Современная светотехника N2/2010

УЧАСТНИКИ конференции – украинские, российские и зарубежные компании-производители: • полупроводниковых источников света; • светотехнических изделий; • силовой электроники для светотехнических изделий; • систем управления освещением.

ПРОГРАММА КОНФЕРЕНЦИИ 09:00 – 10:00 Регистрация участников. Приветственный чай/ кофе. Работа выставки 10:00 – 13:00 Пленарная часть • Государственные инициативы на рынке светотехники.

• Обзор зарубежного рынка светотехники: современное состояние и перспективы.

• Украинский рынок светотехники: современное состояние и перспективы.

• Проблемы стандартизации и сертификации светодиодных светотехнических .

11:00 – 11:30 Кофе-брейк • «Как построить бизнес на быстроразвивающемся рынке».

• Компоненты систем светодиодного освещения.

• Источники питания для светодиодного освещения.

• Основные направления создания энергосберегающих систем на основе полупроводниковых источников света. Проблемы явных и скрытых энергетических потерь.

13:00 – 14:00 Обед. Работа выставки 14:00 – 18:00 Работа секций 1. Светильники. Светодиоды. Оптика.

• Представление светодиодной продукции компаниймировых лидеров.

• Современные способы конструирования узлов вторичной оптики. Продукция компаний-лидеров.

• Доклады украинских производителей современного светотехнического оборудования.

• Опыт инсталляции и эксплуатации современных светотехнических систем на Украине.

• Уличное светодиодное освещение. От революции к эволюции.

2. Силовая электроника для светотехники. Системы управления освещением.

• Источники питания для светодиодного освещения • Микросхемы драйверов питания светодиодов – обзорный доклад.

• Особенность проектирования источников питания для светодиодной светотехники • Доклад представителей украинских компанийпроизводителей и разработчиков силовой электроники.

3. Thermal management • Зависимость характеристик, в т.ч. временная деградация, светодиодных источников света от температуры.

• Конструкционные элементы светильников.

• Выбор систем охлаждения, приближенные практические методы расчета.

• Системы охлаждения компаний-лидеров.

16:00 – 16:30 Кофе-брейк • Круглый стол: «Развитие украинского рынка светотехники».

• Круглый стол: «Поставщики и покупатели осветительных приборов и систем».

18:00 Фуршет

За более подробной информацией обращайтесь в оргкомитет конференции. Контактное лицо: Шерстюк Андрей Тел.: +38 044 586-56-01/02/03 E-mail: kkomplekt@gmail.com

слово редактора

К

Коллеги, здравствуйте!

В настоящий момент мы стоим на пороге технической революции в освещении. Появление светодиодов изменило наше представление о принципах конструирования осветительных установок. Однако вскоре эйфория сменилась трезвой оценкой ситуации. Революционность нового источника света потребовала не менее революционных решений во всех приложениях, обслуживающих этот небольшой кристалл. Оптическая система, новые принципы отвода тепла, драйверы тока — все изменилось с приходом твердотельных источников света. Если раньше силовая электроника стояла в тени и не претендовала на инновационные разработки, патенты и внимание со стороны всех без исключения инженеров-светотехников, то сейчас R&D в этой области являются серьезным камнем преткновения, определяющим скорость выхода изделия на рынок. Более того, еще одной значимой тенденцией является новый подход к разработке и конструированию не отдельно взятого светотехнического изделия, а всей системы освещения в целом. Обратите внимание — раньше разрабатывались достаточно универсальные светильники, которые можно было применять в большинстве приложений. Сейчас — тенденция к персонализации светотехнических решений для каждого конкретного случая. Да, это дороже. Но когда речь идет о внедрении дорогостоящих светодиодных решений в общем освещении, доля материальных затрат на проектирование такой системы уже не столь значительна. Практика банальной замены, например, люминесцентных светильников на светодиодные с прежними кривыми силы света и показателями светового потока показывает, что при всей инновационности технологий, окупаемость может доходить до 5—7 лет. Безусловно, это, мягко говоря, слабое конкурентное преимущество. Однако, по мнению многих инженеров-светотехников, если делать светильники с принципиально новыми параметрами, другими КСС, под конкретные нужды и, соответственно, проектировать освещение с использованием новых IES файлов, окупаемость вложений можно свести к одному году. Конечно же, силовая электроника и системы управлением освещением здесь сыграют одну из ключевых ролей. Отдельно я хочу сказать о некоторых событиях и изменениях в нашем проекте. Во-первых, это Первая всероссийская конференция «Современная светотехника», которая успешно прошла 18 марта. 17 июня, к моменту, когда большинство из вас будут читать эти строки, состоится Первая международная конференция «Современная светотехника. Украина». Подробней об этих мероприятиях на сайте russianelectronics. ru. Во-вторых, мы временно отказались от идеи редакционного совета, однако, в полном составе я вам представлю его в ближайших номерах. В связи с этим я приношу личные извинения Евгению Долину за то, что упоминал его имя в списках редсовета. В-третьих, в июне, мы запускаем наш онлайн проект lightingmedia.ru. Он не будет дублировать печатный журнал. В двух словах, портал посвящен всему, что так или иначе связано со светотехникой: новости, обзоры, аналитика, интервью, мнения участников рынка. Рассказывать много не могу и не хочу — все-таки лучше один раз увидеть! Ну а теперь спешу откланяться, желаю вам всего наилучшего и приятного чтения! Валерий Манушкин, главный редактор

Редакция Руководитель проекта «Современная светотехника» и главный редактор Валерий Манушкин

ответственный секретарь Марина Грачёва редакторы: Елизавета Воронина Виктор Ежов Екатерина Самкова Владимир Фомичёв редакционная коллегия: Леонид Чанов Борис Рудяк Владимир Фомичёв реклама: Антон Денисов Ольга Дорофеева Елена Живова Екатерина Платцева распространение и подписка: Марина Панова Василий Рябишников вёрстка, дизайн: Александр Житник Михаил Павлюк

директор издательства: Михаил Симаков

Адрес издательства: Москва,115114, ул. Дербеневская, д. 1, п/я 35; Санкт-Петербург, Большой проспект В.О., д. 18, лит. А; тел.: (495) 741-7701; факс: (495) 741-7702; тел./факс: (812) 336-53-85;

С ОД Е Р Ж А Н И Е #2, 2010

эл. почта: elecom@ecomp.ru, www.elcp.ru

ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: Мир электроники (Самара): 443080, г. Самара, ул. Революционная, 70, литер 1; тел./факс: (846) 267-3139, 267-3140; е-mail: info@eworld.ru, www.eworld.ru. Радиоэлектроника 620107, г. Екатеринбург, ул. Гражданская, д. 2, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ (Ижевск): г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ (Новосибирск): г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (3832) 51-56-99, 59-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru.

Издательство «Электроника инфо» (Минск): 220015, г. Минск, пр. Пушкина, 29 Б; тел./факс: +375 (17) 251-6735; е-mail: electro@bek.open.by, electronica.nsys.by.

IMRAD (Киев): 03113, г. Киев, ул. Шутова, д. 9, оф. 211; тел./факс: +380 (44) 495-2113, 495-2110, 495-2109; е-mail: imrad@tex.kiev.ua, www.imrad.kiev.ua

РЫНОК 4 Николай Фомин, Сергей Макареня, Павел Рудковский Светодиоды — идеальный источник света?

7 Тим Уайтекер, Мори Райт Выставка Strategies In Light 2010: новый этап развития рынка светодиодов 12 Боб Стили Подсветка ЖК-дисплеев и общее освещение обеспечат крупнейший рост рынка сверхъярких светодиодов 14 Сергей Кривандин Модули питания светодиодов ускоряют выход светильника на рынок 20 Андрей Просвирин Бренды на рынке светотехники: что нас ждет впереди?

ПРИМЕНЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА 23 Андрей Никитин Светодиодные светильники в задачах архитектурного освещения. Ч. 2 28 Сергей Миронов Новинка от компании CREE — многокристальный светодиод MP-L EasyWhite

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ 31 Николай Коденко, Александр Иванов Технология лазерной маркировки материалов 38 Геннадий Терехов, Антон Булдыгин Проблемы явных и скрытых энергетических потерь в светодиодных осветительных приборах

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ДЛЯ СВЕТОТЕХНИКИ 42 Валерий Поляков, Татьяна Ремизевич, Илья Ошурков Интеллектуальный энергоэффективный балласт 47 Сергей Гужов Оценка влияния источников питания светодиодных изделий на питающую сеть

Подписано в печать 25.05.2010 г.

50 Евгений Ермаков Технико-экономические аспекты разработки и эксплуатации управляемых ЭПРА для ламп высокого давления

Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 2000 экз.

60 Андрей Конопельченко, Сергей Кривандин Управление яркостью свечения светодиодов с помощью модульных DC/DC-драйверов

Изготовлено ООО «Группа Море». г. Москва, Хохловский пер., д. 9 Тел.: +7 (495) 917-80-37

65 Олег Зотин, Наталья Морозова Анализ эффективности управления энергосбережением в наружном освещении

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕЩЕНИЕМ

#2 (03)

www.lightingmedia.ru

3

рынок

Светодиоды — идеальный источник света? Николай Фомин, ген. директор, компания ФЭК Сергей Макареня, нач. сектора светотехнического оборудования Павел Рудковский, инженер В статье отражены особенности светодиодного освещения, в т.ч. его недостатки, которые необходимо учитывать при переходе к современным энергоэффективным технологиям.

В последнее время в СМИ стали появляться сообщения о запрещении в той или иной стране в ближайшем будущем использования ламп накаливания с целью перехода к современным энергоэффективным технологиям получения света. Согласно этим сообщениям, одним из самых перспективных направлений в освещении и чуть ли не единственным, которое надо развивать, является использование светодиодов. Планируется заменить нынешние лампы накаливания светодиодными, игнорируя все другие энергоэффективные технологии. Аргументов против массового внедрения светодиодов приводится всего лишь два: их высокая цена и отсутствие в санитарных нормах и правилах (СНиП) соответствующих положений относительно такого источника освещения как светодиоды. К сведению, стоимость светодиодной лампы превышает стоимость лампы накаливания в 100 раз и в 20—30 раз — стоимость люминесцентных ламп. Кроме этих недостатков, существует еще целый ряд, о которых умалчивают производители светодиодов. Одним из недостатков использования светодиодов для освещения является необходимость отвода тепла. В отличие от традиционных источников света, светодиоды не излучают тепло, а отдают его от p-n-перехода к расположенному на корпусе теплоотводу. Использование мощных светодиодов связано с потенци-

В

4

www.lightingmedia.ru

альной возможностью чрезмерного увеличения температуры перехода, от которой напрямую зависят надежность и световые характеристики устройств. Повышение температуры перехода приводит к снижению яркости свечения и смещению рабочей длины волны светодиода, а при неудовлетворительном теплоотводе — к деградации структуры кристалла (испарение кристалла). В качестве систем охлаждения мощных светодиодов необходимо использовать современные затратные технологии охлаждения, такие как керамические радиаторы, обдув с помощью вентиляторов, обдув ребер радиаторов импульсными турбулентными потоками воздуха (струйная технология обдува). Светодиодный светильник является сложным техническим устройством, в котором источник света — светодиодный модуль — нельзя отделить от конструкции светильника. В нем должно быть рассчитано и взаимно согласовано множество компонентов: требования по освещенности и оптика, светодиоды и источники питания для них, режимы работы светодиодов и условия их охлаждения, охлаждающие радиаторы и корпус светильника [1]. В связи с этим неизвестно, как должен поступать пользователь в случае перегорания отдельного светодиодного источника света. Будут ли производители поставлять запасные части или придется заменять всю систему? Миниатюрность светодиода не всегда является достоинством. Для создания светильников, применяемых для наружного освещения, необходимо поместить в корпус более 50 светодиодов, обладающих малой единичной мощностью. Такие светильники обладают сильнейшим слепящим эффектом. Во избежание повреждения сетчатки глаз не рекомендуется на них смотреть,

т.к. светодиоды являются практически точечным источником монохроматического света. Информация о вредном воздействии светодиодов на человеческий глаз отсутствует, т.к. серьезные исследования о влиянии их на зрение не проводились. Есть надежда, что вскоре влияние светодиодов на зрение будет изучено досконально. Применение точечных источников света создает зоны яркой светимости, что, в свою очередь, повышает показатели ослепленности (критерий оценки слепящего действия осветительной установки) и дискомфорта. По показателю ослепленности можно судить о степени ухудшения видимости при воздействии блестких источников света. Например, при значении этого показателя равном 100 видимость снижается на 10%. По российским нормам [2], для точных производственных работ значение показателя ослепленности не должно превышать 20. Показатель дискомфорта (М-критерий оценки дискомфортной блесткости, вызывающей неприятные ощущения при неравномерном распределении яркостей в поле зрения) характеризует степень неудобства или напряженность глаз при наличии в поле зрения источников повышенной яркости. Какие бы приемы ни использовали производители, добиться равномерного распределения светового потока пока не удается. Применение внешних линз требует дополнительных затрат на их производство. Для производства качественных линз требуются дорогие материалы, при этом стоимость конечного продукта заметно возрастает. В результате неравномерного распределения света крайне сложно создать заливающее освещение. Следующим недостатком светодиодов, о котором умалчивают

рынок производители, является большая процентная глубина пульсаций освещенности в заданной точке помещения при питании непосредственно от сети переменного тока. Неконтролируемая пульсация освещенности приводит к повышенной опасности травматизма при работе с движущимися и, в особенности, с вращающимися объектами, а также к зрительному утомлению. В нормах России для большинства зрительных работ установлено значение коэффициента пульсаций (Кп) не более 20% [2]. В светодиодных светильниках пульсации не всегда заметны. Но если провести простой опыт, а именно, посмотреть на светильник через цифровой фотоаппарат или камеру, то на экране мы сразу увидим пульсирующий свет (стробоскопический эффект). Понятно, что практически во всех светильниках светодиоды работают в импульсном режиме, т.к. при работе в режиме постоянного свечения их срок службы резко сокращается. Кроме того, импульсный режим позволяет сэкономить на преобразователе. Известно, что пульсирующий свет вызывает постоянные сокращения ресничной мышцы, мышца устает, что приводит к развитию близорукости. Поэтому говорить о высоком качестве света, создаваемого светодиодами, пока преждевременно. Как достоинство светодиодов приводится полное отсутствие в спектре ультрафиолетового (УФ) излучения. По поводу УФизлучения нельзя говорить, что оно однозначно вредно. Известно, что УФ-излучение делится на мягкое и жесткое. В солнечном (дневном) свете присутствует как мягкая, так и жесткая составляющие. Жесткое УФ-излучение, без сомнения, является вредным. Что касается мягкого УФизлучения, то оно является «недостающим» звеном в системах искусственного освещения. Только благодаря воздействию мягкого ультрафиолета в нашей коже образуется витамин D, который напрямую связан с усваиванием кальция, необходимого для костей человека. Исследования показали, что отсутствие в искусственном освещении мягкого ультрафиолета

провоцирует «световое голодание», которое, в свою очередь, отражается на самочувствии и производительности. Понятно, что УФ-излучение должно быть строго дозировано и не превышать допустимых норм. Такие компании как Philips и OSRAM выпускают специальную серию люминесцентных ламп, в которых уровень УФ-излучения приближен к уровню УФ-излучения в дневном свете. Например, в городе Анкоридж (Аляска) люминесцентные лампы рекомендованы местным департаментом здравоохранения для освещения офисов, детских учреждений, т.к. именно они способны восполнить нехватку естественного света в условиях полярного Севера [3]. Таким образом, полное отсутствие УФ-излучения нельзя назвать достоинством. Хотелось бы заострить внимание на конструкции светодиодов белого свечения. Существуют три схемы получения белого света: Первый — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне, наносятся три люминофора, излучающие, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Совокупный свет схож с тем, который излучает люминесцентная лампа. И, наконец, в третьем способе желто-зеленый или зеленый с красным люминофором наносятся на голубой светодиод, в результате чего смешиваются два или три излучения, образуя белый либо близкий к белому свет. Система из трех разноцветных светодиодов самая дорогая и требует драйвера. Также крайне сомнительно, что при эксплуатации изменения характеристик кристаллов будут происходить в равной степени. Как следствие, белый цвет будет изменяться с течением времени. Наибольшее распространение получила вторая схема, в которой используются ультрафиолетовый светодиод и люминофор. Она

представляет собой явное заимствование из технологии люминесцентных ламп. Люминофор находится в непосредственной близи от излучающего перехода. Излучающий переход имеет температуру более 100°С (не путать с температурой светодиода). Под воздействием высокой температуры происходит истощение люминофора в светодиодах по аналогии с его выгоранием вблизи катодов люминесцентных ламп. Производители ничего также не говорят о долговечности применяемого люминофора при постоянном воздействии высокой температуры. Поэтому долговечность этого типа светодиодов вызывает сомнения. Также имеются сомнения относительно утверждения об отсутствии УФ-излучения. В светодиодах, построенных по третьей схеме, помимо необходимости использования люминофора имеется проблема получения света близкого к белому. Светодиоды позиционируются как экологически чистые приборы, не требующие утилизации. Продавцы светодиодного оборудования активно заявляют об этом преимуществе, чтобы продвигать свою продукцию, часто приводя в сравнение содержащие ртуть лампы. На этот счет можно возразить следующее: исследований, направленных на выяснение последствий, связанных с попаданием отработанных светодиодов в окружающую среду, не проводилось. Поэтому утверждение, что светодиоды не загрязняют окружающую среду, кажется преждевременным. То, что в странах СНГ не налажена утилизация отходов, ни в коей мере не свидетельствует о том, что та или иная продукция не вызывает загрязнения окружающей среды. Для примера, в Европе любая электронная продукция подлежит обязательной сдаче в пункты сбора по завершению ее эксплуатации. Выбрасывать, к примеру, неисправный мобильный телефон вместе с бытовым мусором запрещено. У нас же ситуация с отходами иная. Учитывая, что объем используемых светодиодов будет возрастать, уровень отходов, связанных с выходом из строя этих источников света, станет расти, что, в свою очередь приведет к необходимо-

Современная светотехника, #2 2010

5

рынок сти решать проблему утилизации светодиодов. С увеличением объемов продукции потребуется создание новых производств. Не секрет, что кристальные производства электронной промышленности являются одними из самых грязных. Можно добавить, что созданные исследователями из Китая и Америки самые яркие светодиоды на квантовых точках (QDLEDs), которые могут использоваться для изготовления дисплеев, содержат ядро из селенида кадмия и «оболочку» из сульфида цинка [4]. Использование в технологическом процессе изготовления устройств токсичного тяжелого металла — кадмия — ставит под сомнение тезис об экологичности светодиодов. Учитывая сказанное, имеются причины усомниться в заявленных качестве и надежности светодиодных светильников. Безусловно, всемирно известные производители уделяют должное внимание качеству выпускаемой продукции, которая, как правило, соответствует спецификации. Но цена этой продукции часто бывает неоправданно высокая, и далеко не все покупа-

тели могут ее приобрести. Для основной массы покупателей стоимость продукции имеет чуть ли не первостепенное значение, а это значит, что выбор будет сделан в пользу светодиодных решений среднего и нижнего ценового уровней. Как правило, продукцию данной ценовой категории предоставляют производители из Юго-Восточной Азии, которые, как показывает практика, зачастую завышают параметры производимой продукции. В итоге конечный покупатель приобретет красивый с исключительными качествами (если верить рекламе) светодиодный осветительный прибор за немалые деньги, не задумавшись о качестве света, создаваемого этим устройством. На текущий момент светодиоды просто идеально подходят для декоративной подсветки и разнообразных дизайнерских решений. Если же речь идет об освещении (улиц, рабочих мест и т.д.), то светодиодная техника пока не дотягивает до того качества, при котором не снижалась бы производительность труда, не появлялось чувство дискомфорта. Поставщики светодиодов

оперируют цифрами, используя нагнетаемый ажиотаж вокруг светодиодной тематики исключительно ради увеличения продаж. В то же время замалчиваются изложенные в статье проблемы, в результате чего тратятся немалые суммы на перевооружение освещения, которое, если разобраться, не обеспечивает требуемого качества. Кто при этом выигрывает, решать конечному потребителю.

220015, Республика Беларусь, г. Минск, пр. Пушкина, 29Б, ТЧУП «ФЭК» Тел./факс: +375 (17) 210-21-89 e-mail: lighting@fek.by www.fek.by

ЛИТЕРАТУРА 1. Редкий потребитель правит бал//Современная светотехника. №1, 2009.

2. Естественное и искусственное освещение. СНиП 23-05-95.

3. Общая информация по светотехнике. Люминесцентные лампы дома: польза или вред?//www.illuminator.ru.

4. Созданы яркие светодиоды на квантовых точках//Управление информатизации города Москвы: Новости IT//www.ui.mos.ru.

Светодиоды — 46% рынка источников света к 2020 году

Рис. 1. Современные светодиодные лампы под стандартные цоколи

6

www.lightingmedia.ru

Согласно данным аналитической компании Pike Research светодиоды будут становится все более и более важным сегментом рынка и к 2020 году будут занимать порядка 46% на 4.4 млрд. рынке Тем не менее, не смотря на хорошие перспективы для светодиодов, исследования Pike Research показывают, что эта отрасль все еще сталкивается с техническими и экономическими препятствиями. В результате, не смотря на то, что цена и эффективность твердотельных источников света стремительно улучшается, пройдет ещё несколько лет, прежде чем светодиоды займут лидирующую позицию на рынке света. Во время переходного периода люминесцентные лампы Т8 и Т5, имеющие хорошую эффективность и время жизни при

Рис. 2. Люминесцентные лампы Т5 и Т8 производства Philips

умеренной цене, обгонят лампы накаливания и останутся лидерами до наступления эры светодиодов. http://ledsreview.com/news/531/

рынок

Выставка Strategies In Light 2010: новый этап развития рынка светодиодов Тим Уайтекер, Мори Райт Strategies in Light 2010 — 11-я специализированная конференция и выставка светодиодных решений в освещении, прошедшая 12—14 февраля текущего года в Санта-Кларе, Калифорния. Это мероприятие было преисполнено оптимизма участников, вызванного быстрым ростом рынка, который, по прогнозам экспертов, продлится в течение ближайших нескольких лет. Публикация является авторизованным переводом [1].

П

После неспокойного 2009 г., отмеченного резким падением и восстановлением рынка сверхъярких светодиодов, после чего чистый годовой доход увеличился на 5%, рынок вступил в фазу роста. В результате увеличения спроса на светодиоды для подсветки ЖКдисплеев и для осветительных систем рынок светодиодов в 2010 г. может вырасти на 50%. Эти приятные новости участникам конференции и выставки Strategies in Light 2010 сообщил Боб Стили (Bob Steele), компания Strategies Unlimited, во время традиционной презентации на открытии мероприятия. В рамках работы выставки Strategies in Light (SIL) параллельно прошли две конференции — HBLED Market и LEDs in Lighting. Вторую из них открыл Вринда Бхандаркар (Vrinda Bhandarkar), Strategies Unlimited, который представил обзор тенденций рынка твердотельного освещения. Новым для этого мероприятия стал форум SSL Investors Forum, на котором с презентациями перед венчурными и другими инвесторами, до отказа заполнившими помещение, выступили представители 12-ти компаний. Четыре заседания секций и два семинара завершили программу

мероприятия с 90 экспонентами и 3000 зарегистрированных участников. Другим важным событием этой выставки стало объявление результатов конкурса Next Generation Luminaires («Светильники следующего поколения»).

ПЕРСПЕКТИВЫ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ОСВЕЩЕНИЯ Дерри Берриган (Derry Berrigan), руководитель компании DBLD Sustainable Lighting Design, аргументированно выступила с заявлением о том, что осветительная система — не предмет потребления, где цена является определяющим различия фактором, а размер прибыли невелик. Технологии освещения развивают рынок. У Берриган — большой опыт работы в сфере твердотельного освещения. 97% ее проектов основаны на использовании светодиодов. Почему не все 100%? Потому, что пока отсутствуют стандарты качества освещения. Твердотельное освещение в скором времени станет играть ключевую роль, однако необходим единый подход в отношении осветительных технологий, средств управления, проектирования и естественного освещения. Берриган считает, что к настоящему времени индустрия твердотельного освещения создала заслуживающие внимание опытные образцы, однако пока не ясно, как их с помощью организовать массовое производство и внедрение продукции.

водством мобильных телефонов в начале 2000-х гг., когда светодиоды стали использоваться для подсветки клавиатур, а позднее — цветных экранов. Рост производства светодиодов привел к тому, что в 2004—2005 гг. оно стало избыточным. Однако в результате развития технологий улучшились характеристики светодиодов, а цены на них снизились, что, в свою очередь, ознаменовало второй этап развития этого рынка. В настоящее время светодиоды широко используются для подсветки экранов ноутбуков и телевизоров. В результате бурного рост рынка ТВ светодиодная индустрия, по мнению Дорсхаймера, испытывает серьезный дефицит мощностей с начала текущего года, объемы которого к 2012 г. достигнут 70—100 млрд шт. светодиодов. На производствах требуется запустить еще несколько сотен MOCVD-реакторов. Недостаток сапфировых подложек также может затруднить поставки продукции, пользующейся спросом. Дорсхаймер считает, что нынешние тенденции развития рынка приведут к 30-% избытку производственных мощностей в 2014—2016 гг. и заметно снизят

ЦИКЛЫ РАЗВИТИЯ РЫНКА СВЕТО ДИОДОВ Джед Дорсхаймер (Jed Dorsheimer), ст. специалист по акциям, компания Canaccord Adams, рассказал о развитии рынка светодиодов в терминах циклов. Первый цикл связан с массовым произ-

Рис. 1. Светодиодные модули Brivo от компании Foxsemicon Integrated Technology Inc. (FITI)

Современная светотехника, #2 2010

7

рынок

Рис. 2. На стенде Acuity Brands демонстрировался уличный фонарь компании Holophane с системой дистанционного управления и мониторинга ROAM (Remote Operations Asset Management) на основе беспроводной технологии передачи данных

Рис. 3. Компания Nuventix представила новое устройство Synjet для работы со светодиодными модулями Xicato

рост производственных мощностей. И снова, снижение цены и улучшение рабочих параметров светодиодов станут основой уже третьего цикла развития рынка осветительных приборов.

НАДЕЖНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ Презентации компаний Philips Lumileds и Inventronics были посвящены вопросам обеспечения надежности и эффективности решений на этапе разработки. Руди Хечфеллнер (Rudi Hechfellner), Philips Lumileds, рассказал о методе проектирования с учетом надежности (design-for-reliability), который может оказаться полезным для разработчиков светотехничекого оборудования. Хечфеллнер также остановился на проблеме обеспечения стабильности светового потока и внезапного и полного отказа. Несмотря на то, что снижение светоотдачи ниже приемлемого уровня или полный отказ влияют на надежность системы, механизмы сбоя в том и другом случае могут быть совершенно разными. Говоря, в частности, о светодиодах Luxeon Rebel, Хечфеллнер заметил, что управляющий ток

8

www.lightingmedia.ru

весьма значительно влияет на стабильность светового потока, в то время как температура не оказывает такого воздействия. В условиях возникновения полного отказа роли управляющего тока и температуры меняются на противоположные. Хечфеллнер представил модели, позволяющие проанализировать вероятность снижения стабильности светового потока и возникновения отказа каждого отдельного светодиода в массиве осветительной системы при различной рабочей температуре. Подобный анализ разработчики приборов должны выполнять в отношении всех компонентов светодиодной системы, включая драйверы и оптику. Доклад Маршалла Майлса (Marshall Miles), вице-президента отдела по развитию бизнеса, Inventronics, также был посвящен проблемам обеспечения надежности. В частности, Майлс остановился на силовой электронике для управления светодиодами, заметив, что все доходы от проектов по твердотельному освещению могут очень быстро обернуться издержками, если не уделить должного внимания силовой электронике. Майлс заметил, что прибыль на инвестированный капитал (ROI) зависит от сочетания нескольких факторов — стоимости продукта, возможности снизить потребление электроэнергии и стоимости технического обслуживания. Более эффективный модуль управления позволяет изменить ROI тремя путями: снизив расход энергии; уменьшив температуру компонентов и, следовательно, увеличив продолжительность их срока службы, а также повысив их надежность. Надежность и срок службы — разные характеристики. Надежность, в частности, связана с таким показателем как среднее время безотказной работы (MTBF). При вводе устройства в эксплуатацию возникают отказы независимо от его параметров надежности. Напротив, срок службы представляет собой вполне прогнозируемое время эксплуатации продукта до предсказуемого момента его изнашивания. В докладе был рассмотрен пример того, как энергопотребление и потери энергии зависят от КПД драйвера. Майлс указал, что при

сроке службы светодиода свыше 50 тыс. ч драйвер с КПД = 95%, позволяет сэкономить на 83,6 долл. больше, чем драйвер с КПД = 85% (из расчета 0,09 долл./(кВт·ч)). Другими словами, при использовании драйвера с КПД = 85% потери энергии в 3,3 раза больше, причем она рассеивается в виде тепла. Майлс отметил, что драйвер с КПД равным 85% обеспечивает лишь половину надежности от надежности драйвера с 95-% КПД, главным образом, из-за тепловых потерь.

ОПТИКА И ТЕПЛОВОЕ РЕГУЛИРО ВАНИЕ Представители компаний Bayer MaterialScience и Carclo выступили с совместным докладом на тему о новых материалах для светодиодной оптики, рассеивателей и отражателей, т.к. обе фирмы сотрудничают в производстве поликарбонатной оптики для приложений по светодиодному освещению. Большая часть оптики в настоящее время изготавливается из полиметилметалкрилата (ПMMA), или акрилового стекла. Оптика из ПММА, как правило, превосходит по светопроницаемости поликарбонатную оптику, однако ПММА деформируется при 75°С, в то время как поликарбонат устойчив даже к температуре в 120°С. ПММА-оптика требует соблюдения определенного температурного режима в процессе пайки. Кроме того, на ее состояние может оказать рабочая температура светодиода или светильника. Bayer MaterialScience и Carclo сообщили о создании новой технологии применения поликарбоната, светопроницаемость которого пригодна для светодиодного освещения. Более того, обе компании могут формовать отражатель и линзу в единый оптический модуль. Джеймс Петроски (James Petroski), GrafTech, выступил с докладом “SSL without heat sinks: Dream or reality?” («Системы твердотельного освещения без теплоотвода: мечта или реальность?»). Известно, что использование радиаторов удорожает стоимость решения, причем часто они механически несовместимы с формфактором светильников. Кроме того осветительные установки, как правило, изготавливаются из дешевых тонкослойных металлов

рынок с неудовлетворительным тепловым сопротивлением и плохо способствуют охлаждению светодиода. Конечно, в светильниках могут применяться более дорогие металлы и сложные методы производства для обеспечения лучшего теплоотвода. Однако компания GrafTech предложила свой способ увеличить рассеиваемую тепловую мощность за счет использования комбинации дешевого листового металла и тонкого слоя графитового материала eGRAF собственной разработки. При этом нет необходимости в том, чтобы материал eGRAF был плотно прижат к корпусу из листового металла для обеспечения лучшей теплопроводности.

БУДУЩЕЕ СВЕТОДИОДНЫХ ПРИ ЛОЖЕНИЙ В двух докладах прозвучали размышления на тему о новых возможностях применения светодиодов. Кэри Эскоу (Cary Eskow), директор отдела технологий, Avnet, рассказал об использовании СД в медицинских и психофизиологических приложениях. Например, двух- или трехцветные светодиоды с изменяемой цветовой температурой позволили бы увеличить дифференциацию тканей. Светодиоды также могли бы применяться для улучшения циркадного ритма при регуляции многих функций человеческого организма, включая сон и пробуждение. Управляемое излучение синего светодиода можно было бы использовать вместо кофе, чтобы ускорить пробуждение человека и повысить его работоспособность. Выступление Стива Паолини (Steve Paolini), исполнительного директора и учредителя Telelumen, было еще более отвлеченным: «Разделение спектра видимого света окажет на человечество в этом столетии большее влияние, чем разделение радиочастотного спектра в прошлом столетии». Светодиоды сменят лампы накаливания и вызовут появление большого числа новых приложений по освещению. В качестве примера Паолини привел световой репликатор от компании Telelumen. Если MP3-плеер воспроизводит музыку, то репликатор с помощью светодиодной матрицы — последовательное изменение световой интенсив-

ности, например, солнечного излучения в течение дня. При этом процесс записи репликатора чемто сродни кодированию звукового сигнала в MP3-формат.

которых составляли источники света для замены традиционных ламп, 20% точечных светильников и 15% — светильников для наружного освещения.

НОВАЯ И СТАРАЯ КУЛЬТУРЫ ОСВЕЩЕНИЯ

ЧТО ОЗНАЧАЕТ ЭТИКЕТКА

Тед Коннерт (Ted Konnerth), глава Egret Consulting Group, выступил с докладом о том, чем различаются представители «новой» и «старой» концепций освещения, сравнив их по таким показателям как длительность продуктового цикла, интеллектуальная собственность и производство. Например, для сторонников светодиодного освещения светоотдача (лм/Вт) — главный определяющий параметр, тогда как для приверженцев традиционного освещения основной характеристикой является фут-кандела (10,76 лм/м2). Коннерт посоветовал сторонникам перехода на новое освещение умерить свой пыл, изучить спрос, выбрать верную стратегию и найти те компании, которые могли бы ее реализовать. В то же время приверженцам «старой» концепции освещения следует понять, что их продукция устарела, она неэффективна, и изменить свою бизнес-модель.

Ави Мор (Avi Mor), партнер компании Lightswitch Architectural, рассказал о своем отношении к этикеткам на светильниках, наградам за разработку продукции и к программе Energy Star. Помимо положительных сторон он заметил, что некоторые программы вызвали переполох на рынке и привели к появлению сфальсифицированных этикеток. Например, программа Energy Star не решает вопроса качества продукции и неизвестно, что ожидать от нее в новой редакции в следующем году. Мор также заметил, что некоторые производители злоупотребляют этикетками Energy Star Partners, стремясь убедить потребителя в соответствии продукции стандарту Energy Star. На самом деле, этикетка Energy Star Partners означает лишь то, что производитель заплатил деньги за участие в этой организации.

ЧЕСТНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ На второй секции под названием “Truth in Labeling” («Честная классификация») были представлены четыре презентации, вслед за которым состоялась панельная дискуссия. На этом заседании рассматривался вопрос о вредном влиянии неточных и противоречивых заявлений на светотехническое сообщество, а также меры, которые предпринимает правительство и отрасль для решения этих проблем. В частности, Марси Сандерс (Marci Sanders), компания D&R International, рассказал о поддерживаемой Министерством энергетики США программе Lighting Facts (www. lightingfacts.com), предназначенной для того, чтобы обеспечить «честную рекламную информацию» и способствовать непрерывному совершенствованию качества продукции на основе твердотельных источников света. В марте текущего года в рамках программы Lighting Facts были утверждены изделия, 45%

Рис. 4. На выставке SIL компания Tyco Electronics представила низковольтный кабельный узел постоянного тока для системы, совместимой со стандартом EMerge Alliance. Узел используется для управления светодиодным освещением

Рис. 5. Светильники для наружного освещения от компании Hilux, которая также производит светодиодные модули, драйверы, пульты управления и другую продукцию

Современная светотехника, #2 2010

9

рынок Компания Мора предъявляет достаточно строгие требования к поставщикам твердотельных светильников. Он заявил, что едва ли найдутся два образца изделий с одинаковой цветовой температурой. Другим требованием является соблюдение пятилетней гарантии, включая все компоненты системы. До сих пор нет предписаний в отношении биннинга и конца срока службы светильника, в отличие от светодиодов.

УПРАВЛЯЕМОЕ УЛИЧНОЕ ОСВЕЩЕ НИЕ В САНХОСЕ В то время как многие города в США все еще тестируют светодиодные системы освещения, город Сан-Хосе, шт. Калифорния, прославился тем, что в его системах уличного освещения применяется интеллектуальная технология и управление, позволяющие повысить энергоэффективность и защитить ночное небо от избыточного света. Об этих инновациях рассказала Эми Олэй (Amy Olay), ст. инженер городского департамента транспорта. Внедрение интеллектуального уличного освещения, позволяющего уменьшить энергопотребление, повысить качество света и избавиться от нежелательного излучения, составляет только часть 15-летней программы Сан-Хосе Green Vision. К 2022 г. в этом городе заменят все 62 тыс. уличных фонарей на установки с нулевым выбросом. Проект по установке 118 фонарей в жилых районах восточной части Сан-Хосе позволил проверить возможность связи по силовым линиям (PLC) для управления отдельных источников света или целых групп из них. Городская администрация ожидает, что этот проект позволит сэкономить 60% расходов на электроэнергию плюс дополнительные 10% за счет регулировки яркости и снизить на 65% расходы на техническое обслуживание. Жители районов, в которых на улицах вместо желтого света старых натриевых ламп низкого давления появился более яркий белый свет светодиодов, положительно отреагировали на изменения. Еще одним проектом, завершенным в северной части СанХосе в начале этого года, стало тестирование беспроводных систем управления освещением на дороге с шестирядным движени-

10

www.lightingmedia.ru

ем. Для того чтобы экономия от применения систем адаптивного освещения была максимальной, требуется установить точный контроль над потребляемой электроэнергией. Полученная информация будет передаваться коммунальным предприятиям. Олэй рассказала, что городская администрация Сан-Хосе совместно с отраслевыми компаниями участвует в создании интеллектуальных уличных фонарей с функцией счетчиков.

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОНТРАКТ С ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ КОМПАНИЕЙ Преимущества светодиодного освещения можно использовать с помощью производственных контрактов (perfomance contracts), выполняемых энергетическими компаниями. Майкл Лот (Michael Loth), компания Johnson Controls, рассказал, как успешно финансировать такие контракты, которые, по сути, являются средством обеспечения модернизации за счет экономии от этой модернизации. В рамках данного контракта энергетическая компания гарантирует экономию средств, выручаемых после модернизации осветительных систем. Для выполнения договора потребитель находит источник финансирования (специализированную компанию) для внесения аванса за модернизацию оборудования. Затем в течение нескольких лет потребитель оплачивает издержки финансирования за счет достигнутой экономии от меньших коммунальных платежей, снижения затрат на ремонт оборудования, лучшего качества света и воздуха, способствующего повышению производительности труда. При этом, пояснил Лот, энергетическая компания несет финансовую ответственность за любую недостачу фактически сэкономленных средств относительно некоторого гарантированного уровня. Как следствие, энергетическая компания использует проверенные технологии, что позволяет снизить такой риск. На долю освещения приходится 16% стандартного проекта, реализуемого в соответствии с производственным контрактом, однако такие договоры окупаются за самое короткое время — от 3 до 10 лет. Лот перечислил ряд достоинств светодиодов, обеспечивающих

успех производственных контрактов, в т.ч. продолжительный срок службы, распределение света, избыточность и гарантия.

ТОЧКА ЗРЕНИЯ РАЗРАБОТЧИКОВ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ По мнению Эндрю Макиннона (Andrew Mackinnon), руководителя компании Gabriel Mackinnon Lighting Design, разработчикам все сложнее становится отстаивать характеристики качественных светодиодных изделий перед партнерами из других компаний, если те плохо разбираются в конкретных вопросах проекта. Производителям светодиодов и разработчикам осветительных систем приходится защищать репутации друг друга. Существует множество проблем, связанных с недостатком данных, которые позволяют сделать обоснованные сравнения. Например, имеются известные ограничения на применение IESфайлов (файлы с данными об интенсивности света в формате ASCII) для определения выходной мощности излучения установки со многими источниками света. Процесс выбора подходящей установки для проекта может занять очень большое время, а быстрая разработка — привести к ошибкам. Макиннон предлагает следующий выход из этой ситуации: производители должны замедлить темпы продуктовых циклов и точнее определять свои цели: например, сообщать разработчикам, должна ли светоотдача оборудования следующего поколения быть выше предыдущей величины, или следует сохранить прежнее значение этого параметра, снизив потребляемую энергию. Разработчики также не имеют представления о том, как долго проработают созданные ими светодиодные установки. Макиннон предложил производителям светодиодов составить рейтинговый список установок, в которых применяется созданная ими продукция. Свою идею он мотивировал тем соображением, что на карту в таком случае ставится репутация производителя, которая пострадает, если его светодиоды будут применяться в некачественных системах. Кроме того, он предложил соответственно промышленному стандарту установить гарантию на светотех-

рынок ническое оборудование, ориентированное на конкретные приложения и имеющее определенные срок службы (5 лет), светоотдачу и цветовую насыщенность. Майкл Сутер (Michael Souter), главный разработчик, Luminae Souter Associates, в своем выступлении сказал, что проектировщики светотехнического оборудования несут ответственность за качество созданных систем и их характеристик, включая светоотдачу, устойчивость функционирования, правила эксплуатации, рабочие параметры, бюджет и эстетический вид. Для того чтобы установки на основе твердотельных источников света получили широкое распространение, необходимо, чтобы все эти требования были соблюдены.

ПЛАНАРНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ По мнению Ирэна Файна (Eran Fine), президента и исполнительного директора, компания Oree, на рынке имеется спрос на пла-

нарное освещение, создаваемое с помощью больших, очень тонких, легких и встраиваемых в систему поверхностей, которые всей площадью излучают однородный регулируемый свет. Oree разработала технологию, позволяющую получить такую структуру с помощью точечных светодиодных источников света. Планарное освещение позволяет дизайнерам и архитекторам не только создавать светильники нового типа, но и новые приложения. Планарный модуль OreeLED со светоизлучающей поверхностью площадью 50×50 мм2 имеет размер и форму кредитной карточки. Oree разработала модульный метод создания больших залитых светом поверхностей, в которых сочетается боковая и задняя подсветка. Каждый модуль освещается одним многокристальным светодиодным источником, имеет оптическую эффективность свыше 60% и светоотдачу 40 лм/Вт на поверхно-

Рис. 6. Из составленных вместе планарных модулей OreeLED создается большая однородно светящаяся поверхность

сти структуры. Толщина модуля составляет 3,5 мм, вес — 8 г. При составлении модулей OreeLED образуется большая излучающая поверхность. Механизм обратной связи на основе датчиков внутри каждого модуля обеспечивает однородность излучения поверхности и стыков. ЛИТЕРАТУРА 1. Tim Whitaker and Maury Wright. Strategies in Light 2010 illuminates the start of a new era for LED market growth//www.ledsmagazine. com/features/7/4/5.

Современная светотехника, #2 2010

11

рынок

Подсветка ЖК-дисплеев и общее освещение обеспечат крупнейший рост рынка сверхъярких светодиодов Боб Стили (Bob Steele), директор программы по оптоэлектронике, Strategies Unlimited

П

По мнению автора этой статьи, за время очень быстрого роста рынка светодиодов его объем к 2014 г. увеличится до более 200 млрд ед. Относительно невысокое увеличение объема рынка сверхъярких светодиодов (на 5%, или на 5,3 млрд долл. в 2009 г.), вызванное, по большей части, мировой экономической рецессией, сменяется беспрецедентным ростом. Ожидается, что в течение ближайших пяти лет спрос на сверхъяркие светодиоды будет обусловлен их использованием в подсветке ЖК-дисплеев (в т.ч. дисплеев ноутбуков, телевизоров и мониторов) и в осветительных системах. В 2009 г. эти приложения, доля которых составила 29%, спасли рынок сверхъярких светодиодов от падения. В 2010 г. и в последующие годы эти два приложения будут определяющими драйверами роста рынка.

ОСВЕЩЕНИЕ Рост рынка светодиодов, использующихся в осветительной

аппаратуре, отчасти замедлился в 2009 г. (в то время как весь рынок осветительных приборов упал на 15—20%), но начал расти в 2010 г. Несмотря на то, что доля светодиодного освещения составляет менее 2% от всего рынка осветительных приборов и светодиоды по-прежнему в основном используются в нишевых приложениях, рост объемов производства остается устойчивым и, по прогнозам, в 2010 г. составит 31%. Во многих широко распространенных осветительных системах начинают применяться светодиоды. Эта тенденция наблюдается, например, в освещении сетей розничных магазинов, гостиниц и казино, автостоянок и в городском освещении. Основной причиной замены традиционных ламп накаливания является высокая энергоэффективность светодиодов. Принимаются в расчет и такие важные параметры светодиодов как продолжительный срок службы (при меньшей стоимости технического обслуживания) и более высокое качество света. Недавно появившиеся светодиодные лампы и светильники, используемые для замены тра-

Рис. 1. Прогноз развития рынка сверхъярких светодиодов для систем освещения, дисплеев (в т.ч. для подсветки экранов ТВ и мониторов, кроме лэптопов или нетбуков) и всех других приложений

12

www.lightingmedia.ru

диционных ламп, обладают намного лучшими рабочими характеристиками, чем устройства предыдущего поколения. В них используются более энергоэффективные светодиоды, несмотря на то, что, как правило, это приводит к увеличению цен на осветительные приборы. До сих пор не решена проблема выпуска недорогой продукции и ее низкого качества, но, похоже, продавцы все больше уделяют внимание жалобам клиентов.

ПОДСВЕТКА Впервые светодиоды стали использоваться в подсветке больших ЖК-дисплеев ноутбуков (в противоположность миниатюрным дисплеям мобильных телефонов или цифровых видеокамер) в 2006 г. Несмотря на сравнительно небольшой рост числа таких приложений (около 3% в 2007 г.), этот показатель в 2009 г. составил 50%, а в 2010 г. ожидается, что он достигнет 80%. Хотя первые ЖК-телевизоры со светодиодной подсветкой, созданные компанией Sony, появились в 2005 г., рынок таких ЖКД стал заметно расти только в 2008 г., после того как компания Samsung представила первые серийные ЖКД-модели. В 2009 г. рыночная доля этой продукции, выпущенной компаниями Samsung, LG и некоторыми другими производителями ЖК-телевизоров, составила 2,3%. По нашим прогнозам, в 2010 г. этот показатель вырастет до 15%, а в последующие годы он будет быстро увеличиваться. Несмотря на то, что некоторые ЖК-мониторы высокого класса с 2005 г. имеют RGB-подсветку, переход на белые светодиоды для подсветки мониторов настольных компьютеров начался лишь в конце 2008 г. В начале 2009 г. все основные производители мониторов заявили о том, что во всех их новых моделях будет исполь-

рынок зоваться светодиодная подсветка. В результате произойдет дальнейший рост рынка в ближайшие пять лет.

СОВОКУПНЫЙ РОСТ РЫНКА По нашим прогнозам, названные выше факторы бурного развития рынка сверхъярких светодиодов приведут к тому, что в 2010 г. он вырастет на 52%, или на 8,2 млрд долл. Ежегодный прирост рынка до 2014 г. оценивается нами в 30,6%, а его объем в 2014 г. увеличится до 20,5 млрд долл. В 2014 г. доля ЖК-дисплеев со светодиодной подсветкой и размером 10 дюймов и более составит 56%, тогда как доля применения светодиодов в осветительной аппаратуре вырастет до 21%. Ожидается, что высокие темпы роста этого рынка приведут к увеличению объемов выпускаемой продукции, а также к доходам от продаж. Количество корпусированных светодиодных устройств в 2010 г. вырастет на 44% , составив 78 млрд ед. По нашим прогнозам, в 2014 г. объем спроса на эти устройства возрастет в четыре раза, превысив 200 млрд ед. Потребность в светодиодах на основе GaN будет весьма устойчивой, поскольку это основные компоненты для подсветки и осветительных систем. Спрос на GaN-чипы (до корпусирования) вырастет более чем в пять раз за период 2009—2014 гг.

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ МОЩНОСТИ Очевидно, что при высоком спросе на продукцию возникает потребность в увеличении производственных мощностей. Несмотря на то, что светодиодная индустрия уже испытывала сопоставимые темпы роста, абсолютные величины выпускаемой продукции были намного меньше. Например, с 2000 по 2005 гг. совокупный объем выпущенной продукции вырос в 4,7 раза. Однако показатель в 24 млрд ед. в 2005 г. почти на порядок меньше того объема, который ожидается в 2014 г. Таким образом, масштабы производства, необходимого для покрытия прогнозируемого спроса, соответственно, должны быть больше. Наиболее важным средством производства светодиодов является реактор MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition — хи-

Рис. 2. Развитие производства светодиодов с 2004 по 2014 гг. * МПБД – модули подсветки больших дисплеев ноутбуков, ЖК-мониторов и ЖК-телевизоров

мическое осаждение металлоорганических соединений из паровой фазы). Два главных поставщика реакторов — Veeco и Aixtron — сообщают о беспрецедентном спросе на их продукцию. В настоящее время обе компании работают на полной мощности и планируют ее увеличить в течение этого года. К счастью для индустрии светодиодов, мощности по производству MOCVDустановок увеличивались по мере роста спроса на эту продукцию. В начале 2000-х гг. стандартные реакторы работали с подложками размерами 6×2 дюйма. Позднее размеры подложек выросли до 11×2, а затем до 24×2 дюйма. В настоящее время мощные MOCVDреакторы способны обрабатывать одновременно подложки размерами 42 или 45×2 дюйма, что в семь раз превышает размеры подложек образца начала 2000-х гг. При этом современными реакторами стало намного легче управлять. По расчетам компании Strategies Unlimited, для удовлетворения спроса на GaN-чипы потребуются 200 дополнительных реакторов в этом году и еще 280 в 2011 г. Эти цифры вполне реализуемы в рамках деятельности производителей MOCVD-реакторов.

ДЕФИЦИТ И ИЗБЫТОК ПРОИЗВОД СТВЕННЫХ МОЩНОСТЕЙ Вопрос о возможном дефиците производственных мощностей в краткосрочной перспективе и их избытке в долгосрочной перспективе был предметом многих дискуссий. Возможно и то, и другое, однако следует помнить, что на

этом быстро растущем рынке все решает время. На текущий момент время на выполнение нового заказа составляет около полугода, следующие 3—5 мес. уходят на установку реактора и подготовку его к работе. Многие поставщики светодиодов установили реакторы в конце прошлого года, а теперь занимаются их пуском, тогда как другие компании ждут поставки этих установок. Скорость, с которой реакторы устанавливаются и подготавливаются к пуску, определяет дефицит или избыток производственных мощностей и зависит от региона, компании и вида продукции. Однако определяющим фактором этих расчетов является желание поставщиков светодиодов захватить как можно большую долю рынка. Дальнейшее развитие текущей ситуации может стать схожим с тем, что происходило на быстро растущем рынке мобильных телефонов в 2002—2004 гг. В конце этого периода наблюдался избыток производственных мощностей, и цены на продукцию упали, по крайней мере, на светодиоды для подсветки клавиатуры, у которых были низкие эксплуатационные характеристики. Если история повторится, возможен избыток производственных мощностей в течение 1—2 лет. Как уже было отмечено, эта тенденция не относится ко всем типам светодиодов, имеет региональную зависимость, и, в первую очередь, не распространяется на высокопроизводительные белые светодиоды для осветительных систем.

Современная светотехника, #2 2010

13

рынок

Модули питания светодиодов ускоряют выход светильника на рынок Сергей Кривандин, ЗАО «КОМПЭЛ», технический руководитель направления «Источники питания» В распоряжении разработчика светодиодного светильника или системы освещения/подсветки есть несколько вариантов цепи питания — на основе интегральных схем драйверов или готовых модулей питания . Предлагаемый вниманию читателей материал — попытка мини-обзора модульных AC/DC и DC/DC драйверов Mean Well, PEAK и RECOM из программы поставок компании КОМПЭЛ.

ВЫБОР ДРАЙВЕРА СВЕТОДИОДОВ Яркость свечения светодиода зависит от протекающего через него тока. Для питания светодиода требуется обеспечить постоянство значения этого тока, которое обусловлено оптимальной яркостью и цветом свечения светодиода. Важные моменты, которые нужно уточнить перед выбором драйвера светодиодов: – выяснить, что требуется: постоянное напряжение (если нагрузкой является светодиодная линейка) или постоянный ток (если нагрузка — сверхъяркие светодиоды); – определить выходное напряжение драйвера и/или выходной ток, а также полную мощность; – определить диапазон входного напряжения; – уточнить диапазон рабочих температур и требования по защите от воздействий окружающей среды (ingress protection, IP).

– оценить требования к КПД, электробезопасности и электромагнитной совместимости, проверить эти параметры по фирменному описанию (data sheet) драйвера. Имеются следующие принципиально отличающиеся варианты питания светодиодов:

14

www.lightingmedia.ru

1) проектирование и изготовление оригинального драйвера на основе интегральных схем AC/ DC- или DC/DC-драйверов светодиодов, 2) выбор готового модульного AC/DC- или DC/DC-драйвера. В первом случае разработчик наиболее тонко учитывает конкретные особенности применения и места установки проектируемого светильника. Второй случай гарантирует качество технического решения и высокую скорость создания нового изделия. Именно скорость выхода на рынок повсеместно востребованных изделий становится важнейшим фактором развития компании в современных условиях. Традиционное светотехническое оборудование проектировалось и изготавливалось специалистами в оптике и освещении. Процесс создания светодиодного светильника требует знаний в электронике. Задачу проектирования значительно упрощает использование модульных светодиодных драйверов, работающих по принципу «Включил и работает». Проектированию драйверов светодиодов на интегральных схемах посвящено значительное количество статей и технических семинаров. Модульные AC/DCдрайверы светодиодов достаточно хорошо известны, а модульные DC/DC драйверы пока не нашли такого же широкого распространения.

AC/DCДРАЙВЕРЫ СВЕТОДИОДОВ MEAN WELL В МОДУЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ Светодиодные светильники применяются уже практически повсеместно. Все многообразие областей их применения можно условно разделить на установку

внутри помещений (внутренняя установка) и наружную. Примерами наружной установки могут служить уличное освещение, архитектурная подсветка, освещение тоннелей и т.п., а внутренней — офисное освещение, интерьерная подсветка, театральная и сценическая подсветка. Светодиодные экраны и табло могут устанавливаться как вне, так и внутри помещений и требования к источнику питания светодиодов экрана могут различаться от случая к случаю. В связи с многообразием задач светодиодного освещения и мест установки необходимы источники питания с разными свойствами. Их можно классифицировать по нескольким параметрам: 1) по степени защиты от внешних факторов окружающей среды — на пылевлагозащищенные и незащищенные, в том числе — открытого исполнения, 2) по типу управления светодиодами — на драйверы со стабилизацией выходного тока (CC — Constant Current mode) и источники питания со стабилизацией выходного напряжения (CV — Constant Voltage mode). Имеются универсальные источники питания, которые обеспечивают оба режима работы: CV+CC, 3) по электромагнитной совместимости — на источники питания с наличием или отсутствием корректора коэффициента мощности (ККМ, PFC). Компания Mean Well выпускает разнообразные серии источников питания (AC/DC-драйверы) для светодиодов, удовлетворяющие всем вариантам приведенной классификации: – влагозащищенные источники питания в металлических или пластмассовых корпусах для наружной установки,

рынок Таблица 1. Выбора драйвера светодиодов Mean Well

– негерметичные источники питания в пластмассовых корпусах для установки внутри отапливаемых помещений, – открытые источники питания, предназначенные для монтажа внутри корпуса светодиодного светильника. Среди этих источников питания есть модели с режимами CC, CV или CC+CV, с корректором коэффициента мощности или без него. Предварительный выбор источника питания Mean Well по различным критериям удобно сделать по таблице 1. В состав «бюджетной» линейки источников питания LPC входят модули LPHC-18, LPC-20, LPC-35, LPC-60 мощностью 18, 20, 35, 60 Вт соответственно. Модули питания LPC не содержат активного корректора коэффициента мощности, что позволяет произво-

дителю снизить себестоимость. Отличительной особенностью источников питания этой серии является стабилизированный выходной ток (CC). Модули серии LPC выпускаются в герметичном по IP67 пластмассовом корпусе, а подключение входной сети и нагрузки осуществляется при помощи входного и выходного кабелей 18AWGx2C или 16AWGx2C длиной 60 см в зависимости от модели. Серия LPV повторяет по конструктивным особенностям и выходной мощности серию LPC, но отличается стабилизированным выходным напряжением (CV). Серия ELN включает модули питания мощностью 30 и 60 Вт для наружной установки. В вариантах ELN-60/P и ELN-60/D реализована функция управления выходным током и, соответственно,

яркостью свечения светодиодов. В моделях ELN-60/P управление значением выходного тока осуществляется при помощи ШИМимпульсов, а в моделях ELN-60/D для управления выходным током модуля необходимо постоянное напряжение в диапазоне от 1,1 до 10 В. Модули ELN выпускаются в пластмассовом корпусе со степенью защиты от внешних воздействий IP64. Популярные источники питания для светодиодных применений CLG-060, CLG-100, CLG-150 реализованы в металлическом корпусе по IP67 с применением заливки теплопроводящим компаундом. Выходная мощность источников питания CLG лежит в пределах от 60 до 150 Вт. Модули питания CLG содержат активный корректор коэффициента мощности и соответствуют стандарту

Современная светотехника, #2 2010

15

рынок EN61000-3-2 Class C. Универсальность источников питания CLG позволяет расширить область их применения на производства с высоким содержанием пыли и влаги в воздухе, неотапливаемые помещения и т.п. Развитием и дополнением популярной серии CLG стали источники питания серии HLG, которая состоит из модулей мощностью 100, 120, 150, 185, 240 Вт. Источники питания HLG отличаются от модулей CLG более высоким КПД и наличием версий с расширенным диапазоном входного напряжения от 90 до 305 В. Они выпускаются в герметичном по IP65 или IP67 металлическом корпусе в зависимости от модели. Еще одной отличительной особенностью источников питания HLG является наличие моделей с различными опциями: суффиксом «A» кодируется вариант исполнения со степенью защиты IP65, регулировкой выходного напряжения и уровня постоянного тока встроенными потенциометрами (см. рис.1). Если требуется более высокая степень защиты IP67, можно выбрать опцию «B», когда регулировка выходного напряжения и уровня постоянного тока осуществляется через допол-

Рис.1. Внешний вид нового источника питания HLG-240 в герметичном корпусе

нительный кабель. В ряде случаев необходима клеммная колодка на корпусе источника питания: соответствующая опция «C» не обеспечивает защиту по IP. Самым простым вариантом является источник питания с кабелями, без возможности подстройки, в корпусе по IP67. В состав серии HLG входят модули с нестандартными выходными напряжениями 42 и 54 В. Высокое выходное напряжение позволяет подключать больше светодиодов последовательно, когда это требуется. Такое разнообразие исполнений HLG дает дополнительные возможности и гибкость подходов при разработке светильника и системы освещения.

16

www.lightingmedia.ru

В пластмассовом корпусе выпускаются серии PLN и PLC мощностью 20…100 Вт. Источники питания PLN относятся к первому, популярному поколению источников питания Mean Well для светодиодов, их корпуcа залиты внутри компаундом и имеют высокую степень защиты от пыли и влаги IP64. Модули серии PLC не залиты и не герметизированы, они меньше по массе и предназначены для внутренней установки. Открытые источники питания PLP мощностью 30, 45 или 65 Вт предназначены для монтажа непосредственно в корпус светодиодного светильника. Они могут работать в режиме стабилизации по току или по напряжению (CC+CV), имеют универсальный вход от 90 до 265 В переменного тока и встроенный корректор коэффициента мощности.

Большая часть источников питания Mean Well (табл.1) являются модулями универсального применения: их можно использовать как в режиме стабилизации выходного напряжения (CV), так и в режиме стабилизации выходного тока (CC). Типичная вольтамперная характеристика такого источника питания приведена на рис. 2. В области A источник питания ведете себя как стабилизатор напряжения (CV), в области B — как стабилизатор тока (CC). В области С происходит срабатывание защиты от перегрузки. Для перевода в режим CC (область B) необходимо расcчитать нагрузку источника питания. Рассмотрим пример подключения матрицы светодиодов к источнику питания CLG-150-24 непосредственно, без выравнивающих токи ветвей резисторов и без ИС драйвера (рис. 3).

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика источника питания светодиодов на примере серии CEN-100

Рис. 3. Непосредственное подключение матрицы светодиодов к источнику питания CLG-150-24 (CV+CC)

рынок Для одноваттных светодиодов прямой ток составляет 0,35 А, прямое падение напряжения 3,2 В. Выходной ток источника питания 6,3 А делим на ток светодиода 0,35 А и получаем 18 параллельно включенных ветвей. Для того, чтобы вывести источник питания в стабилизации тока (область B), его выходное напряжение должно быть в пределах 18…24 В, т.е. в одной ветви нужно включить 6—7 светодиодов. Инженеры Mean Well рекомендуют включить 6—7 светодиодов в ветвь еще и по той причине, что коэффициент мощности этого источника питания превышает значение 0,9 только при нагрузке более 75% от номинальной. Именно такую нагрузку источнику питания CLG-150-24 обеспечит матрица одноваттных светодиодов из 18 ветвей по 6—7 светодиодов в ветви. Варианты моделей и особенности применения популярных серий LPC, LPV, ELN, PLN обсуждены в наших статьях [1—3].

DC/DCДРАЙВЕРЫ СВЕТОДИОДОВ В МОДУЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ DC/DC-драйверы светодиодов в модульном исполнении — это отдельный класс продукции со своими особенностями. Модули имеют миниатюрный корпус для монтажа на печатную плату или для объемного монтажа, «широкий» диапазон входного напряжения, позволяющий работать с входным напряжением 5, 12, 24 или 36 В постоянного тока. Выходной ток модулей — стабилизированный, от 300 до 1200 мА в зависимости от модели. Модульные DC/DC-драйверы предназначены для монтажа внутри светодиодного светильника, поэтому они выдерживают воздействие высокой температуры окружающей среды до 85°С при полной нагрузке. Изделия весьма экономичны, поскольку имеют КПД до 96%. Компания RECOM одной из первых предложила модульные DC/ DC-драйверы светодиодов и сейчас выпускает различные модели с выходным током до 1200 мА. Даже такой мощный прибор реализован в миниатюрном корпусе размерами 22×12,5×8,5 мм. Он является полностью законченным готовым модулем, не требует подключения внешних компонентов, что уменьшает занимаемую на

Рис. 4. Управление током светодиодов ШИМ-импульсами

плате площадь до 50% по сравнению с альтернативными дискретными решениями. Возможно дистанционное включение/выключение модулей, и, соответственно, светодиодного светильника. Яркость свечения светодиодов дистанционно управляется через вход управления модульного DC/DC-драйвера. В модулях серии RCD компании RECOM и серии PLED компании PEAK предусмотрены два независимых входа для управления яркостью: цифровой и аналоговый. Управление сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ, PWM) обеспечивает простую интерфейсную связь с микроконтроллером, а аналоговый вход позволяет использовать регуляторы освещенности на основе реостата. Оба управляющих ввода являются линейными, а диапазон управления яркостью составляет от 0 до 100%. Вход PWM может быть использован для отключения преобразователя и снижения потребления тока от сети питания до 200 мА. Модули PLED-S и PLED-T компании PEAK имеют один управляющий вход, на который можно подавать цифровой или аналоговый сигналы. Пример примене-

ния модульного DC/DC-драйвера светодиодов приведен на рис.4. Источником ШИМ-импульсов может быть микроконтроллер, а усилитель управляющего сигнала можно реализовать и на биполярном, и на полевом транзисторе. Варианты модулей и серий PEAK представлены в таблице 2. Модули серии RCD выпускаются в разнообразных корпусах: для монтажа на поверхность платы, для монтажа в отверстия, есть мо-

Рис. 5. Внешний вид модульного DC/DCдрайвера RCD-24/W для объемного монтажа

дули в открытом исполнении или для объемного монтажа (рис.5), варианты корпусов и монтажа модульных DC/DC-драйверов RECOM приведены в таблице 3.

Таблица 2. Варианты серий драйверов светодиодов PEAK в корпусах для печатного монтажа Серия

PLED-SD-xxxLF PLED-S-xxxLF PLED-T-xxxLF PLED-xxxLF

Iвых max, мА (значение подставляется Uвых, В Pвых max, Вт вместо «xxx» в наименование серии) Серия PLED-SD в корпусе типа SMD 5,5…36 300, 350, 500, 600, 700 2…32 9,6…22,4 Серия PLED-S в корпусе типа DIP14 7…30 300, 350 2…28 8,4…9,4 Серия PLED-T в корпусе типа DIP16 7…30 500, 600, 700, 1000 2…28 14…28 Серия PLED в корпусе типа DIP24 5…36 300, 350, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200 2…32 9,6…38,4 Uвх, В

IP

Размеры корпуса, мм

20

23,86×13,7×8

20

20,4×10,2×7

20

23,4×14×10,16

20

32×14×20,3

Современная светотехника, #2 2010

17

рынок ЗАКЛЮЧЕНИЕ Светодиодные освещение офисов и улиц, подсветка театральных и концертных залов, архитектурная подсветка все шире внедряются в практику. Разнообразие задач и технических требований диктует применение источников питания в разном конструктивном исполнении. Главным достоинством модульных драйверов светодиодов является простота применения: они не требуют подключения внешних компонентов и используются по принципу «Включил и работает». Эта простота ускоряет процесс разработки нового изделия и увеличивает скорость его выхода на рынок, что является главнейшим условием динамичного развития и устойчивого положения компании. Представленные модули дают возможность разработчику выбрать оптимальное решение: для наружной или внутренней

Таблица 3. Варианты DC/DC-драйверов светодиодов RECOM Iвых max, А (значение подставляется Uвых, Наименование* Uвх, В Pвых max, Вт IP Размер, мм вместо «zzz» в наименование серии) В Серия RCD-24 для поверхностного монтажа (/OF — в открытом исполнении) 10,2…40,8 в зависиRCD-24-zzzSMD/OF 4,5…36 0.30, 0.35, 0.50, 0.60, 0.70, 1.0, 1.2 2…34 20 22,1×15,6×8,6 мости от модели RCD-24B-zzz/SMD 4,5…36 0.7 2…32 22,4 20 24,2×14,5×9,7 Серия RCD-24 в корпусе для монтажа на плату в отверстия 10,2…40,8 в зависиRCD-24-zzz 4,5…36 0.30, 0.35, 0.50, 0.60, 0.70, 1.0, 1.2 2…34 20 22,1×15,6×8,6 мости от модели RCD-24B-zzz 4,5…36 0.7 2…32 22,4 20 24,2×14,5×9,7 Серия RCD-24 в корпусе для объемного монтажа 10,2…40,8 в зависиRCD-24-zzz/W/x 4,5…36 0.30, 0.35, 0.50, 0.60, 0.70, 1.0, 1.2 2…34 67 22,1×15,6×8,6 мости от модели * Вместо «x» подставляется символ, обозначающий варианты управления: X1: подстройка выхода внешним аналоговым напряжением, X2: подстройка выхода внешним ШИМ-сигналом, X3: подстройка и внешним аналоговым напряжением, и внешним ШИМ-сигналом. При отсутствии суффикса возможность подстройки отсутствует.

установки, источник питания отдельный от светильника или встроенный в его корпус. Более подробную информацию об этих и других источниках питания для светодиодного освещения можно посмотреть на сайте http://catalog.compel.ru в разделе «Источники питания/ИП для LED».

ЛИТЕРАТУРА 1. AC/DC-преобразователи Mean Well для питания мощных светодиодов//Современная светотехника, 2009, №1 2. Источники питания для светотехники и светодиодных светильников//Новости электроники, 2008, №17 3. Источники питания для светодиодных дисплеев и наружной световой рекламы// Электронные компоненты, 2007, №10

Жидкий люминофор: новый подход к твердотельным системам освещения На международной выставке архитектурного и коммерческого освещения Lightfair 2010 компания Renaissance Lighting продемонстрирует ряд светодиодных светильников, однако демонстрация нового подхода к технологии твердотельных систем освещения с использованием жидкого люминофора, которая еще не внедрена в производство, может вызвать гораздо больший интерес. В компании Renaissance Lighting утверждают, что эта технология может обеспечить преимущества в эффективности, цветовой температуре и коэффициенте цветопередачи. На самом деле, люминофор производит желаемую цветовую температуру в зависимости от химического

18

www.lightingmedia.ru

состава, т.е. выбирая химический состав, можно подбирать желаемую цветовую температуру. При этом коэффициент цветопередачи может быть таким же высоким, как у лампы накаливания, и достигать 100. Следует иметь в виду, что это лишь заявленные компанией параметры, относящиеся к опытным образцам, которые будут продемонстрированы на выставке Lightfair 2010 и пока не предназначены для реализации на рынке. Однако величина эффективности светильников, которую планируется достичь на базе данной технологии, впечатляет. По сравнению с обычными светильниками, которые имеют эффективность от 50 до 60%, этот метод позволит

достичь значений от 80 до 90% и выше. В технологии компании Renaissance используется жидкий люминофор, который поставляется американской корпорацией NNCrystal. В таком приборе в оптике из пустотелого стекла, которая расположена между светодиодным источником и линзами, содержится люминофор. До настоящего времени компания Renaissance не раскрывает детали химического состава люминофора. Ожидается, что этот подход обеспечит эффективность светильников (конечных изделий) до 100 лм/Вт. www.ledsmagazine.com/news/7/5/2

рынок

Бренды на рынке светотехники — что нас ждет впереди? Андрей Просвирин, консультант по маркетингу, генеральный директор компании «Европейский тренинговый центр «Инновация». Прошел обучение в Академии народного хозяйства при Правительстве РФ по направлению «Управление маркетингом». Обладатель сертификата «Оперативное управление на предприятии» (Центр обучения при ТПП г. Лиона, Франция), prosvirin@etci.ru Основная задача любого бизнеса — повышать продажи. Занимает ли сотрудник пост коммерческого директора или менеджера по продажам, перед ним стоит вопрос повышения продаж. Тем более этим озадачен собственник бизнеса. Но только ли о повышении количества продаж мы должны говорить?

К

Конечно, если вы спросите у любого менеджера, что мешает ему продавать больше, или, например, почему некоторые клиенты (причем, и «сладкие» тоже) перестали работать с вашей компанией и делают закупки у других, вы получите ответ, в любом случае сводящейся к слишком высокой цене и предложению снизить ее. Но это позиция менеджера, наемного работника «не топовой» должности, а с него и спрос маленький. А что думают об этом владельцы бизнеса и топ-менеджеры, чьи деньги приходят в компанию (или уходят из нее)? К чему может привести снижение цены? Для этого предлагаю ознакомиться с таблицей 1. О чем эта таблица? А вот о чем. Представим, что ваша компания торгует светотехникой с наценкой, например, 30%. Реальная ситуация? Вполне. И в какой-то момент, в очередной раз выслушав стоны менеджеров по поводу высокой цены, вы решаете снизить наценку, например, на 7%. В принципе, совсем небольшая потеря. Насколько же компания должна продавать больше, чтобы зарабатывать те же деньги, что и раньше? На те же самые 7%? Вот

20

www.lightingmedia.ru

и нет. Смотрим таблицу и видим, что на целых 44%! А если торговую наценку не снижать, а напротив — повысить? Допустим, с тех же 30 до 40%. Тогда вы, во-первых, сможете позволить себе снизить продажи (при этом получая ту же прибыль, что и раньше), но, наверное, это не лучший путь. А можно не снижать продажи, просто увеличив наценку. Уверен, вас порадуют приведенные в таблицы цифры, показывающие, насколько увеличится ваша прибыль. Неплохо, правда? Давайте поговорим о том, за счет чего можно увеличить торговую наценку. Речь пойдет не о зомбировании клиентов, и даже не о повышении качества товара (хотя это чрезвычайно важно). О чем тогда? Всего лишь о вашем бренде, торговой марке, если хотите. Наличие своего бренда дает компании множество преимуществ. К основным из них относятся следующие.

– Стоимость. Наличие бренда увеличивает разницу между себестоимостью и продажной ценой. Брендовая продукция всегда стоит на проценты либо десятки процентов дороже небрендовых товаров, независимо от ее реальной себестоимости. Цена бренда — понятие относительное, т.к. потребитель определяет субъективную цену на бренд, исходя из стоимости базовых небрендовых товаров, которые не имеют до-

полнительной ценности, порождаемой маркетинговыми коммуникациями.

– Поддержка. Бренд длительное время поддерживает товар и даже при спаде продаж в отрасли дает ему шанс восстановить свои позиции. О бренде судят не сразу, а зачастую через продолжительное время.

– Стабильность. Наличие развитого бренда у компании помогает ей в трудные времена, когда сокращается потребление. Именно в моменты кризиса чаще выживают сильные бренды — их продолжают покупать лояльные клиенты (т.н. «эффект вакцинации»). Развитый бренд — это «страховой полис» вашей компании, который позволяет ей быстро восстановиться на рынке. Что же такое «бренд», который так выгоден его собственникам? С легкой руки дизайнеров и журналистов многие думают, что бренд — лишь броское название, завернутое в яркую упаковку. Но не все так просто. Каждый год в мире появляются тысячи новых товаров, многие из них с отличными названиями и красивыми логотипами. При этом свыше 90% из них исчезают в течение первого же года существования. Более того, каждый год пропадает несколько десятков или даже сотен уже имеющихся, известных старых марок! Что и как делать, чтобы этого не произошло — поговорим чуть позже.

Таблица 1 — 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50%

5% 222% 162% 143% 133% 128% 124% 121% 119% 118%

6% 294% 185% 156% 143% 135% 130% 127% 124% 122%

7% 435% 216% 172% 154% 144% 137% 132% 129% 127%

8% 833% 259% 192% 167% 153% 145% 139% 135% 132%

9% 10000% 323% 217% 182% 164% 153% 146% 141% 137%

10% 0% 429% 250% 200% 176% 163% 154% 148% 143%

рынок На большинстве рынков, как B2C, так и B2B, бренды давно уже выстроены и «влезть» с новым именем на них сложно. Битва брендов идет на всех развитых рынках. Идет битва, в которой поле — наше сознание, сознание клиентов. А что же рынок светотехники? На мой взгляд, как специалиста по маркетингу, мы, к сожалению, идем явно не в лидерах. Безусловно, предпринимаются попытки занять место в сознании клиентов, что дает максимальные преимущества. И если по определенным направлениям светотехники бренды существуют и уже приносят своим владельцам вполне ощутимые дивиденды, то по другим направлениям — «поле непаханое» (в чем и плюс — у вашей компании еще есть время застолбить участок и продвинуть свою торговую марку). Например, если взять направление «декоративная светотехника», то на нем определенно (и вполне заслуженно) выделяется один бренд — Neo-Neon. А где остальные компании? Или им достаточно того, что они уже имеют? Известны компания «Понедельник», «ЦентрСвет», «Флеси Групп», «Зенон», «Диволайт» (ООО «БГГрупп»), «Гельветика-Т» и другие не менее замечательные фирмы, у которых имеется возможность развивать собственные бренды. Но где же эти самые бренды? Ведь понятно, что с каждым годом конкуренция усиливается, торговая наценка снижается вместе с прибылью. За счет чего компании планируют повышать эффективность своего бизнеса? Компания «Веста Альфа» достаточно успешно продвигает бренд Mister Christmas, но это не специализированный бренд декоративной светотехники, а марка, относящаяся к более широкой категории товаров (помимо светотехники, новогодние подарки, украшения, сувениры). То есть, на мой критический взгляд, о создании полноценного бренда (кроме упомянутого Neo-Neon) на рынке декоративной светотехники — узнаваемого, имеющего очевидные преимущества в глазах потребителя, вызы-

вающего доверие — речь, к сожалению, не идет. Или возьмем такое интересное и перспективное направление как светодиодные энергосберегающие светильники дневного света (альтернатива применяемым люминесцентным лампам). Безусловно, в настоящее время замена люминесцентной лампы светодиодной очень затруднительна и финансово не выгодна. Однако уже сейчас на рынке периодически появляются крупные заказы, как правило, со стороны государственных либо крупных полугосударственных компаний с целью экономии электроэнергии, защиты окружающей среды и т.д. С развитием технологий и переходом к промышленным масштабам производства, когда улучшится качество продукции и будут устранены ее недостатки (невысокая яркость; большая первоначальная стоимость; значительное снижение яркости со временем; невысокая степень защиты от пыли, влаги и т.д.), а также когда производство светодиодов станет дешевле, спрос на них значительно увеличится. По оценкам большинства экспертов, с которыми я обсуждал перспективы развития, через 2—3 года ожидается взрыв спроса на светодиодные светильники. Как в этом сегменте рынка обстоит ситуация с брендами? Наиболее активно (публикация промостатей и обзоров, рекламных объявлений и т.д.) продвигаются светодиодные светильники под брендом LITEWELL. Известны также светодиодные светильники следующих торговых марок: BIOLEDEX, «УНИПРО», XENDLER, KREONIX... Но ситуация та же — развитых брендов практически нет. То есть, если копнуть глубже, бренды в виде названия и логотипа на рынке светотехники есть, но насколько они в реальности знакомы российскому потребителю и пользуются ли они доверием покупателя? Кстати, под словами «покупатель» и «клиент» я подразумеваю не только и не столько конечного покупателя, сколько компанию-закупщика, а уж чье, если не ее, мнение является наи-

Бренд считается развитым (strong brand), если его знают и могут отличить от других марок по ключевым элементам более 60% потребителей данной товарной категории

более важным для компаниипродавца? По классическим канонам, бренд считается развитым (strong brand), если его знают и могут отличить от других марок по ключевым элементам более 60% потребителей данной товарной категории. Если бренд знают и различают 30—60% потребителей, он считается развивающимся (при этом развитие может идти как в большую, так и в меньшую сторону). Если же среди конкурентов бренд знают и различают менее 30% потребителей, то он уже не может считаться брендом. Пожалуйста, если вы — один из руководителей светотехнической компании и считаете, что у нее имеется бренд, постарайтесь ответить себе на вопрос, насколько он в действительности развит? «У нас отличные продажи, и свой бренд нам не нужен», — часто слышу я от владельцев и директоров тех компаний, которые в продажах делают ставку на откаты и уверены, что смогут прекрасно существовать без брендов. Что ж, поговорим про откаты. Понятно, что без них в нашей стране сложно работать и большинство компаний в т.ч. на рынке светотехники в большей или меньшей степени прибегают к откатам. Но долго ли такая ситуация будет продолжаться? Например, если менеджер компании-конкурента, научившись грамотно отбивать клиента у конкурентов (а таким техникам прекрасно обучают на специализированных тренингах), напрямую выйдет на собственника компании-закупщика — что тогда вы будете делать? Вариант отката уже не пройдет. Продажи упадут, и компания окажется в тупике. «Нас и так все знают», — вот что еще любят говорить руководители компаний. Позвольте спросить, вы действительно верите, что, например, дизайнер или архитектор, через которого поступают вполне реальные и крупные заказы на светотехнику, знает ваш бренд и доверяет ему? А ведь для него важна не только цена. У него часто есть свой заказчик, который имеет возможность с регулярной периодичностью поставлять заказы. И главная задача, которая стоит перед дизайнером — выполнить работу на должном уровне. Если недавно установленная

Современная светотехника, #2 2010

21

рынок светотехника начнет подводить, дизайнер рискует потерять будущие выгодные заказы. Соответственно, он перестанет покупать у вас продукцию. Таким образом, ему важно найти такую светотехнику, которая обеспечит бесперебойную работу в течение длительного периода времени. Здравый смысл подсказывает, что один человек не может быть экспертом во всем. Ни дизайнер, ни архитектор не являются специалистами по светотехнике и не хотят ими быть. Они будут выбирать светотехнику, во многом руководствуясь лишь раскрученностью и имиджем того или иного бренда. Таким образом, мы возвращаемся к важности грамотного продвижения своей марки. Для создания и продвижения бренда требуется не только желание руководителя, но и знание рынка, на котором этот бренд будет работать. В противном случае мы имеем то, что имеем — вопросами брендинга занимаются менеджеры, секретари, руководители компаний. . . Что выходит, если развитием бренда занимается неспециалист? В принципе, ничего страшного, кроме того, что бренд либо успешно исчезает в первые же месяцы своего существования,

либо он существует в виде логотипа и названия, но финансовых дивидендов компании-владельцу не приносит. Дело в том, что кроме желания для развития бренда необходимы специализированные знания и умение его создавать. Следующий вопрос: как воспринимается ваш бренд даже при высоком уровне узнаваемости? Открою секрет: на самом деле, для успешных продаж ваша продукция не обязательно должна быть самой известной. Например, она может быть самой качественной. Или наиболее удобной при монтаже. Или самой дорогой. Или даже самой дешевой. Важна дифференциация вашей продукции, выявление ее конкурентных преимуществ и их аргументированное доведение до сознания клиентов. При этом необходимо учитывать следующее.

– Аргументы не рождаются в вакууме. Всегда есть конкуренты, которые говорят о своей компании и ее продукции. Ваше сообщение должно соответствовать ситуации, сложившейся в данной товарной категории.

– Следует найти то, что выделяет вашу компанию среди кон-

курентов. Сложность в том, чтобы найти это отличие, а затем использовать его, показав выгоду покупателю.

– Чтобы логично обосновать выгодные отличия, необходимо найти им соответствующее подтверждение.

– Коммуницирование отличий. Даже если вы создадите дифференцированный бренд, к вашей двери не выстроится очередь. Для усвоения разницы требуется помощь.

– Необходимо рассказать клиенту, чем и как отличается ваш бренд от всех остальных, почему именно его покупатель должен выбрать из ряда других. Обещание предоставить выгодное преимущество должно быть выполнено. Я смог поделиться лишь малой частью своих знаний о бренде. На самом деле, это очень сложная, но в то же время очень интересная и перспективная тема. Если у вас возникли вопросы по статье, или бренд не приносит вашей компании ожидаемых дивидендов, или вы столкнулись с проблемой вывода своей торговой марки на рынок, напишите мне по электронной почте, и я обещаю помочь вам.

Уникальное светодиодное (LED) решение для влажных помещений от компании Paulmann ширения позволяют соединить в одну цепь до 12 светодиодов от компактного трансформатора мощностью 3,6 VA. Легкие в установке. Низковольтные и водонепроницаемые (IP 67). Подходят для монтажа в ванных комнатах, бассейнах, саунах и других влажных помещениях. Диапазон рабочих температур от –40°С до +60°С.

Специальная конструкция Crosslight позволяет надёжно разместить крошечные светодиоды между кафельными плитками. Кабель и основание LED-системы надёжно скрыты в затирочном составе.

22

www.lightingmedia.ru

Срок эксплуатации светодиодов составляет 50 000 часов (более 17 лет при 8 часах непрерывного использования ежедневно), что делает излишним всякое техобслуживание или замену системы. Удобные комплекты рас-

ООО «ПАУЛМАН» (495) 410-2595 (495) 410-2440 www.paulmann.su

применение источников света

Светодиодные светильники в задачах архитектурного освещения Часть 2 1 Андрей Никитин

НАСТЕННЫЕ СВЕТИЛЬНИКИ

С

С субъективной точки зрения, прожектор — основное техническое средство для архитектурной подсветки зданий. Задачи, которые могут решаться настенными светильниками, достаточно ограничены. Если немного утрировать ситуацию, то настенные светильники (как мы договорились, менее 500 лм) — это маленькие, миленькие, дорогие безделушки. Некоторые производители очень емко позиционируют сферу их применения — подсветка резиденций. Всего два слова, но говорят о многом. Как подтверждение этому — номенклатура изделий данного типа у европейских и американских производителей весьма и весьма широка, а технические решения совсем не тривиальны. На рисунках 5 и 6 представлены варианты исполнения настенных светильников и примеры их использования (позиции фотографий на рисунках соответствуют друг другу). Дизайнерские решения настенных светильников достаточно разнообразны — от довольно примитивных до очень изящных. У многих европейских производителей линейка таких светильников состоит из двухтрех десятков изделий. Рассмотрим круг решаемых задач. В первых шести примерах — это формирование узкого двунаправленного светового пятна на стене. Варианты применяемой оптики и величина светового потока создают различные световые образы, но принцип один и тот же. Следующие три примера — формирова1

ние однонаправленного пятна. В чем достоинства этих светильников в задаче подсветки большого здания? Во-первых, основное назначение — это акцентная подсветка локальных, небольших по площади зон. Необходимый световой поток не требует применения прожекторов, а габариты настенных светильников гораздо скромнее. Во-вторых, формирование двунаправленного луча средствами прожектора неэффективно. Два противоположно направленных прожектора по высоте займут значительное место, и эффект непрерывного луча, исходящего в оба направления из одной точки, не будет достигнут. В-третьих, дизайн настенных светильников гораздо симпатичнее: прожектор, все-таки, изделие в большей степени

функциональное, а светильник — декоративное. Интересны два последних примера. Производители совершенно справедливо относят их к настенным светильникам, но некоторые уточняют функциональное назначение — «маркеры». Что имеется в виду? Задача сформировать световое пятно на стене не ставится, но необходимо обозначить светильник как светящийся объект. В первом примере вдоль стены возникает слабоосвещенная дорожка. Угол излучения и световой поток светильников подобраны таким образом, чтобы обозначить местоположение стены и кустарника. Во втором примере необходимо обозначить стены для облегчения въезда в гараж. Назначение светильников вполне утилитарное и для «подсветки резиденций», соответственно, разумное.

Рис. 5. Варианты настенных светильников

Окончание. Начало статьи см. в СС1.

Современная светотехника, #2 2009

23

применение источников света

Рис. 6. Примеры использования настенных светильников

С конструкторской точки зрения, настенные светильники заметно сложнее прожекторов. Главная причина — намного более скромные габаритные размеры. Как следствие, возникают основные сложности: в двунаправленном варианте источников света два (в результате отличия светодиодов от традиционных ламп). Если габариты не позволят применить готовый светодиодный драйвер (предлагаемый многими производителями), возникает необходимость в собственной разработке «под габариты». Требования по защите от пыли и влаги те же, что и у прожекторов, — светильники работают «под открытым небом», т.е. относятся к категориям IP65 и IP66.

Рис. 7. Встраиваемый светильник

24

www.lightingmedia.ru

ВСТРАИВАЕМЫЕ СВЕТИЛЬНИКИ Светильники этого типа подразделяют на встраиваемые в грунт (в т.ч., тротуар, пол), в стену, в потолок (см. рис. 7). Внешнее исполнение различных моделей весьма похоже. Отличие может заключаться в особенностях установки и условиях эксплуатации. Основные дизайнерские решения представлены на рисунке 8. Строго говоря, часть светильников может использоваться как в наземном, так и в настенном применениях. Представляется, что в полном смысле наземными являются только два первых из показанных на рисунке 8 — они не выступают за плоскость земли и предполагается, что на них можно наступить (или проехать автомобилем), не почувствовав при этом неудобства. Следующие четыре позиционируются производителями как светильники двойного применения (и это подтверждают фотографии с примерами их использования на рисунке), но создается впечатление, что уместнее их устанавливать на стену. Основная причина — они выступают из

поверхности земли. Другая причина: в выемки светильников с боковым свечением будет попадать пыль и грязь, и при мытье тротуара (пола) этим устройствам придется уделять особое внимание. Следующий светильник можно устанавливать только на стену: во-первых, свет от него падает вниз, во-вторых, в его выемке будет скапливаться грязь. Последний светильник позиционируется в качестве встраиваемого в стену, но, на первый взгляд, не видно причин, почему его нельзя установить в грунт. Задач, решаемых с помощью таких светильников, немного. Вопервых, они используются как маркеры, которые обозначают определенную территорию (открытая терраса, бассейн, стена, лестница). Вторая задача — декоративная подсветка стен. Третья — создание эффектной световой картины на тротуаре или стене (светильники с боковым свечением). Их функции, конечно, могут пересекаться — речь идет об основном световом эффекте. Особые требования возникают для встраиваемых в грунт светильников. В первую очередь, это следует обеспечить их достаточную механическую прочность. Обычно оговариваются максимальная статическая нагрузка (приемлемое значение — 5000 кг) и максимальная масса автомобиля при наезде со скоростью 30 км/ч (приемлемое значение — 15000 кг). При этом параметры оговариваются для правильной установки в цемент. При установке в грунт или дерево светильники выдерживают нагрузку только от пешеходов, поскольку грунт не обладает достаточной прочностью, чтобы выдержать вес автомобиля. Стекло должно быть закаленным и стойким к механическим ударам (воздействие женских каблуков как минимум). Требования по защите от пыли и влаги — не хуже, чем IP67 . В местах, где во время дождя вода может скапливаться на продолжительное время — IP68. При установке в стену или на потолок — в зависимости от конкретного места.

ПОТОЛОЧНЫЕ СВЕТИЛЬНИКИ Рассматривая потолочные светильники (но не прожекто-

применение источников света ры), трудно определить, где заканчивается задача освещения локальной территории и начинается архитектурная подсветка. На рисунке 9 приведены примеры использования как накладных потолочных светильников, так и встраиваемых. С точки зрения архитектурной подсветки, решаемые задачи просты: выделить светом вход в здание, осветить террасу, лоджию. Для этой цели используются светильники, которые по своему дизайну похожи на настенные (с учетом особенностей установки). Главные отличия: во-первых, больший световой поток, поскольку речь идет не только о подсветке, но и об освещении определенной территории; во-вторых, требования по защите от влаги могут быть снижены, т.к. погружение в воду исключено.

Рис. 8. Примеры использования встраиваемых светильников

ОСОБЫЕ ЗАДАЧИ АРХИТЕКТУР НОЙ ПОДСВЕТКИ Мы обсудили применение прожекторов и светильников для подсветки зданий и, в меньшей степени, для освещения тротуаров, дорожек и т.д. Но, как отмечалось выше, к архитектурной подсветке можно отнести освещение фонтанов, скульптурных памятников, мостов. Коротко рассмотрим особенности этих задач. Подсветка фонтанов. В данном случае решаются три задачи подсветки: струй воды внешними прожекторами; струй воды установленными в воду прожекторами; воды светильниками, встроенными во внутренние стены фонтана (т.е. освещение из-под воды). В первом случае отсутствуют отличия от рассмотренных выше прожекторов. Единственное пожелание — дополнительная защита от влаги (как правило, категории IPx6 достаточно). Второй и третий случаи предполагают использование специальных типов прожекторов или светильников, предназначенных для работы в воде (категория IPx8). Подсветка скульптурных сооружений. Техническими средствами для подсветки уличной скульптуры являются прожекторы. Выше мы отметили, что для направленного пучка света

Рис. 9. Примеры использования потолочных светильников

Рис. 10. Использование эллиптических линз для скульптурной подсветки

Современная светотехника, #2 2009

25

применение источников света используются линзы вторичной оптики. Помимо традиционных линз с круглой диаграммой распределения света, используются линзы с эллиптической диаграммой. Особенности использования прожекторов с подобными линзами иллюстрируются рисунком 10. Таким образом, при правильном выборе типа линзы и оптимальном определении места установки прожектора обеспечивается максимальная освещенность скульптуры при минимально возможном световом потоке прожекторов. Подсветка мостов. Основные технические средства — прожекторы. Они устанавливаются как вне моста, так и на нем, освещая внешние фасады. Важнейшее требование — подсветка не должна влиять на ночное освещение проезжей части, быть раздражающей, создавать проблемы водителям наземного транспорта. Нелишней может оказаться подсветка маркерами внутренней стороны.

ВЫБОР ПРОИЗВОДИТЕЛЯ Компаний, предлагающих на рынок светодиодные прожекторы и светильники, немало. Оговоримся: в данном разделе мы не станем называть конкретные компании, продукция которых подверглась анализу. Нас интересует другое: общие тенденции рынка, связанные с производителями трех регионов: Юго-Восточная Азия, Европа и Америка, а также отечественные компании. Юго-Восточная Азия. Производителей в этом регионе более чем достаточно. Практически каждый производитель прожекторов предлагает все типы этих устройств: круглые, панели и линейные. По каждому типа достаточно модификаций: по цвету светодиодов, по их количеству, по вторичной оптике. Покупателю предлагаются светодиоды ведущих фирм (Cree, Lumileds, Avago, Osram и др.); китайских производителей из первой двадцатки с хорошей репутацией; производителей, известных узкому кругу специалистов. Цены, естественно, соответствующим образом меняются. Производителей Noname стараются не предлагать, если

26

www.lightingmedia.ru

только того не пожелает сам покупатель. Аналогично с вторичной оптикой. Дизайн корпусов, судя по фотографиям, вполне достойный, о качестве корпусов по фото судить трудно. Другие типы светильников (настенные, встраиваемые, потолочные) в уличном исполнении представлены хуже. Номенклатура включает несколько наиболее популярных позиций, кроме которых ничего не предлагается. Удручает объем доступной документации — в большинстве случаев это красивое фото на сайте. Каталоги или техническая документация (datasheets) на отдельные изделия на сайте отсутствуют, правда, по запросу ее вышлют. Содержание документации не детализовано — в нее входят чертежи с указанием размеров, иногда приводится класс защиты по IP, информация, касающаяся оптической системы (кривая силы света, например), инструкции по установке; цоколевка разъемов отсутствует. На конкретный запрос с просьбой выслать техническую документацию на конкретные светодиоды продавец вышлет всю имеющуюся информацию. Именно эти особенности технической поддержки (высылать документацию по запросу) угнетают. Если продавец чего-то не знает, он будет хранить молчание либо предложит скидку. Европа и Америка. Прожекторы представлены необходимым, но достаточным минимумом. По остальным светильникам предлагается более широкая номенклатура, достаточное число модификаций, вплоть до цвета корпуса. Дизайн оставляет хорошее впечатление. Изделие представляет собой законченный продукт, и какие-либо изменения в нем, связанные, например, с установкой других светодиодов, не предусмотрены в принципе. Качество и состав документации исчерпывающие. На сайтах выложен каталог и техническая документация на изделия, где представлен весь стандартный объем информации. Цены на продукцию выше, чем в предыдущем случае. Прежде, чем переходить к отечественным производителям,

коснемся модной темы о качестве. Для того чтобы не быть голословным, требуется статистика, полученная на основе работы с изделиями разных производителей. Эти данные позволят сформировать представление о достоинствах и недостатках конкретных изделий. Поскольку мало у кого такая статистика имеется в достаточном объеме и желательно не очень устаревшая, то разговор о качестве беспредметен. Номенклатура продукции, объем документации, квалификация технической поддержки, репутация конкретной фирмы — вещь объективная. Из этих показателей и следует исходить. Отечественные производители. По сравнению с уже рассмотренными регионами, количество фирм-производителей заметно меньше. Номенклатура ограничена, качество дизайна зависит от каждого конкретного случая. О возможности внесения изменений в проект часто можно договориться. Состав и качество документации в целом не хуже европейского. Качество технической поддержки высокое (к тому же отсутствует языковой барьер). Цены — ниже европейских. Вывод банальный — везде имеются свои плюсы и минусы. Выбор остается за клиентом.

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА Этот раздел в большей степени касается специалистов, разрабатывающих собственный светильник. Основными элементами, влияющими на его качество, являются светодиоды; вторичная оптика; источник питания (драйвер); организация теплоотвода. Остановимся подробнее на первом элементе — светодиодах. Именно они являются той основой, от правильного выбора которой зависит качество и характеристики конечного изделия. В большинстве светильников для архитектурной подсветки используются т.н. мощные светодиоды — от 0,5 Вт и выше. Помимо мощных светодиодов, выпускаются светодиоды для поверхностного монтажа (SMD), ламповые светодиоды и светодиоды типа «пиранья» для монтажа в отверстие.

применение источников света Светодиоды для поверхностного монтажа (особенно в корпусе PLCC2) имеют лучшую светоотдачу (отношение лм/Вт) и лучшее отношение лм/долл. Однако угол излучения у SMD-светодиодов равен около 120°. Размер минимальный — 3,5×2,8 мм для PLCC2. Поскольку в прожекторах используются углы до 50°, то возникнет необходимость использовать линзу на светильник в целом, что будет затруднительно и сведет на нет имеющиеся преимущества. Светодиоды SMD могут успешно применяться в светильниках небольшой мощности для освещения рабочих мест, в жилищнокоммунальном хозяйстве. В архитектурной подсветке их применение ограниченно маркерами. Ламповым светодиодам и светодиодам «пиранья» с углом излучения менее 50° линзы не требуются, однако по соотношению лм/Вт, а часто и по отношению лм/долл. они уступают мощным светодиодам. Тем не менее они используются в ограниченных моделях во всех типах светильников, кроме прожекторов. Светодиоды мощностью 10…100 Вт (есть и такие) выпускаются в довольно специфичных корпусах с широким углом излучения. Но причина, по которой они не применяются в прожекторах, не столько заключается в сложности подбора вторичной оптики, сколько в проблеме отвода тепла. Пожалуй, единственное применение светодиодов такой мощности — светодиодные фонари для уличного освещения. Следует заметить, что соотношение размеров светодиода и объема радиатора весьма впечатляет. Мощные светодиоды в «стандартном» корпусе (об этом чуть ниже) выпускаются в вариантах 0,5; 1; 3 и 5 Вт. Из них в архитектурной подсветке используются светодиоды мощностью 1 и 3 Вт. Светодиоды 5 Вт создают излишние сложности при отводе тепла, а светодиоды 0,5 Вт — не лучший выбор, с точки зрения величины светового потока. «Стандартный» корпус изначально применялся всеми производителями, в т.ч. ведущими: как следствие, многочислен-

ные менее известные производители светодиодов (большая часть из которых только корпусирует кристаллы известных фирм) использовали этот тип корпусов. С течением времени ведущие производители совершенствовали светодиоды, в т.ч. за счет отказа от традиционной конструкции. Как следствие, в настоящее время применяются как стандартные корпуса (у производителей второго эшелона), так стандартные и уникальные корпуса ведущих производителей. С одной стороны, можно применить конкретный светодиод в стандартном исполнении. Если, по каким-то причинам, он на испытаниях не оправдал возложенные на него надежды, следует найти ему замену у другого производителя. В этом случае не придется модифицировать печатную плату и подбирать новый тип линз. С другой стороны, ведущие производители светодиодов применили иной корпус не из каприза, а для достижения более высоких характеристик — светоотдачи, например. По этой причине желание разработчика использовать в новом изделии самые современные компоненты вполне естественно (если бюджет позволяет). Однако следует учесть, что, выбрав конкретный светодиод, придется разработать печатную плату и подобрать вторичную оптику именно для этого светодиода. И, опять же, если он не оправдает ожиданий, придется переделать плату и подобрать другую оптику. И последний вопрос — о люменах или о световом потоке. Хотелось бы порекомендовать подходить к цифрам критически. Практика общения на эту тему часто включает в себя удивленную реплику заказчика: «Вы предлагаете одноваттный белый светодиод со световым потоком 65 лм (цифры условные, но отражают порядок), тогда как производитель N выпускает одноваттный диод со светоотдачей 130 лм. Как это понимать?». Поскольку данный вопрос возникает на этапе составления технического задания, может оказаться, что выполнение заложенных тре-

бований за разумные деньги будет сопряжено с трудностями. Указанные 130 лм относятся: к лабораторному образцу; опытной продукции; лучшему бину серийного изделия; неотсортированной серийной продукции. Первый ответ интересен исключительно институтам Академии наук соответствующего профиля. Второй вариант интересен как информация о том, какие параметры станут доступны среднему потребителю через 1—3 года. Третий ответ относится только к опытной партии конечного изделия, и то с оговорками. Для серийного производства значение имеет только последний вариант ответа. Образно говоря, есть высшие спортивные достижения, а есть нормативы. Отсюда рекомендация: выбрав стандартный светодиод из «второго эшелона», следует ориентироваться на параметры, характерные для большинства производителей этого класса. Выбрав светодиод одного из брендов, необходимо ориентироваться на характеристики среднего бина.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В заключении отметим следующие основные преимущества светодиодных светильников.

– Срок службы. Часто называют цифру 100 тыс. ч — это примерно 25 лет эксплуатации при ежедневной работе по 10 ч.

– Экономичность. Экономия по сравнению с газоразрядными лампами составляет примерно 50%.

– Снижение затрат на эксплуатацию. Не требуется замена ламп.

– Высокая надежность, механическая прочность, устойчивость к вибрациям.

– В светодиодных прожекторах и других изделиях показатель использования светового потока равен 100% (в отличие светильников с традиционными лампами, где этот коэффициент равен около 65—70%).

– Полное отсутствие вредного стробоскопического эффекта в светодиодных изделиях (в отличие от люминесцентных и газоразрядных ламп).

– Полная экологическая безопасность.

Современная светотехника, #2 2009

27

применение источников света

Новинка от компании CREE — многокристальный светодиод MP-L EasyWhite Сергей Миронов инженер по применению, Компэл, s.mironov@compel.ru Многие известные производители светодиодов для получения более высокого значения светового потока с единицы поверхности увеличивают количество кристаллов в корпусе светодиода. Это позволяет уменьшить общее количество светодиодов в осветительном приборе, упростить монтаж и снизить, в конечном счете, себестоимость изделия.

К

Компания CREE, уже имеющая в линейке своей продукции подобные многокристальные светодиоды, например, такие как 4- и 6-кристальные светодиоды MC-E и MX6, соответственно, в начале текущего года выпустила новый 24-кристальный светодиод класса XLamp — MP-L EasyWhite (MP-L EZW) (см. рис. 1). Новый светодиод обладает сверхбольшим световым потоком (в настоящее время до 1050 лм) и по этому параметру способен заменить 75-Вт лампу накаливания, потребляя при этом около 20 Вт электроэнергии. В дальнейшем, в этой серии планируется

выпуск светодиодов, имеющих световой поток до 1500 лм, что соответствует 100-Вт лампе накаливания. Конструктивно светодиод выполнен в керамическом корпусе размерами 12,1×13,1×6,1мм и имеет встроенную силиконовую линзу с углом рассеяния 120 град. Электрически все кристаллы соединены в три независимые цепочки по восемь кристаллов в каждой (см. рис. 2). Максимально допустимый ток через цепочку до 250 мА. Прежде, чем перейти к обзору параметров светодиода MP-L EasyWhite, следует кратко рассмотреть основные характеристики света. Свет характеризуют количественными и качественными показателями. Высокое значение светового потока является необходимым условием хорошего светодиода, но отнюдь не достаточным. К основным качественным характеристикам источника света можно отнести индекс цветопередачи (Rа) и цветовую температуру, которые определяются спектральным составом излучения.

Рис. 2. Габаритный чертеж корпуса светодиода MP-L EZW

28

www.lightingmedia.ru

Рис. 1. Общий вид светодиода MP-L EZW

Индекс цветопередачи отражает качество воспроизведения цветовых оттенков освещаемых объектов. Чем больше значение Ra (максимальная величина 100), тем естественнее будут выглядеть цвета от данного источника света. Самая хорошая цветопередача — у ламп накаливания и галогенных ламп (Ra = 100). Широко распространенные люминесцентные лампы имеют индекс цветопередачи 60…98. Светодиоды MP-L EZW обладают индексом цветопередачи более 80, что является до-

применение источников света статочно хорошим значением этого параметра. Цветовая температура, измеряемая в градусах Кельвина, говорит о цветовом оттенке белого источника света, которая может варьироваться от теплого (менее 3500 К) до холодного (более 5300 К). Диапазон цветовой температуры от 3500 до 5300 К считается нейтральным. Цветность источника света оказывает определенное психофизиологическое воздействие на человека. Так, теплый свет создает спокойную расслабляющую атмосферу и, в основном, используется для освещения в квартирах. Холодный свет оказывает стимулирующее воздействие; его применение оправдано, например в магазинах. Галогенные источники света дают только теплый свет. Наибольшее количество вариантов цветовой температуры имеют люминесцентные лампы — от 2700 до 6500 К. Необходимый спектральный состав источников света для освещения жилых и общественных зданий в зависимости от требований к цветоразличению приведен в СНиП 23-05-95. Основные технические характеристики светодиода MP-L EZW приведены в таблице 1. Особенностью новых светодиодов серии MP-L EZW является то, что они выпускаются на четыре фиксированных значения цветовой температуры: 2700, 3000, 3500 и 4000 К. Что это дает? Это исключает «традиционный» биннинг светодиодов по цветовой температуре и, в итоге, значительно упрощает производителям осветительных приборов выбор светодиодов для своих изделий. Заказывая светодиоды серии MP-L EZW с каким-то конкретным значением цветовой температуры, потребитель может быть уверенным, что он получит именно то значение цветовой температуры, которое ему нужно. Традиционный биннинг светодиодов подразумевает заказ набора бинов по цветовой температуре и, как правило, минимальный набор представляет собой четыре бина. В случае «традиционного» биннинга потребитель на основе выбранного набора бинов вынужден свои конечные изделия также сортировать по цветовой температуре установленных в них

Рис. 3. Хроматическая диаграмма xy с эллипсами МакАдама

Рис. 4. СХроматическая диаграмма u’v’

светодиодов. Можно, конечно, поступить иначе, а именно, комбинируя в изделии светодиоды с различными бинами, получить нужную результирующую цветовую температуру осветительного прибора, но это более сложный процесс. Компания CREE при изготовлении светодиодов MP-L EZW сама выполняет эту задачу, комбинируя кристаллы с различной цветовой температурой для того, чтобы получить необходимую цветовую температуру одного из четырех фиксированных значений. Причем, точность получения цветовой температуры находится в области координат цветности, ограниченной 4-шаговыми эллипсами МакАдама. Между светодиодами, имею-

щими цветовые координаты излучения, лежащими в области, ограниченной одним 4-шаговым эллипсом, разница в цвете визуально практически неразличима. Эллипсы МакАдама, которые названы так по имени определившего их ученого, ограничивают область координат на хроматической диаграмме xy, где человеческий глаз воспринимает цвета одинаково (см. рис. 3). Шаг эллипса МакАдама соответствует среднеквадратичному отклонению координат u’ и v’ на 0,001 на хроматической диаграмме u’v’. При переходе от координатной плоскости xy к u’v’ эллипсы МакАдама становятся кругами (см. рис. 4, 5). Известный стандарт ANSI C78.377, который описывает ре-

Современная светотехника, #2 2010

29

применение источников света Таблица 1. Технические характеристики светодиода MP-L EZW Ток (через цепочку), мА

150

250

Световой поток (тип.), лм

2700K

700

800

Световой поток (тип.), лм

3000K

800

950

Световой поток (тип.), лм

3500K

800

950

Световой поток (тип.), лм

4000K

900

1050

Индекс цветопередачи (тип.)

80

Мощность, Вт

11

20

Максимальная температура в «точке пайки», ºC Угол излучения, град.

120

Срок службы (IES LM-80-2008), час

не менее 50000

Размеры, мм

12,1х13,1х6,1

Рис. 5. Эллипс (окружность) МакАдама на плоскости u’v’

комендуемые цветовые характеристики светильников на основе светодиодов и их соответствие стандартным цветовым температурам люминесцентных ламп, определяет область координат цветности для конкретного значения цветовой температуры 7-шаговыми эллипсами МакАдама (см. рис. 6). Область цветовых координат, в которой сортируются светодиоды MP-L EZW, на 75% меньше области рекомендуемой стандартом ANSI C78.377 (см. рис. 7). Это обеспечивает неразличимость в цветности как для отдельных светодиодов, так и для светодиодов от партии к партии. Временная стабильность цветности светодиодов MP-L EZW также находится в области, ограниченной 4-шаговым эллипсом МакАдама. Подобную сортировку по цветности компания CREE ввела и для упоминавшегося выше многокристального светодиода MC-E. Но в

30

110

www.lightingmedia.ru

Рис. 6. Хроматическая диаграмма

Рис. 7. Сортировка светодиода MP-L EZW по цветовой температуре

отличие от MP-L EZW, он выпускается на три значения цветовой температуры (2700К, 3000К, 3500К). Обладая такими высокими характеристиками, новинка от компании CREE — светодиод MP-L EZW, прекрасно подойдет для внутреннего и наружного

освещения. Его с успехом можно использовать для создания направленных и ненаправленных систем общего освещения в коммерческом и промышленном секторе, для прямой замены галогенных и люминесцентных ламп, а также ламп накаливания.

разработка и конструирование

Технология лазерной маркировки материалов Николай Коденко ведущий инженер ОМТ НИИСИ РАН Александр Иванов старший инженер отдела сервиса НПЭК ЗАО Предприятие Остек, micro@ostec-group.ru

О

Одним из важнейших процессов современного производства является маркировка выпускаемой продукции. Маркировка деталей, узлов или конечного изделия позволяет производителю контролировать объём выпускаемой продукции, контролировать качество и продвигать свою торговую марку. Конечный пользователь получает на маркированном изделии информацию о типе и параметрах продукции и гарантию качества от производителя. Из существующих способов маркировки наиболее современным и гибким методом является лазерная маркировка, ибо она позволяет управлять лазерным излучением, точно дозируя энергию для маркировки в пространстве и во времени. Номенклатура материалов, маркируемых лазером, очень широка: металлы и сплавы, керамика, пластик, полупроводники, стекло, дерево и т.д. Лазерная маркировка не влияет на свойства маркируемой продукции и осуществляется качественно, точно и быстро.

вакууме, а λ — длина волны (рис. 2). К тому же с уменьшением длины волны уменьшается отражательная способность материалов, а, следовательно, большее количество энергии будет поглощено обрабатываемым материалом. Поглощенная материалом энергия тратится либо на вибрационное или электронное возбуждение, либо на осуществление фотохимической реакции. При вибрационном возбуждении (рис. 3) поглощенная энергия фотона вызывает молекулярные колебания в материале, включая растяжения, изгибы или вращения связей, которые скрепляют атомы. При поворотах молекулярные колебания заставляют атомы тереться друг о друга, что приводит к увеличению температуры и передаче колебаний к смежным атомам. Если падающий фотон имеет достаточно высокую энергию, он может вызвать электронное воз-

буждение (рис. 4). После поглощения возбужденный электрон может потратить полученную энергию различными способами — на эмиссию фотона или на вибрационное возбуждение. Эмиссия фотона не будет изменять материал или его свойства, но вибрационное возбуждение, вследствие выделения тепла, может изменить материал. Фотохимическая реакция происходит, если поглощенная энер-

Рис. 1. Воздействие лазерного излучения с материалом

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОЙ МАРКИРОВКИ Взаимодействие падающего потока лазерного излучения с материалом зависит от трех составляющих — меры отраженного, поглощенного и прошедшего излучения (рис. 1). Отраженное и прошедшее излучение не отдает энергию материалу, таким образом, маркировка определятся количеством поглощенной энергии. Поглощательная способность зависит от длины волны падающего излучения, которая также определяет мощность падающего излучения. С уменьшением длины волны увеличивается энергия лазерного излучения E=h*с/λ, где, h — постоянная Планка, с — скорость света в

Рис. 2. Зависимость энергии лазерного излучения от длины волны

Рис. 3. Вибрационное возбуждение

Современная светотехника, #2 2010

31

разработка и конструирование гия фотона вызывает химическую реакцию. Примером фотохимического поглощения является восстановление диоксида титана TiO2. Диоксид титана, цвет которого белый, обычно добавляется к пластмассам как пигмент.

UV фотон может разрушить химические связи и удалить часть кислорода (восстановление). Маркированная область пластмассы становится черной — образуется четко различимый контраст. Из всех процессов для фотохимических реакций требуется самое большое количество энергии фотона.

ТИПЫ ЛАЗЕРНОЙ МАРКИРОВКИ Существует четыре типа лазерного воздействия на поверхность обрабатываемого материала (рис. 5). Создание поверхностного контраста — характеризуется высокими скоростями сканирования луча по поверхности и/или короткими продолжительностями пульсов. Цвет изменяется только на поверхности материала, которая поглощает свет. Это создаёт видимый контраст с необработанной поверхностью материала. Данный тип известен как фотохимический эффект. Таким способом, например, зачастую маркируются этикетки товаров. При этом используется специальная

термобумага, меняющая окраску под действием луча. Аналогичным способом работают некоторые факсимильные аппараты. К преимуществам данного типа маркировки можно отнести: – низкую мощность, необходимую для создания рисунка; – компактность оборудования, работающего по этой технологии; – сверхвысокую производительность (скорость сканирования луча может достигать 1500 мм/сек); – возможность получения высокой разрешающей способности; – безконтактность обработки. Недостатками являются: – необходимость применять для маркировки специальные материалы; – возможная порча отпечатка со временем под действием солнечного света, температуры и др. Оплавление поверхности — более медленный процесс, при котором материал достигает температуры плавления и через химический распад, эффекты окисления или изменение в поверхностной морфологии обеспечивает видимую маркировку. Редко применяется при маркировке металлических поверхностей из-за низкого контраста. Например, белая маркировка на темных пластмассовых поверхностях появляется из-за вспенивания пластмассы, обрабатываемой лазерным лучом. Лазерный

луч плавит пластмассу, в которой создаются пузырьки газа из-за сгорания углерода с образованием CO2 или непосредственно теплового разложения пластмассы. Пузырьки газа поднимаются у поверхности, но не покидают материал из-за отвердевания расплавленного пластика, образуя пену. К вспениванию склонны полиолефины и полиэтилены высокой плотности. Основным недостатком данного метода является низкая износостойкость маркировки. Гравировка поверхности или полное удаление материала — самый медленный процесс маркировки, поскольку материал выпаривается. Маркировка становится хорошо видимой, поскольку окружающий свет противопоставляет глубину канала рядом с немаркированным материалом. Технология получила широкое применение во всех областях производства. В микроэлектронике она применяется для маркировки заготовок, изделий и оснастки на всех стадиях разработки и производства, например, для кремниевых пластин. Значительную роль в данном типе маркировки играют параметры обрабатываемого материала. Наиболее существенные из них — теплопроводность, скрытая теплота испарения и коэффициент отражения лазерного излучения. Если исходить из того, что весь удаляемый материал испаряется, то количество материала, которое можно удалить с помощью лазера, будет ограничиваться величиной скрытой теплоты испарения. Максимальная глубина слоя испаряемого материала определяется следующим образом: ,

Рис. 4. Вибрационное возбуждение

Рис. 5. Типы воздействия лазерного излучения на поверхность обрабатываемого материала

32

www.lightingmedia.ru

где с — удельная теплоемкость, Т1 — температура кипения, Т0 — температура окружающей среды, L — скрытая теплота парообразования, А — облучаемая площадь, — плотность материала, Е0 — энергия, полученная под действием лазерного импульса. Формула непосредственно вытекает из закона сохранения энергии. Стоит отметить, что вся энергия лазерного импульса делится на поглощенную Е0 и отраженную.

разработка и конструирование Формула дает лишь приблизительную оценку. Важно понимать, что теплофизические параметры материалов изменяются в зависимости от температуры образца и длины волны излучения. График изменения коэффициента поглощения для некоторых материалов представлен на рис. 6. Сильнейшее влияние на форму получаемого отверстия оказывает модовый состав (распределение энергии внутри пучка). Также значительное влияние на процесс маркировки оказывает мощность излучения. При этом зависимость очень сложно описать аналитически, так как на разных уровнях плотности энергии процессы протекают по-разному. При медленном нагреве непрерывным лазером наиболее важным критерием является отвод тепла вглубь материала. В этом случае точка испарения получается достаточно большой. Для плоских образцов большую роль играет толщина. Если объем подводимой энергии превышает объем энергии, отводимой теплопередачей, происходит плавление материала. С увеличением интенсивности (т.е. перехода к импульсным лазерам), существенное влияние начинает оказывать вторичное излучение с поверхности и, как следствие, отвод энергии в окружающую среду. При достижении уровня 105 Вт/см2 процесс начинает проявлять новые свойства. Это связано с тем, что над поверхностью образца создается облако плазмы, частично экранирующее поверхность. Потери энергии в этом случае могут достигать 40%. Для того, чтобы избежать возникновения такого явления, следует делать небольшую паузу при подаче импульсов лазера. Дальнейший рост удельной энергии излучения активирует процесс механического разрушения материала совместно с термическим. В этом случае на поверхности происходит микровзрыв. Взрывы способствуют выдавливанию всего материала, находящегося в жидкой фазе, и разбрызгиванию его на значительные расстояния, сравнимые и даже иногда превосходящие, диаметр пучка обработки. Этапы взаимодействия лазерного излучения с веществом по мере увеличения удельной энергии излучения показаны на рис. 7.

Кроме того, резкий нагрев стимулирует протекание различных химических реакций в зоне воздействия. При работе без создания особой среды превалируют процессы окисления. Этот фактор играет существенную роль для маркировки изделий, поскольку позволяет получать химические соединения цвета, отличного от основного материала. Зачастую этот слой прочно держится на поверхности и позволяет добиваться качественного изображения. Простое удаление материала чаще всего осуществляется на относительно небольшую величину и не позволяет добиться нанесения хорошо различимых символов. Гравировка поверхности с оплавлением — комбинация удаления материала с оплавлением, которое происходит в основе гравированного канала.

МАРКИРОВКА ИЗДЕЛИЙ МИКРО ЭЛЕКТРОНИКИ На сегодняшний день, несмотря на многообразие лазеров, реальное коммерческое применение для маркировки получили системы с твердотельными лазерами с длиной волны 1,06 мкм и СО2-лазерами (10,6 мкм). Для микроэлектроники характерен достаточно широкий

Рис. 6. Зависимость коэффициента поглощения лазерного излучения от длины волны (А — стекло, В — глиноземная керамика, С — кремний, D — железо)

спектр материалов для маркировки. Наиболее используемыми являются металлы, пластиковые и керамические корпуса изделий, кремний, органические материалы. На производственном участке сборки микросхем отдела микротехнологий НИИСИ РАН для маркировки используется система, представленная на рис. 8. Процесс маркировки происходит благодаря локальному испарению и расплавлению материала под действием импульса лазерного излучения. При этом важную роль также играют химические процессы, стимулируемые монохроматическим излучением

Рис. 7. Этапы взаимодействия лазерного излучения с веществом

Современная светотехника, #2 2010

33

разработка и конструирование и высокой температурой в зоне действия лазера. Основные характеристики установки приведены в таблице 1. На базе НИИСИ РАН проводились исследования, и был накоплен богатый опыт в маркировке различных изделий микроэлектроники.

1. МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИЕ КОРПУСА В качестве задачи маркировки керамических поверхностей требовалось нанесение матричного (2D) кода уникального номера металлокерамического корпуса для последующего его машинного считывания, его визуально читаемой расшифровки, номера партии и другой информации. Работы проводились для керамики различных видов. Код наносится для обеспечения прослеживаемости выпускаемой продукции. Выдача кода, его хранение, привязка корпуса к кристаллу, взаимодействие с внешними базами данных предприятия обеспечивается с использованием ПО разработки специалистов НИИСИ РАН и встроенных возможностей ПО системы маркировки. Такая система позволяет анализировать отказы, возникающие в процессе испытаний и эксплуатации и проконтролировать как, когда и кем выполнялась каждая операция технологического процесса. Особенность задачи в том, что свободная поверхность для мар-

кировки в некоторых случаях имеет вид полосы шириной не более 1,5 мм. При этом точность позиционирования корпуса с использованием автоматической транспортной системы составляет ±0,2 мм. Таким образом, требуется нанести четкий контрастный машинно читаемый код высотой не более 1 мм. Рекомендованная высота кода составляет 4—10 мм. Была проведена серия экспериментов по подбору параметров, которые показали следующее: 1. при малой и средней удельной мощности следов не остается; 2. при максимальной удельной мощности образуется маркировка в виде ряда углублений, но из-за отсутствия контраста они практически не читаемы; 3. в узком диапазоне технологических параметров образуется соединение контрастного цвета; 4. для создания «залитой» поверхности наиболее эффективна последовательность параллельных линий. При этом для обработки в фокусе линии получаются слишком тонкими и контрастный материал выкрашивается. В связи с этим фокус смещен относительно поверхности. Частота линий должна быть заметно больше их ширины; 5. технологические параметры для нанесения надписей могут отличаться от параметров «заливки» поверхностей.

Таблица 1. Характеристики установки маркировки Характеристики излучателя Лазер на иттрий–алюминиевом гранате с блоком генерации второй гармоники Класс лазера 4 Длина волны 532 нм Средняя мощность 15 Вт Максимальная пиковая мощность 150 КВт Тип накачки Диодная Тип охлаждения Двухконтурное водяное Тип затвора Оптоэлектрический Длина импульса 3-50 нс Характеристики оптической головки Тип системы создания изображения Зеркальная отклоняющая Фокусное расстояние 160 мм Рабочее расстояние от головки 201,5 мм Регулировка фокусного расстояния ±6,96 мм Размеры рабочего поля 110х110 мм Допустимый диапазон частот 5-100 кГц Мин. размер получаемой точки 35 мкм Диаметр минимального пятна 20 мкм Скорость сканирования 1-5000 мм/с Тип лазера

34

www.lightingmedia.ru

2. ОСНАСТКА ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ Единственным требованием была визуальная читаемость. В связи с этим использовались максимальная мощность и скорость, при которых обеспечивается читаемость. Маркировка оснастки такого типа сложности не представляет. Можно отметить, что в зависимости от параметров можно добиться различных оттенков и даже цветов, что расширяет возможности для художественнооформительских работ.

3. ОСНАСТКА С АНОДИРОВАННЫ МИ ПОВЕРХНОСТЯМИ Аналогично предыдущей задаче требовалась исключительно читаемость. Наиболее удачным решением было признано удаление покрытия. При этом использовался механизм не испарения или расплавления материала, а механизм его разрушения. Маркировка получается контрастная и хорошо читаемая. Подбор параметров сложности не представляет.

4. КРЫШКИ КОРПУСОВ РАЗЛИЧ НЫХ ТИПОВ Крышка корпуса представляет собой коваровую пластинку толщиной 0.4 мм, покрытую от одного до четырех слоев золотом или никелем малой толщины. Маркировка должна быть визуально читаемой и не нарушать коррозионную стойкость. Толщина коррозионно-стойкого слоя крышки очень мала. Как правило, коррозионным слоем является слой никеля толщиной до 3 мкм. Удалось получить четко различимый контраст оплавлением слоя никеля с частичным удалением материала, не превышающим в глубину 1—1,5 мкм. Тем самым сохранялась коррозионная стойкость крышки. Контрастность символов можно повысить увеличением толщины линий (метод «заливки» или конгруэнтных изображений). Рекомендуется увеличение частоты следования импульсов для лучшего перекрытия точек и создания более равномерной зоны маркировки. При проведении экспериментов по оценке полученной коррозионной стойкости было отмечено, что в ряде случаев маркированная поверхность более

разработка и конструирование стойкая, чем основная. Это связано с тем, что при обработке материала происходит дополнительная закалка материала в области маркировки.

5. КРЕМНИЕВЫЕ ПЛАСТИНЫ Стояла задача минимизировать повреждения поверхности, не допустив создания внутренних трещин, искажения геометрии и иных очагов напряжений. Это вызвано тем, что пластина подвергается утонению и может разрушиться при наличии внутренних дефектов. Поскольку область маркировки зачастую покрыта следами предыдущих обработок, маркировка за счет изменения цвета без внедрения в поверхность невозможна. Для мягкого внедрения использованы многократные проходы, высокая скорость при относительно большой мощности, смещение фокуса (быстрое расплавление/ испарение без перехода к последней стадии, рис. 7). Для улучшения читаемости используются широкие линии. Из вышеизложенного видно, что лазер — это универсальный инструмент маркировки, дающий возможности использования различных механизмов создания рисунков, таких как стимуляция химической реакции, расплавление и перемешивание материалов, испарение материала, разрушение верхнего слоя и т.д. Все эти методы отработанны и применяются в НИИСИ РАН с использованием всего одной технологической установки. Установка имеет развитое и функциональное ПО, которое позволяет использовать файлы распространенных форматов (графические, AutoCad и т.п.), соединять оборудование с сетью для контроля процесса, выдачи информации для маркировки из внешних источников, удаленного управления и т.п. Это заметно расширяет возможности и облегчает процесс разработки программ. К рекомендациям по выбору оборудования можно добавить, что наиболее удобными являются установки с длиной волны видимого или УФ-спектра. Это связано с тем, что металлы и некоторые другие материалы имеют высокий коэффициент отражения в ИК-диапазоне, что резко

Рис. 8. Основные узлы системы маркировки: 1 — пассиковая транспортная система; 2 — излучатель (оптическая схема); 3 — блок сканирования луча (схема); 4 — лифт загрузки (схема); 5 —фотография лифта загрузки с установленной кассетой (транспортная тара); 6 — фотография лифта загрузки; 7 — фотография пассиковой транспортной системы с загруженной лодочкой (транспортной тарой). Блок управления лазером не показан.

увеличивает требования к мощности. Наиболее распространен зеленый цвет. Для органических материалов и материалов, содержащих опасные компоненты, необходимо иметь систему вентиляции для удаления дыма и испаряемых материалов, которые вредны для здоровья, а при осаждении на оптику могут её повредить. Важным параметром оборудования является стабильность мощности излучателя. Так как, например, флуктуация мощности в 5—7% может повлечь за собой прожиг материала, снижая коррозионную стойкость изделия или сделать маркировку нечитаемой.

транспортировки обрабатываемых образцов. Оптоволоконные лазеры, появившиеся в последнее время на рынке лазерных технологий, дают новые технологические возможности для маркировки материалов. Их особенность — более высокое качество лазерного пучка. ОВ-лазеры имеют высокие рабочие частоты и обеспечивают за счет этого более высокую производительность, также у них лучшее разрешение изображения изза стабильности лазерного луча. Еще одной особенностью этих лазеров является возможность

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОВРЕ МЕННЫХ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ МАРКИРОВКИ Технология лазерной маркировки не стоит на месте. Появляются более дешевые и универсальные решения. Например, применение специальной f-θ линзы в установке лазерной маркировки ML-9001 (рис. 9) на основе Nd:YAG с диодной накачкой позволяет получать одинаковый размер пятна по всей области маркировки, при этом размеры рабочей области 294×294 мм, что в ряде случаев позволяет обойтись без сложной и дорогостоящей системы

Рис. 9. Установка лазерной маркировки ML-9001 компании MIYACHI на основе Nd:YAG с диодной накачкой

Современная светотехника, #2 2010

35

разработка и конструирование

Рис. 10. Оптоволоконный лазер ML-7320C фирмы MIYACHI

управления модовым составом лазерного пучка, что позволяет увеличивать перечень обрабатываемых материалов и точно дозировать энергию пучка. Благодаря оптоволоконным лазерам появляется возможность использования цветной

маркировки для ряда материалов, таких как железо, титан и их сплавы, цирконий и др. ОВлазеры дают возможность точно и стабильно в пространстве и времени дозировать энергию лазерного пучка и формировать четкие структуры на поверхности металлов. Это позволяет обеспечивать появление оксидных пленок определенного состава на поверхности материалов, особенно на металлах и сплавах, способных образовывать цветные окислы. Конечно, цветная маркировка может получиться и у лазеров с диодной и даже с ламповой накачкой, однако этот эффект будет сложновоспроизводимым и неустойчивым. Особой привлекательностью данного лазера является его более низкая стоимость по сравнению с

другими. Также оптоволоконный лазер не требует водяного охлаждения, что позволяет внедрять его в производство без организации сложных подключений. Примером такого лазера служит оптоволоконный лазер ML-7320C фирмы MIYACHI (рис. 10).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Лазерная маркировка — перспективное и динамично развивающееся технологическое направление. Прогресс в области электроники и программного обеспечения существенно повышает конкурентоспособность лазерных методов маркировки по сравнению с традиционными. Появление мощных лазеров новых типов позволяет создавать компактное оборудование, удобное для пользователя.

Утилизация КЛЛ: наконец-то!

Столичная мэрия обязала коммунальщиков принимать у людей лампы, содержащие ртуть. В конце мая мэр Москвы Юрий Лужков подписал распоряжение об организации работ по централизованному «сбору, транспортировке и переработке отработанных энергосберегающих ламп». Собирать ртутьсодержащие материалы градоначальник доверил управляющим организациям, товариществам собственников жилья (ТСЖ) и жилищным кооперативам. Эксперты сдержанно радуются первому «экологичному» шагу московских властей. В октябре 2008 года правительство Москвы выпустило постановление по замене ламп накаливания на энергосберегающие в рамках реализации городской целевой программы «Энергосбережение в городе Москве на 2009—2011 гг. и на перспективу до 2020 года». В прошлую пятницу мэр подписал распоряжение, по которому широко разреклами-

36

www.lightingmedia.ru

рованные среди населения энергосберегающие лампы, выработавшие свой ресурс, можно будет легко утилизировать. Сейчас даже сознательные граждане зачастую не знают, что делать со ртутьсодержащими осветительными приборами. Теперь управляющие организации, ТСЖ и жилищные кооперативы будут обязаны принимать у населения использованные лампы. Их будут складывать в специальные контейнеры для временного хранения. Согласно распоряжению мэра, ответственным за сбор назначен департамент ЖКХ и благоустройства города. Государственным заказчиком по организации сбора, транспортировки и переработки ламп выступит госучреждение «Мосэкопром». Компанию обяжут перерабатывать ценные вторичные материалы, входящие в состав ламп. Когда управляющие компании начнут работать по новому распоряжению, пока неясно. Только

в первом квартале 2011 года департамент ЖКХ должен представить в Комплекс городского хозяйства Москвы методику прогнозирования объемов отработанных ламп и регламент, по которому «Мосэкопром» будет взаимодействовать с управляющими компаниями. По результатам этой работы на программу централизованной утилизации энергосберегающих ламп из городского бюджета будут выделены деньги. Тем не менее, экологи довольны первыми шагами московского правительства. «До сих пор не было никакой системы узаконенного приема ламп у частных лиц, — говорит «НИ» руководитель программы «Гринпис» по энергоэффективности Игорь Подгорный. — Были некоторые призрачные возможности. Люди могли пойти в ЖЭК, ДЕЗ и попробовать сдать лампы, так как по умолчанию там стоят контейнеры для сбора». По данным соцопроса, проведенного по просьбе «Гринпис», только 1% людей, кто использует энергосберегающие лампы в быту, сдают их на переработку. «Люди просто не знают, куда с ними идти», — заключает эксперт. Впрочем, для утилизации опасных ламп одного распоряжения московских властей недостаточно. «Нужно довести информацию до всех заинтересованных лиц: управляющих компаний и населения. Необходимо постоянно говорить об этом, вешать объявления на подъездах», — считает г-н Подгорный. Согласно распоряжению этой работой должны заняться префектуры города. Правда, не все эксперты верят в то, что, как только появится централизованный сбор отработанных энергосберегающих ламп, люди начнут проявлять сознательность. Председатель фракции «Зеленая Россия» партии «Яблоко» Алексей Яблоков считает, что следует заложить небольшие материальные стимулы. «Тогда в первую очередь опасные лампочки понесут дворники-гастарбайтеры, — уверен эксперт. — Вытаскивать лампы из мусорных контейнеров — работа непыльная, а прибавка в тысячу рублей за, условно говоря, 10—20 штук для них будет существенной». www.newizv.ru/news/2010-05-24/126870

разработка и конструирование

Проблемы явных и скрытых энергетических потерь в светодиодных осветительных приборах

П

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 су-

38

www.lightingmedia.ru

ществуют 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 си-

стем 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 про-

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»

разработка и конструирование стую 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). 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

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

Современная светотехника, #2 2010

39

разработка и конструирование

Рис. 2а. Диаграмма эмиссии гармонических составляющих потребляемого тока источника питания с ККМ

Рис. 2б. Диаграмма эмиссии гармонических составляющих потребляемого тока источника питания без ККМ

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 гармониче-

ских 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. 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 мощ-

ности (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.

Менее 1 цента за люмен

Успехи в разработке светодиодных кристаллов, люминофора и керамических корпусов повысило общую эффективность светодиодов, что позволило компании Intematix преодолеть ценовой барьер в 1 цент/лм для теплых белых светодиодов и открыло возможности для разработки новых приложений в области твердотельных систем освещения.

40

www.lightingmedia.ru

Компания Intematix представила новую светодиодную матрицу в корпусе C1109D, которая обеспечивает световой выход 345 лм (теплый белый) и 450 лм (холодный белый). Установленные компанией цены — 110 лм на доллар для теплых белых светодиодов и 143 лм на доллар для холодных белых светодиодов — позволяют сократить срок окупаемости систем освещения. Лучшая эффективность новых светодиодов достигнута за счет инновационных решений в производстве светодиодных кристаллов, люминофора и корпусов. В результате удалось увеличить эффективность светодиодов высокой яркости с типичных значений 60…70 лм/ Вт до 90…100 лм/Вт. Светодиодная матрица C1109D является усовершенствованной версией светодиода C1109 и демонстрирует увеличенную на 30% эффективность. В новом продукте компании Intematix содержаться 12 светодиодных

кристаллов, помещенных в специально разработанный компанией керамический корпус. Кроме того, используется другой тип люминофора. В конструкции корпуса используется отдельные углубления для каждого светодиода, в результате толщина C1109D получилась меньше предыдущей модели. Новый корпус имеет улучшенные оптические и тепловые свойства. В корпусе используются куполообразные линзы для каждого углубления, что позволило улучшить эффективность вывода света на 10%. Кроме того, корпус имеет более низкое значение теплового сопротивления. Уменьшенное тепловое сопротивление улучшило характеристики светодиода, когда он работает в установившемся режиме, что снизило температуру светодиода и, следовательно, делает его более ярким. www.ledsmagazine.com/news/7/5/3

силовая электроника для светотехники

Интеллектуальный энергоэффективный балласт

В

В последнее время в связи с ростом цен на энергоносители и увеличением спроса на электроэнергию всё большее внимание в России, как и во всём мире, уделяется вопросам энергоэффективности и энергосбережения. Значительный вклад в общее энергопотребление в России вносит освещение улиц и площадей, поэтому внедрение энергоэффективных технологий в этой сфере позволит добиться значимых результатов в экономии электроэнергии. Существующие на текущий момент решения для освещения улиц и площадей подразумевают использование дуговых ртутных ламп (ДРЛ) или натриевых ламп высокого давления (НЛВД) в сочетании с электромагнитными балластами (ЭМБ). Такое решение имеет ряд серьёзных недостатков. В частности, применение ЭМБ сопряжено с такими проблемами как: – нестабильность режима питания лампы при нестабильности сетевого напряжения; – низкий коэффициент мощности; – отсутствие возможности управления световым потоком; – отсутствие дистанционного управления и диагностики. Нестабильность сетевого напряжения приводит к значительным превышениям мощности, потребляемой лампой, и, как следствие, к резкому сокращению её срока службы. Как известно, стоимость замены лампы в системе наружного освещения в несколько раз превышает стоимость самой лампы, поэтому повышение срока ее эксплуатации весьма актуально. Низкий коэффициент мощности электромагнитных балластов увеличивает загрузку сети реактивной мощностью, что ведет к повышению активных потерь в питающих проводах. Отсутствие возможности управления световым потоком не позво-

42

www.lightingmedia.ru

ляет уменьшить световой поток и, соответственно, потребляемую мощность, в те часы, когда максимального уровня освещённости не требуется. Отсутствие дистанционной диагностики объекта не позволяет быстро отслеживать выход из строя балласта или светотехнического прибора в критически важном участке и увеличивает время поиска и устранения неисправностей. Использование ДРЛ и НЛВД в качестве нагрузки данных балластов также имеет ряд следующих недостатков: – плохой индекс цветопередачи; – большое время повторного зажигания и разгорания газоразрядной лампы. Все перечисленные проблемы не позволяют считать ЭМБ в со-

четании с ДРЛ и НЛВД наиболее предпочтительными для применения в уличном освещении. В значительной степени эти недостатки позволяет устранить комбинированный светотехнический прибор с интеллектуальным электронным балластом (см. рис. 1). Идея и конструкция этого прибора предложена специалистами Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. Разработка интеллектуального балласта ведется на кафедре промышленной электроники Московского энергетического института. Светильник включает в себя два типа источников высокоинтенсивного света: металлогалогенную лампу (МГЛ) и модули на мощных белых светодиодах (СДМ). Использование светодио-

Валерий Поляков Штатный преподаватель кафедры промышленной электроники МЭИ, работает в области разработки различных источников питания светотехническими установками. Специализация – силовая электроника в области электронных балластов.

Татьяна Ремизевич Штатный преподаватель кафедры промышленной электроники МЭИ, работает в области разработки различных источников питания светотехническими установками. Специализация— микропроцессорные системы управления устройствами силовой электроники. Преимущественная элементная база—МК компании Freescale Semiconductor. Автор многих статей для журнала Электронные компоненты, автор или переводчик с редактором пяти книг по МК от Freescale.

Илья Ошурков Магистрант МЭИ.

силовая электроника для светотехники дов обеспечивает оперативное регулирование светового потока при изменении условий освещенности, а также позволяет компенсировать потерю светового потока при погасании МГЛ и на этапе ее зажигания и выхода на режим. Интеллектуальный энергоэффективный балласт (см. рис. 1) обладает рядом достоинств за счёт рациональной схемы силового канала и функций регулирования встроенным микропроцессорным модулем: – наличие на входе устройства корректора коэффициента мощности (ККМ) позволяет обеспечить высокий входной коэффициент мощности; – питание газоразрядных ламп стабилизированным переменным прямоугольным током низкой частоты и стабилизация мощности МГЛ позволяет увеличить срок службы лампы; – наличие микропроцессорного модуля в системе управления интеллектуального балласта позволяет регулировать световой поток СДМ способом низкочастотной ШИМ; – микропроцессорный модуль обеспечивает стабилизацию мощности, защиту от режимов холостого хода и короткого замыкания, диагностику состояния ламп и электронного балласта в целом.

– радиомодуль позволяет дистанционно управлять устройством и интегрировать его в беспроводную информационную сеть системы управления освещением. В процессе работы над проектом был разработан унифицированный ряд интеллектуальных балластов для питания МГЛ мощностью 70, 100, 150 и 250 Вт в сочетании со светодиодными модулями мощностью 30, 50, 70, 90 Вт. Балласты максимально унифицированы по электронным компонентам. Для производства корпусов использован общий алюминиевый профиль. Структура балласта приведена на рисунке 2. Силовая часть помимо стандартной структуры низкочастотного балласта разрядной лампы имеет канал питания СДМ. Питание СДМ производится от преобразователя постоянного тока, подключенного к выходу ККМ. Корректор коэффициента мощности обеспечивает электромагнитную совместимость с пи-

тающей сетью и стабилизирует постоянное напряжение каналов питания МГЛ и СДМ. Регулирование тока МГЛ и СДМ осуществляется на повышенной частоте DC/DC-преобразователями. При регулировании тока СЛД применяется низкочастотная ШИМ, обеспечиващая регулирование яркости светодиодов без изменения спектра излучения. Со стороны силовой части выдвигается ряд требований к функциональности микропро-

цессорного модуля (см. рис. 3), обусловленных интеллектуальностью балласта и необходимостью выполнять ряд стандартных для электронного балласта функций. Помимо этого, при создании структуры микропроцессорного модуля преследовались следующие цели: – полная унификация схемотехнического решения микропроцессорного модуля для всех интеллектуальных балластов в проектируемом ряде мощностей;

Рис. 1. Интеллектуальный балласт в составе осветительной установки ОУ — осветительная установка; МГЛ — металлогалогенная лампа; СДМ — светодиодный модуль; ИБ — интеллектуальный балласт

Рис. 2. Структурная схема интеллектуального балласта

Современная светотехника, #2 2010

43

силовая электроника для светотехники – с целью унификации элементной базы в качестве драйвера силовых транзисторов ККМ, РКС и РКЛ использована популярная микросхема контроллера корректора коэффициента мощности MC33262 как обладающая высокой надёжностью при низкой цене; – однокристальный МК реализует только медленные контуры регулирования МГЛ и СДМ; быстрые контуры регулирования тока реализуются на специ-

ализированных контроллерах MC33262. Структурная схема микропроцессорного модуля представлена на рисунке 4. Сравнивая значения сигналов Iкмгл и Iксд с эталонными, МК повышает или понижает уровни напряжения U2мгл и U2сд, что приводит к изменению токов, потребляемых каналами. Поскольку напряжение на выходе ККМ постоянно, то стабилизация токов в каждом из каналов обеспечивает стабилизацию мощности.

Рис. 3. Функции микропроцессорного модуля

Рис. 4. Структурная схема микропроцессорного модуля

44

www.lightingmedia.ru

Диагностика аварийных состояний производится за счёт мониторинга сигналов Iкмгл и Iксд и сравнения их с заданными величинами. Защита и аварийное отключение осуществляется за счёт подачи сигналов U1мгл и U1сд микроконтроллером, запрещающих работу драйверов. Регулирование светового потока СД обеспечивается низкочастотной ШИМ сигнала U1сд. Взаимодействие с центральным диспетчером и соседним интеллектуальным балластом осуществляется по радиоканалу. При создании программного обеспечения микропроцессорного модуля за основу была принята SWITCH-технология, предназначенная для алгоритмизации и программирования задач логического управления. Эта технология в качестве базовых применяет такие понятия теории автоматов как «состояние», «входные воздействия», «выходные воздействия», а также «события» и позволяет на основании технического задания, поставленного заказчиком, представить работу всего устройства в виде конечного числа автоматов, связанных друг с другом, или работающих параллельно. Было создано два независимых друг от друга конечных управляющих автомата с графами переходов, полученными в строгом соответствии с режимами включения, поддержания в рабочем состоянии и выключения светильника каждого типа. Были введены переменные состояний автоматов, с помощью которых можно отслеживать не только текущее состояние, но и предшествующее ему. Каждому состоянию автомата было поставлено в соответствие значение переменной, причём при инициализации микроконтроллера переменным состояния каждого из каналов присваиваются нулевые значения, что соответствует состоянию «Пуск». Такое решение, с точки зрения пользователя, означает, что сразу после включения силового питания светодиодный источник света начинает зажигаться и, в соответствии с алгоритмом плавного пуска, постепенно выходит на номинальный режим работы. МГЛ при этом тоже находится в процессе выхода на номинальный режим работы, что позволяет на этапе приемо-сдаточных

силовая электроника для светотехники испытаний осуществить проверку электронного балласта без подачи дистанционных команд, а на этапе эксплуатации ввести секцию освещения в работу при отказе системы дистанционного управления. В случае если совместная работа двух каналов не требуется, после включения силового питания по беспроводному интерфейсу посылается команда на выключение одного из них или одного канала. Поведение управляющего автомата определяется исключительно его текущим состоянием и не зависит от предшествующей последовательности переходов в различные состояния, поэтому реализуются только те операции, которые должны быть выполнены в текущем состоянии. Кроме того, анализируются все условия перехода автомата из текущего состояния в другие возможные состояния в порядке заданного приоритета проверки условий, и определяется состояние перехода. На рисунке 5 изображён граф переходов светодиодного канала. Условиями перехода из одной вершины в другую являются внешние управляющие команды (СТОП, ПУСК) или программным образом генерируемые события (ХХ/КЗ/НЕИСПРАВНОСТЬ). В случае, когда из одной вершины графа возможно одновременно несколько переходов по различным событиям, все они ранжируются по приоритету — порядку проверки условия перехода. При реализации автомата все возможные условия перехода из текущего состояния проверяются в порядке заданного приоритета. Так например, аварии и неисправности должны отрабатываться как можно быстрее, поэтому переход по событиям ХХ, КЗ или НЕИСПРАВНОСТЬ из состояния ПУСК в состояние АВАРИЯ имеют больший приоритет по сравнению с переходом из состояния ПУСК в состояние РАБОТА. Если одно из условий перехода выполняется, то все остальные условия переходов, имеющие меньший приоритет, не анализируются. Переход выполняется в направлении «сработавшего» условия с наивысшим приоритетом. Если ни одно из условий не выполняется, то текущее состояние автомата не изменяется. Такой подход позволяет минимизировать условия перехо-

Рис. 5. Граф переходов канала СДМ

Рис. 6. Организация работы контроллера в составе микропроцессорного модуля в реальном масштабе времени

дов и существенно повышает скорость обработки условий переходов в реальном времени. Граф переходов для канала МГЛ построен по аналогичному принципу. В основе работы ММ лежит бесконечно повторяющийся во времени алгоритм управления, который реализует микроконтроллер в составе микропроцессорного модуля. Время исполнения одного цикла алгоритма является величиной непостоянной, зависящей от внешних команд управления и от текущего режима работы ИБ. Частота повторения циклов определяется частотой следования запросов на обслуживание, которые генерирует модуль меток реального времени МК. Исполнение управляющей программы ММ в реальном времени иллюстрирует рисунок 6. В момент времени t0 МК в замкнутом бесконечном цикле считывает состояние бита флага

модуля меток реального времени и анализирует команды управления, поступающие по одному радиоканалу. Условием выхода из цикла является установленный флаг события модуля меток реального времени. В случае если он установлен, МК переходит к выполнению основных четырёх программных блоков (см. рис. 6). В момент времени t1 программа, в соответствии с установленной меткой счётчика реального времени, приступает к выполнению блока программного кода «Анализ слова-состояния канала светодиодов». В этом блоке анализируется содержимое слова-состояния, из которого выделяется информация о предшествующем и текущем состояниях каждого светильника, а также информация о командах, поступивших в течение предыдущего цикла. В следующем блоке «Работа канала светодиодов» осуществляется переход в вершину

Современная светотехника, #2 2010

45

силовая электроника для светотехники графа, вычисленную на основании данных, которые указаны в слове-состоянии, и выполняется соответствующий этой вершине программный код. Далее выполняются идентичные действия для канала лампы, после чего в момент времени t2 управляющая программа возвращается к замкнутому бесконечному циклу, абсолютно идентичному циклу, выполняющемуся на интервале t0–t1. В момент времени t3 появится очередная метка модуля реального времени, и программа снова перейдёт к выполнению четырёх основных программных блоков. Каждый последующий цикл работы управляющей программы аналогичен рассмотренному выше. Таким образом, в одном цикле исполнения управляющей программы последовательно вызываются программные модули, реализующие не более чем один переход в каждом из двух автоматов управления. При этом для каждого из автоматов сначала выполняются операции, предусмотренные текущим состоянием, а затем определяется состояние перехода. Если состояние перехода отличается от текущего, то оно лишь фиксируется — операции в новом состоянии выполняются на следующем такте вызова автомата. Такое решение возможно, поскольку на программные средства МК возложены лишь функ-

ции «медленной» защиты, при которой МК интегрирует во времени сигнал тока, превышающий порог допустимых значений в рабочих режимах, и снижает уставку тока при возможном перегреве силовых полупроводниковых ключей в ИБ. Быстродействующая защита реализуется аппаратными средствами ММ и лишь фиксируется программными средствами. Длительность интервала времени t1—t2 , как и длительность интервала времени t2—t3, зависит от выполняемого кода, поэтому максимально возможная частота следования меток реального времени ограничена необходимостью полностью выполнить существующий программный код. На этапе отладки макетного образца эта частота была выбрана равной 100 мс. Разработка интеллектуального балласта выполняется в рамках комплексного проекта НИОКР по госзаказу 2008-6-2.6-31-01-004 «Разработка и создание унифицированного ряда энергоэкономичных светотехнических приборов для уличного освещения на основе источников света нового поколения». В настоящее время изготовлена и проходит испытания партия интеллектуальных балластов. Коэффициент мощности опытных образцов — не менее 0,97, КПД составляет 0,92 для мощностей до 150 Вт и 0,93 для мощностей свыше 150 Вт.

ЛИТЕРАТУРА 1. А. Евстифеев. Особенности построения балластов для ламп высокого давления (HID Lamp ballasts). Журнал «Силовая электроника». № 3. 2008 г. С. 50—54.

2. В.Д. Поляков. Источники питания разрядных ламп высокого давления. Журнал «Силовая электроника». № 4. 2009 г. С. 80—83.

3. В.Д. Поляков. Источники питания разрядных ламп высокого давления. Журнал «Силовая электроника». № 5. 2009 г. С. 75—78.

От редакции: В. Поляков и Т. Ремизевич являются научными руководителями группы разработчиков из аспирантов, инженеров и магистров по направлению «Интеллектуальная силовая/автомобильная электроника». Имеют 2 внедренных проекта для КАМаза/ЛИАза (они ездят с этими блоками), 1 внедренный проект по балластам (производит Екатеринбург), в стадии внедрения на РЖД контроллеры для управления автономными дизельными электроагрегатами. Постоянно сотрудничают с Нижегородским Государственным университетом в области разработки электроники для систем освещения. Представленный проект исполняется по ГОСфинансированию от РОСНАУКИ. К лету планируют сертификацию источников питания и испытания системы управления с радиоканалом. В стадии переговоров — установка демозоны.

Новая линза Strada-DW-GD от компании LEDIL

Рис. 1. Внешний вид линзы Strada-DW-GD

Рис. 2. Диаграмма распределения светового потока в горизонтальной плоскости

Макро Групп представляет новую линзу Strada-DW-GD (внешний вид см. на рис. 1) для уличного освещения производства компании LEDIL. Линза формирует интенсивные пики светового потока по бокам в горизонтальной плоскости и крайне малую интенсивность светового потока (единицы %) в вертикаль-

46

www.lightingmedia.ru

ной плоскости линзы (рис. 2). Углы раскрытия светового потока по вертикали ±48°, по горизонтали — ±74°. Линза выполнена для различных серий светодиодов OSRAM: Golden Dragon Plus, Golden Dragon, Platinum Dragon и OSLON SSL, а также подходит для светодиодов других производителей.

КРАТКАЯ СПРАВКА: LEDIL — динамично развивающаяся финская компания с богатым опытом разработок и производства оптики для светодиодов. В мире LEDIL известна как разработчик и производитель наиболее универсальных и инновационных оптических решений. Компания производит оптику для ведущих производителей светодиодов таких как: OSRAM, SHARP, CREE, NICHIA, LUXEON и многих других. Головной офис компании расположен в г. Сало, юг Финляндии. Производство оптических компонентов размещено как в Финляндии, так и в Азии. Продукция компании LEDIL поставляется по всему миру, через сеть дистрибьюторов. Макро Групп — дистрибьютор LEDIL на территории России. Дополнительная информация: www.macrogroup.ru, pr@macrogroup.ru

силовая электроника для светотехники

Оценка влияния источников питания светодиодных светильников на питающую сеть

Сергей Гужов, к.т.н., руководитель отд. электротехнического направления, ООО «Берегун» Если бы счёт за электроэнергию на 30% превысил стоимость мощности, потреблённой вашим оборудованием, как вы об этом узнали бы? Анализу этого вопроса и посвящена данная статья.

Н

На протяжении последнего десятилетия во многих развитых странах мира стартовали государственные программы по постепенному вытеснению ламп накаливания (ЛН) из сферы ЖКХ и электрохозяйств. В 2004 г. об этом заговорили англичане, затем инициативу подхватила Австралия и Евросоюз, а в 2007 г. — Россия. К 2011 г. отказ от ЛН мощностью более 100 Вт на территории РФ позволит сэкономить 6030 МВт, что, например, составляет полную мощность Саяно-Шушенской ГЭС. Одним из преимуществ подобного технического перевооружения также является снижение удельного веса выбросов углекислого газа в соответствии с Киотским протоколом. За последние два года в Москве развёрнута широкомасштабная программа по замене ЛН на КЛЛ с ЭПРА, отличной от ЭмПРА. Также быстрыми темпами вводятся в эксплуатацию светодиодные источники света на полупроводниковых преобразователях электроэнергии, имеющих совер-

шенно иной принцип действия, с регулировкой яркости методом ШИМ. Анализ рынка бытовых электроприборов показывает всё большее распространение потребителей, имеющих в своём составе полупроводниковые преобразователи электроэнергии. Все полупроводниковые преобразователи электроэнергии в силу своего принципа действия отдают в питающую сеть гармонические составляющие тока и напряжения. В качестве основы для учёта дополнительных потерь электроэнергии при несинусоидальности тока выберем электрическую сеть уличного освещения, т.к. в ней сочетаются протяжённость, ярко выраженная дискретность, разветвлённость, разнотипность используемого оборудования даже в пределах одной групповой сети, достаточно большая единичная мощность оборудования мощностью 250...400 Вт. При разработке разрядных источников света типа ДНаТ в СССР обязательно проводились замеры гармоник тока. Производимую в России продукцию допускается не сертифицировать, а продавать по ТУ. В таком случае не приходится говорить о соответствии приборов существующим требованиям. Одновременно с этим уже более двух лет по инициативе ООО «Мосгорсвет» производится эксплуатация светодиодных светильников в подземном переходе у метро Рижская. На рисунке 1 представлен внешний вид и экспериментально полученный спектр гармонических составляющих тока, форма кривой тока и ВАХ для номинального режима. Очевидно, что форма тока далека от синусоидальной, значит,

нагрузка является нелинейной. С другой стороны, в современной нормативно-технической документации существует ряд рекомендаций по проектированию электрических сетей с различными источниками света. При этом предлагается использовать некоторый коэффициент запаса, величина которого получена ЭМПИРИЧЕСКИ для сетей с синусоидальной формой кривой тока и напряжения. Для сетей со светодиодными источниками света рекомендации в ПУЭ отсутствуют. Специалисты предлагают увеличивать расчётный ток сети на 15% при использовании компенсированной ЭПРА. Результаты математического моделирования кривой тока представлены на рисунке 2: – для разрядных источников света получен широкий и равномерно распределённый спектр гармоник тока; – для полупроводниковых источников света наблюдается заметно выраженное преобладание одной-двух гармоник при относительно небольшом общем спектре. Данные различия учитываются в инженерных расчётах в соответствии с законом Ома через общий коэффициент несинусоидальности тока. Однако поскольку исследуемая нагрузка является нелинейной, то к ней неприменимы расчёты, основанные на законах линейной пропорциональности тока и напряжения. Основные недостатки существующих методик следующие: – значительные неудобства при работе с большими объёмами исходных данных, заданных графически; – отсутствие возможности учитывать изменения электро-

Современная светотехника, #2 2009

47

силовая электроника для светотехники

Рис. 1. Данные по гармоникам тока для светодиодного источника света, тип LZ-52 (аналог ДНаТ-70)

Рис. 2. Результирующие формы кривых тока, полученные для установившегося режима некоторых источников света

технических параметров источников света при изменении параметров сети. В соответствии с теорией цепей, при расчёте сетей с нелинейной нагрузкой используется функция вольтамперной характеристики (ВАХ). На рисунке 3 приведены ВАХ для светодиодного светильника типа СДС-70 и разрядного ДНаТ-100. Жирным цветом показаны огибающие ВАХ. Общий вид огибающих для различных моделей светодиодных и разрядных источников света

48

www.lightingmedia.ru

остаётся неизменным в силу их принципа действия. Для разрядных источников света при снижении напряжения сети также уменьшается ток первой гармоники, а значит, снижаются токи высших гармонических составляющих. Таким образом, индивидуальный вклад в искажение синусоидальности тока снижается с увеличением порядкового номера разрядного источника света в группе. Огибающая ВАХ в диапазоне напряжений от напряжения зажигания до

максимального рабочего напряжения изменяет своё значение. Светодиодная матрица работает от постоянного напряжения с управлением методом ШИМ. Напряжение зажигания для рассматриваемой модели составляет 165 В. На всём отрезке рабочих напряжений значение потребляемого тока остаётся постоянным за счёт изменяющегося внутреннего сопротивления ЭПРА. Значение огибающей ВАХ неизменно. Наличие высших гармонических составляющих тока является при-

силовая электроника для светотехники чиной дополнительных затрат электроэнергии. На основе математической модели, разработанной в МЭИ (ТУ), реализован запатентованный программный продукт Rearx. Исходными данными являются длина улицы, количество/тип/ мощность/спектр гармоник тока используемых источников света, а также данные по гармоникам тока питающей сети и удельные параметры применяемого проводника. К результирующим данным относятся: вектор и модуль напряжения в конце линии; вектор и модуль тока в начале линии; величина годового потребления электроэнергии и номинала автомата защиты моделируемой линии, рассчитанные с учётом нелинейности нагрузки и без нее. Предложенная модель значительно ускоряет и повышает точность расчёта любых сетей с нелинейной нагрузкой. Эта модель учитывает существующие характеристики питающей сети, позволяя прогнозировать уровень гармонических составляющих тока на действующих и проектируемых объектах. По результатам моделирования установившихся режимов работы сетей наружного освещения, содержащих источники высших гармонических составляющих тока, установлен коэффициент энергосбережения по несинусоидальности тока, позволяющий рассчитать дополнительные потери мощности в существующих осветительных сетях с погрешностью 5%. С помощью предложенной методики разрабатываются рекомендации по использованию в осветительных сетях светодиодных источников света. Созданный программный продукт позволяет провести техникоэкономические расчёты для электрических сетей для оценки эффективности капиталовложений при использовании нового оборудования и при выборе мер по компенсации гармонических составляющих тока сети. Поскольку наличие гармоник тока ведёт к превышению потребляемой мощности относительно расчётного значения, то при проектировании сетей с нелинейной нагрузкой необходимо использовать поправочный коэффициент запаса по несинусоидальности

Рис. 3. Анализ пускорегулирующей аппаратуры разрядных и светодиодных источников света

Рис. 4. Результаты моделирования режимов электроснабжения однофазной питающей сети городской уличной осветительной установки для светодиодных ИС мощностью 70 Вт

тока. При некотором количестве источников света КЗАПАСА = 1. Это происходит при равенстве недорасхода электроэнергии изза падения напряжения в сети и перерасхода электроэнергии на несинусоидальность тока. Для разрядных источников света различного типа КЗАПАСА = 1 при количестве светильников равном 20. Существующие требования ПУЭ подтверждают вычисленное значение. Аналогичное моделирование было произведено для светодиодного светильника типа СДС-70. Данные представлены на рисунке 4. Дополнительные затраты электроэнергии от несинусои-

дальности тока составили 13.3%. Следует отметить, что спектр и мощность гармонических составляющих тока не зависит от падения напряжения вплоть до напряжения зажигания в 165 В. Таким образом, количество светодиодных источников света в группе должно определяться исходя из UЗАЖИГ с учётом предложенного КЗАПАСА, вычисляемого индивидуально для каждого типа ЭПРА. Применять светодиодные светильники рекомендуется совместно с фильтрокомпенсирующими устройствами, установленными в сети на стороне источников света после вводного трёхфазного автомата.

Современная светотехника, #2 2009

49

силовая электроника для светотехники

Управляемые ЭПРА для ламп высокого давления технико-экономические аспекты разработки и эксплуатации

К

Компания ДЭКСИ занимается разработкой силовой электроники и систем телеметрии. Ведущие инженеры и специалисты компании являются выпускниками кафедры Промышленной Электроники Московского Энергетического Института, кафедры Вычислительной Математики и Кибернетики МГУ. Непрерывная инженерноисследовательская работа на протяжении почти 20 лет позволила приобрести опыт на значимых направлениях индустрии полупроводниковых преобразователей электроэнергии. В активе компании разработки и внедренные технологии в области энергоэффективных осветительных приборов как на основе газоразрядных, так и полупроводниковых источников света. Специалисты компании разработали, освоили производство и успешно внедряют оборудование и программное обеспечение для непрерывного контроля качества электрической энергии систем энергоснабжения особо ответственных объектов. Технологии компании ДЭКСИ являются ее собственностью, соответствуют требованию патентной чистоты и защищены патентами на изобретение в Российской Федерации, Европейском Сообществе, США. Производство светотехнических изделий на основе разработок компании ДЭКСИ осуществляется на предприятиях наших партнеров в нескольких регионах РФ.

КРАТКИЙ ОБЗОР ИСТОЧНИКОВ СВЕТА ДЛЯ НАРУЖНОГО ОСВЕЩЕНИЯ В настоящее время для наружного освещения наиболее широко применяются газоразрядные лампы высокого давления типа ДРЛ, ДНаТ, ДРИ. Лампа типа ДРЛ (ее еще называют ртутной) почти в два раза уступает по светоотдаче лампам ДНаТ

50

www.lightingmedia.ru

и ДРИ, поэтому светильники с такой лампой нельзя считать энергоэффективными, а их применение оправдано только низкими первоначальными затратами. На рисунке 1 приведены сравнительные среднестатистические характеристики серийных осветительных приборов на базе современных источников света для уровня технологии на конец 2009 года. Если сравнивать с таким перспективным направлением как светодиодные осветительные приборы, то на сегодняшний день светильники на основе ламп типа ДНаТ, ДРИ для мощности более 150Вт имеют почти в полтора раза более высокую светоотдачу. Сравнение по стоимости тоже пока не в пользу первых. Светильник с ЭПРА ДЭКСИ для ДНаТ мощностью 150Вт почти в пять раз дешевле светодиодного светильника аналогичной мощности, хотя, безусловно, имеются рыночные ниши, где нет достойной альтернативы светодиодным осветительным приборам.

ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ РАБОТЫ ЛАМП Для обеспечения функционирования ламп ДНаТ, ДРИ служит специальная пускорегулирующая аппаратура. В подавляющем количестве случаев — это электромагнитный пускорегулирующий

аппарат (далее ЭмПРА). Возрастающие требования к энергоэффективности осветительного оборудования заставляют задуматься над альтернативой применению ЭмПРА. По состоянию на сегодняшний день мы считаем, что экономически целесообразным решением повышения энергоэффективности городского освещения является отказ от применения ЭмПРА в пользу электронного пускорегулирующего аппарата (далее ЭПРА) с функцией регулирования светового потока. Это позволит существенно улучшить как энергетические характеристики сетей наружного освещения без дополнительных затрат на реконструкцию электротехнического хозяйства, так и улучшить качество искусственного освещения. Интеграция управляемых ЭПРА в автоматизированную систему управления наружным освещением позволит реализовать концепцию точечного управления и обеспечить ровно такое количество света, сколько нужно для данного места при текущих условиях. Кроме того, ЭПРА ДЭКСИ легко встраивается в существующие конструкции светильников, что способствует более мягкому внедрению новой технологии, и ее восприимчивости обслуживающим персоналом.

Ермаков Евгений Александрович Образование: Московский Энергетический Институт, кафедра Промышленной Электроники. С 1998 г по настоящее время ООО»ДЭКСИ» - главный инженер проекта.

– разрабока бытовой индукционной плиты (участие в проекте, проект доведен до стадии внедрения); – разработка ЭПРА с функцией регулирования (руководитель проекта, проект внедрен); – разработка компонентов и алгоритмов функцинирования оборудования для передачи сигналов управления по силовой питающей сети (руководитель проекта, проект внедрен); – разработка компонентов системы телеметрии объектов энергоснабжения (участие в проекте, проект внедрен).

силовая электроника для светотехники СРАВНЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕ СКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭМПРА И ЭПРА Что ЭмПРА, что ЭПРА по существу являются источником питания для лампы. Для предварительной оценки качества источника питания и его воздействия на питающую сеть достаточно знать такие параметры, как коэффициент мощности, общий коэффициент гармонических искажений, коэффициент гармонических искажений по третьей гармонике, КПД и их зависимость от мощности нагрузки напряжения питающей сети. КПД ЭмПРА и ЭПРА практически одинаков. Часто вместо коэффициента мощности говорят о Cos (φ) подразумевая, что это одно и тоже. Это справедливо только для идеального синусоидального тока. Но если в токе нагрузки присутствуют высшие гармонические составляющие, то ставить знак равенства между этими двумя понятиями нельзя. Cos (φ) относится только к основной гармонике, а коэффициент мощности учитывает еще и высшие гармоники и, как правило, имеет меньшее значение, чем Cos (φ). Для светильника с ЭМПРА с компенсирующим конденсатором, для номинальных условий типовое значение коэффициента мощности = 0,85. Если из ЭмПРА исключен компенсирующий конденсатор, то коэффициента мощности не превышает величины 0,49. Такая ситуация бывает, когда конденсатор выходит из строя, либо когда его принципиально не ставят. Коэффициент мощности ЭмПРА существенно зависит от мощности нагрузки. Именно изза этого в ЭмПРА принципиально присутствует пусковой ток, когда при старте лампы мощность нагрузки мала, коэффициент мощности ≈ 0,49, то величина потребляемого тока почти в 1,3 раза выше номинального. В принципе, увеличивая емкость компенсирующего конденсатора или выводя рабочую точку дросселя ЭмПРА в область более высокой мощности (фактически, заставляя работать лампу с перегрузкой) можно увеличить значение коэффициента мощности даже до величины 0,94. Но, во-первых, это будет справедливо только для одной единственной

рабочей точки, во-вторых, необходимая для этого реактивная мощность конденсатора (если увеличиваем емкость) увеличивается в 2 раза, его стоимость в 1,5 раза, что экономически нецелесообразно, и, в-третьих, при данном способе компенсации резко увеличивается вероятность резонансных процессов и ухода в режим перекомпенсации. Для компенсации реактивной мощности в ЭПРА применяется активный корректор коэффициента мощности. Конструкцией обеспечивается значение коэффициента мощности не хуже 0,97 во всем диапазоне рабочего напряжения и нагрузки. ЭмПРА является нелинейной нагрузкой, т.е. в токе потребления присутствуют высшие гармоники, которые вызывают резонансные явления на частотах высших гармоник, искажение формы питающего напряжения, падение напряжения в распределительной сети, нагрев и дополнительные потери в трансформаторах и питающих проводах, нагрев конденсаторов. Кроме того, для трехфазной сети необходимо учитывать специфическое воздействие нечетных гармоник, кратных трем. Если нелинейная нагрузка подключена по схеме фаза-ноль (типовое подключение ЭмПРА), то гармоники, кратные трем в трехфазных цепях сдвинуты на

360 градусов друг к друг. В итоге они совпадают по фазе и суммируются в проводнике нейтрали, причем ток в нейтрали в итоге может оказаться выше, чем ток в фазных проводниках. Этот эффект приводит к падению напряжения в нейтрали, вызывая потери активной мощности, искажения формы напряжения на других нагрузках, подключенных к этой сети. Некоторым решением проблемы третьей гармоники могло быть подключение нелинейной нагрузки по схеме фаза-фаза. Тогда путь протекания тока пролегает мимо нулевого провода. Соответственно, нет эффекта суммирования нечетных гармоник, кратных третьей, в нулевом проводе. Этот факт является одним из положительных моментов применения трехфазного электромагнитного ПРА. Но надо понимать, что общий гармонический состав тока, тем не менее, не улучшается, и другие негативные эффекты, связанные с повышенным содержанием уровня гармоник, сохраняются. ЭПРА благодаря активному корректору мощности является существенно более линейной нагрузкой и имеет стабильные характеристики для всего диапазона рабочего напряжения. На Рисунках 2—6 приведены результаты измерений гармонического состава тока потре-

Рис. 1. Сравнительные характеристики современных источников света

Современная светотехника, #2 2010

51

силовая электроника для светотехники

Рис. 2. Гармонический состав тока потребления скомпенсированного ЭмПРА [%]. Напряжение =190В, активная мощность = 210Вт, коэффициент мощности = 0,88, суммарный коэффициент гармонических искажений = 28%

Рис. 3. Гармонический состав тока потребления скомпенсированного ЭмПРА [%]. Напряжение =220В, активная мощность = 298Вт, коэффициент мощности = 0,94, суммарный коэффициент гармонических искажений = 30%

Рис. 4. Гармонический состав тока потребления скомпенсированного ЭмПРА [%]. Напряжение =240В, активная мощность = 356Вт, коэффициент мощности = 0,94, суммарный коэффициент гармонических искажений = 34%

Рис. 5. Гармонический состав тока потребления ЭмПРА [%] без компенсирующего конденсатора. Напряжение =220В, активная мощность = 298Вт, коэффициент мощности = 0,49, суммарный коэффициент гармонических искажений = 10,4 %

Рис. 6. Гармонический состав тока потребления ЭПРА ДЭКСИ [%]. Напряжение =220В, активная мощность = 270Вт, коэффициент мощности = 0,99, суммарный коэффициент гармонических искажений = 9%

52

www.lightingmedia.ru

бления типового ЭмПРА и ЭПРА ДЭКСИ для лампы ДНаТ 250 для напряжения питающей сети 190В, 220В, 240В. По горизонтали отложены номера гармоник, по вертикали —[%] от основной гармоники. Вообще говоря, надежная и безаварийная эксплуатация осветительной сети существенно зависит от уровня гармонических искажений тока (напряжения). Опасность резонансных явлений заключается в том, что при наличии высших гармоник в электрических цепях при возникновении резонансного или близкого к нему режима на какой-либо высшей гармонике тока (напряжения), эта составляющая оказывается больше, чем амплитудное значение первой гармоники тока (напряжения) на тех же участках цепи, что драматически может сказаться на работоспособности отдельных элементов и узлов системы. Входные цепи источников питания содержат конденсаторы (для ЭмПРА — компенсирующий конденсатор, для ЭПРА или блока питания для светодиодного светильника — помехоподавляющие конденсаторы). Резонансные явления очень опасны для компенсирующего конденсатора ЭмПРА, т.к. это простейшее бездроссельное компенсационное устройство, которое в любой момент может создать резонансный контур с индуктивностью сети с низкой резонансной частотой. Дополнительные потери при наличии высших гармоник в конденсаторах обусловлены увеличением «угла потерь» в диэлектрике и ростом действующего значения тока конденсатора. Возникающий перегрев в конденсаторе может приводить к пробою диэлектрика. Причем это в большей степени критично для компенсирующего конденсатора. Кроме этого, конденсаторы чувствительны к перегрузкам, вызываемым присутствием высших гармоник напряжения. Содержание высших гармоник ведет к повышению тока в конденсаторах, т.к. реактивное сопротивление конденсаторов с возрастанием частоты уменьшается. Дополнительные потери, вызывающие перегрев трансформаторов при наличии высших

силовая электроника для светотехники гармоник, возникают из-за скинэффекта в меди обмотки, а также из-за увеличения потерь на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе трансформатора. Для примера, сравним потери активной мощности в фазных проводниках и нейтрали, потери активной мощности в обмотках трансформатора, фазные токи и ток нейтрали для типовой осветительной сети на основе ЭмПРА и ЭПРА ДЭКСИ и ситуации напряжения питающей сети 190В, 220В и 240В. Пусть осветительная сеть состоит из 102 светоточек мощностью по 250Вт, шаг между опорами — 50 метров, опоры расположены симметрично по обеим сторонам улицы, общая протяженность улицы 2550 метров, питание каждой стороны по СИП-2 3×240+1×95, точка соединения питающих проводов на пункте питания, пункт питания расположен в начале улицы, все фазы нагружены симметрично, мощность трансформатора 100кВА. Потребление мощности, следовательно, и световой поток в осветительной установке с ЭПРА практически не зависят от колебаний напряжения сети. Тем не менее, в линейке ЭПРА ДЭКСИ разработаны несколько моделей, которые уменьшают потребляемую мощность в зависимости от питающего напряжения при полном сохранении других энергетических характеристик, что позволяет применить их в тех сетях, где реализовано автотрансформаторное регулирование для ЭмПРА. По большому счету, отсутствие заметной зависимости потребляемой мощности от питающего напряжения — это положительное свойство ЭПРА. Если учитывать суточное колебание питающего напряжения, то, как правило, в ночное время питающее напряжение в подавляющем большинстве случаев выше номинального на 10—15%. Потребляемая мощность ЭмПРА с лампой ДНаТ увеличивается на 15—30%, в то время, как потребляемая мощность ЭПРА остается неизменной или даже снижается на 1—2% из-за увеличения КПД. Поэтому при эксплуатации ЭПРА нет необходимости устанавливать стабилизаторы напряжения, и, даже более того, их

установка может принести вред, т.к. они рассчитаны для работы с ЭмПРА, который является индуктивной нагрузкой. ЭПРА имеет очень хороший коэффициент мощности, но при старте он является емкостной нагрузкой, а при мощности более 40% от номинала уже как правило — индуктивной. С другой стороны, существует точка зрения, что как раз изза такого свойства ЭПРА общее потребление в осветительной сети в случае номинального напряжения на выходе трансформатора даже вырастает. Объясняется тем, что из-за потери напряжения вдоль осветительной линии происходит постепенное снижение потребления мощности ЭмПРА. Но из этого факта как раз следует, что прямое применение методики расчета осветительной сети на ЭмПРА для сети на основе ЭПРА не вполне эффективно. Ведь отправной точкой для расчетов служит уровень освещенности, определяемый соответствующим нормативным документом, соответственно, проектировщик изначально закладывает в систему избыточность, которая призвана компенсировать воздействие отклоняющих факторов. ЭПРА ДЭКСИ не требует создания такой избыточности и в

этом смысле — он «честный» аппарат. В результате, по нашим наблюдениям, часто возникает ситуация, что при контрольных замерах уровня освещенности на улице со светильниками с ЭПРА, но рассчитанного по методике для светильников с ЭмПРА результат по освещенности оказывается завышенным, т.е., можно было бы обойтись либо меньшим количеством светоточек, либо меньшей установочной мощностью. Получается, что одним из резервов повышения энергоэффективности городского освещения является коррекция общепринятой методики расчета осветительной сети с учетом электротехнических параметров ЭПРА (источников питания для светодиодных светильников). Применение ЭПРА полностью устраняет стробоскопический эффект и существенно уменьшает дозу фликера. (Фликер — непреднамеренные колебания яркости, которые, в частности, могут быть вызваны колебаниями напряжения в сети питания).

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ КОН СТРУКЦИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭПРА ДЭКСИ На сегодняшний день для ламп типа ДнАТ, ДРИ нами разработаны и выпускаются две катего-

Напряжение питающей сети 190В: Напряжение сети 190В Ток фазого проводника, А Ток нулевого проводника, А Суммарные потери активной мощности в фазных проводниках, кВт Суммарные потери активной мощности в нулевых проводниках, кВт Потери активной мощности в трансформаторе, кВт

ЭПРА 25,15 5,11 0,7 0,024 0,41

ЭмПРА 22,3 8,63 0,55 0,07 0,51

Напряжение питающей сети 220В: Напряжение сети 220В Ток фазого проводника, А Ток нулевого проводника, А Суммарные потери активной мощности в фазных проводниках, кВт Суммарные потери активной мощности в нулевых проводниках, кВт Потери активной мощности в трансформаторе, кВт

ЭПРА 25,2 4,38

ЭмПРА 21,57 10,85

ЭмПРА без компенсации 50,5 15,25

0,52

0,7

2,83

0,02

0,11

0,22

0,4

0,77

2,01

Напряжение питающей сети 240В: Напряжение сети 240В Ток фазого проводника, А Ток нулевого проводника, А Суммарные потери активной мощности в фазных проводниках, кВт Суммарные потери активной мощности в нулевых проводниках, кВт Потери активной мощности в трансформаторе, кВт

ЭПРА 19,3 3,92 0,414 0,014 0,39

Современная светотехника, #2 2010

ЭмПРА 28,79 15,98 0,92 0,236 2,21

53

силовая электроника для светотехники рии ЭПРА, различающиеся по частоте тока лампы. Во-первых, это высокочастотные ЭПРА (мощностью от 50 до 1000Вт), где частота тока лампы достигает величины порядка 130 кГц, а регулирование мощности лампы осуществляется за счет изменения частоты тока лампы. Вовторых, низкочастотные ЭПРА (мощностью 70 и 150 Вт), где частота тока лампы неизменна и имеет значение порядка 100 Гц, регулирование мощности лампы осуществляется за счет изменения амплитуды тока лампы. Форма тока лампы — прямоугольная или близкая к тому. Достоинство высокочастотного ЭПРА в невысокой цене, высокому КПД и высокой надежности, недостаток один — из-за явления акустического резонанса не каждую лампу можно применить с данной категорией ЭПРА. Оригинальный алгоритм контроля режима работы лампы, разработанный и применяемый в ЭПРА ДЭКСИ существенно снизил вероятность возникновения этого нежелательного явления и расширил диапазон применяемых ламп. Именно по этой причине лампа типа ДнАТ, ДРИ, эксплуатирующаяся с другим ЭПРА, построенным на основе стандартного драйвера ЭПРА для люминесцентных ламп, оказывается более уязвимой перед эффектом акустического резонанса. Достоинство низкочастотных ЭПРА в их универсальности. Рабочая частота тока лампы приближена к частоте 50 Гц, т.е. частоте тока лампы на выходе электромагнитного ПРА, а именно для этих ПРА разрабатывались все традиционные лампы типа ДнАТ, ДРИ. Соответственно, при работе лампы с данным типом ЭПРА вероятность акустического резонанса крайне низка. Недостаток — в значительно более высокой цене как по отношению к электромагнитному ПРА, так и к высокочастотному ЭПРА. Кроме того, они имеют более сложную конструкцию. ЭПРА ДЭКСИ имеет интегрированное в схему зажигающее устройство, алгоритм работы и конструкция которого позволяют сохранять работоспособность ЭПРА неограниченное время в случае, если лампа не-

54

www.lightingmedia.ru

исправна или отсутствует, что является существенным преимуществом перед ЭмПРА. Все модели ЭПРА ДЭКСИ обеспечивают стабилизацию мощности лампы, нагружая лампу до ее номинальной мощности. Т.е. независимо от состояния лампы (старение, износ, дефекты), мощность в лампе всегда будет поддерживаться на номинальном уровне. Все модели ЭПРА ДЭКСИ проектируются в соответствии с требованиями как действующих, так и перспективных стандартов на электромагнитную совместимость.

ВЛИЯНИЕ ЭПРА НА СРОК СЛУЖ БЫ ЛАМПЫ Влияние ЭПРА на срок службы лампы, безусловно, положительное. При работе от ЭПРА в лампе исчезают такие механизмы старения лампы, как импульсы перезажигания, выпрямительный эффект, перегрузка лампы при повышенном напряжении питающей сети, неоптимальный алгоритм поджига лампы. Отсутствие этих факторов в сумме предполагает увеличение срока службы. Положительным свойством является стабилизация мощности лампы на заданном уровне независимо от ее срока службы. Для подтверждения или опровержения этого предположения, с 2004 года компания ДЭКСИ совместно со своими партнерами начала эксперимент по эксплуатации ламп типа ДнАЗ (зеркальная натриевая лампа высокого давления) мощностью 70, 100, 150, 250 Вт с высокочастотными ЭПРА ДЭКСИ. ЭПРА ДЭКСИ безразлично, стоит лампа ДнАТ или ДнАЗ, выбор пал в пользу ламп ДнАЗ как по причине их повышенной энергоэффективности (лампа ДнАЗ 100 уверенно заменяет лампу ДРЛ 250), так и по тому, что они разработаны и производятся в России, и производитель нес солидарную ответственность в случае неудачного исхода эксперимента. По результатам эксплуатации почти 20000 ламп ДнАЗ в наружном освещении на сегодня мы получили, что при работе с ЭПРА нашей компании реальный срок службы серийных ламп, типа ДнАЗ приближается к 25000 часам, при уровне отказа ламп не

более 2% без учета случаев вандализма. Стендовые испытания, которые проводились в компании ДЭКСИ с конца 90-х годов, показали, что лампы типа ДнАТ сохранили работоспособность и при сроке наработки более 30000 часов. Конечно, наблюдалось снижение светоотдачи лампы, но он было не столь драматическое, как при эксплуатации с ЭмПРА. Для сравнения, при работе от ЭмПРА в системе наружного освещения, лампа ДнАТ в среднем реально служит 8000 часов. Если учесть, что производители определяют срок службы лампы как время, в течение которого из испытуемой партии вышло из строя 50% ламп, то истинные резервы увеличения ресурса при работе с ЭПРА пока неизвестны. Относительно ламп ДРИ статистики такого масштаба пока нет, она в стадии наработки, т.к. первые реальные объекты наружного освещения с осветительными установками на основе ЭПРА, были запущены в середине 2007 года (освещение перронов Казанского вокзала г. Москва, ЭПРА ДЭКСИ третьего поколения мощностью 150 Вт и 400 Вт). Но уже на сегодня мы наблюдаем четко выраженную тенденцию к увеличению реального срока службы при работе с ЭПРА ДЭКСИ, аналогичную лампам типа ДнАТ, ДнАЗ. В итоге на сегодняшний день ситуация такова, что мировые производители ламп начинают выводить на рынок продукты, предназначенные для работы как с высокочастотными, так и с низкочастотными ЭПРА (“Made for Electronic and Digitals Ballasts”). В линейке продуктов некоторых крупных компанийпроизводителей ламп появились лампы для применения с ЭПРА ДЭКСИ. С другой стороны, опыт эксплуатации показал, что если лампа изначально некачественная, то не стоит ожидать, что с ЭПРА она будет работать существенно дольше, чем с ЭмПРА. Поэтому, покупая лампу по цене в 2—3 раза ниже цены рынка надо быть готовым к скорой замене лампы, независимо от того, с каким аппаратом она эксплуатируется.

силовая электроника для светотехники Таким образом, получается, что при работе с ЭПРА лампа типа ДнАТ способна безпроблемно отработать 5—6 лет, и по этому показателю вполне может поспорить со светодиодным светильником, основное декларируемое преимущество которого в ожидаемом существенном увеличении срока службы осветительной установки и периода обслуживания. Тем более что, как и в случае с ЭПРА, основным определяющим надежность элементом является электронный преобразователь, а не собственно светодиоды, да и без чистки оптической системы не обойтись.

НАПРЯЖЕНИЕ И КОНСТРУКЦИЯ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ, КАК ФАКТОР НАДЕЖНОСТИ В сети электропитания периодически возникают аварийные процессы, сопровождающиеся выбросами напряжения. Реальность структуры потребления электроэнергии такова, что основным источником искажений питающей сети стал коммунальнобытовой сектор из-за широкого внедрения импульсных источников питания. Максимум напряжения питающей сети наблюдается в ночное время, при минимальной загрузке энергосистемы. Экстремумы амплитуды импульсных помех приходятся на время массового включения и выключения оборудования — начало и конец рабочего дня, обеденный перерыв. В летний период количество выбросов напряжения увеличивается. В целом следует считаться, что в осветительной сети возможно как длительное снижение напряжения до 160...180 В, так и повышение напряжения до 240…264 В. На время до нескольких минут напряжение может возрасти до 280 В, на несколько секунд — до 300…320 В и до 400 В при длительности 0,2 с, а также неограниченное количество импульсов перенапряжения длительностью десятки и сотни микросекунд амплитудой до 2500В. Ситуация усугубляется, если питающая сеть является воздушной. Во-первых, индуктивное сопротивление воздушной линии электропередач в несколько раз выше, чем индуктивное сопротивление линии электропередач на СИП, во-вторых, вероятность межфазных замыканий в воздушной линии существенно выше, в-третьих, воздушная осветительная сеть — это, как правило, довольно изношенное оборудование, в котором большинство соединений выполнено на скрутках. А если к этому добавить не всегда достаточный профессиональный уровень электромонтажников, частенько проверяющих наличие напряжения посредством короткого замыкания, то проектирование надежного ЭПРА (или источника питания для светодиодного светильника — требования по надежности и условиям эксплуатации сравнимы) становится нетривиальной задачей. С 2009 года в производство были запущены ЭПРА ДЭКСИ пятого поколения. Они имеют эффективную систему защиты против воздействия импульсов сверхвысокого напряжения, параметры и устойчивость к воздействию которых определяется соответствующими современными стандартами, тем не менее, все имеет свой предел, определяемый экономической целесообразностью, и если энергия импульса сверхвысокого напряжения выше расчетного значения, то ЭПРА придет в негодность. ЭПРА ДЭКСИ позволяет работать в диапазоне

напряжения питающей сети 180. . .265 В для стандартного ЭПРА и 140. . .265В для расширенного. В этом диапазоне мощность лампы стабилизируется в пределах ±3% или ±5% от её номинальной мощности в зависимости от модификации ЭПРА. Если напряжения питающей сети выходит за данный диапазон, мощность лампы понижается до минимально возможного значения. ЭПРА мгновенно отключает лампу, если напряжение питающей сети больше 340В и позволяет длительное время находиться под напряжением до 380В. ЭПРА снижает мощность нагрузки, если напряжение питающей сети ниже или выше рабочего. ЭПРА ДЭКСИ пятого поколения полностью соответствует современным нормам по электромагнитной совместимости. Специалисты компании ДЭКСИ непрерывно совершенствуют схемотехнику ЭПРА с целью обеспечить еще большую защищенность от аварийных режимов работы электрической сети, которые изза значительного износа оборудования возникают все чаще и чаще. Как любому первопроходцу, нам не удалось избежать трудных ошибок, допущенных при проектировании ЭПРА ранних поколений. В значительной мере они были спровоцированы тем, что реальная ситуация в электрических сетях оказалась более драматической, нежели это описывалось в стандартах, действовавших на тот период времени. Справедливости ради надо сказать, что и в настоящее время еще не окончена работа по формированию требований к экономически целесообразной степени устойчивости ЭПРА (источника питания для светодиодного светильника) для безаварийной эксплуатации на любом объекте наружного освещения на территории России. С другой стороны, по нашим наблюдениям, если служба главного энергетика добросовестно исполняет свои обязанности, то и проблемы в сетях являются форс-мажорной ситуацией. При другом подходе обнаруживался целый букет проблем, а крайним назначался ЭПРА, что не могло не осложнять внедрение технологии ЭПРА. Тем не менее, учитывая горький опыт, совершенствуя производство, в условиях постоянного дефицита ресурсов, мы добились снижения вероятности отказа ЭПРА ДЭКСИ для наружного освещения с 50% (по результатам 2005 года) до значения около 1% в год (по результатам 2009 года) и

Современная светотехника, #2 2010

55

силовая электроника для светотехники

Рис. 7.

намерены добиваться дальнейшего снижения этой цифры.

ЭПРА С ВОЗМОЖНОСТЬ УПРАВ ЛЕНИЯ СВЕТОВЫМ ПОТОКОМ Все ЭПРА ДЭКСИ предоставляют возможность плавного регулирования мощности лампы. В зависимости от специфики осветительной установки, сигнал управления может передаваться по двум дополнительным проводам, по одному дополнительному проводу, либо вообще без дополнительных проводов по линии питающей сети. Для наружного освещения наиболее перспективным является третий вариант, который в общепринятой терминологии фигурирует как управление посредством PLC-модема. Начиная с 2008 года более 4000 светоточек наружного освещения эксплуатируется с управляемыми по технологии PLC- модема ЭПРА ДЭКСИ. Для реализации возможности регулирования с помощью PLCмодема к ЭПРА ДЭКСИ подключается схема приема команд, а в пункт питания устанавливается блок управления. После получения соответствующей команды, ЭПРА осуществляет плавное понижение потребляемой комплектом «лампа-ЭПРА» мощности до уровня, определяемого командой. Максимально мощность мо-

56

www.lightingmedia.ru

жет быть снижена с уровня 100% мощности до уровня 50% от номинального с шагом 10% . Соответственно изменяется световой поток лампы. При выборе мощности 0% происходит отключение ЭПРА.

УПРАВЛЕНИЕ СВЕТОВЫМ ПО ТОКОМ, ОСНОВНЫЕ ВОЗМОЖ НОСТИ Управление без дополнительных проводов по линии питающей сети требует установки в подстанцию блока управления, в который встроен PLC-модем. Алгоритмы, способ модуляции и протокол общения между модемом и ЭПРА, схемотехника PLC-модема и схемы приема команд — полностью отечественная разработка компании ДЭКСИ. Количество блоков управления зависит от структуры системы энергоснабжения осветительной сети. Если подстанция одна, то блок один, если две, то блоков два, и т.д. Блок управления подключается к трем фазам в произвольном порядке и не требует никаких изменений в схеме энергоснабжения. Возможный вариант подключения приведен на рисунке 7. Количество осветительных установок, регулируемых от одного блока управления, зависит только от общей протяженности осветительных сетей, подведенных к распределительной

подстанции, в которой установлен блок управления. Блок управления имеет встроенную энергонезависимую память на десять суточных режимов управления освещением. При необходимости, к блоку управления можно подключить внешний астрономический таймер. С августа для заказа будет доступен блок управления со встроенным астрономическим таймером, где координаты местности можно заносить либо вручную, либо автоматически посредством GPS/ГЛОНАСС. Блок управления просто интегрируется в любую существующую автоматизированную систему управления наружным освещением, поддерживающую технологию взаимодействия открытых систем. Для этого он должен быть подключен к соответствующей информационной шине (в зависимости от модели — CAN, ETHERNET, RS485, сухие или потенциальные контакты и т.д. плюс встроенное перекидное реле). Современное законодательство предоставляет потребителю возможность потребовать коррекции тарифа на электрическую энергию, если ее качество не соответствует стандарту. Блок управления может работать совместно с анализатором качества электрической энергии DM306M, разработанный компанией ДЭКСИ и который имеет Сертификат об утверждении типа средств измерений № RU.С.34.004.А № 30083 Госреестр № 36598-07. Анализатор осуществляет непрерывный контроль качества электрической энергии по параметрам, приведенным в таблице 2. Возможный вариант подключения приведен на рисунке 8. Часто пункты питания уже оборудованы счетчиками электрической энергии. Они подключены к токовым трансформаторам, и подключение другого измерительного оборудования к этим трансформаторам сбытовой организацией не приветствуется. Для решения этой проблемы, к анализатору DM306M подключаются дополнительные токоизмерительные клещи производства ФГУП НИЭМ, либо, если фидер диаметром более 62 мм, пояс Роговского.

силовая электроника для светотехники Современные счетчики дают потребителю в том числе и информацию о токе и напряжении. Но метод вычисления этих величин, принятый в счетчиках, как правило, не позволяет контролировать соответствие качества поставляемой электроэнергии требованиям действующего ГОСТ 13109, т.к. счетчики в первую очередь предназначены для решения задачи коммерческого учета. ГОСТ 13109 формулирует требования к точности, статистической выборке, частоте дискретизации, окну наблюдения и т.д. оборудования, предназначенного для контроля качества электрической энергии. На рисунке 9 дана типовая форма отчета по данным от DM306M для одного из объектов в г. Москве. В анализаторе качества электрической энергии DM306M применены современные схемотехнические решения и технологические материалы. Для точного измерения гармонического состава тока вплоть до 40 гармоники встроенные токовые трансформаторы изготовлены на магнитопроводе из нанокристаллического аморфного материала. Анализаторы DM306M успешно эксплуатируются на таких объектах, как ВГТРК, ТТЦ Останкино и еще более 10 ответственных объектах телекоммуникации и связи. Блок управления периодически посылает цифровой сигнал управления по трем фазам одновременно. Цифровая команда управления передается по тем же силовым проводам, от которых запитаны осветительные установки, т.е. не требуется прокладка дополнительного провода. Из-за естественного затухания уровня сигнала управления по мере удаления от распределительной подстанции и распределенной топологии сетей электропитания населенного пункта, зона уверенного приема ограничена радиусом не более 2500 метров от блока управления, чем в итоге и определяется количество управляемых светоточек. В одной осветительной сети могут быть установлены как регулируемые, так и нерегулируемые осветительные установки (в т.ч. и с ЭмПРА). Каких либо противоречий, конфликтов и сбоев это не вызовет.

Рис.8.

Цифровой протокол управления предоставляет возможность либо группового (широковещательный режим), либо индивидуального управления осветительными установками по заранее присвоенному адресу. Присвоение адреса происходит на этапе проектирования осветительной сети, адрес записывается производителем в энергонезависимую память в схеме приема команд. Протокол управления позволяет независимо адресовать 31 устройство + один широковещательный адрес.

ЭПРА периодически считывает информацию, посылаемую блоком управления, после чего выполняет действия, определяемые считанной командой. ЭПРА может отказаться от выполнения команды, если это нарушает режим безопасной работы ЭПРА (пониженное или повышенное напряжение питающей сети, работа на старую лампу). Если в течение 90 секунд схема приема команд не сумела установить связь с блоком управления, то ЭПРА переходит

Таблица 2

Измеряемая характеристика

Диапазон измерений

Пределы допускаемой погрешности: – абсолютная Δ; – относительная δ, %; – приведённая γ, %

1. Установившееся отклонение напряжения, δUУ, %

–20...20

±0,5 (Δ)

2. Отклонение частоты Δf, Гц

–5...5

±0,03 (Δ)

3. Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения KU, %

0,1...30

±10 (γ)

при f = 50 Гц 2 ≤ n ≤ 40 при f = 50 Гц

4. Коэффициент n–ой гармонической составляющей напряжения KU(n), %

0 ≤ KU(n) < 1,0

±0,05 (Δ)

1,0 ≤ KU(n) < 30

±5 (δ)

5. Коэффициент n–ой гармонической составляющей тока KI(n), %

0 ≤ KI(n) < 1,0

±0,05 (Δ)

1,0 ≤ KI(n) < 30

±5 (δ)

6. Длительность провала напряжения ΔtП, с

0,01—60

±5 (δ)

7. Глубина провала напряжения ΔUП, %

10—100

±2 (Δ)

8. Длительность перенапряжения ΔtперU, с

0,01—60

±5 (δ)

9. Коэффициент временного перенапряжения KперU

1,1...1,5

±0,05(Δ)

0,1...1,0

±0,02 (Δ)

11. Активная мощность P, Вт

10. Коэффициент мощности cosφ

(0,8...1,2)Uном* (0,1...1,2)Iном

±2 (δ)

12. Реактивная мощность Q, Вар

(0,8...1,2)Uном* (0,1...1,2)Iном

±2 (δ)

13. Полная мощность S, ВА

(0,8...1,2)Uном* (0,1...1,2)Iном

±2 (δ)

Современная светотехника, #2 2010

Дополнительные условия

2 ≤ n ≤ 15 при f = 50 Гц

57

силовая электроника для светотехники

Рис. 9.

в неуправляемый режим, т.е. режим обычной работы на полной (100%) мощности. Именно поэтому в ЭПРА со схемой приема команд имеется задержка момента включения (приблизительно 90 сек) лампы относительно момента подачи питающего напряжения на ЭПРА, если в сети отсутствует или неисправен блок управления. В настоящее время протокол управления однонаправленный, но ведутся испытания элементов системы, позволяющие организовать двунаправленность. Уровень и частотный диапазон сигналов управления соответствует ГОСТ Р 51317.3.8-99(МЭК 61000-3-8-97) «Передача сигна-

58

www.lightingmedia.ru

лов по низковольтным электрическим сетям».

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОТ ПРИМЕНЕНИЯ ЭПРА ДЭКСИ Замена в осветительных установках традиционного ЭмПРА на ЭПРА ДЭКСИ с функцией регулирования светового потока дает как прямой, так и косвенный экономический эффект. К прямому эффекту относится экономия затрат на оплату электроэнергии и на эксплуатацию светоточек (осветительной сети). Затраты на оплату электроэнергии включают в себя стоимость потребленной активной мощности и реактивной мощности, если последняя учитывается в структуре тарифных ставок.

Потребленная активная мощность складывается из полной активной мощности всех осветительных установок, а также потерь активной мощности в распределительной сети и потерь мощности в понижающем трансформаторе 10(6)/0,4 кВ. Использование ЭПРА ДЭКСИ с функцией регулирования светового потока позволяет экономить до 40% электроэнергии. В таблице 3 приведен расчет часов работы и экономия электроэнергии для нижеприведенного режима управления. Расчет времени включения/ отключения рассчитывается встроенным в блок управления астротаймером. Как видно из таблицы, для повышения энерго-

силовая электроника для светотехники эффективности осветительной сети целесообразно подбирать режим управления, наиболее оптимальный для данной местности. Если длительность сумерек не учитывается, то включение/отключение происходит в момент пересечения верхней кромки солнца линии горизонта (в астрономическом смысле). Если учитывается полная длительность гражданских сумерек, то включение/отключение происходит, когда на небе становятся видны только самые яркие звезды. Соответствующей настройкой блока управления можно подобрать промежуточное значение длительности, наиболее оптимальное для данной местности. Основным фактором, позволяющим снизить эксплутационные расходы при отказе от ЭмПРА в пользу ЭПРА, является существенное увеличение реального срока службы лампы. Опыт эксплуатации статистически значимого количества светильников с ЭПРА ДЭКСИ для наружного освещения доказал справедливость такого предположения о чем было сказано ранее. Тогда потребитель экономит как за счет увеличения периода замены ламп, так и на стоимости заменяемых ламп. К косвенному экономическому эффекту следует отнести более низкую стоимость создания осветительной сети за счет прокладывания провода меньшего сечения, а также экономию на понижающих трансформаторах 10(6)/0,4 кВ. Эффект проявляется в увеличении пропускной способности понижающих трансформаторов за счет увеличения коэффициента мощности осветительных установок, что позволяет оценивать эффективность применения ЭПРА как альтернативу строительству новых трансформаторных подстанций. Допустим, что ранее рассмотренный пример осветительной сети на основе ЭПРА ДЭКСИ с функцией регулирования светового потока реализован в г. Москве. Для оценочного расчета срока окупаемости проекта положим, что: 1) Стоимость ЭПРА ДЭКСИ 250Вт с функцией регулирования светового потока 2200руб,

Рис. 10.

Мощность

Время включения режима

50%

0:00

60%

6:00

100%

7:00

70%

20:00

60%

21:00

Таблица 3 С учетом полной длительности гражданских сумерек

Без учета длительности гражданских сумерек

Часов работы в год

Экономия электроэнергии

Часов работы в год

Экономия электроэнергии

Астрахань

3743

40,01%

4292

38,33%

Ростов-на-Дону

3727

41,31%

4290

39,04%

Воронеж

3641

40,88%

4278

38,42%

Москва

3520

40,39%

4262

37,69%

Санкт-Петербург

3260

39,39%

4237

36,73%

Воркута

3014

32,91%

4129

30,09%

Архангельск

3081

37,13%

4183

34,49%

2) Стоимость блока управления в минимальной конфигурации — 9600 руб, 3) Стоимость типового ЭмПРА — 600 руб, 4) Тариф — 2,5 руб/кВт·час, 5) Средний коэффициент роста стоимости тарифов естественных монополий — 20%/ год, 6) Длительность работы — 4262 часов/ год 7) Снижение потребления электроэнергии за счет регулирования — 37,69% Результат сравнительного расчета приведен на рисунке 10. Из графика следует, что проект окупается за срок около 1 года только за счет возможности регули-

рования светового потока, даже без учета таких свойств ЭПРА ДЭКСИ, как увеличение срока службы лампы, отсутствие пускового тока (возможность применения проводников меньшего сечения и цены), высвобождение резерва мощности трансформатора за счет повышения коэффициента мощности. В заключении хотел бы выразить особую благодарность господам Пчелину В.М., Новосельцеву А.В., Зинченко В.К., Хруслову Л.Л., Новикову Л.С. без активного участия которых в судьбе нашей компании невозможно было бы появление этой статьи.

Современная светотехника, #2 2010

59

силовая электроника для светотехники

Управление яркостью свечения светодиодов с помощью модульных DC/DC-драйверов Андрей Конопельченко, Сергей Кривандин (КОМПЭЛ)

Я

Яркость свечения светодиода зависит от протекающего через него тока. Для питания светодиода требуется обеспечить постоянство значения этого тока. При этом ток должен быть необходимой величины, которая определяется требуемой оптимальной яркостью и цветом свечения светодиода. Перед выбором драйвера светодиодов необходимо: – выяснить, что требуется: постоянное напряжение (если нагрузкой является светодиодная линейка) или постоянный ток (если нагрузка — сверхъяркие светодиоды); – определить выходное напряжение драйвера и/или выходной ток, а также полную мощность; – определить диапазон входного напряжения; – уточнить диапазон рабочих температур и требования по защите от воздействий окружающей среды (ingress protection, IP).

– оценить требования к КПД, электробезопасности и электромагнитной совместимости, проверить эти параметры по фирменному описанию (data sheet) драйвера. Все многообразие решений можно свести к следующим случаям: 1) проектирование и изготовление собственного оригинального драйвера на основе интегральных схем AC/DC- или DC/ DC-драйверов светодиодов, 2) выбор готового модульного драйвера (AC/DC или DC/DC).

60

www.lightingmedia.ru

В первом случае возможно учесть особенности и нюансы конкретного проектируемого светильника, его применения, места установки и т.д. Во втором случае обеспечивается гарантированное качество решения технической задачи и высокая скорость выхода нового светодиодного светильника на рынок. В современных условиях именно скорость выхода на рынок новых востребованных изделий становится важнейшим фактором выживания и сохранения компании. Проектированию драйверов светодиодов на интегральных схемах посвящено значительное количество статей и технических семинаров. Модульные AC/DC-драйверы светодиодов тоже хорошо известны. А вот модульные DC-DCдрайверы этого типа известны не так широко. Предлагаемый вниманию читателей материал знакомит с модульными DC/DC-драйверами компании PEAK electronics для монтажа на печатную плату, которые предназначены для питания сверхъярких светодиодов.

ДРАЙВЕРЫ СВЕТОДИОДОВ В МОДУЛЬНОМ ИСПОЛНЕНИИ Производители светотехнического оборудования — специалисты в оптике и освещении. Для создания светодиодного светильника надо разбираться еще и в электронике. Задачу упрощает применение уже готовых модульных светодиодных драйверов, которые работают по принципу «включил и работает» и не требуют для применения глубоких познаний в электронике. Компания PEAK electronics выпускает три серии модульных DC/DC-драйверов светодиодов: PLED, PLED-S и PLED-T с выходными токами 300, 350, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100 или 1200 мА.

Уровень выходного тока каждого драйвера можно изменить подачей управляющего напряжения на специальный вывод модуля.

PLED — это серия мощных драйверов в стандартном для DC/DCпреобразователей корпусе типа DIP24 (рис. 1), PLED-S и PLED-T — малогабаритные изделия в корпусах типа DIP14 и DIP16 соответственно. Варианты моделей и параметры драйверов серии PLED приведены в таблице 1. Число в наименовании указывает на значение выходного тока в миллиамперах, суффикс «LF» (Lead Free) означает бессвинцовое исполнение. Основные параметры модулей PLED: – Диапазон входного напряжения 5...36 В, – Стабилизированный выходной ток, – Возможность управления выходным током, – Дистанционное включение/ выключение, – Диапазон рабочих температур от –40 до 85°С. Выходная мощность варьирует от 9 до 38 Вт в зависимости от модели. Это значительная мощность для преобразователя, реализованного в компактном корпусе типа DIP24, но драйверы серии PLED имеют высокий КПД до 96% и не требуют специальных мер для отвода тепла.

Компания PEAK electronics выпускает три серии модульных DC/DC-драйверов светодиодов: PLED, PLED-S и PLED-T с выходными токами 300, 350, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100 или 1200 мА

силовая электроника для светотехники УПРАВЛЕНИЕ ЯРКОСТЬЮ СВЕЧЕНИЯ СВЕТОДИОДОВ И ДИСТАНЦИОННОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ/ВЫКЛЮЧЕНИЕ Типовая схема включения драйвера PLED приведена на рис. 2. Драйвер можно применить без обвязки, подавая на вход постоянное напряжение 5, 12, 15, 24 или 36 В и получая на выходе стабилизированный ток для питания светодиодов. Включение входного LCфильтра не является обязательным, он применяется только в том случае, если перед разработчиком стоит задача удовлетворить требования стандарта CISPR22 по электромагнитному излучению класса B. Производитель драйвера рекомендует номинальное значение индуктивности L не менее 120 мкГ при указанных на рисунке 2 номиналах конденсаторов. Можно увеличить значения емкостей фильтра для уменьшения номинала индуктивности L. Максимально допустимый ток через дроссель L определяется моделью выбранного драйвера светодиодов PLED (параметры драйверов приведены в таблице 1). Максимальный ток через дроссель будет протекать при минимальном входном напряжении. Значение тока дросселя будет определяться и величиной стабилизированного тока через светодиоды (от 300 до 1200 мА) и падением напряжения на последовательно включенных светодиодах. Например, при напряжении на светодиодах 30 В и токе 1200 мА при минимальном входном напряжении 5 В через индуктивность будет протекать ток порядка 30/5 ∙ 1200 = 7200 мА (без учета КПД драйвера). Для более точного расчета необходимо полученный ток разделить на минимальное значение величины КПД. Однако можно остановиться на полученном значении, т.к. все равно нужно обеспечить запас по току дросселя. Если минимум рабочего напряжения на входе имеет другое значение (более 5 В), то номинал индуктивности будет иметь меньшее значение, что значительно расширяет выбор дросселя, уменьшает его габариты и снижает стоимость. Выбрать конкретное наименование дросселя и конденсаторов можно с помощью параметрического поиска на сайте www.catalog.compel.ru в

№ вывода 1 2, 3 9, 11 14 16 22, 23 24

Назначение Ctrl (Вкл/Выкл) -Vin (-Uвх) Не соединен LED+ (Выход+) LED- (Выход-) +Vin (+Uвх) DIM (Управление)

Рис. 1. Драйвер серии PLED: внешний вид, расположение и назначение выводов, размеры корпуса

Рис. 2. Схема включения драйвера серии PLED

разделе «Пассивные компоненты». Вывод «Ctrl» (Control — Управление) драйвера PLED служит для дистанционного включения/ выключения модуля, а значит, и светодиодов, что востребовано в устройствах с батарейным питанием. Дистанционное включение/выключение можно осуществить сигналом с выхода микроконтроллера или с помощью тумблера. Для включения модуля значение напряжения на входе «Ctrl» должно быть в диапазоне от 0 до 0,6 В, для выключения — в диапазоне от 0,7 до 5 В. Потребление по цепи управления не превышает 1 мА.

Вывод «DIM» предназначен для управления выходным током, т.е. яркостью свечения светодиодов. На этот вывод можно подавать аналоговое управляющее напряжение или сигнал с широтноимпульсной модуляцией (ШИМ). В первом случае применяется постоянное напряжение в диапазоне 0...4,5 В или 0...5 В в зависимости от модели (см. табл. 1). Пример регулировочной характеристики модуля PLED-300LF представлен на рисунке 3. Регулировочная характеристика линейна в диапазоне управляющих напряжений от 0 до 4 В. Увеличение управляющего напряжения с 4 до 5 В полностью выключает свето-

Таблица 1. Варианты моделей драйверов светодиодов серии PLED Наименование PLED-300LF PLED-350LF PLED-500LF PLED-600LF PLED-700LF PLED-800LF PLED-900LF PLED-1000LF PLED-1100LF PLED-1200LF

Iвых, мА 300 350 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Uвх, В 5...36 5...36 5...36 5...36 5...36 5...36 5...36 5...36 5...36 5...36

Pвых, Вт 9,6 11,2 16 19,2 22,4 25,6 28,8 32 35,2 38,4

Uвых, В 2...32 2...32 2...32 2...32 2...32 2...32 2...32 2...32 2...32 2...32

Современная светотехника, #2 2010

UDIM, В 0...4,5 0...4,5 0...4,5 0...5 0...5 0...5 0...5 0...5 0...5 0...5

61

силовая электроника для светотехники от модели (см. табл. 2), а КПД преобразователей достигает 95%. Диапазон рабочих температур составляет –40...71°С для PLED-T1000LF и –40...85°С для остальных моделей.

УПРАВЛЕНИЕ ТОКОМ СВЕТОДИОДОВ С ПОМОЩЬЮ ДРАЙВЕРОВ PLEDS ИЛИ PLEDT Рис. 3. Регулировочная характеристика драйвера светодиодов PLED-300LF

Рис. 4. Внешний вид драйверов серии PLED-S

Рис. 5. Схема, где ток светодиодов управляется аналоговым напряжением с помощью переменного резистора

диод. Числа у треугольников указывают значение выходного тока при подаче на управляющий вход «DIM» драйвера напряжения 0, 1, 2, 3, 4 или 5 В В зависимости от скважности ШИМ-импульсов, подаваемых на управляющий вход «DIM», меняется значение выходного тока драйвера и частота вспышек светодиодов. Скважность импульсов можно менять в диапазоне 10—90%, а максимальная частота управляющих ШИМ-импульсов не должна превышать 200 Гц. Если функции дистанционного включения/выключения или управления яркостью свечения светодиодов не востребованы в конкретной задаче, соответству-

ющие выводы драйвера можно никуда не подключать.

МИНИАТЮРНЫЕ ДРАЙВЕРЫ СВЕТОДИОДОВ СЕРИЙ PLEDS И PLEDT Драйверы серий PLED-S и PLED-T отличаются от PLED более компактными корпусами DIP14 и DIP16 соответственно с размерами 20,32×10,16×6,88 и 23,4×14,0×10,2 мм. Внешний вид модуля серии PLED-S приведен на рисунке 4. Модули питания светодиодов PLED-S и PLED-T имеют широкий диапазон входных напряжений — от 7 до 30 В. Выходной ток драйверов может принимать значения от 300 до 1000 мА в зависимости

Таблица 2. Варианты моделей драйверов светодиодов серий PLED-T и PLED-S Наименование

Iвых, мА

Uвх, В

Pвых, Вт

Uвых, В

PLED-S-300LF

300

7...30

8,4

2...28

DIP14

PLED-S-350LF

350

7...30

9,8

2...28

DIP14

PLED-T-500LF

500

7...30

14

2...28

DIP16

PLED-T-600LF

600

7...30

16,8

2...28

DIP16

PLED-T-700LF

700

7...30

19,6

2...28

DIP16

PLED-T-1000LF

1000

7...30

28

2...28

DIP16

62

www.lightingmedia.ru

Регулировочная характеристика

Корпус

Модули PLED-T и PLED-S имеют функции дистанционного включения/выключения и управления выходным током, отличие от PLED состоит в том, что обе функции совмещены на одном управляющем выводе «PWM». Схема управления яркостью свечения светодиодов с помощью управляющего напряжения представлена на рисунке 5. Управление яркостью свечения светодиодов LED_1—LED_N осуществляется изменением управляющего напряжения на выводе «PWM» путем вращения ручки переменного резистора R3. Основным элементом схемы управления драйвером является регулируемый источник опорного напряжения TL431, с которого снимается стабилизированное напряжение 2,5 В. Резистором R1 задается ток через стабилизатор TL431. Рекомендуемое значение резистора R1 составляет 4,7 кОм, при этом напряжение U1 может быть любым в диапазоне от 5 до 30 В. Цепь, состоящая из последовательного соединения резисторов R2 и R3, представляет собой делитель, который формирует напряжение от 0 до 1,25 В на управляющем выводе. Рекомендуемые значения постоянного R2 и переменного R3 резисторов составляют по 10 кОм каждый. Преимуществами этой схемы является отсутствие зависимости параметров драйвера от значения напряжения U1 и возможность использования входного напряжения питания драйвера для формирования управляющего напряжения (значения U+ и U1 одинаковы). В ряде случаев изменять значение выходного тока драйвера PLED-S или PLED-T вращением ручки переменного резистора неудобно. Можно применить схему управления ШИМ-импульсами, одним из возможных источников которых может быть микроконтроллер. Схема включения представ-

силовая электроника для светотехники

Рис. 6. Схема, где ток светодиодов управляется ШИМ-импульсами

ным параметрам удобно пользоваться сайтом http://catalog. compel.ru/, на котором представлены электронные компоненты и модули. Для параметрического поиска сначала нужно выбрать тип нужного компонента, например, для поиска источников питания для светодиодов необходим следующий путь поиска: Модульные ИП → ИП для LED. На экране появится окно, в котором можно задать нужные параметры, например, входное напряжение 24 В, производитель (бренд) PEAK (рисунок 7). Кликнув на наименование подходящего изделия, можно открыть новое окно, где будут приведены основные технические параметры на русском языке, приведено фирменное описание производителя и показано наличие на складе и цены компонента в зависимости от количества. На том же сайте легко выбрать мощные светодиоды в разделе Индикация/Светодиоды/LED мощные (для освещения) или по ссылке http://catalog.compel.ru/ power_led/list?STOCK=.

ПРЕИМУЩЕСТВА МОДУЛЬНЫХ ДРАЙВЕРОВ СВЕТОДИОДОВ

Рис. 7. Результаты поиска модульных драйверов светодиодов PEAK со входом 24 В

лена на рисунке 6. В схеме рис. 6 в качестве драйвера управляющего напряжения применяется биполярный транзистор, однако он может быть заменен на полевой транзистор. В качестве VT1 можно применить транзисторы BC817, BC639, BCX56 или BCP56 из номенклатуры компании КОМПЭЛ со склада в Москве. Наличие резистора R1 и диода VD1 в цепи управления

драйвером позволяет убрать отрицательные выбросы, которые могут приводить к нестабильной работе драйвера. Рекомендован диод 1N4148, резистор R1 — сопротивлением 10 кОм.

МОДУЛЬНЫЕ DC/DCДРАЙВЕРЫ СВЕТОДИОДОВ НА САЙТЕ catalog.compel.ru Для быстрого поиска драйверов и модулей питания по задан-

Главным достоинством модульных драйверов светодиодов является простота применения: они не требуют подключения внешних компонентов и используются по принципу «включил и работает». Эта простота позволяет разработчику светодиодного светильника или системы подсветки быстро состыковать драйвер со своей схемой управления яркостью свечения светодиодов. Все это ускоряет процесс разработки нового изделия и увеличивает скорость его выхода на рынок, что является главнейшим условием динамичного развития и устойчивого

Тайвань заменит 1,3 млн ламп в уличном освещении светодиодными Президент Тайваня Ма Йинг-джоу объявил о том, что вслед за установкой светодиодных ламп для освещения дорог, которая завершится к концу этого года, правительство с 2011 г. приступит к реализации планов по замене 1,3 млн традиционных ламп в уличном освещении на светодиодные светильники. Эти меры станут прелюдией к переходу на светодиодное освещение во всех правительственных офисах.

64

www.lightingmedia.ru

Объем реализации одной только программы уличного освещения составит 10 млрд тайваньских долл. (312,5 млн долл. США) для отечественных производителей светодиодного осветительного оборудования — компаний Epistar Corporation, Everlight Electronics, LiteOn Technology и Delta Electronics. При этом возможен дефицит поставок светодиодных кристаллов.

Президент Ма отметил энергичное развитие положения компании. светодиодной отрасли Тайваня, продукция которой занимает первое место в мире по объемам и второе место — по стоимости. При этом ее доля на мировом рынке составила в прошлом году 25%, увеличившись с 16% в 2008 г. Данный показатель уступает только Японии. www.ledinside.com/News_LED_StreetLights_TW_20100518

системы управления освещением

Анализ эффективности управления энергосбережением в наружном освещении Революционное развитие технологий в области наружного освещения позволяет существенно сократить энергопотребление за счет рационального управления. В статье кратко описаны применяемые и перспективные энергосберегающие технологии с примене-

нению современных автоматизированных систем управления. В данной работе авторы попытались систематизировать технологии энергосбережения в НО и дать сравнительную оценку их экономической эффективности.

нием различных типов светильников. Определены критерии и представлена методика оценки эффективности внедрения вариантов этих технологий с учетом экономических показателей. Приведены результаты расчетов по разработанной методике для типового участка осветительной сети скоростной автодороги. Определены перспективные направления развития энергосбережения в наружном освещении.

ВВЕДЕНИЕ

В

В последние десятилетия проблема энергосбережения в области освещения становится все более актуальной из-за роста вероятности дефицита энергии. Общая доля мирового производства электроэнергии, затрачиваемая на освещение, доходит, по разным источникам до 20—30%, и значительная ее часть приходится на наружное освещение (НО). В проекте Федерального закона «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» закладываются основы государственной политики в этой области, при этом большое внимание уделено разработке программ повышения энергетической эффективности в основных отраслях и определение потенциала энергосбережения. Ведущие компании в области освещения проводят исследования и разработки с целью создания технологий управления энергосбережением в области НО. Реализация таких технологий обеспечивается благодаря приме-

КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ЭКС КУРС РАЗВИТИЯ ИСКУССТВЕННОГО ОСВЕЩЕНИЯ За тысячелетия развития искусственного освещения человечество пережило ряд технологических революций, пытаясь создать все более экономичный и удобный источник света. Прогресс в области источников света, использующих сжигаемые материалы (костер, факел, лучина, масляная лампа, свеча, керосиновая лампа, газовый фонарь), закончился на рубеже XIX и XX веков переходом к электрическим источникам света. На тот момент казалось, что закончилась эра Прометея и началась эра Эдисона с его лампочкой накаливания. Однако быстрый прогресс в создании все более сложных электри-

ческих источников света (лампа дугового разряда, лампа накаливания, газоразрядные лампы низкого и высокого давления, светодиоды), происходящий на наших глазах, приводит к вытеснению ламп накаливания практически из всех сфер применения. В настоящее время, несмотря на значительный прогресс в области создания энергосберегающих источников света, создалась достаточно стабильная ситуация по использованию современных ламп для наружного освещения. Основные типы источников света, применяемые в этой области, представлены в таблице1. Не вдаваясь в подробности сравнения различных типов источников света, необходимо отметить, что революционные сдвиги во внутреннем освещении зданий в настоящее время существенно опережают аналогичные процессы в области наружного освещения. Наиболее распространенным источником света во внутреннем освещении, как для промышленных, так и для бы-

Олег Зотин, главный конструктор по направлению, ОАО «НИИ Точной механики» Окончил Ленинградский Механический институт в 1974г., занимается разработкой сложных систем управления.

Наталья Морозова, специалист отдела маркетинга, ОАО «НИИ Точной механики» Окончила Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет в 2007г.

Современная светотехника, #1 2009

65

системы управления освещением товых целей, являются газоразрядные люминесцентные лампы низкого давления подключаемые, как правило, через электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА). Широко распространено управление световыми сценариями, обеспечивающее, в том числе и энергосбережение. Для этого применяются различные проводные (DALI, DSI, 1-10V) и беспроводные интерфейсы. В наружном освещении применяются натриевые лампы высокого давления (НЛВД), а также, в отдельных случаях, более дорогие металло-галогенные лампы (МГЛ), обладающие спектром, более близким к спектру излучения Солнца. Оба типа ламп, оснащаются электромагнитной, либо электронной пускорегулирующей аппаратурой. В отдельных случаях находят применение светодиодные светильники, однако, как следует из таблицы, от них в настоящее время не следует ожидать существенной экономии электроэнергии.

ПРЕДПОСЫЛКИ ВНЕДРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕМ Внедрение энергосберегающих технологий с каждым годом становится все актуальнее. Известны несколько программ, реализованных в Европе и в Северной Америке и направленных как на увеличение экономичности собственно светильников, так и на обеспечение энергосберегающих способов управления. Рассмотрим возможности управления энергосбережением в наружном освещении. Типовая для России и для ряда других стран схема установка наружного освещения включает в себя

трансформаторную подстанцию, преобразующую трехфазное напряжение 6/10 кВ в трехфазное напряжение 220/380 В, пункт включения освещения (ПВ), осуществляющий управление, контроль и энергоучет в сетях освещения и собственно линии НО. В линиях освещения устанавливаются светильники с лампами высокого давления (как правило, НЛВД и МГЛ). Лампы, подключаются по схеме «звезда», т.е. между одним из фазных и нулевым проводом сети. В «обычном» исполнении для обеспечения нормального режима работы НЛВД (МГЛ) в светильник устанавливается электромагнитный пускорегулирующий аппарат (ЭмПРА). ЭмПРА содержит импульсное зажигающее устройство, обеспечивающее начальный поджиг заряда в лампе, балластный дроссель, согласующий нелинейное сопротивление лампы с сетью 220 В и конденсатор, обеспечивающий приемлемый коэффициент мощности. Возможности экономии электроэнергии в типовых установках НО минимальны. Традиционный до недавнего времени способ экономии энергопотребления при управлении такими установками, заключался в отключении 1/3 или 2/3 светильников в ночное время (на 4—5 часов), когда снижается активность городского населения и интенсивность дорожного движения. Такое пофазное отключение обеспечивает суммарную экономию электроэнергии до 30% и симметричность загрузки трехфазных линий сетей НО при подключении к одному пункту включения нескольких линий наружного освещения. Однако

Таблица 1. Основные типы источников света в наружном освещении Тип источника света Люминесцентные лампы (ЛЛ) Дуговые ртутные лампы (ДРЛ) Металлогалогенные лампы (МГЛ) Натриевые лампы высокого давления (НЛВД) Сверхяркие светодиоды (СС)

Световая отдача, лм/Вт до 80 до 70 до 110 до 150 до 60…100

Срок службы, час до 10 000 до 15 000 до 10 000 до 24 000 до 100 000

Таблица 2. Резервы энергосбережения в НО № п/п 1 2 3

66

www.lightingmedia.ru

Резерв Стабилизация напряжения Увеличение КПД ПРА Диммирование Суммарный резерв

Оценка экономии, % до 15 до 10 до 25 до 50

в настоящее время этот способ не признается целесообразным и не рекомендуется для использования международным комитетом по освещению (МКО), в основном, ввиду негативного влияния на безопасность дорожного движения. В Москве и Санкт-Петербурге уже несколько лет такой ночной режим освещения не используется.

АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ ЭНЕРГО СБЕРЕЖЕНИЯ Анализ традиционной схемы НО показывает, что возможными резервами по управлению энергосбережением могут быть (см. таблицу 2): 1. стабилизация напряжения; 2. увеличение КПД ПРА; 3. диммирование. В первом случае экономия достигается стабилизацией режима работы каждой лампы групповым или индивидуальным способом, компенсируя нестабильность напряжения в сети, которая может доходить до ±15%. Во втором случае достигнуть экономии возможно за счет использования более эффективных балластов, необходимых для питания НЛВД и МГЛ, а именно ЭПРА. Кроме того, более эффективное использование ламп высокого давления может достигаться за счет повышенной отдачи ламп при питании их от ЭПРА за счет отсутствия эффекта так называемого «перезажигания» в каждый полупериод питающего напряжения. В третьем случае энергосбережение достигается за счет регулировки режима работы ламп (диммирования) в так называемом «ночном» режиме работы. При этом, целесообразным считается обеспечение глубины регулирования светового потока ламп до 50%, что может обеспечить экономию потребляемой мощности по сравнению с полным режимом освещения до 45% . Общее уменьшение энергопотребления за счет того, что ночной режим составляет около половины от всего времени работы ламп, может достигать 25%. МКО признает предпочтительным такой способ регулирования при снижении интенсивности дорожного движения в ночное время. Суммарный резерв по снижению энергопотребления в сетях

системы управления освещением НО, таким образом, приближается к 50%. Рассмотрим несколько методов управления линиями НО с точки зрения энергосбережения.

1. Традиционная схема трехфазной установки НО с обычными светильниками с ЭмПРА и возможностью уменьшения освещенности за счет отключения в ночное время 1/3 или 2/3 светильников, что не признается целесообразным и поэтому в нашем анализе не рассматривается.

2. Схема с двойным количеством светильников (по два на опору), половина из которых в ночном режиме отключается. Схема довольно проста, однако требует больших затрат при монтаже, а также в эксплуатации.

3. Схема со светильниками с двухрежимными ЭмПРА, обеспечивающая уменьшение освещенности в ночном режиме до 50% с экономией энергопотребления до 30% за счет подключения в каждом светильнике в ночном режиме дополнительного балластного дросселя. Исторически это были первые на Европейском рынке энергоэкономичные устройства, обеспечивающие снижение энергопотребления без частичного отключения светильников. Необходимо учитывать, что такая схема существенно снижает надежность ЭмПРА и требует использования дополнительного компенсирующего конденсатора, а также линии управления.

4. Схема с симисторными регуляторами, обеспечивающими фазовое регулирование напряжения линии освещения с изменением формы питающего напряжения. Она обеспечивает уменьшение освещенности в ночном режиме до 50% с экономией суммарного энергопотребления до 35%. При простоте реализации такая схема требует использования дополнительного общего регулируемого компенсатора коэффициента мощности и не нашла широкого применения в НО.

5. Схема со светильниками с ЭПРА, обеспечивающая уменьшение освещенности в ночном режиме до 50% с экономией энергопотребления до 40%. Такая концепция впервые позволяла использовать все известные воз-

можности по экономии энергопотребления. Однако, решая проблему управления светильниками, эта схема снижает их надежность и существенно увеличивает их стоимость.

6. Схема с регулятором напряжения в шкафу пункта включения НО, построенная на многообмоточном автотрансформаторе с переключаемыми с помощью симисторов обмотками. Она обеспечивает уменьшение освещенности в ночном режиме до 50% с экономией энергопотребления до 35%. Схема нашла довольно широкое распространение в Европе, но требует использование дополнительного силового шкафа.

7. Схема с конверторами (или так называемыми «электронными трансформаторами») в шкафу пункта включения НО, обеспечивающая уменьшение освещенности в ночном режиме до 50% с экономией энергопотребления до 35%. Реализации такой схемы нам не известны; вероятно, это связано с тем, что весьма затруднительно получить в ней требуемую надежность.

8. Перспективная схема установки НО со светильниками с ЭПРА на линиях постоянного напряжения, обеспечивающая уменьшение освещенности в ночном режиме до 50% с экономией энергопотребления до 45%. Являясь модернизацией схемы по п. 5, эта схема имеет повышенную, по сравнению с ней, надежность и меньшую материалоемкость.

9. Установка НО со светодиодными светильниками. По вариантам 3, 5, 8 и 9, в которых используются регулируемые (диммируемые) светильники, возможны следующие подварианты, связанные с различными способами управления светильниками а) Управление светильниками по дополнительной командной линии с общепринятыми во внутреннем освещении интерфейсами DALI, DSI, 1-10V или другими проводными интерфейсами. б) Управление светильниками путем коммутации напряжения (тока) в линии НО. в) Управление светильниками с помощью PLC или FM-модема.

г) Автономное управление светильниками встроенными таймерами. Все варианты от 3-го по 9-й представляют собой дополнительный уровень автоматизированной системы управления наружным освещением (АСУНО), а именно групповое и индивидуальное управление регуляторами и светильниками. Было рассмотрено 20 вариантов и подвариантов управления энергосбережением в линиях НО. Многие из этих вариантов уже реализованы, другие вполне могут быть реализованы, а некоторые, скорее всего, не будут реализованы никогда. Для обеспечения объективности оценки вариантов нам необходимо учесть все факторы, влияющие на экономическую эффективность внедрения каждой конкретной инновации. Как уже отмечалось, аналогичная революция в области внутреннего освещения, продолжается уже более 20 лет. На начальной стадии этой революции самые примечательные сдвиги произошли в части широкого применения энергосберегающих светильников с ЛЛ и встроенными ЭПРА, дальнейший прогресс многие исследователи связывают с применением сверхярких светодиодов.

ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ При исследовании возможных вариантов управления была разработана методика оценки эффективности внедрения энергосберегающей технологии в НО. При проведении оценки эффективности учитывалась разница в показателях между конкретным вариантом и типовым вариантом линии НО. В расчете учитывалось: – энергопотребление линии НО; – стоимость силовых и управляющих кабелей; – стоимость светильников; – затраты на монтаж линии НО; – затраты на ремонт и обслуживание линии НО; – стоимость дополнительного оборудования и материалов. В оценке были учтены прогнозы по росту тарифов на электроэнергию по РФ на весь расчетный период.

Современная светотехника, #1 2009

67

системы управления освещением Таблица 3. Результаты оценки вариантов энергосберегающих технологий № вар.

Варианты технологий

Срок окупаемости, лет

1

Типовая система

—

—

2

Двойное число светильников

>6

до 25

3а

2-режимные ЭмПРА

>6

до 30

3б

2-режимные ЭмПРА

4,9

до 30

3в

2-режимные ЭмПРА

5,5

до 30

3г

2-режимные ЭмПРА

>6

до 30

4

Фазорегурятор

4,3

до 35

5а

Система с ЭПРА

5,9

до 40

5б

Система с ЭПРА

3,9

до 40

5в

Система с ЭПРА

4,3

до 40

5г

Система с ЭПРА

3,7

до 40

6

Переключаемый автотрансформатор

4,2

до 35

7

Конвертор

5,9

до 35

8а

Система с ЭПРА на линиях с постоянным напряжением

3,6

до 45

8б

Система с ЭПРА на линиях с постоянным напряжением

2,9

до 45

8в

Система с ЭПРА на линиях с постоянным напряжением

3,3

до 45

8г

Система с ЭПРА на линиях с постоянным напряжением

3,4

до 45

9а

Светодиоды

>6

до 35

9б

Светодиоды

>6

до 35

9в

Светодиоды

>6

до 35

9г

Светодиоды

>6

до 35

Объектом анализа в проводимом исследовании выступает типовой участок скоростной автодороги, за который принят магистральный отрезок трассы длиной 2 км по 4 полосы в двух направлениях, имеющий 328 светильников, 8,2 км линий освещения и обслуживаемый одной трансформаторной подстанцией и 2-мя шкафами управления НО. Сравнение вариантов проведено по сроку окупаемости (СО). За период расчета принят промежуток в 6 лет. Результаты оценки представлены в таблице 3. Лучшие сроки окупаемости вариантов 8б и 8в объясняются реализацией максимальной экономии электроэнергии при более высокой надежности ЭПРА в сравнении с другими вариантами. Очевидно, что варианты 4 и 6 из-за меньшей экономии электроэнергии существенно проигрывают варианту 8 в далекой перспективе. Что касается варианта 5, то его недостаточно высокие показатели могут быть объяснены относительно большей ценой ЭПРА и сравнительно меньшей их надежностью. При отладке серийного изготовления высоконадежных ЭПРА при всех других равных условиях этот вариант, вероятно, сможет по эф-

68

% экономии

www.lightingmedia.ru

фективности конкурировать с вариантом 8. Система наружного освещения со светодиодными светильниками (вариант 9) имеет большие начальные затраты (высокая цена светильников) и меньшую экономию электроэнергии в сравнении с другими вариантами, СО такой системы превышает 6 лет. Очевидно, что при таких показателях наибольшее применение в НО светодиодные светильники найдут не в утилитарном освещении, а в архитектурно-художественной подсветке. Особо следует отметить, что расчеты проводились для нового строительства линий НО, либо их капитальной реконструкции. Внедрение технологий энергосбережения на действующих линиях НО без капитальной реконструкции линий потребует уточняющих расчетов, при этом оценки отдельных вариантов могут претерпеть изменения. Впрочем, такие расчеты необходимы для любого конкретного проекта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В области наружного освещения в настоящее время происходит революционное развитие технологий, связанное с расширением возможностей по экономии энергопотребления

за счет рационального управления. На конкретном примере разработки в области управления энергосбережением впервые проведена технико-экономическая оценка эффекта внедрения различных типов технологий на самом раннем этапе проектирования системы. Анализ и предварительный расчет экономической эффективности вариантов внедрения энергосберегающих технологий показывает наибольшую перспективность систем освещения с ЭПРА на линиях с постоянным и переменным напряжением, обеспечивающих быструю окупаемость и экономию электроэнергии до 40—45%.

БЛАГОДАРНОСТИ Выражаем признательность коллегам из ГУП «Ленсвет», ООО «Светосервис» и ОАО «НИИ ТМ» за их поддержку и участие в работе. ЛИТЕРАТУРА 1. Айзенберг Ю.Б., Рожкова Н.В., Федюкина Г.В. Оценка перспективных возможностей энергосбережения в светотехнических установках России//«Светотехника» 2001, №2, с. 9—13.

2. Бенсингер Т.Д. Светорегулирование в осветительных системах//«Светотехника», 2002, №1, с. 27—30.