиодных ламп увеличивают потери, суммарный расход энергии намного ниже, чем у ламп накаливания, яркость которых регулируется диммером с отсечкой фазы. При замене ламп накаливания светодиодными лампами абсолютное снижение полного тока электросети позволяет значительно уменьшить рассеиваемую мощность.
В том случае, если светодиодная система освещения используется самостоятельно, а не для замены устаревших технологий, во избежание перегрузок следует принимать во внимание кажущуюся мощность источника света.