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.
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:
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 Figur 1. После нажатия кнопки, программа, кроме визуальной индикации коэффициента пульсаций, передает через последовательный интерфейс один байт, содержащий точное значение коэффициента пульсаций.
Рис. 1
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 Tabelle.
| №
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 |
| Sechs | 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 | Sechs |
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.
Fachliteratur
- Ошурков И. Обоснованный подход к нормативам пульсаций светодиодного освещения //Современная электроника. – 2013. – №4.
- Державні будівельні норми України ДБН В.2.5-28-2006.
- http://eco-e.ru/goodies/stati/svetovaya-sreda/19-pulsatsiya-lamp-nakalivaniya.
Herunterladen прошивку для микроконтроллера
Autor: Андрей Гаценко, г. Киев