Светодиоды, как и многие другие виды источников света, в процессе эксплуатации подвержены снижению светового потока. То есть при той же подаваемой на них электрической мощности они постепенно дают все меньше и меньше света. На бытовом уровне это называется «фонарь стал как-то тускло светить». В то же время есть способы сделать световой поток стабильным во времени. Зачем это нужно и как реализуется, пойдет речь в статье.
При традиционном подходе к расчету освещения в проект изначально закладываются поправочные коэффициенты, учитывающие старение источника света. То есть освещенность поверхностей выбирается на старте работы светильников (или ламп, установленных в них) с запасом такой, чтобы по завершении срока службы светильников (ламп) она не оказалась ниже минимально допустимого значения. Но у такого подхода есть как минимум два недостатка. Во-первых, на начальном этапе работы светильник потребляет излишнюю мощность, обеспечивая запас по световому потоку. Во-вторых, бывают случаи, когда освещенность должна быть ограничена не только снизу, но и сверху, так как яркие блики создают проблемы. Это могут быть высокоточные производства и даже самый обыкновенный офис, если в нем постоянно работают как с бумагами, так и за компьютером. С одной стороны, освещенность должна быть достаточной, чтобы без зрительного напряжения читать тексты на листе бумаги. С другой стороны, слишком большая освещенность мешает работе с компьютером.
Идея автоматически компенсировать снижение светового потока при старении источника света изначально возникла применительно к металлогалогенным лампам (МГЛ). Первый патент, в котором описывается принцип автоматической компенсации снижения светового потока, датируется 2005 годом [1]. Но для МГЛ возникли проблемы с прогнозированием снижения светоотдачи, так как она зависит не только от времени, но и от количества включений. Кроме этого, сложной задачей является и диммирование МГЛ для регулировки светового потока. В результате система компенсации снижения светового потока применительно к МГЛ себя не окупает.
Но всего через несколько лет было начато широкое применение светодиодов для освещения. Старение светодиодов определяется в основном временем, которое они проработали, и практически не зависит от количества их включений. Реализация диммирования для светодиодов намного проще, чем для МГЛ. Поэтому в 2009 году Philips и несколько других ведущих светотехнических компаний начали исследования по созданию систем автоматической компенсации уменьшения светового потока применительно к светодиодам. И эти исследования привели к созданию реально работающей системы.
Система CLO
При правильном монтаже и эксплуатации световой поток светодиодов снижается плавно. Прекращение свечения (то, что на бытовом уровне называем «перегорание») должно происходить уже после того, как световой поток значительно уменьшился. Вот почему окончанием срока службы светодиодов принято считать уменьшение светового потока ниже заданного уровня при постоянной подводимой мощности.
Срок службы светодиода до уровня светового потока X процентов от номинального значения принято обозначать как LX. Например, L50 — срок службы до достижения уровня светового потока, равного 50% от номинального. Единого стандарта, определяющего порог, в мире не существует. Но, как правило, для бытовых применений берут L70, а для промышленного и офисного освещения — L80.
Процесс деградации светодиодов хорошо изучен, для них построены математические модели. Скорость деградации зависит от температуры p-n перехода в светодиоде. Поскольку испытывать новую модель светодиода на протяжении десятков тысяч часов невозможно (за такой длительный период она просто морально устареет), применяют испытания в течение 6000 часов при повышенной температуре. На основании данных для повышенной температуры потом по специальной формуле вычисляют срок службы светодиода при комнатной температуре либо при условиях эксплуатации, для которых он специально разрабатывался.
В офисных и производственных помещениях, как правило, поддерживается комфортная для человека температура от +17 до +25°C. Для светильника, предназначенного для внутреннего освещения, зная тепловое сопротивление теплоотвода, можно вычислить температуру p-n перехода. Соответственно, есть возможность с достаточно высокой точностью спрогнозировать падение светового потока. Зависимость, обратная падению светового потока, записывается в память контроллера, встроенного в светильник. Повышение мощности, подводимой к светодиоду, на протяжении всего его срока службы компенсирует уменьшение светоотдачи во времени.
Система, основанная на изначально заданном графике снижения освещенности, получила название Constant Light Output (сокращенно — CLO), что переводится на русский язык как «постоянное значение светового потока». На практике она реализуется, как правило, в «интеллектуальных» драйверах с поддержкой интерфейса DALI. Такие драйвера имеют встроенный микроконтроллер, куда записывается программа автоматической коррекции мощности, подводимой к светодиодам. При этом, для упрощения реализации, регулировка осуществляется не плавно, а ступенями, предусмотрено 16 градаций.
Источник: LEDVANCE
Мощность, потребляемая светодиодным светильником, прямо пропорциональна световому потоку. Для того, чтобы освещенность в помещении к окончанию срока службы по L80 была не ниже заданного значения, приходится вносить коэффициент запаса 1,25, чтобы снижение светоотдачи было компенсировано. Увеличение потребляемой мощности на 25% против расчетного значения в обычном светильнике будет иметь место на протяжении всего срока его эксплуатации. При наличии функции CLO светильник в начале эксплуатации будет иметь потребляемую мощность на уровне расчетной, а вот к концу эксплуатации она постепенно увеличится на 25%.
Естественно, при этом будет возрастать тепловыделение, что учитывается при проектировании теплоотвода.
Экономия электроэнергии за весь срок службы светильника за счет применения системы CLO оценивается в 10–15%
Следует иметь в виду, что CLO не увеличивает реальный срок службы светильника. Дело в том, что по окончании периода L80 деградация светодиодов становится непредсказуемой, и они могут просто перестать работать в любой момент. Кроме этого, увеличение срока службы свыше L80 (типичное значение которого лежит в пределах от 30 000 до 50 000 часов) не имеет смысла, поскольку массово выпускаемые драйвера так долго работать не способны. Вот почему для оценки срока службы светильников с функцией CLO введен специальный показатель L100, обозначающий промежуток времени, в течение которого светильник может поддерживать стабильное значение светового потока. По окончании периода L100 у светильника с CLO начнется снижение светового потока, которое, как уже отмечалось, будет носить непредсказуемый характер. Некоторые модели светильников по завершении указанного временного промежутка подают сигнал службе эксплуатации о необходимости их замены.
Функция CLO есть в светильниках таких производителей, КАК SIGNIFY (бывшая PHILIPS LIGHTING), LEDVANCE (бывшее подразделение OSRAM), XAL, FAGERHULT, CREE и некоторых других
Длительность L100 для светильника не обязательно должна равняться длительности L80 для светодиодов. Некоторые производители осуществляют компенсацию падения светового потока в течение периода времени L85 или даже на еще более коротком промежутке, который соответствует уже моральному, а не физическому старению светильника.
CLO 2.0 для уличного освещения
Применение CLO в уличном освещении также дает заметную экономию электроэнергии. Но прогнозирование процесса деградации светодиодов, установленных в уличном светильнике, дает большую погрешность из-за изменения температуры и других климатических условий.
В связи с этим компания OSRAM Lighting Solutions запатентовала и начала продвигать на рынок в 2017 году новую технологию CLO 2.0. Ее суть заключается в том, что на светильнике устанавливаются датчики температуры окружающей среды, скорости ветра, дождя. Кроме этого, измеряется температура компонентов внутри светильника, а также ведется учет моментов, когда светильник переводился в режим пониженного светового потока. На основании всех этих данных появляется возможным более точно прогнозировать снижение светового потока, причем не только светодиодов, но и светильника в целом.
По сравнению с обычной CLO, новая версия системы позволяет добиться снижения энергопотребления еще на 6%. Кроме этого, появляется возможность более точно прогнозировать отказы всего светильника и осуществлять его дистанционную диагностику по большему числу параметров, чем раньше. На момент написания статьи CLO 2.0 поддерживалась как минимум в двух моделях светильников OSRAM Lighting Solutions. Об использовании CLO 2.0 в продукции других производителей пока ничего не известно.
BLO – система с обратной связью
Следующим этапом развития систем компенсации снижения светового потока является введение в систему обратной связи [2]. Такая система получила название Balanced Light Output (сокращенно — BLO), что переводится как: «Рядом со светодиодами размещается фотоэлемент, измеряющий световой поток». При снижении уровня светового потока драйверу отдается команда по-высить электрическую мощность, подводимую к светодиодам.
Для упрощения установки светильника с BLO датчик светового потока размещается внутри корпуса светильника. При этом он не может учесть такие факторы, как загрязнение, а также снижение коэффициента пропускания плафона светильника. Эти факторы отслеживаются при помощи другого датчика, представляющего собой инфракрасный светодиод и фотодиод. По коэффициенту отражения инфракрасного излучения от плафона определяются степень его старения и загрязненность, на основании чего вносится корректировка в уровень светового потока светодиодов.
На момент написания статьи система BLO существовала только в виде опытных образцов. Тем не менее ее можно считать весьма перспективной для светильников, установленных в труднодоступных местах, поскольку не только снижается энергопотребление, но и увеличивается интервал обслуживания.
CLO в России
На выставке Interlight – 2018 в Москве огромный интерес у специалистов вызвал светильник для заводских цехов LEDVANCE HB DALI CLO. Как и следует из его названия, он поддерживает функцию CLO. Это знаменательное событие, поскольку раньше «гранды» мировой светотехники не были замечены в продвижении CLO на российском рынке. Да и отечественный рынок пока не жаждет «немеркнущих» светильников, на что есть как минимум три причины.
Interlight — 2018 вызвал наибольший интерес среди специалистов
Во-первых, светильники с CLO производятся исключительно за рубежом, а если организовать их выпуск в России, то будет велика доля импортных комплектующих, что скажется на цене. В странах Евросоюза массовое внедрение CLO было начато в 2015 году. В России годом ранее резко уменьшился курс рубля, при этом, несмотря на рост тарифов на электроэнергию, в долларовом исчислении они пока не достигли докризисного уровня. В итоге применение дорогостоящих импортных комплектующих может в краткосрочной перспективе не окупиться за счет 15% экономии электроэнергии.
Во-вторых, выигрыш от применения CLO базируется на снижении коэффициентов запаса при проектировании. Во всем мире существуют рекомендуемые значения коэффициентов запаса, и здесь нормативная база отстает от развития технологий не только в России. Но в странах с развитым рынком светотехнических услуг предприятие, желающее улучшить качество освещения в своих цехах, просто обращается в фирму, которая подбирает и устанавливает нужные светильники, а потом осуществляет их эксплуатацию. При этом в договоре между заказчиком и исполнителем прописываются только параметры освещения, за которые исполнитель несет ответственность. А какие для достижения поставленных целей использовались коэффициенты запаса по световому потоку — внутреннее дело исполнителя. В России же чаще всего сначала закупают светильники, другая компания под них делает проект, и совсем другие люди потом занимаются их эксплуатацией. При возникновении несостыковок споры между участниками процесса решаются на основе официально утвержденных норм. И если вы использовали в проекте коэффициент запаса меньше рекомендуемого, то ставите себя в уязвимое положение.
В-третьих, система CLO дает выигрыш в энерго-потреблении на протяжении определенного промежутка времени, порядка пяти лет. В России такой горизонт планирования могут себе позволить очень немногие компании.
Введение в России обязательной аттестации рабочих мест может стимулировать спрос на светильники с функцией CLO
Тем не менее можно ожидать, что CLO будет внедряться в России и, как это было с многими новшествами, начиная с картошки, преимущественно административными методами. В 2018 году аттестация рабочих мест на предмет охраны труда стала в России обязательной. Параллельно с этим Роспотребнадзор активизировал свои усилия по проверке охраны труда в офисах и на заводах. Система CLO позволяет на протяжении более пяти лет не заботиться о соответствии освещения санитарным нормам, если, конечно, освещение изначально было правильно спроектировано.
Другим моментом, который может стимулировать внедрение CLO в России, является большое внимание, которое стало уделяться социальной ответственности бизнеса. Использование светильников CLO является хорошим поводом, чтобы заявить о себе как о социально ответственной компании. Ведь благодаря им и электроэнергия экономится, и условия труда значительно улучшаются. Экологи и профсоюзные лидеры, не говоря уже о сотрудниках компании, будут довольны.
Литература:
- Патент США US8390211B2 «Constant lumen output system».
- Matei S. Method and Circuit to Maintain Constant Light Output for LED Luminaires // LED Professional, N 66, June 2018.
