Всем ли хороши современные энергосберегающие лампы?

Сейчас все большую популярность приобрета­ют, так называемые, энергосберегающие источ­ники света — газоразрядные и светодиодные лам­пы. Действительно, по энергопотреблению газоразрядные лампы приблизительно в 5 раз, а светодиодные — в 10 раз экономичнее традицион­ных ламп накаливания. Убежден, что за новыми технологиями будущее, но хотел бы остановить­ся на некоторых проблемах этих источников све­та на современном этапе их развития. В статье также приведено описание прибора для количест­венной оценки коэффициента пульсаций светово­го потока ламп и светильников.Рассмотрим вначале некоторые качественные характеристики осветительных ламп.

Надежность

Момент зажигания — это экстремальная ситуа­ция для электрической лампы, независимо от то­го, по какой технологии она изготовлена. В подав­ляющем большинстве случаев лампа накаливания сгорает в момент включения. Справедливо это пра­вило и для источников света светодиодного или га­зоразрядного типа, особенно для последних.

Ориентировочный срок службы в часах, указы­ваемый на упаковочной коробке, справедлив для ситуации, когда лампа включается и постоянно ра­ботает без выключения вплоть до ее выхода из строя. Когда же лампа работает в режиме посто­янных включений-выключений, срок ее службы значительно сокращается. В газоразрядных лам­пах, как правило, сгорает нить накала, реже — си­ловые транзисторы и динистор запуска электрон­ного балласта. За несколько лет эксплуатации у меня набралась коробка с более чем десятком вы­шедших из строя газоразрядных ламп, при том, что это были лампы среднего ценового диапазо­на, т.е. стоимостью 3-4 дол., и я пытался эксплу­атировать их в щадящем режиме, т.е. как можно меньше включать-выключать. В этой ситуации за­траты на приобретение ламп не окупаются эконо­мией от их меньшего энергопотребления.

Возможно, лампы премиум-класса от именитых производителей более надежны, но из-за высокой цены окупаемость их также находится под вопросом. Ввиду того, что ремонт электронных балластов требует достаточно высокой квалификации мас­тера, затрат времени и средств на покупку ком­плектующих, целесообразность использования газоразрядных ламп представляется сомнительной, по крайней мере, до резкого роста тарифов на электроэнергию в долларовом эквиваленте.

Кроме того, в нашей стране остро стоит про­блема утилизации неисправных газоразрядных ламп, учитывая нахождение внутри их колб высо­котоксичной ртути. Данная проблема до сих пор не решена, и не похоже, что будет решена в обозри­мом будущем.

Светодиодные лампы, с моей субъективной точки зрения, более надежны. За тот же период времени вышла из строя только одна дешевая (стоимостью приблизительно 3 дол.). Эта свето­диодная лампа не работала из-за некачественной пайки провода китайским изготовителем.

Заметим, что светодиодные лампы в среднем пока что существенно дороже газоразрядных. С точки зрения утилизации светодиодные лампы не отличаются от обычной бытовой электроники, что также является преимуществом по сравнению с газоразрядными.

Спектральные характеристики

В процессе эволюции человеческий глаз сфор­мировался как приспособленный к солнечному свету в качестве источника освещения. Как изве­стно, в видимой области солнечный спектр близок к спектру абсолютно черного тела при температу­ре около 6000 К с энергетическим максимумом в области 430…500 нм. Графически спектр Солнца можно представить как сплошную линию с «гор­бом» в указанной выше области длин волн. Спектр лампы накаливания подобен солнечному, с той разницей, что из-за меньшей температуры нити накаливания по сравнению с Солнцем, максимум излучения смещен в сторону больших длин волн (в «красную» сторону), что делает спектр лампы накаливания более «теплым».

Иная ситуация с энергосберегающими лампа­ми. Излучение паров ртути в газоразрядных лам­пах преимущественно лежит в ультрафиолетовом диапазоне, а светодиоды принципиально могут давать хоть и находящееся в видимом диапазоне, но только монохроматическое излучение (т.е. только одной определенной длины волны). Поэто­му на поверхность и тех, и других источников из­лучения наносят слой люминофора, который и преобразует первичное излучение в «белое». Сло­во «белое» взято в кавычки. На самом деле люми­нофор не дает непрерывный спектр, подобный солнечному или лампы накаливания. Первый оче­видный вывод из вышесказанного — искаженная цветопередача. Справедливости ради надо ска­зать, что в последнее время инженерами были со­зданы усовершенствованные составы люминофо­ров со значительно улучшенной цветопередачей. Однако даже улучшенные люминофоры не способ­ны воспроизвести спектр излучения, в точности подобный солнечному.

Кроме того, остается открытым вопрос относи­тельно утомляемости зрительного аппарата из-за отличия спектрального состава излучения энерго­сберегающих ламп от естественного.

В любом случае, при покупке энергосберегаю­щих ламп нужно обязательно обращать внимание на такие параметры, как индекс цветопередачи и цветовую температуру, которые солидные произ­водители обязательно указывают на упаковке.

Пульсации светового потока

Вследствие того, что большинство современ­ных источников искусственного освещения пита­ются от сети переменного тока, могут возникать пульсации испускаемого ими светового потока на частоте питающей сети или ее гармониках. Вопрос влияния пульсаций освещения на человека доста­точно подробно исследован за последние 50 лет в ряде научных работ. Обобщение результатов этих исследований с указанием первоисточников мож­но найти в статье[1].

Основные выводы, полученные британскими учеными, следующие:

• пульсации частотой выше 100 Гц начинают влиять на работу мозга уже при глубине 2…3%;
• глубина пульсаций 20% и более дает такой же эффект, как и 100% пульсации;
• пульсации с частотой более 300 Гц не оказы­вают влияния на человека;
• на частоте 100 Гц нормальная работа мозга сохраняется до глубины пульсаций в 5…8%.

В Украине основополагающим при проектиро­вании систем искусственного освещения являет­ся документ [2]. Данный документ для работ очень высокой и высокой точности устанавливает максимально допустимый коэффициент пульсаций не более 10%, средней и низкой точности — не более 20%. Этим же документом определена формула расчета коэффициента пульсаций освещенности:

где Е_max и E_min— максимальное и минимальное значения освещенности за период ее колебания, Е_ср — среднее значение за тот же период.

Как же обстоят дела с пульсациями светового потока у современных источников света?

Поскольку температура нити накала лампы на­каливания меняется в зависимости от величины протекающего тока, то при питании такой лампы от сети переменного тока ее световой поток так­же пульсирует. Ситуацию улучшает тот факт, что нить накала обладает значительной тепловой инерцией, позволяющей уменьшить эти пульсации до приемлемой величины. При этом, чем мощнее лампа, тем у нее более толстая нить накала и, со­ответственно, меньше коэффициент пульсации светового потока. Конкретные значения приведе­ны в [3] и составляют 10…20%.

Гораздо хуже обстоят дела с газоразрядными лампами со старыми пускорегулирующими аппара­тами («балластами») на основе дросселей. При ра­боте такой лампы дважды в период питающей се­ти ток через лампу уменьшается до величины меньшей, чем необходимо для поддержания свече­ния лампы. Вследствие этого коэффициент пульса­ций освещенности составляет более 50%. Такие светильники подходят только для освещения поме­щений, в которых люди не пребывают длительное время (кладовки, лестничные площадки и т.д.). При применении таких ламп для освещения произ­водственных помещений нормативные документы предписывают включать лампы в шахматном по­рядке к разным фазам трехфазной сети. За счет сдвига моментов «провала» светового потока в со­седних фазах на треть периода, пульсацию общей освещенности удается значительно уменьшить.

В современных газоразрядных лампах с элек­тронным балластом данная проблема полностью решена. Электронный балласт питает лампу так­же переменным током, но за счет его высокой ча­стоты (от десятков до сотен килогерц), газ в труб­ке за время отсутствия протекания тока не успевает деионизироваться, обеспечивая непре­рывность свечения.

Светодиод представляет собой практически безынерционный прибор, поэтому для решения задачи отсутствия пульсаций светодиодные све­тильники должны содержать специальный драй­вер, питающий светодиоды постоянным током. Необходимость наличия такого драйвера доста­точно сильно увеличивает стоимость светильни­ков. В погоне за прибылями, недобросовестные производители вместо драйверов устанавливают в светильники обычные диодные мосты со сглажи­вающим конденсатором. Прогонка таких схем в симуляторах (Micro-Cap, Multisim и т.п.) показыва­ет, что для обеспечения допустимого коэффици­ента пульсаций напряжения на выходе такого вы­прямителя, емкость сглаживающего конденсатора должна быть сотни, а то и тысячи микрофарад. Учитывая, что этот конденсатор должен быть еще и достаточно высоковольтным, его размещение в корпусе лампы под цоколь Е27, а тем более Е14, является нереальным. Вот и ставят конденсаторы значительно меньшей емкости, со всеми вытека­ющими последствиями…

Как же не ошибиться с выбором лампы?

Простейший способ — это, так называемый, «ка­рандашный тест». Для его осуществления следует разместить карандаш (или любой похожий пред­мет) между глазом и зажженной лампой и помахать им. При наличии существенных пульсаций светово­го потока будет заметен стробоскопический эф­фект. При этом желательно, чтобы в помещении, где проводится тест, не было других источников света.

Прибор для количественной оценки коэффициента пульсаций светового потока

Понятно, что такой способ дает весьма прибли­зительное представление о наличии пульсаций света. Для более точной количественной оценки коэффициента пульсаций светового потока, я решил собрать несложную схему, показанную на рис.1. Компоненты использовались те, что были под ру­кой. Так как прибор задумывался как портативный, с возможностью похода с ним в магазин, в качест­ве источника питания были выбраны 3 элемента ти­поразмера АА, соединенные последовательно.

Датчиком служит фотодиод D1 типа ФД-23К, но можно использовать любой другой, например, по­пулярный BPW34. Главное, чтобы фотодиод не имел инфракрасного фильтра, как, например, BPW34F. Фотодиод включен по схеме измерения обратного фототока. Напряжение с измерительно­го резистора R1, пропорциональное обратному то­ку фотодиода, подается на вывод 7 (RA0) микро­контроллера (МК) типа PIC12F1822, который служит входом встроенного 10-битного АЦП. Для обеспечения запаса напряжения на фотодиоде, опорное напряжение АЦП выбрано равным 1,024 В.

Величину резистора R1 необходимо подбирать под конкретный тип фотодиода так, чтобы при ус­тановке фотодиода на расстоянии приблизитель­но 0,5 м от включенной лампы, напряжение на ре­зисторе R1 было примерно 0,5…0,7 В. Для оперативной регулировки можно использовать в позиции R1 переменный резистор.

Особенности программного обеспечения

Программа, зашитая в МК, работает следую­щим образом. После подачи напряжения питания и при не нажатой кнопке, начинается непрерывный мониторинг сигнала, поступающего с измери­тельного резистора. Если максимальное значение сигнала превышает 0,9 полной шкалы АЦП, вклю­чается красный светодиод HL1, а зеленый HL2 — выключается. При максимальном значении сигна­ла менее 0,5 шкалы АЦП, наоборот, включается зе­леный светодиод HL2, а красный HL1 — отключает­ся. И в том, и другом случае кнопка S1 блокируется и нажатия на нее игнорируются. Если же значение сигнала находится в пределах нормы, т.е. 0,5…0,9 шкалы АЦП, горят оба светодиода одновременно, и кнопка S1 разблокирована. Регулировка уровня сигнала осуществляется приближением, либо уда­лением прибора от источника света.

При нажатии и удержании кнопки S1, МК в те­чение 0,25 с, периоде 1 мс, измеряет мгновенное значение напряжения на измерительном резисто­ре и определяет максимальное, минимальное и среднее значения сигнала за этот период време­ни. Затем производится вычисление коэффициен­та пульсаций по формуле (1). Если вычисленный коэффициент пульсаций оказывается меньше по­рогового значения, принятого в данной версии программы равным 10%, начинает мигать зеленый светодиод, в противном случае — красный.

После отпускания кнопки прибор возвращает­ся в исходное состояние, как после включения пи­тания, и готов к дальнейшим измерениям.

Поскольку примененный микроконтроллер имеет в своем составе универсальный последова­тельный асинхронный интерфейс (USART), грех было бы не воспользоваться его возможностями, состыковав прибор с персональным компьютером. Вход и выход данных USART (RX и ТХ) показаны на схеме рис.1. После нажатия кнопки, программа, кроме визуальной индикации коэффициента пуль­саций, передает через последовательный интер­фейс один байт, содержащий точное значение ко­эффициента пульсаций.

Следует помнить, что стыковать USART микро­контроллера с COM-портом компьютера можно только через согласователь уровней напряжений интерфейса микроконтроллера (0…+5 В) и ком­пьютера (-12. ..+12 В). Схем таких согласователей можно найти множество как в Интернете, так и в радиолюбительских журналах. Если компьютер не имеет COM-порта, можно применить конвертор

USART-USB, например, на микросхеме известной фирмы FTDI. Такие схемы также можно найти в изобилии в тех же источниках.

Обратный канал передачи данных, т.е. от ком­пьютера к МК (линия RX), в данной программе не реализован, но при написании собственной про­граммы радиолюбители могут его использовать,

например, для изменения порога «плохо — хорошо» при визуальной светодиодной индикации коэффи­циента пульсаций, для старта измерения от ком­пьютера (вместо нажатия аппаратной кнопки) и т.п.

Результаты исследования ламп с помощью прибора

Используя данный прибор и компьютер, я про­вел измерения коэффициента пульсации светово­го потока ряда электрических ламп с цоколем Е27 и одной Е14. Для исключения возможности получе­ния ошибочных результатов, напряжение питания прибора контролировалось до и после каждого из­мерения (оно составляло стабильные 4,5 В), а ре­зультат брался как среднее из 10 последовательных измерений. Результаты приведены в таблице.

№ п/п	Тип и модель лампы	Производитель	КП, %
1	Накаливания 60 Вт	Іскра	9
2	Накаливания 40 Вт	Іскра	12
3	Газоразрядная LTT2FS15W27H-L, 15W, 2700К	Lexman	12
4	Газоразрядная Т2 SRC 9W 2700К Е27	Космос	16
5	Светодиодная А65 12W 3000K	Maxus	85
6	Светодиодная LED-A55-04273(G) 4W Е27 3000K	Eurolamp	74
7	Светодиодная LS-21 LED 9W 2700К	Electrum	9
8	Светодиодная 4 Вт	?, Китай	22
9	Светодиодная BLE27/6.3W-500/40-A60/0	BelIson	26
10	Светодиодная LC-11 LED 5W 4000К	Electrum	6

Выводы, я полагаю, глядя на таблицу, читатель может сделать самостоятельно. Несколько замечаний.

Наличие пульсаций светового потока газо­разрядных ламп, казалось бы, противоречит те­оретическим выкладкам, приведенным выше. На самом деле там говорилось о пульсациях на час­тоте электронного балласта. Действительно, на высокой рабочей частоте электронного балласта пульсаций нет, а вот выходной ток последнего ока­зывается промодулированным удвоенной часто­той питающей сети, к счастью, во вполне допус­тимых пределах.

Ни на самой лампе №8 (из таблицы), ни на упа­ковке нет никаких сведений о производителе, кро­ме, как «Made in China». Она была куплена из-за малой цены, в 1,5 раза меньшей, чем другие светодиодные лампы той же мощности. К ее недостаткам можно отнести несколько «синюш­ный» спектр излучения и немного меньший световой поток по срав­нению с «родственницами». При этом коэффициент пульсаций у нее не слишком велик, особенно в сравнении с куда более имениты­ми изделиями, что делает ее впол­не пригодной для освещения туа­лета или прихожей.

Разрекламированность торговой марки и дорого­визна изделий не свидетельствуют об их качестве.

Все протестированные лампы были куплены в супермаркетах крупных торговых сетей. В связи с этим возможны 2 варианта:

• солидные торговые сети продают несертифицированную продукцию;
• контролирующие органы выдают сертифика­ты изделиям, которые их не заслуживают.

Литература

1. Ошурков И. Обоснованный подход к норма­тивам пульсаций светодиодного освещения //Со­временная электроника. — 2013. — №4.
2. Державні будівельні норми України ДБН В.2.5-28-2006.
3. http://eco-e.ru/goodies/stati/svetovaya-sreda/19-pulsatsiya-lamp-nakalivaniya.

Скачать прошивку для микроконтроллера

Автор: Андрей Гаценко, г. Киев