Современная светотехника N4/2010 by Oleg Polikarpov

слово редактора

Коллеги, здравствуйте!

Редакция

Очередное «Слово редактора» я по-

святил важнейшему событию, к которому

Руководитель проекта

медиагруппа «Электроника» готовилась

«Современная светотехника»

более полугода — Форуму «Живая электро-

и главный редактор:

ника России», состоявшемуся 30-го сентября в Москве.

Валерий Манушкин

На первый взгляд, Форум имеет косвенное отношение к светотехнике, однако, если присмотреться, — сейчас практически все светотехнические изделия тесно связаны с

ответственный секретарь: Марина Грачёва

электроникой. Полупроводниковые источники света, thermal и power management, системы управления освещением — все составляющие готового светотехнического устройства име-

редакторы: Елизавета Воронина Виктор Ежов Екатерина Самкова Владимир Фомичёв

ют электронную начинку. Именно поэтому мы пригласили к участию в Форуме и в номинациях несколько светотехнических компаний, двум из которых была вручена Премия ЖЭР. В связи с этим хочу поздравить компанию «Светлана-Оптоэлектроника», победившую в номинации «Амбициозный проект». Это первое предприятие в России, на котором организован полный технологический цикл производства полупроводниковых источников света. Также мы поздравляем компанию Ledel, специализирующуюся на разработке

редакционная коллегия: Леонид Чанов Борис Рудяк Владимир Фомичёв

и производстве светодиодных светильников, которая получила Премию ЖЭР в номинации «За коммерческий успех». Кроме того, на Премию ЖЭР были номинированы еще шесть компаний: «Л Кард», «Майкроселл», «Радиант-Элком», «Диодные лампы», Spirit Telecom и «Мотор-Мастер». Лауреатам Премии были вручены дипломы, памятные награды и пакет на рекламно-информационные услуги от медиагруппы на сумму

реклама: Антон Денисов Ольга Дорофеева Елена Живова Екатерина Платцева

300 тыс. рублей, которые они смогут реализовать в течение года (журнал, интерент-журнал, конференции). В общей сложности, на форуме ЖЭР присутствовало более 100 гостей — директора и топ-менеджмент ведущих компаний рынка электроники России. Ровно через год состоится Премия «Живая электроника России — 2011». Мы приглашаем игроков рынка светотехники к участию

распространение и подписка:

в номинациях в следующем году, а также — к участию в ежегоднике «ЖЭР-2011», который выйдет в свет в декабре этого года.

Марина Панова Василий Рябишников вёрстка, дизайн: Александр Житник Михаил Павлюк

директор издательства: Михаил Симаков Валерий Манушкин, главный редактор

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 #4, 2010

эл. почта: info@elcp.ru, www.elcp.ru

РЫНОК 3 Арасели Бьярклев, Андерс Бьярклев ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВА: «Мир электроники» 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. Машинистов, д. 4, кв. 43, тел./факс: (343) 370-33-84, 370-21-69, 370-19-99; е-mail: info@radioel.ru, www.radioel.ru. ЭЛКОМ г. Ижевск, ул. Ленина, 38, офис 16, тел./факс: (3412) 78-27-52, е-mail: office@elcom.udmlink.ru, www.elcompany.ru. ЭЛКОТЕЛ г. Новосибирск, м/р-н Горский, 61; тел./факс: (383) 351-56-99, 359-93-31; е-mail: info@elcotel.ru, www.elcotel.ru. Издательство «Электроника инфо» 220015, г. Минск, пр. Пушкина, 29 Б; тел./факс: +375 (17) 204-40-00; е-mail: electronica@nsys.by, www.electronica.by. IMRAD 03113, г. Киев, ул. Шутова, д. 9, оф. 211; тел./факс: +380 (44) 495-2113, 495-2110, 495-2109; е-mail: imrad@imrad.kiev.ua, www.imrad.kiev.ua

Освещение будущего. Энергоэффективность по-датски

8 Непроработанные стандарты мешают эффективному рыночному сотрудничеству

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕЩЕНИЕМ 10 Франсис Рубинштейн, Стивен Тридо, Питер Петтлер

Устройства управления освещением: стандартизация средств связи

15 Кнут Фостерволд, Пал Ларсен, Эрленд Лиллелиэн,Тор Мйос, Мортен Берг Воздействие систем управления освещением на окружающую среду и здоровье человека

ДИСКУССИЯ 18 Влияние ночного освещения на здоровье человека. Продолжение

дискуссии

20 Питер Морант

Сравнительные возможности осветительной системы, учитывающей особенности сумеречного зрения

27 Игорь Евдасев

Энергоэффективность уличных светильников. Совершенствовать технологии или менять концепции?

ПРИМЕНЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА 31 Сергей Макареня, Павел Рудковский

Индукционные лампы – новое энергоэффективное решение в уличном освещении

35 Александр Балашов

Новинки светодиодов Cree класса XLamp

38 Эрмин Машурян

Сравнительная оценка жизненного цикла осветительных приборов

44 Михаил Мальков, Валерий Каланов, Алексей Малахов Самосогласованная модель люминесцентной лампы. Часть 2

РАЗРАБОТКА И КОНСТРУИРОВАНИЕ 50 Александр Криваткин, Юрий Сакуненко

Применение теплорассеивающих пластмасс для охлаждения LEDкристаллов Подписано в печать 04.10.2010 г. Учредитель: ООО «ИД Электроника». Тираж 2000 экз. Изготовлено ООО «Стратим». 152919, г. Рыбинск, Ярославская обл., ул. Волочаевская, д. 13.

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ДЛЯ СВЕТОТЕХНИКИ 55 Сергей Кривандин, Андрей Конопельченко

Источники питания светодиодных светильников на –40°C

СТАНДАРТИЗАЦИЯ И МЕТРОЛОГИЯ 61 Тереза Гудмен

Сумеречная фотометрия: задача почти решена

#4 (05)

www.lightingmedia.ru

рынок

Освещение будущего. Энергоэффективность по-датски Арасели Бьярклев (Araceli Bjarklev), ENSPAC, университет в Роскилле, Андерс Бьярклев (Аnders Bjarklev), DTU Fotonik, Датский технологический университет Проблема загрязнения окружающей среды становится острее с каждым годом. Значительный вклад в увеличение выбросов парниковых газов вносят несовершенные системы освещения. В статье приведен анализ технологий офисного освещения с точки зрения защиты окружающей среды. Описан комплексный подход к разработке экологичных источников света, примененный в Дании.

Согласно прогнозам, энергопотребление, приходящееся на долю офисного освещения, к 2020 г. вырастет на 85% относительно уровня 2005 г. Соответственно, в равной степени увеличатся выбросы углекислого газа, и усилятся другие негативные воздействия на окружающую среду, поскольку они непосредственно связаны с производством электроэнергии. Переход на самые передовые технологии, как было отмечено в европейском исследовании критериев безопасности окружающей среды (European Preparatory Study for eco-design requirements), позволит сократить этот прирост только на 20%. Передовые технологии, существующие на сегодняшний день, предполагают использование люминесцентных ламп. Пока мы далеки от сокращения выбросов даже на 20% к 2020 г. относительно уровня 2005 г. С одной стороны, повышение эффективности расхода энергии может только частично способствовать достижению цели. В то же время датским правительством поставлена иная задача: увеличить долю возобновляемой энергии по крайней мере до 30% во всей потребляемой энергии к 2025 г. при условии, что уровень энергопотребления останется прежним.

Для достижения этих целей требуются технологии, которые направлены не только на использование возобновляемых источников энергии, но и на повышение эффективности расходования ресурса. Разработка технологий сокращения выбросов CO2 является комплексной задачей и должна решаться с учетом многих факторов. Например, если рассматривать проблему с системной точки зрения, то организация освещения предполагает не только установку источников света, но и понимания принципов их работы. Следует изучить накопленный опыт в этой сфере. К сожалению, отказ от ламп накаливания не означает мгновенного решения проблемы выбросов парниковых газов. Чтобы снизить негативное воздействие систем освещения, необходимо понять, какой именно элемент или фактор оказывает это воздействие или способствует его усилению. Таким образом, необходимо найти источники света, которые, с одной стороны, обеспечивают более высокую светоотдачу по сравнению с люминесцентными лампами и в то же время имеют более низкое энергопотребление, сохраняя ископаемые виды топлива. Однако даже в случае если удастся найти подходящее технологическое решение, оно может оказаться неконкурентоспособным из-за не устраненных на стадиях исследования, разработки и коммерциализации слабых мест.

окружающей среды. При анализе мы использовали результаты, полученные в исследовании [6], упомянутом выше. В разделе Life Cycle Assessment (LCA) отчета проанализированы возможные варианты осветительных систем с точки зрения потребления и времени службы. В ноябре 2009 г. компания OSRAM выпустила собственный отчет LCA, в котором сравнила лампы накаливания, КЛЛ и светодиодные светильники (см. стр. 38 этого номера журнала). Результаты этого сравнения также были учтены при проведении анализа.

датским правительством поставлена задача: к 2025 г. увеличить долю возобновляемой энергии до 30% во всей потребляемой энергии

МЕТОД Потенциал для улучшения существующих технологий можно оценить, рассмотрев полный жизненный цикл осветительной системы с точки зрения защиты

ТЕХНОЛОГИИ В качестве отправной точки мы взяли люминесцентные лампы на основе три-фосфора (трехполосного люминофора), поскольку именно они считаются лучшими среди существующих решений, согласно заключению исследования [6]. Вторая рассматриваемая технология — осветительные системы на основе белых светодиодов. Она имеет большой потенциал, однако долгое время не применялась из-за низкой светоотдачи 30 лм/Вт (данные за 2006 г.). В настоящее время это препятствие преодолено, светоотдача превысила 100 лм/Вт. Также будет рассмотрен вопрос применения солнечных элементов для дальнейшего сокращения расхода энергии. Целью данной статьи является установление основных критериев, которые помогут разработать новую систему освещения, оказывающую меньшее негативное воздействие на окружающую среду, чем позволяет лучшая техно-

Современная светотехника, #4 2010

рынок логия, применяемая в настоящее время. Для проведения исследования была сформирована рабочая группа, в которую вошли инженеры Designskolen Kolding и Датского технологического университета, специалисты по планированию охраны окружающей среды из университета в Роскилле и представители IBSEN ApS.

ОБОСНОВАНИЕ Одной из причин, побудившей нас провести данное исследование, послужил тот факт, что в Европе в настоящее время значительная доля энергии тратится на освещение. Даже если запретить лампы накаливания, потребление мощности будет по-прежнему расти. Вторая причина заключается в том, что нельзя допустить дальнейшего роста электропотребления, потому что выбросы СО2 уже сейчас превышают безопасный уровень. Рост потребления электроэнергии является очень серьезной проблемой, поскольку он происходит в основном за счет увеличения использования ископаемого топлива. Следовательно, производство СО2 будет увеличиваться по мере роста энергопотребления. По этой же причине необходимо стремиться уменьшать вредные выбросы при повышении уровня предоставляемых услуг. Необходимо найти способ обеспечения освещения с малым расходом энергии. При этом ископаемое топливо должно расходоваться как можно меньше. Согласно оценкам, для офисных помещений наиболее эффективной технологией являются люминесцентные лампы на основе трехполосного люминофора с электронной ПРА. Однако, если

Рис. 1. Виды эффективности

www.lightingmedia.ru

Для защиты окружающей среды необходимо определить, на каких стадиях жизненного цикла осветительного прибора выбрасывается больше всего вредных веществ, и какой процесс больше всего нуждается в пересмотре. Таким образом, важно проанализировать эту проблему с учетом всех стадий эксплуатации освещения, а не только жизненный цикл самой лампы.

нить, какая доля потребляемой электрической мощности рассеивается, а какая затрачивается на генерацию одного фотона. Для измерения эффективности преобразования энергии необходимо измерить световой поток и светоотдачу системы. Под световой эффективностью в нашем анализе понимается электрическая мощность, необходимая для генерации одного фотона (внешняя квантовая эффективность) при высокой световой отдаче, когда излучение попадает только в видимый диапазон и цветовая температура комфортна для восприятия глазом (красная окружность на рисунке 1).

ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ПЕРСПЕКТИВЫ ТЕХНОЛОГИЙ

Показатель эффективности надо рассматривать с трех позиций. В общем виде эффективность — это соотношение между входной и выходной величинами. Даже если система преобразует 100% электричества в свет, это вовсе не значит, что все излучение будет в диапазоне, видимом глазом. Отсюда появляются различные типы эффективности (см. рис. 1): внутренняя квантовая эффективность, внешняя квантовая эффективность и эффективность энергопотребления. Световой выход может снижаться из-за того, что не все генерируемые фотоны выходят наружу. Для оценки фактического светового выхода пользуются внешним квантовым КПД, который показывает, какое количество электронов поступает в систему и какое количество фотонов выходит из нее. Третья категория, эффективность расхода энергии, характеризует количество электрической мощности, необходимое для получения данной оптической мощности. Она позволяет оце-

Одно из главных препятствий на пути развития осветительных технологий — эффективность использования энергии, которая определяет в т.ч. объем выбросов СО2. Соответственно, важно определить, какая технология среди представленных на рынке имеет наибольший потенциал по улучшению светоотдачи с этой точки зрения. Причем уменьшение энергопотребления и потерь должно достигаться при сохранении качества освещения. Задача делится на две: оценить производительность электронного устройства и эффективность добычи электроэнергии. Как мы уже говорили, полный жизненный цикл системы рассматривается с точки зрения охраны окружающей среды, после чего оцениваются все возможности улучшения. Анализ выбранных технологий будем проводить по следующим параметрам: энергопотребление, общий объем материалов и ресурсов, расходуемых на производство и обслуживание осветительных приборов, время жизни отдельных продуктов, применяемых при обслуживании всех компонентов системы (осветительных приборов, кабелей, датчиков света, а также процесса получения электроэнергии, см. рис. 2). Что касается применения люминесцентных ламп в будущем, мы относимся к этому скептически, поскольку они содержат ртуть, а действующие директивы RHoS и WEEE ограничивают применение этого материала. Соответственно, технология вряд ли будет развиваться, и увеличения светоотдачи происходить не бу-

продолжать применять эти лампы, энергопотребление к 2020 г. относительно 1990 г. вырастет на 25%, выбросы токсичных веществ — на 66%, выбросы СО2 — на 30% [6].

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ СИСТЕМЫ

рынок дет. Другая перспективная альтернатива, светодиодная технология, в настоящее время находится на ранней стадии развития. Прогнозировать темп увеличения светоотдачи светодиодных ламп пока трудно. Задача еще больше усложняется, поскольку мы должны оценить и другие аспекты (использующиеся материалы, ресурсы или химические вещества). С другой стороны, даже если мы найдем инновационное решение, подходящее по требованиям безопасности окружающей среды, останутся еще две проблемы: признание потребителем и конкурентоспособность. Действительно, нет гарантии, что новые светильники окажутся удачными с потребительской точки зрения и займут достойное место на рынке. Необходимо продумать механизм достижения этих целей. Это непросто, учитывая, что в данном сегменте уже есть установившиеся правила и традиции, основанные на использовании невозобновляемых источников топлива. Экотехнологии в этом смысле не всегда эффективны и не дают высокую прибыль по сравнению с классическими. Соответственно, они проигрывают с социальной и экономической точек зрения. К сожалению, улучшение состояния окружающей среды — не всегда весомый аргумент для перехода на новые технологии, поскольку продукция и потребление очень ограничены, а конкуренция на рынке сильна. Итак, нам необходимо обосновать переход на безопасные для окружающей среды технологии с экономической точки зрения. Анализ жизненного цикла (LCA) предлагает брать в качестве базы для сравнения функциональную единицу, то есть услуги, предоставляемые продуктом (см. табл. 1). С введением этого понятия мы получаем количественное выражение продукта или услуги по отношению к объему и времени поиска возможностей изменения продукта, в данном случае лампы. Эти данные требуются ISO для сертификации продукта. При анализе возможностей улучшения системы освещения важно принимать во внимание такие параметры как светоотдача, цветовая температура, спектральный состав света и мерцание. Можно воспользоваться только количественной оценкой функ-

циональных возможностей, однако при этом не учитываются предпочтения потребителя. Одним из способов оценки технологии по материальным, экономическим и социальным параметрам является использование концепции «продукт-услуга» (Product-Service Systems), предложенной UNEP в 2000 г. [5]. Системы продукт-услуга определяются как результат инновационной стратегии, сдвигающий акцент с производственной составляющей (проектирование и изготовление) на маркетинговую (продажа продуктов и услуг). С точки зрения жизненного цикла, залог успеха продукта определяется на этапе проектирования или производства; с точки зрения системы продукт-услуга, он равномерно распределен по всему процессу производства и эксплуатации. Таким образом, упор делается на продажу не только отдельных продуктов, но и дополнительных возможностей, обусловленных их сочетанием. В итоге тот же объем требований клиента обеспечивается с меньшим воздействием на окружающую среду [5]. В качестве наиболее перспективных технологий мы выбрали светодиодные и оптоволоконные осветительные системы. Уменьшение негативного влияния на окружающую среду достигается, во-первых, за счет сокращения выбросов и ресурсоемкости конечного продукта. Под ресурсами помимо конструкционных материалов понимается уменьшение потребления ископаемых видов топлива. Во-вторых, продукты должны быть конкурентоспособными и производиться с малыми издержками. Это можно достигнуть через оптимизацию ресурсов и снижение расходов. Согласно [2], для практического решения важно учитывать не только технологические параметры. Раньше, при выборе лампы накаливания, определяющим параметром с социально-экономической

Рис. 2. Структура осветительной системы

точки зрения, была мощность лампы. Но в действительности речь идет о яркости и цветопередаче излучения. Как показывает опыт, распространенные в настоящее время люминесцентные лампы были не сразу приняты потребителями, и до сих пор остается много людей, которым эта технология не нравится. Таким образом, вопрос не только в поиске новых способов освещения, но и в признании потребителей, которым необходимо вреымя, чтобы оценить новые технологии и приспособиться к ним. В социальноэкономическом плане следует не только предоставить услугу, но и сделать это удобным для потребителя образом. Одна из интересных идей относительно офисного освещения в будущем — это использование солнечного света. Большинство офисных пространств используется в дневное время, когда на улице светло. При этом окна занавешивают, чтобы было более комфортно работать. Соответственно, можно поставить накопитель солнечного света, который либо будет произ-

Таблица 1. Функциональный блок Обязательное требование

Обеспечение светового потока в офисном помещении в 500 лм

Другие требования – Отсутствие ослепляющего эффекта – Отсутствие перегрева – Оптимальный спектральный состав света – Эстетическая привлекательность – Возможности регулировки освещения – Сокращение выбросов СО2 – Индикация «экологически безопасно»

Современная светотехника, #4 2010

рынок водить электроэнергию для освещения, либо направлять солнечный свет по оптическому кабелю в затененные участки помещения. Для первого способа следует иметь в виду, что фотогальванические собиратели и светодиодные светильники более всего пригодны для работы от отдельной низковольтной системы. В отношении оптического освещения следует помнить об ограничениях: оптоволокно нельзя монтировать так же, как обычные электрические провода, которые нельзя сильно сгибать. Кроме того, в кабеле возникают потери. Для наглядности мы оценили коммерческую осветительную систему на основе оптоволокна с полимерным кабелем длиной 20 м, по которому передается собранный солнечный свет. Измерения были проведены в Дании в ясную погоду. Полученная диаграмма цветности показана на рисунке 3. Опорная точка (Ref) соответствует солнечному свету, получаемому с улицы, а точка Test — световой сигнал на выходе оптического кабеля. Расстояние между цветами (chromatic distance) для света, выходящего из оптического кабеля, равно 31.10-3, что намного больше предела 5.4.10-3, заданного международным комитетом по освещению CIE. Наблюдаемая зона обесцвечивания — одна из проблем, которые нужно будет решить при применении оптической технологии в будущем. Перейдем к следующему параметру — стоимости. При оценке системы в целом нужно рассматривать не только стоимость комплектующих, но и затраты на

Рис. 3. Диаграмма цветности

www.lightingmedia.ru

обслуживание. Технологии, позволяющие существенно уменьшить расход энергии, должны быть обоснованы экономически на всем жизненном цикле изделия. Сокращение расходов необходимо проводить с учетом стоимости лампы и эксплуатационных расходов на всем сроке службы. Какой бы выгодной ни была технология, в первую очередь она должна быть принята потребителем. Необходимо прогнозировать реакцию людей на нововведение [4]. При этом важно как можно раньше выявить возможные причины отказа, например некомфортные цвет и интенсивность света. Если светодиоды не обеспечивают требуемых характеристик, их применение может вызвать негативную реакцию, дискредитируя технологию в глазах потребителя если не навсегда, то на длительное время. Далее обратим внимание на то, что внедрение инновационных технологий — это процесс, происходящий в несколько этапов. Иногда за основу берется готовое решение, а иногда система разрабатывается с нуля [1]. Например, светодиоды сначала использовались только в автомобильной технике или для декорирования. Впоследствии они перешли в дисплеи, а теперь — в системы общего освещения. Такой переход стал

возможен после появления белых светодиодов. Причем для общего освещения их стали применять всего несколько лет назад, т.е. технология находится на самом раннем этапе развития (см. рис. 4). Именно поэтому у них большой потенциал. Немаловажную роль может сыграть господдержка. Имеются в виду регулятивные ограничения, благодаря которым инновационная технология может выйти на коммерческий рынок. Ограничения должны затрагивать все стадии в исследовании и построении кривой разработки (см. рис. 4), а также в реализации новых идей или их коммерциализации. Успех и скорый выход на рынок новой технологии немыслимы без обращения в соответствующие учреждения. На каждом этапе распространения привлекаются разные государственные и частные институты. Правильный выбор организаций может повысить эффективность распространения [3]. Следовательно, важно ознакомиться с текущей научной и исследовательской базой в секторе освещения. Хотя выпуск продукта на рынок традиционно рассматривается исключительно как задача производителя, с точки зрения нововведений в области охраны окружающей среды [1], для успеха вывода полностью инновационных технологий на коммерческий рынок и обеспечения их конкурентоспособности недостаточно только исследования, проектирования и демонстрации. На данной стадии необходимо применять маркетинговые инструменты, чтобы привлечь инвесторов. По сравнению с другими технологиями экологически безопасные системы освещения требуют большие капиталовложения. Например, увеличение жизненного цикла изделия автоматически отдаляет окупаемость проекта, что отпугивает венчурные компании. Тем не менее, это хорошее предложение для государственных организаций — проект не окупится в денежном отношении, однако по-

если светодиоды не обеспечивают требуемых характеристик, их применение может вызвать негативную реакцию, дискредитируя технологию в глазах потребителя если не навсегда, то на длительное время

рынок может обеспечить более чистую экологическую обстановку и снизить расход энергии [1], а эти цели не менее важны для государства. Кроме того, появляется возможность создания новых рабочих мест и развития регионов. Это поднимает экономику в целом. Таким образом, политика правительства по поддержанию экологических инноваций не только на руку государству, но и может привлечь больше венчурного капитала в регион, способствуя конкуренции между субъектами страны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ При проектировании технологий с низким уровнем выбросов углекислого газа очень важно проанализировать существующие решения с точки зрения полного жизненного цикла. Применительно к осветительной технике такой анализ уже частично проведен. Осветительную систему следует рассматривать не только с материальной точки зрения, но и по другим параметрам. Это позволит использовать свойства, которые нельзя измерить, но которые присущи новой функции в техноло-

Рис. 4. Этапы развития технологий освещения

гическом развитии экологически безопасных технологий, в т.ч. потенциальные возможности для бизнеса. Также важно учитывать запросы потребителей, чтобы обеспечить конкурентоспособность и оптимальное соотношение между ценой и качеством. Внедрение инноваций — задача, которая должна решаться на государственном уровне. Нужен комплексный междисциплинарный подход. Если рассматривать переход на экологически безопасные технологии только в рамках одного направления, цель достигнута не будет.

ЛИТЕРАТУРА 1. Andersen P.D., Borup M., Olsen MH. «Innovation in energy technologies» // Energy Report 5, Risø National Laboratory, 2006. 21-28. 2. Huber J. «Environmental Policy Shift Through Technological Innovation» // Governance for Industrial Transformation. Proceedings of the 2003. 3. Kjær T., Andersen J. «Implementering af Vedvarende Energykilder i Norden» // Udarbejdet for Energi och Miljögruppen under Nordiske Ministerråd. 4. Rogers E.M. «Diﬀusion of Innovations». 5. UNEP 2000. «Product-Service Systems and Sustainability». 6. van Tichelen P. и др. «Preparatory Studies for Eco-design requirements of EuPs –Final Report Lot 8: Oﬃce Lighting».

Современная светотехника, #4 2010

рынок

Непроработанные стандарты мешают эффективному рыночному сотрудничеству Отсутствие стандартизации в изготовлении светодиодов затрудняет изменение производственного процесса, в то время как от поставщиков требуется высокотехнологичное оборудование, говорит Торстен Матиас (Thorsten Matthias), директор по развитию бизнеса EV-group.

Рынок сверхъярких светодиодов (HB LEDS) продолжает расти быстрыми темпами благодаря увеличению их применения в тех областях, где необходимы низкое энергопотребление и другие преимущества светодиодных устройств. И хотя сверхъяркие светодиоды уже обосновались в подсветке компьютерных дисплеев, телевизорах, а также в автомобильных системах освещения (фарах и салоне автомобиля), общий рынок света представляет для них одну из самых больших и пока еще малоиспользованных возможностей. Сегодня приблизительно 20% производимого в мире электричества тратится на общее освещение, что эквивалентно количеству энергии, производимой всеми ядерными электростанциями мира. Коэффициент полезного действия традиционной технологии освещения, использующей лампы накаливания, чрезвычайно мал. Львиная доля энергии, затраченная на такое освещение, попросту вылетает в трубу в качестве тепла. При нынешнем уровне эффективности замена всех ламп накаливания светодиодными системами позволит сократить энергозатраты на освещение на 2%, т.е. практически в 10 раз. Переход на сверхъяркие светодиоды поможет убить сразу двух зайцев — сократить стоимость освещения и повысить его КПД. Собственно

www.lightingmedia.ru

говоря, на это нацелена и вся полупроводниковая промышленность, стремящаяся увеличить производительность и в то же самое время уменьшить производственные затраты. Однако ценовое выравнивание у производителей светодиодов, имеющих не очень большие доходы и очень большой риск простоя промышленного оборудования из-за несовершенства производственного процесса, по сравнению с другими производителями полупроводников существенно другое. В то время как производители полупроводников в основном озабочены увеличением доходов и скоростью утилизации устаревшего оборудования для уменьшения стоимости налогов или стоимости каждой пластины, главная забота изготовителей светодиодов — снизить уровень первоначальных затрат. Еще одно ключевое различие между ними заключается в слабой стандартизации современного светодиодного производства. В определенном смысле, светодиодная промышленность сегодня представляет собой полупроводниковую на заре ее формирования. Однако различие в том, что аналогов таким компаниям как Ассоциация полупроводниковой индустрии или Sematech, на которые можно было ориентироваться светодиодной промышленности в составлении плана промышленного производства, пока нет. Установленные стандарты промышленного оборудования также отсутствуют.

ОТСУТСТВИЕ СТАНДАРТИЗАЦИИ Ключевой причиной отсутствия этой стандартизации является большое количество разноплановых сфер, где могут найти свое применение све-

тодиоды. Производители светодиодов редко строят новые предприятия или открывают новые производственные линии. Вместо этого производители добавляют новое производство к уже существующему. Это приводит к неразберихе в производственном процессе, использованию большого количества различных устройств и приспособлений (даже в рамках одного производства), требует непрерывных дополнительных улучшений. Результат при этом весьма незначителен. Отсутствие стандартизации имеет серьезные последствия как для производителей, так и поставщиков оборудования. Без определенных стандартов производители светодиодов пока не имеют возможности внести серьезные изменения в производственный процесс. Поставщики должны знать запросы заказчика и в соответствии с ними подбирать необходимое оборудование. А это вольно или невольно ведет к более тесному сотрудничеству поставщика и клиента, что позволяет максимально использовать возможности ОЕМ-решений решений для адресных специфических производственных изменений. Яркий тому пример — Консорциум NILCom, где компании и научные организации, занимающиеся поставками наноимпринтной литографии, ведут совместную работу по организации общей инфраструктуры, необходимой для производства фотонного кристалла — ключевого элемента в достижении существенного улучшения эффективности освещения. Аналогичные совместные усилия, охватывающие всю цепочку поставок производства — технологическое оборудование, метрологию, квалификацию и освоение, могут принести успех изготовителям светодиодов в

рынок снижении стоимости затрат и увеличении производительности.

ОБЩИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Хотя между производством светодиодов и изготовлением различных устройств существует огромная разница, есть несколько общих направлений деятельности, касающихся затрат и эффективности, на которые производителям светодиодов стоит обратить внимание, используя в некоторых случаях опыт и технологии, накопленные в этой области IC и МЕМS промышленностью. Условно, все направления можно разделить на три уровня: подложки, устройства и корпуса. На уровне подложки наноимпринтная литография позволяет копировать пластины из сапфира, которые увеличивают светоотдачу. Благодаря эпитаксиальным слоям, выращенным из сапфира, скрепление тонких кристаллических пластин позволяет придать всей подложке

хорошие температурные качества. На уровне устройства можно внести некоторые новшества, способные улучшить эффективность освещения. Наиболее перспективным направлением здесь является создание с помощью наноимпринтной литографии трехмерных фотонных кристаллов на верхнем слое светодиода. На корпус приходится самая большая (около 50%) доля производственных затрат. Его существенное уменьшение, а именно размещение всех элементов устройства на плате — возможно, один из решающих шагов в уменьшении затрат. Например, кремниевые платыпереходники, установленные на ее поверхность вкупе с объемной микрообработкой, обеспечат наилучшие температурные свойства и позволят объединить вместе драйвер IC и оптические элементы. Внедрение сквозных соединений через кремний (TSVs) может также способствовать уменьшению объема и увеличению

компактности каждого отдельно взятого светодиода. Заглядывая в будущее, можно с уверенностью сказать, что совершенствование стандартизации в светодиодной промышленности будет иметь важное значение как для производителей светодиодов, так и поставщиков оборудования, позволив не только поддержать структуру технологической карты производственного процесса, но и получить максимальный доход от инвестиций. Как уже отмечалось ранее, стандартизация производственных процессов позволит изготовителям светодиодных устройств более оперативно внедрять новшества, быстрее решать срочные задачи, модернизировать технологию производства. Вдобавок, стандартизация позволит производителям светодиодов самим выбирать поставщиков оборудования, что, естественно, благоприятным образом отразится на качестве продукции и подтолкнет их к дальнейшему развитию и внедрению инноваций.

Современная светотехника, #4 2010

системы управления освещением

Устройства управления освещением: стандартизация средств связи Фрэнсис Рубинштейн (Francis Rubinstein), Lawrence Berkeley National Laboratory Стивен Тридо (Stephen Treado), National Institute of Standards and Technology Питер Петтлер (Peter Pettler), Vistron В статье рассматривается сеть связи для оборудования зданий, созданная на основе комбинации существующих стандартов и коммуникационных протоколов. Предлагаемая концепция сети позволяет реализовать практичную усовершенствованную модель цифрового управления для оборудования зданий.

ВВЕДЕНИЕ

Интегрированные системы управления освещением позволяют значительно увеличить эксплуатационные характеристики зданий, энергоэффективность и комфорт жилищной среды. Если предыдущее исследование показало, что простые системы управления освещением на основе датчиков присутствия позволяют эффективно снизить количество потребляемой энергии коммерческими зданиями [1—3],

то передовые технологии управления освещением обеспечивают большие возможности экономии и имеют множество преимуществ перед простыми методами управления. Однако такие усовершенствованные технологии как освещение дневным светом или отключение нагрузки, требующие системноориентированного подхода, оказались менее успешными. Отчасти это связано с горизонтальной структурой рынка систем управления освещением в США. Несмотря на известные исключения, рынок преимущественно составляют производители компонентов (балластов, переключателей и устройств управления), а не решений. Компоненты управления освещением часто не обеспечивают требуемого функционирования в качестве систем, в первую очередь, в приложениях по управлению яркостью осветительных приборов, в которых необходим тщательный монтаж проводки. Оказалось также, что имеются определенные трудности ввода в эксплуатацию обо-

Рис. 1. Типовая схема взаимодействия между контроллером, приводами и датчиками в стандартном приложении по управлению освещением дома. Датчики отслеживают основные параметры окружающей среды, а контроллер управляет исполнительными механизмами. Те, в свою очередь, управляют оборудованием здания, позволяя установить требуемые параметры среды. Физическая связь между контроллером и исполнительным механизмом и контроллером и датчиком, как правило, осуществляется с помощью аналоговых цепей

www.lightingmedia.ru

рудования для более сложного управления дневным освещением. Это обстоятельство приводит к неудовлетворительной работе техники и жалобам заказчиков [4]. В качестве еще одного барьера на пути внедрения таких систем называют также недостаточность согласования протоколов связи [5]. Чтобы преодолеть эти трудности, индустрия осветительных систем постепенно переходит от аналоговых систем управления к цифровым.

СОСТОЯНИЕ РЫНКА Предыстория В течение последних 15 лет в приложениях управления освещением использовались аналоговые компоненты. Типовая система контроля состоит из контроллера, датчика и исполнительного механизма (см. рис. 1). Связь между исполнительными механизмами и контроллером, а также датчиками и контроллером, по большей части, организована с помощью аналоговых цепей. Эти управляющие системы подключаются к подсистемам освещения здания и в идеальном случае должны эффективно управлять энергопотреблением, в максимальной мере удовлетворяя потребности пользователей. Однако аналоговые системы управления достаточно сложно ввести в эксплуатацию [4], особенно если в состав установки входит большое число контроллеров. Эти трудности вынудили специалистов строительной промышленности искать решения, которые обеспечили бы системам управления интеллектуальные сетевые функции. В результате выбор пал на цифровые системы.

Переход к системам цифрового управления В строительной промышленности этот переход будет происходить, вероятно, в два парал-

системы управления освещением лельных этапа, в течение которых цифровые проводные сети заменят аналоговые, после чего на смену проводных придут беспроводные сети. В строительной промышленности переход от аналоговых систем к цифровым происходит в области коммуникаций между управляющими устройствами. Цифровая связь устраняет многие проблемы, возникающие при прокладке кабеля для аналоговых систем, несмотря на то, что потребность в физических проводах по-прежнему сохраняется. Большинство цифровых проводных систем позволяет устройствам совместно использовать физический кабель, что упрощает его прокладку и уменьшает количество ошибок. Принятие интерфейса DALI (Digitally Addressable Lighting Interface — цифровой адресуемый интерфейс освещения) для балластов является первым шагом индустрии в цифровой мир. Интеграция микропроцессоров в осветительные балласты отчасти позволяет решить проблему ввода систем в эксплуатацию. Однако DALI не является протоколом связи между контроллером и датчиками, т.к. он обеспечивает работу приводов светотехнических систем. Кроме того, он не позволяет установить связь между другими элементами системы управления зданием. В более совершенных коммуникационных сетях оборудования зданий датчики, контроллеры и приводы оснащены встраиваемыми интеллектуальными функциями, и имеется надежный тракт обмена данными и сигналами управления между этими устройствами и другими системами автоматизации здания. Многие преимущества достигаются за счет интеллектуальных функций и возможности установления связи с оборудованием зданий. В статье обсуждаются два основных преимущества: лучший доступ к системам освещения зданий и усовершенствованная система автоматизации. Интеллектуальными осветительными приборами, доступ к которым устанавливается также с помощью сети, могут управлять несколько пользователей с разными потребностями и уровнями авторизации. Жильцы дома могут управлять объединенными в сеть освети-

тельными приборами, регулируя их световой поток с помощью персонального компьютера, что обойдется намного дешевле, чем использование физического проводного регулятора. Кроме того, программное обеспечение позволяет предусмотреть необходимые меры безопасности. Интеллектуальное сетевое оборудование намного проще обновлять, чем аналоговые системы без соответствующих функций, реализуя новые алгоритмы управления и совершенствуя программное обеспечение для ввода устройств в эксплуатацию. Поначалу для передачи сигналов между компонентами управления потребуются провода и потому разумно предположить, что необходимость расходов на проводку вынудит производителей цифровых систем искать к новые решения. На втором этапе этого перехода беспроводные технологии и технологии передачи данных по электросети станут играть все более заметную роль, особенно на большом рынке жилья, где актуальны вопросы энергосбережения. Однако в настоящее время реализация этих технологий достаточно дорогостоящая, и потому мы не станем их рассматривать.

ПРОТОКОЛЫ УПРАВЛЕНИЯ ОСВЕ ТИТЕЛЬНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ Мы предлагаем базовую модель единой сети связи для оборудования зданий, которая работает на основе нескольких известных протоколов. В такой структуре все сетевые функции и операции называются службами, обеспечивающими управление и связь с сетевым оборудованием здания. Надежно функционирующая сетевая структура, созданная в соответствии со спецификацией [6], отвечает следующим требованиям. – При добавлении или удалении служб в сеть не требуется вмешательства пользователя. С этой целью необходима надежная процедура опроса и обнаружения, которая обеспечивает автоматическое опознание при добавлении в сеть нового оборудования или программного обеспечения. – Сеть должна обладать способностью к самовосстановлению, уметь настраиваться при добавлении и удалении служб.

– Пользователю не нужны данные о предыдущей реализации сетевых услуг: они задаются автоматически и прозрачно, не требуя изменения конфигурации или вмешательства пользователя. Существует несколько протоколов связи для датчиков и приводов — BACnet, IBECS и IEEE 1451, совместное использование которых определяет работу такой сетевой модели. Кроме того, протокол DALI для цифрового управления балластами, принятый некоторыми американскими производителями этих устройств, может поддерживать эту модель. Остановимся подробнее на каждом из этих протоколов.

BACnet BACnet (Building Automation and Control Networks) является стандартным протоколом передачи данных для автоматизации зданий и управляющих сетей [7]. Управляющая система и управляемое оборудование моделируются как объекты со стандартными функциями, что позволяет устанавливать связь между ее компонентами, не зная схему каждого устройства или его конфигурацию. Службы BACnet представляют собой команды для передачи информации и управляющих сигналов по системам автоматизации здания. BACnet стал наиболее популярным протоколом для использования в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха за счет того, что он незапатентован и имеет статус стандарта ASHRAE [8]. Поскольку в зданиях также работают системы управления освещением, возможность их интеграции в систему автоматизации должна обеспечить более высокие эксплуатационные характеристики оборудования, упростить его работу и снизить расходы. Однако при этом возникает проблема совместимости. Осветительные системы обладают рядом специфических параметров, которые не всегда представляется возможным реализовать с помощью существующей структуры BACnet. На формализованном языке передачи данных BACnet основан на сжатой архитектуре, состоящей из следующих четырех уровней: физический, канал передачи данных, сетевой и прикладной. BACnet определяет уровни приложений и

Современная светотехника, #4 2010

системы управления освещением сети, тогда как два других уровня обеспечиваются существующими промышленными стандартами. Топология сети BACnet определяется, в первую очередь, требованиями соответствующей локальной вычислительной сети. Необходимо заметить, что объекты BACnet могут не соответствовать физическим объектам. Если, например, установлено соответствие для таких простых устройств как датчики и коммутаторы, то более сложные физические устройства, например холодильник, как правило, представляются несколькими объектами BACnet. Важно то, что для доступа к любому входу или выходу системы их следует представить объектами BACnet. Многие характеристики и функции систем управления освещением теоретически обеспечиваются с помощью имеющихся объектов и служб BACnet. Если в одних случаях устанавливается непосредственное соответствие, в других реализация с использованием функций BACnet не столь простая. Таким образом, для приложений по управлению освещением требуются дополнительные объекты BACnet. В этом случае рекомендуется создать надежный в эксплуатации набор объектов BACnet, а не использовать уже существующие объекты. При построении систем управления освещением с помощью BACnet следует обеспечить мгновенную реакцию на включение человеком света. Быстрая реакция системы требуется также при ручном управлении яркостью. Вероятно, некоторые компоненты осветительных установок, такие как переключатели и балласты, не вполне годятся в качестве устройств BACnet из-за ценовых ограничений и, таким образом, не входят в состав этих сетей. В этом случае их можно подключить с помощью протоколов IBECS, DALI, DMX 512, EIB или системы собственной разработки.

IEEE P1451 IEEE P1451.4 — развивающийся стандарт, позволяющий автоматически опознать аналоговые преобразователи (датчики или приводы) [9]. Этот стандарт определяет использование преобразователем данных электронной таблицы TEDS (Transducer Electronic Data Sheet), в которой содержится

www.lightingmedia.ru

техническая информация, определяющая преобразователь и его интерфейс, а также описание его применения. Таким образом, в таблице TEDS заключены важные данные для возможности подключения устройств к сети по принципу plug-and-play. Таблицы TEDS получили широкое применение в разных приложениях, в т.ч. в системах управления освещением.

IBECS Назначение проекта IBECS (Integrated Building Environmental Communications System) состоит в совершенствовании встраиваемых сетей связи, позволяющих осуществить гибкую автоматизацию осветительных систем здания, чтобы повысить их энергоэффективность, эксплуатационные параметры помещений и комфорт жилищной среды. Идеальная система управления освещением способна автоматически реагировать на изменения числа людей в здании, уровней естественного освещения и определять энергозатраты, в большей мере позволяя жильцам управлять окружающей световой средой. Такое управление наилучшим образом реализуется за счет индивидуальных световых установок. Встраиваемая сеть устройств состоит из интеллектуальных (ведомых) устройств, подключенных к общей шине. Шина представляет собой физическую систему кабелей, схожую с кабелями CAT5, которые используются в компьютерных сетях. Поскольку каждое физическое устройство имеет свой уникальный адрес, «хозяин шины» может обратиться к каждому из них. Встраиваемые сети имеют архитектуру «одно ведущее/ много ведомых устройств». IBECS является адаптацией стандартной сетевой технологии, разработанной компанией Dallas Semiconductor/MAXIM для управления проблемной зоной между осветительным оборудованием и оборудованием здания [10]. Первым шагом на пути реализации этой концепции построения сети является создание моделей сетевых интерфейсов для управления яркостью балластов, а также переключателями света и датчиками [11]. В IBECS-системе каждый управляемый балласт и переключатель, а также каждый датчик присутствия и световой датчик

должны быть оснащены соответствующими сетевыми интерфейсами и подключены к microLAN (тип полевой шины). Эти интерфейсы содержат устройства 1-Wire, соответствующие функциональности подключенного балласта, элемента управления или датчика. Главный контроллер (как правило, определенный тип сетевого моста) управляет связью между всеми устройствами, подключенными к microLAN с помощью протокола 1-Wire [12]. Главный контроллер управляет более чем 100 устройств и подключается к интернету, обеспечивая возможность сетевого соединения TCP/IP с microLAN. Концепция IBECS распространяется на всю структуру управления, т.к. рассматривает все оборудование здания и персональные осветительные установки как управляемые устройства, с которых снимаются показания или принимаются сигналы (см. рис. 2). Скорее всего, по мере дальнейшего развития рынка такие устройства как балласты, переключатели, датчики, счетчики и полевые шины будут встраиваться в оборудование зданий, подключаясь к сетевым мостам.

DALI DALI (Digital Addressable Lighting Interface — цифровой адресный интерфейс освещения) — специализированный протокол управления освещением с помощью электронных балластов. DALI не предназначен ни для управления другими системами, например системами управления зданием, ни датчиками. Этот протокол эффективно используется совместно со стандартной сетью оборудования здания для удаленного контроля, например над неисправными лампами. Более подробную информацию о DALI см. в [13].

УНИФИЦИРОВАННАЯ СТРУКТУРА КОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ ОБО РУДОВАНИЯ ЗДАНИЯ Мы предлагаем использовать стандарты IEEE P1451 для датчиков и исполнительных механизмов и BACnet в качестве основы по регулированию связи между цифровыми устройствами управления освещением и системами автоматизации в коммерческих зданиях. На рисунке 3 схематично показано взаимодействие между

системы управления освещением IEEE 1451, BACnet, IBECS и DALI в предлагаемой сети оборудования здания. Программное обеспечение по управлению освещением и автоматизации здания использует BACnet в качестве языка адресации для оборудования. Все взаимодействия между сетевыми мостами и другими системами управления осуществляются через этот протокол. Со своей стороны, IEEE 1451 обеспечивает методологию автоматического опознания оборудования и его сетевых функций, благодаря чему упрощается эксплуатация осветительных установок. Сохраняя информацию в таблицах TEDS, сеть всегда располагает необходимыми данными по управлению и связи со всеми своими устройствами и процессами. IBECS расширяет данную структуру управления на все элементы оборудования здания, т.е. индивидуальные установки, балласты и даже лампы, имея преимущества перед дорогостоящими решениями, стоимость которых определяется дополнительными интеллектуальными функциями и возможностями подключения к сети. Благодаря тому, что на рынке появились балласты DALI, мы предлагаем расширить возможности интеллектуального моста та-

Рис. 2. Небольшая сеть IBECS, состоящая из моста, microLAN и соответствующих сетевых интерфейсов для управления и связи между устройствами для освещения здания и оборудованием. При необходимости добавляются дополнительные шины microLAN, работа которых управляется по Ethernet-сети здания

ким образом, чтобы также успешно адаптировать устройства и сеть DALI. Ниже мы покажем, каким образом предлагаемая структура решает сложнейшую задачу надежного опознания нового устройства (например, осветительной установки, переключателя и т.д.) или пользователя в сети. В рассматриваемой сетевой модели любой управляемый элемент оборудования здания представляет собой встраиваемое ведомое устройство с интеллектуальны-

ми функциями и возможностью подключения к сети. По сути, не требуется однозначного соответствия между ведомым устройством и оборудованием здания. Например, производитель балласта может встраивать два ведомых устройства в регулирующие балласты 0—10 В DC, чтобы обеспечить управление светом по сети и диагностическую индикацию состояния лампы. После установки балласта сеть должна его обнаружить и записать в память информацию о том,

Рис. 3. Схема предлагаемой системы связи, состоящей из сети IBECS и сети осветительного оборудования DALI и управляемой с помощью моста IBECS/ DALI. Мосты IBECS устанавливают связь через протокол BACnet, отделяясь от сети Ethernet с помощью брандмауэра. Как видно из рисунка, протоколы IBECS и IEEE P1451 управляют большей частью коммуникаций на уровне оборудования и подключения сети DALInet. На более высоких сетевых уровнях влияние IBECS уменьшается; при этом возрастает влияние протокола BACnet, который управляет связью выше моста

Современная светотехника, #4 2010

системы управления освещением как установить с ним надежное взаимодействие. В предлагаемой модели сети эта информация записывается в оборудование. Производитель должен обеспечить безопасные меры по определению технических возможностей этого оборудования, загрузив в банк памяти соответствующую таблицу IEEE 1451 TEDS. Необходимо предусмотреть, чтобы данные TEDS находились на уровне оборудования, а не на уровне устройства.

ОБСУЖДЕНИЕ На первый взгляд, может показаться, что предложенный набор несвязанных протоколов для управления оборудованием здания выбран достаточно произвольно. Однако при совместной работе этих разных протоколов в предлагаемой структуре явные недостатки одного из них компенсируются преимуществами других. Например, несмотря на то, что IBECS обеспечивает аппаратно-программную инфраструктуру коммуникаций с малыми нагрузками оборудования через интеллектуальный мост, этот протокол не учитывает взаимодействие мостов друг с другом, а также с серверами и процессами. BACnet восполняет этот пробел, обеспечивая стандартную терминологию и соответствующие структуры данных, которые описывают важные технические и рабочие параметры оборудования здания как точно определенные объекты BACnet. IEEE P1451 предусматривает механизм, гарантирующий постоянное наличие необходимой информации для обращения к оборудованию здания с помощью предложенных производителем методов. DALI не работает с датчиками, но этот недостаток восполняется протоколом IEEE P1451, который рассматривает датчики наравне с исполнительными механизмами. Другим преимуществом предлагаемой структуры является ее гибкость в конфигурациях систем для регулирования параметров внешней среды. Таким образом, производители и разработчики систем получают большую свободу в реализации новых методов, избавляясь от привязки к определенной структуре. Для более чувствительных к стоимости приложений большая часть управления и коммуникаций реализуется на

www.lightingmedia.ru

уровне IBECS. В более сложных приложениях может использоваться иерархическое управление и интеллектуальные функции, реализуемые за счет интеграции с системой автоматизации здания через протокол BACnet. Характеристики стандарта IEEE 1451 обеспечивают подключение к сети на ее самых нижних уровнях. Безусловно, возможность построения лучшей системы управления освещением и зданием успешно осуществится только в том случае, если производители оборудования поймут, что она значительно повысит ценность их продукции. Важную роль в работе такой системы играют протоколы. Если у определенного протокола имеется признанный послужной список, именно его отдадут предпочтение производители разной продукции. Большинство производителей систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха выпускают BACnetсовместимые изделия. Кроме того, влияние BACnet растет также среди систем управления освещением. Несмотря на то, что IEEE P1451 в настоящее время используется, по большей части, в коммерческих приложениях по измерению, а не в системах управления зданием, число P1451-совместимых продуктов уввеличивается. Большинство производителей балластов в настоящее время выпускает балласты DALI для рынка США.

ВЫВОДЫ Несмотря на то, что перечисленные протоколы и стандарты играют значительную роль в коммуникационных сетях здания, каждый из них, взятый по отдельности, решает только часть большой задачи по организации управления. Предлагаемая в статье комбинация характеристик BACnet, IBECS и IEEE 1451 обеспечивает такую гибкость и функциональность системы, что ее потенциал намного превышает возможности каждого отдельного элемента. Такая структура позволяет интегрировать широкий ряд компонентов, каждый из которых должен отвечать требованиям определенной обслуживаемой им подсистемы. За счет подключения к сети недорогих компонентов реализуются мощные функции интеллектуального управления.

Одним из преимуществ использования стандартных протоколов является то, что они обеспечивают совместимость систем, не ограничивая возможности решения и функционирование компонентов и устройств. Как следствие, производители могут дифференцировать свои продукты, основываясь на том соотношении между ценой и производительностью, которое они считают приемлемым. ЛИТЕРАТУРА 1. J. Jennings, F. Rubinstein, D. DiBartolomeo, and S. Blanc, “Comparison of control options in private offices in an advanced lighting controls testbed,” Journal of the Illuminating Engineering Society, Vol. 29, No. 2, pp. 39—60, 2000. 2. B. Von Neida, D. Maniccia, and A. Tweed, “An analysis of the energy and cost savings potential of occupancy sensors for commercial lighting systems.» Journal of the Illuminating Engineering Society, Vol. 3, No. 2, pp. 111—125, 2001. 3. T. Moore, D.J. Carter, and A. Slater, “Long-term patterns of use of occupant controlled office lighting”, Lighting Research & Technology, vol. 35, No. 1, pp. 43—59, 2003. 4. J. Love, “Field performance of daylighting systems with photoelectric controls,” Proc. of the 3rd European Conference on Energy Efficient Lighting, Newcastle-upon-Tyne, England, 1995. 5. Department of Energy, “Vision 2020: the lighting technology roadmap,” unpublished, www.eere.energy.gov/buildings/research/ lighting. 6. K. Arnold, B. O’Sullivan, R. Scheifler, J. Waldo, and A. Wollrath, “The JINI Specification,” Addison Wesley, 1999. 7. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, “BACnet-A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Networks”, ASHRAE Standard 135-2001, Atlanta, GA. 8. S.T. Bushby, H.M. Newman. «BACnet Today», Supplement to ASHRAE Journal. pp. 10—18, October, 2002. 9. D. Potter, “IEEE P1451.4’s plug-and-play sensors”, Sensors, Vol. 19, No. 12, December, 2002. 10. F. Rubinstein, S. Johnson, and P. Pettler, “IBECS: an integrated building environmental communications system — It's not your father's network», Proc. of the American Council for an Energy Efficient Economy Summer Study on Energy Efficiency in Buildings, August, 2000, Pacific Grove, California. 11. F. Rubinstein, P. Pettler, and J. Jennings, “Dimming every light cheaply”, Proc. of the American Council for an Energy Efficient Economy Summer Study on Energy Efficiency in Buildings, August, 2002, Pacific Grove, California. 12. Dallas Semiconductor/MAXIM, Application Note, “Overview of 1-wire technology and its use”, www.maximic.com/appnotes.cfm/ appnote_number/1796. 13. www.dali-ag.org, unpublished.

системы управления освещением

Воздействие систем управления освещением на окружающую среду и здоровье человека Кнут Фостерволд (Knut Fostervold), департамент психологии, Университет Осло Пол Ларсен (Pål Larsen), Норвежский университет науки и технологии Эрленд Лиллелиэн (Erlend Lillelien), Норвежский институт светотехники Тор Мйос (Tor Mjøs), NLK (CIE NC), Norconsult AS Мортен Берг (Morten Berg), Fagerhult AS Рост цен на энергию и загрязнение атмосферы парниковыми газами привели к созданию энергоэффективных осветительных систем. Автоматизированные и адаптивные системы управления освещением находят все большее применение в нашей жизни. В этой связи необходимо понимать, какое воздействие оказывают новые системы на психику и здоровье пользователей. В статье рассматриваются результаты исследования, которое было проведено для изучения влияния новых светильников и системы управления освещением, установленных в норвежской больнице.

ВВЕДЕНИЕ

Свет в жизни человека играет огромную роль с незапамятных времен. Изобретение лампы накаливания и появление надежной энергораспределительной системы в первой половине XIX в. полностью изменило жизнь цивилизованного человека. Последующие усовершенствования в области освещения лишь увеличили использование искусственно получаемого света и зависимость от него в большинстве областей современной жизни. Наше представление об окружающем мире создается благодаря зрительному восприятию, которое не занимается фотографическим воссозданием реальности. Неправильно организованное освещение может привести человека к неверному восприятию действительности и даже вызвать серьезные ошибки. Главная функция нашего зрения состоит в передаче информации о реальности и расположении объектов в трехмерном мире. Следователь-

но, основная задача светотехники состоит в том, чтобы обеспечить оптимальную освещенность пространства для пользователей. Продолжающийся рост потребления электричества и использования искусственного освещения в последние годы вызывает тревогу [2, 8, 18]. Увеличение цен на энергию и рост выделения парниковых газов привели к необходимости технологического совершенствования светотехники. В нескольких исследованиях сообщается о положительных результатах создания энергоэффективных систем, благодаря которым достигается экономия энергии и снижается выделение парниковых газов [4, 12]. Тем не менее имеется определенный пробел в исследованиях потенциала энергосбережения и того влияния, которое осветительные системы оказывают на производительность труда человека, его здоровье и самочувствие. Высказывались опасения по поводу того, не ухудшают ли энергосберегающие осветительные системы качество света и не сказывается ли работа автоматизированных установок на самочувствии сотрудников и их производительности труда [16]. В рамках программы European Greenlight Programme было проведено исследование с целью изучить потенциал экономии энергии и возможные отрицательные последствия эксплуатации энергосберегающих систем. В описываемом исследовании изучались вопросы использования новых светильников, а также новой системы управления освещением в большом здании норвежской больницы. Изучались разные типы установок и их технические параметры (потребление энергии, рабочая температура, уровень освещенности), а также факторы воздействия этих систем на здоровье и психику человека. Полученные результаты хорошо согласуются с ожиданиями [11]. В данной

статье главное внимание уделяется вопросам воздействия осветительных систем на здоровье и психику.

МЕТОД Схема исследования Исследование проводилось в большом здании норвежской больницы. В этом здании преимущественно находятся лаборатории и офисы. В исследовании использовалась смешанная неэквивалентная схема контрольной группы [13]. Осветительная система выступала в качестве межсубъектного фактора, а время — внутригруппового фактора. Три группы были контрольными, а две — интервенционными. В контрольной группе в течение всего эксперимента использовалась исходная осветительная установка, состоящая из двух стандартных светильников T8 мощностью 2×58 Вт с ручными переключателями света. Первую интервенционную группу представила новая стандартная установка для освещения здания. Каждый источник света старой осветительной системы заменили на один светильник T5 мощностью 49 Вт. В большинстве помещений были установлены датчики присутствия совместно с импульсными выключателями для регулировки освещения. В помещениях также была установлена менее сложная, чем в группе 3, система с датчиками естественного освещения. Датчик помещался в центральной части большой лаборатории, а все светильники были разделены на подгруппы в соответствии с коэффициентом дневного освещения, определяемом с помощью этого одного датчика. Помимо этой стандартной системы освещения на одном этаже здания работала самая современная адаптивная осветительная установка. На этом этаже в каждом отдельном помещении были также установлены индивидуальные

Современная светотехника, #4 2010

системы управления освещением датчики присутствия и дневного освещения. Для максимального повышения степени автоматизации и непрерывного функционирования системы управления была также организована перекрестная связь между соседними зонами контроля. С помощью второй интервенционной группы исследовались различия не только между старой и новой установками, но и между стандартной современной осветительной и автоматизированной системами. Измерения проводились в зоне каждой группы. У этих зон были сравнительно одинаковые площади, уровни дневного освещения и функциональное назначение (лабораторная и офисная работа).

Участники В исследовании воздействия осветительных систем на здоровье и окружение принимало участие 110 человек из больничного персонала. У всех участников было нормальное или скорректированное зрение и нормальная продолжительность рабочего времени. У них отсутствовали хронические болезни, которые могли бы повлиять на результаты исследования. Возраст участников находился в пределах 24— 68 лет.

Технические измерения Технические измерения показателей производственных условий и потребления энергии регулярно регистрировались в течение всего исследования [11].

Измерение показателей здоровья и психики Измерение показателей здоровья и психики проводилось три

раза: до использования новой системы и спустя 6 и 12 мес. после ее использования. Исследовались следующие показатели: чувство тревоги и раздражение [9, 14, 15]; субъективное ощущение системных симптомов (методом опроса; дополнительные данные см. в исследовании Fostervold и Nersveen, 2008); субъективная оценка условий труда и самочувствия на работе (методом опроса, составленного Fostervold и Nersveen, 2008); сонливость [7]; субъективное ощущение стресса на рабочем месте [7]; когнитивная деятельность [17, 3, 1].

РЕЗУЛЬТАТЫ Технические измерения Предварительный анализ энергопотребления был представлен на конференции CIE в Будапеште [11]. Результаты свидетельствуют о снижении расхода энергии на 55—75% в зависимости от типа управляющей системы (55% — только за счет замены светильников и до 75% при эксплуатации самой современной системы управления освещением). Энергопотребление старой системы составило 100 кВт·ч/год. Окончательный анализ полученных измерений оказался достаточно неожиданным. Замена старых светильников позволила снизить потребление на 55%, тогда как их ремонт не дал эффекта экономии. Наиболее вероятный вывод, подтверждаемый наблюдениями, заключается в том, что офисные сотрудники в полной мере использовали средства ручного управления освещением. Применение усовершенствованной системы управления осве-

щением позволило сэкономить еще 10% энергии. Таким образом, среднее потребление электроэнергии двумя отдельными

Измерение показателей психологического состояния и здоровья Результаты всех измерений показателей психологического состояния и здоровья обнаружили лишь незначительную разницу между группами 2 и 3. По этой причине данные, полученные для этих двух групп, рассматривались в последующем анализе как данные одной исследуемой группы. 1. Чувство тревоги и раздражения. Исследование не установило какой-либо значительной разницы в показателях ни до, ни после эксперимента. 2. Субъективное ощущение системных симптомов. Все полученные показатели оказались положительными. Статистические данные изложены в [19]. 3. Субъективная оценка качества рабочей среды и самочувствия на работе. В 1 представлены средние и среднеквадратичные показатели отклонения для трех показателей, характеризующих качество рабочей среды для двух групп. Эти результаты показывают небольшое ухудшение состояния удовлетворенности условиями труда как в контрольной, так и в исследуемой группах. Та же картина наблюдалась в отношении оценки эргономических условий, тогда как удовлетворенность условиями освещения немного выросла в обеих группах. Статистический анализ показал, что различия между двумя группами были незначительными. 4. Сонливость. Сопоставление показателей сонливости утром, днем и вечером не обнаружило значительной разницы между двумя группами. 5. Субъективное ощущение стресса на рабочем месте. Эти показатели для двух групп не различались. 6. Когнитивная деятельность. Этот показатель исследовался путем проведения трех тестов. Результаты не обнаружили разницы между показателями двух групп.

ВЫВОДЫ Рис. 1. Сравнительное дневное потребление энергии тремя отдельными офисами, в каждом из которых были установлены два светильника, в течение трех недель

www.lightingmedia.ru

Проведенный анализ энергопотребления указывает на относительно большие возможности

системы управления освещением экономии электроэнергии путем замены старых систем освещения, которые эксплуатируются с конца 1960-х — начала 1970-х гг. Одна только замена светильников позволяет снизить потребление на 55%. Разумеется, эта цифра варьируется в каждом конкретном случае применения той или иной установки, однако в целом это верный вывод относительно старого оборудования. Экономия электроэнергии за счет адаптивной системы управления оказалась меньше ожидаемой. Вероятно, причиной тому стала недостаточная чувствительность датчиков движения, используемых в установленной системе: они были не в состоянии обнаружить людей, занятых чтением или работой за компьютером. При изучении влияния осветительных установок на здоровье и окружение исследователи исходили из того предположения, что распространенная во многих современных системах перекрестная связь между соседними зонами контроля позитивно сказывается на индивидуальном самочувствии и способствует лучшей концентрации внимания на рабочем месте за счет непрерывной работы оборудования. Полученные результаты не подтвердили данную гипотезу. В то же время они не свидетельствует об отрицательном воздействии адаптивных систем освещения, связанном со снижением степени воспринимаемого контроля. Исследование указывает на заметное снижение воспринимаемых симптомов в результате использования новой осветительной установки. Дальнейший анализ показал, что наиболее значительно уменьшились симптомы, связанные со скелетно-мышечной системой (боль и напряжение в спине). Возможно, наиболее правдоподобное объяснение этого феномена в том, что усовершенствованная система освещения способствует улучшению осан-

ки. С другой стороны, эти результаты свидетельствуют о тесной функциональной взаимосвязи между окуломоторной и скелетномышечной системами [5]. Главное назначение любой осветительной системы состоит в обеспечении достаточного количества и качества света, так чтобы наблюдаемые объекты были видны без заметного напряжения зрения. Настоящее исследование не поддерживает мнения о том, что энергоэффективные осветительные системы повышают напряжение глаз и ухудшают самочувствие. Напротив, полученные результаты свидетельствуют о снижении отрицательных симптомов. Таким образом, разработчики светотехники должны стремиться создавать гибкие и энергоэффективные системы с привлекательной стоимостью. ЛИТЕРАТУРА 1. Brickenkamp R, Zillmer E (1998). d2 test of attention. Manual. Göttingen: Hogrefe & Huber Publishers. 2. Chepesiuk R (2009). Missing the Dark: Health Effects of Light Pollution. Environmental Health Perspectives, 117, A20-A27. 3. Corrigan JD, Hinkelday NS (1987). Relationships between parts A and B of the Trail Making test. Journal of clinical psychology, 43, 402-409. 4. Di Stefano J (2000). Energy efficiency and the environment: the potential for energy efficient lighting to save energy and reduce carbon dioxide emissions at Melbourne University, Australia. Energy, 25, 823-839. 5. Fostervold KI, Aarås A, Lie I (2006). Work with visual display units: Long-term health effects of high- and downward line-of-sight in ordinary office environments. International Journal of Industrial Ergonomics, 36(4), 331-343. 6. Fostervold K, Nersveen J (2008). Proportions of direct and indirect indoor lighting — The effect on health, wellbeing and cognitive performance of office workers. Lighting Research and technology, 40(3), 175-200. 7. Gillberg M, Kecklund G, Akerstedt T (1994). Relations between performance and subjective ratings of sleepiness during a night awake. Sleep, 17, 236—241.

8. Grimaldi S, Partonen T, Saarni SI, Aromaa A, Lönnqvist J (2008). Indoors illumination and seasonal changes in mood and behavior are associated with the health-related quality of life. Health and Quality of Life Outcomes, 6, 56. 9. Haseth K, Hagtvedt KA, Spielberger CD. (1990). Psychometric properties and research with the Norwegian State-Trait Anxiety Inventory. In: Spielberger CD, Diez-Guerrero R, Strelau J, editors. Cross-cultural anxiety. New York: Hemisphere Publishing Company; p. 16981. 10. Hsee CK, Lowenstein GF, Blount S, Bazerman MH (1999). Preference reversals between joint and separate evaluations of options: a review and theoretical analysis. Psychological Bulletin, 125, 576-90. 11. Larsen PJ, Lillelien E, Fostervold KI, Mjøs. T, Berg MO (2009). Energy efficient lighting systems -consequences for environment, health and human factors. CIE Expert Symposium «Light and Lighting», Budapest, Hungary. 12. Martinot E, Borg N (1998). Energy-efficient lighting programs. Experience and lessons from eight countries. Energy Policy, 26, 1071-1081. 13. Shadish W, Cook TD, Campbell DT (2002). Experimental and Quasi-experimental designs for generalized causal inference. Houghton Mifflin Company, Boston. 14. Spielberger CD (1994). Professional Manual for the Job Stress Survey (JSS) Psychological Assessment Resources. Inc. (PAR), Odessa. FL. 15. Spielberger CD, Sydeman SJ (1994). State-Trait Anxiety Inventory and State-Trait Anger Expression Inventory. In M. E. Maruish (Ed.), The use of psychological testing for treatment planning and outcome assessment (pp. 292-321). Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates. 16. Veitch JA, Newsham GR (2000). Exercised control, lighting choices, and energy use: an office simulation experiment. Journal of environmental psychology, 20(3), 219-237. 17. Walsh, W B, Betz NE (1985). Tests & Assessment. Englewood Cliffs NJ: Prentice-Hall Inc. 18. Webb AR (2006). Considerations for lighting in the built environment: Non¬visual effects of light. Energy & Buildings, 38, 721-727. 19. Knut Inge Fostervold, Pål J. Larsen, Erlend Lillelien, Tor Mjøs and Morten Olav Berg Energy. Efficient Lighting Control Systems: Consequences for Lighting, Quality, Environment, Health and Human Factors. Proceedings of CIE 2010 «Lighting Quality and Energy Efficiency».

Таблица 1. Средние и среднеквадратичные отклонения параметров для контрольной и исследуемой групп: удовлетворенность условиями труда; эргономические условия и освещенность Статистические данные

Показатели Удовлетворенность условиями труда Эргономические условия Освещенность

До эксперимента СО СКО 3,2 0,6 4,1 0,8 3,0 0,9

Контрольная группа Спустя 6 мес. СО СКО 3,2 0,7 4,4 0,7 2,8 0,8

Спустя 12 мес. СО СКО 3,6 0,7 4,4 1,0 2,7 0,6

До эксперимента СО СКО 3,2 0,5 3,6 1,0 3,0 0,7

Исследуемая группа Спустя 6 мес. СО СКО 3,3 0,8 3,8 0,9 2,9 0,7

Спустя 12 мес. СО СКО 3,4 0,7 3,7 1,0 2,8 0,7

Современная светотехника, #4 2010

дискуссия

Влияние ночного освещения на здоровье человека Продолжение дискуссии Статья является авторизованным переводом.

Многие организации вроде Международной ассоциации «Темное небо»(IDA) утверждают, что синий спектр световой волны, излучаемый полупроводниковыми осветительными системами (SSL), может нарушить естественные биологические ритмы организма, его «внутренние часы», а также стать причиной различных заболеваний, в том числе и онкологических. Тем временем, союз полупроводниковых осветительных систем и технологий (ASSIST) опубликовал технический документ, разработанный Центром исследования света (LRC), в котором рассматривается влияние на людей искусственного света в ночное время. По измерению степени подавления синтеза «гормона сна» — мелатонина (см. врезку), в докладе делается вывод, что влияние искусственного света на биоритмы человека незначительно. Весь прошлый год споры вокруг искусственного ночного света и его влияния на биоритмы и здоровье человека становились все интенсивнее. Еще в октябре IDA опубликовала заявление, начинающееся словами «стремительно расширяющееся применение сине-белого наружного освещения ставит под угрозу ночи как таковой во всем мире». Эта некоммерческая организация, созданная для охраны ночного климата, предложила больше не использовать в качестве наружного освещения источники света с цветовой температурой (CCT) выше 3000 К [1]. Заявленные цели организации IDA имеют достаточно большие границы: начиная от обеспечения данными таких наук как астрономия, до защиты здоровья человека и сохранения энергии, которая тратится на чрезмерное освещение. Однако сейчас она в прямом смыс-

www.lightingmedia.ru

ле уцепилась за заботу о здоровье как за горячую тему, которая может значительно повлиять на споры о ночном освещении [2].

ПРОБЛЕМЫ КОРОТКОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В этой теме гораздо больше загадок и вопросов, чем достоверных фактов, однако наука уже подтвердила влияние коротковолнового излучения на биоритмы человека. По сведениям организации ASSIST, биоритмы и зрение человека весьма чувствительны к коротким волнам в диапазоне 400—500 нм. В большинстве светодиодных ламп, особенно очень мощных, этот диапазон является основным. Но согласно той же ASSIST, система человеческих биоритмов практически нечувствительна к более длинным волнам с диапазоном более 600 нм. На сегодняшний день исчерпывающего исследования влияния коротковолнового излучения или синего света на здоровье человека не существует. Тем не менее, в прошлом году Американская медицинская ассоциация приняла резолюцию, выступающую за использование энергосберегающих светильников для наружного освещения. В резолюции особо отмечалась цель их размещения — сокращение энергозатрат и выбросов углекислого газа в атмосферу. В качестве аргументации в пользу резолюции звучал и тезис о повышении безопасности на дорогах за счет снижения интенсивности освещения. В целом, резолюция АМА мало касается длины световых волн,

основное внимание в ней сосредоточено на световом загрязнении в общем. Однако одно из обоснований напрямую связано с темой биоритмов человека. В нем написано: «Свет причастен к нарушению природных биоритмов человека и животных и является предполагаемой причиной подавления синтеза гормона сна мелатонина, угнетения иммунной системы и увеличения раковых заболеваний, в частности, рака молочной железы». Доклад ASSIST, озаглавленный как «Анализ влияния наружного освещения на систему суточного ритма человека» («Современная светотехника», №3, 2010) не пытается увести внимание от проблем здоровья, а старается выяснить с помощью тестов, существует это самое влияние или нет. Исследование сверяет влияние света по уровню содержания мелатонина в крови. Темнота побуждает шишковидную железу мозга выделять в кровь мелатонин, в то время как воздействие света может снизить ночной уровень этого гормона. Центр исследования света (LRC) опирался на общепризнанную модель, учитывающую спектральный состав света (в том числе и коротковолновую часть), его абсолютную величину, пространственное распределение света на роговице глаза и продолжительность светового воздействия. Потенциальное влияние на биоритмы изучалось с помощью четырех источников света: двух бюджетных светодиодных светильников, металлогалогенной лампы и лампы высокого давле-

По сути, циркадный ритм (он же биоритм, или суточный ритм) это 24-часовой физиологический цикл, регулирующий периоды сна и бодрствования у человека и животных. Уже доказано, что нарушение этого ритма вызывает различные расстройства сна, а также может привести к повышению чувства тревожности при пробуждении. Циркадный процесс — эндогенный, то есть он регулируется организмом с помощью особого гормона мелатонина, который помимо других эффектов вызывает сонливость. Секреция мелатонина тормозится дневным светом и стимулируется темнотой.

дискуссия ния. В исследовании приняли участие молодые люди в возрасте 20 лет. Они поочередно находились под каждым источником света в течение часа. В эталоном исследовании человек находился прямо под источником света и смотрел на него вверх, что эквивалентно воздействию 95 лк на роговицу глаза. Кроме того, прорабатывались два других варианта. В первом случае участник эксперимента находился в трех метрах от источника света и смотрел перед собой, на дорогу. Это эквивалентно воздействию 27 лк света на роговицу глаза. Во втором случае человек находился в 10 м от источника света и смотрел прямо на светильник. Это соответствует воздействию 18 лк света на роговицу глаза. Подавление синтеза мелатонина выражается в процентном соотношении от его нормального ночного уровня. Эталонное исследование показало, что все четыре источника тем или иным образом влияют на содержание мелатонина — от 6% в лампах высокого давления до 30% в светодиодных источниках света с максимальной цветовой температурой в 6900 К. В двух других вариантах подавление синтеза мелатонина (3—10%) вызывал только светодиодный светильник с цветовой температурой 6900 К. Поверхностный взгляд на результаты двух последних экспери-

ментов дает основание предполагать, что светодиоды белого цвета не оказывают влияния на биоритмы человека. Однако руководитель Центра исследования света Марк Ри с выводами не спешит. По результатам предварительного исследования, отмечается в докладе, для надежности измерений уровень подавления синтеза мелатонина должен быть не менее 15%. Если он меньше, то это вовсе не означает отсутствие проблемы, поскольку 15% составляет погрешность измерений. Другой вопрос, естественно возникающий в ходе исследования, — дает ли эксперимент длительностью в 1 ч наиболее типичные результаты. В связи с ускорением современного ритма жизни человек проводит на улице меньше времени, особенно в ночное время. А значит, и воздействие на его биоритмы тоже уменьшится. «Я думаю, это разумный вывод», — прокомментировал вопрос Марк Ри. Совершенно противоположную точку зрения имеет управляющий директор IDA Питер Штрассер. По его мнению, наиболее типичным является световое воздействие свыше одного часа. Говоря о проживании в городе, он отметил, что порой в окна второго этажа попадает больше света, чем на улицу. Однако есть и более худшие варианты с ночным освещением, чем уличные

фонари. Например, освещение, с которым сталкиваются рабочие ночных смен. И если угроза здоровью реально существует, то подобные варианты должны быть первоочередной темой дискуссий. Более того, Марк Ри считает, что домашнее освещение также является проблемой, достойной обсуждения. По его мнению, дальнейшее ее изучение должно охватывать 24 ч, поскольку биоритмы человека имеют 24-часовой цикл. Воздействие домашнего освещения и уличного будут, естественно, отличаться. «Хотелось, чтобы люди понимали цели наших исследований, — говорит Марк Ри, — мы не пытаемся доказать, что современное освещение абсолютно безопасно. Наша задача — вооружить людей результатами наших исследований, чтобы они смогли сами принять разумное решение». И тем не менее Марк Ри и Питер Штрассер единодушны в одном — необходимы дополнительные исследования. И прежде чем давать какие-либо рекомендации, необходимо все как следует проверить. ЛИТЕРАТУРА 1 (www.ledsmagazine.com/ news/6/10/8). 2. www.ledsmagazine.com/features/6/8/9.

Материал перевёл и подготовил Тимур Набиев.

Компания «Оптоган» заказала систему CRIUS II для производства светодиодов на основе нитрида галлия Компания «Оптоган» ожидает поставки двух систем газофазного осаждения CRIUS II от компании Aixtron AG в 4 квартале 2010 г. Эти системы будут использованы для производства сверхъярких светодиодов на основе нитрида галлия. Введение в эксплуатацию новых реакторов будет выполнено группой технической поддержки Aixtron Europe на производственном предприятии «Оптоган». «Для нас главным критерием при выборе реактора была масштабируемость технологического процесса Close Coupled Showerhead. Данные о семействе MOCVD-систем CRIUS компании Aixtron произвели на нас большое

впечатление. На основании этих данных мы пришли к заключению, что переход на систему CRIUS не представит для нас каких-либо затруднений. Эта система станет чрезвычайно важной частью нашего плана по расширению объемов производства новой высокоэффективной и конкурентоспособной по цене продукции, необходимой нашим заказчикам», — отметил генеральный директор группы компаний «Оптоган», Максим Одноблюдов. Вице-президент подразделения Aixtron Europe Франк Шульте добавил: «Для компании Aixtron данное событие является

особенно примечательным, так как это первый заказ на систему CRIUS II, поступивший от европейского заказчика. Кроме того, мы чрезвычайно довольны тем, что этим заказчиком стала группа «Оптоган», один из ведущих игроков на развивающемся и быстрорастущем российском рынке. Наши MOCVD-реакторы используются в компании «Оптоган» уже несколько лет, и мы будем очень рады возможности ввести в строй эти дополнительные мощности». Источник: http://corp.cnews.ru/news/line/index. shtml?2010/10/06/411181

Современная светотехника, #4 2010

дискуссия

Сравнительные возможности осветительной системы, учитывающей особенности сумеречного зрения Питер Морант (Peter Morante), центр Lighting Research Center, институт Rensselaer Polytechnic Institute Можно ли, заменив натриевые лампы высокого давления для освещения улиц, подобрать такой источник белого света, чтобы он отвечал зрительным способностям человека в ночных условиях и обеспечивал при этом сопоставимый или более высокий уровень видимости, надежности и безопасности? Если да, то когда и где можно использовать такие системы? В статье, являющейся авторизованным переводом [1], рассматриваются практические возможности осветительных систем на основе индукционной и металлогалогенной ламп в сравнении с системами на основе натриевых ламп высокого давления.

ВВЕДЕНИЕ

Сотрудники центра Lighting Research Center (LRC) провели исследование Mesopic Street Lighting Demonstration and Evaluation («Демонстрация и оценка возможностей мезопического уличного освещения»), цель которого состояла в том, чтобы ответить на эти вопросы с помощью двух экспериментальных осветительных установок в г. Гротоне, шт. Коннектикут. В одной из них (на ул. Meridian) вместо 100-Вт светильника с натриевой лампой высокого давления (НЛВД) использовался такой же светильник с 55-Вт индукционной (безэлектродной) лампой. В другой (на ул. Shennecossett Road) использовался 70-Вт уличный светильник с металлогалогенной лампой (МГЛ) с керамической горелкой. В обоих случаях излучение индукционной и металлогалогенной ламп со

www.lightingmedia.ru

спектром белого света было оптимизировано под особенности человеческого зрения в условиях слабой освещенности. Сетчатка человека имеет два типа зрительных клеток (рецепторов) — колбочковидные и палочковидные, передающие внешние сигналы в мозг. Существующая фотометрическая система, определяющая количество необходимого света независимо от времени дня или условий освещения, основана на моделировании функций колбочковидных клеток. В условиях дневного (фотопического) освещения преимущественно используется этот вид светочувствительных клеток. Палочковидные клетки, главным образом, обеспечивают ночное (скотопическое) зрение. Сумеречное (мезопическое) зрение, обеспечиваемое совместной работой колбочковидных и палочковидных зрительных клеток, работает, как правило, ночью. Следовательно, можно понизить яркость отраженного света дорог за счет внешних источников света, учитывающих особенности мезопического зрения и обеспечивающих ту же или лучшую видимость. Источник света должен учитывать не только специфику работы колбочек, но и палочек. С этой целью применяются холодные источники света с более короткими длинами волн. Основываясь на данном выводе, сотрудники центра LRC разработали средство моделирования характеристик зрительного восприятия в условиях слабого освещения — т.н. унифицированную фотометрическую систему (УФС). Справедливость фундаментальных выводов была подтверждена в экспе-

риментах с использованием данной системы. В действительности, выбор системы освещения на основе УФС повышает эффективность зрительного восприятия в большей степени, чем можно предсказать, исходя только из изменений в спектре и уровне освещенности. Недавнее практическое исследование по распознаванию определенной цели людьми, перемещающимися вдоль освещенной дороги, показало, что предметы, освещенные МГЛ, быстрее распознаются, чем те, которые освещены НЛВД. Результаты ряда исследований, проведенных к началу 2008 г., указали на явные преимущества применения УФС, которая способствует улучшению зрительного восприятия и снижению энергопотребления. С ее помощью рассчитывались значения яркости дорожного покрытия, освещенного новыми установками. Для этого измерялись освещенность дороги и ее коэффициент отражения, которые вводились в УФС, чтобы определить параметры эквивалентных осветительных установок и равноценные визуальные характеристики.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ Цель проекта Mesopic Street Lighting Demonstration and Evaluation состояла в определении того, возможно ли с помощью двух источников белого света, настроенных с учетом особенностей сумеречного зрения, обеспечить видимость, надежность, безопасность и яркость, аналогичные тем, которыми характеризуются осветительные системы на основе натриевых ламп высокого давления, снизив при этом

дискуссия энергопотребление, по крайней мере, на 30%. Вторая цель проекта заключалась в том, чтобы определить экономическую целесообразность использования таких систем, установленных в г. Гротоне, шт. Коннектикут.

лемый уровень яркости для глаз человека. По мере уменьшения светового потока эффективность НЛВД снижается по сравнению с другими источниками света, которые обеспечивают лучшие визуальные характеристики.

СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХ ТЕХНОЛОГИЙ ОСВЕЩЕНИЯ

МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

В настоящем исследовании были опробованы две технологии освещения на двух участках различных дорог. Эти технологии были выбраны исходя из их коммерческой значимости, а также способности снизить энергопотребление при тех же характеристиках зрительного восприятия в соответствии с результатами, полученными с помощью УФС. В первом случае использовалась 55-Вт индукционная лампа с драйвером и цветовой температурой 6500 К. При этой температуре лампа имеет высокий коэффициент S/P (скотопический световой поток/фотопический световой поток) равный 2,88 и позволяет оптимизировать зрительное восприятие в сумеречных условиях при излучении в спектре белого света. Световой поток индукционных ламп удерживается на определенном уровне как при высокой, так и низкой температурах окружающей среды. Благодаря достаточно продолжительному сроку службы этих ламп (60 тыс. ч) снижаются расходы на техобслуживание и ремонт. Во второй технологии использовалась 70-Вт МГЛ с керамической горелкой и цветовой температурой 4000 K. Коэффициент S/P = 1,6, срок службы — 20 тыс. ч. В обоих случаях отношения S/P этих ламп выбирались намного большими, чем у НЛВД с S/P = 0,63. С помощью УФС потребляемую мощность индукционной лампы и МГЛ можно уменьшить по сравнению с тем же показателем НЛВД при схожей эффективности зрительного восприятия. В таблице 1 приведены значения освещенности и относительной электрической мощности ламп с разными показателями распределения спектральной интенсивности (SPD), определяющие характеристики зрительного восприятия. Унифицированная фотометрическая система позволяет наиболее точно определить эффективность применения ламп с разными SPD, обеспечив прием-

Коммунальное предприятие Гротона выбрало для демонстрации возможностей двух осветительных систем с использованием индукционных ламп и МГЛ два участка городских улиц.

крытие этой улицы — асфальтовое. Его ширина — 40 футов. Южную сторону улицы ограничивает бетонный бульвар. В силу достаточно оживленного пешеходного движения, связанного с расположенным поблизости парком, уличные фонари расположены на расстоянии около 120 футов друг от друга. Их высота составляет 25 футов. В таблице 2 приводятся параметры осветительных установок на улице Meridian для НЛВД и индукционных ламп. Вид улицы Meridian, освещенной лампами того и другого типа, представлен на рисунках 1 и 2.

Улица Meridian Улица Meridian представляет собой двухполосную дорогу с параллельно расположенными участками парковки по обе стороны. В соответствии со стандартами Светотехнического общества Северной Америки (IESNA), эта улица относится к коллекторному типу дорог, поскольку собирает транспорт с боковых улиц, который затем перемещается на более крупные магистрали. Дорожное по-

Улица Shennecossett Road На улице Shennecossett Road растут деревья. По стандартам IESNA, это дорога коллекторного типа. У нее асфальтовое покрытие шириной около 30 футов. Уличные фонари установлены на расстоянии около 280 футов друг от друга. В таблице 3 приводятся параметры осветительных установок на улице Shennecossett Road для

Рис. 1. Освещение улицы Meridian с помощью НЛВД

Рис. 2. Освещение улицы Meridian с помощью индукционной лампы

Современная светотехника, #4 2010

дискуссия НЛВД и МГЛ с керамической горелкой. Вид улицы Shennecossett Road, освещенной лампами того и другого типа, представлен на рисунках 3 и 4.

ВЫБОР ИНДУКЦИОННОЙ ЛАМ ПЫ ДЛЯ ОСВЕЩЕНИЯ УЛИЦЫ MERIDIAN

Рис. 3. Освещение улицы Shennecossett Road с помощью НЛВД

Рис. 4. Освещение улицы Shennecossett Road с помощью МГЛ

Таблица 1. Освещенность и относительная мощность, обеспечивающие одинаковую яркость и видимость объектов, освещенных лампами с разными SPD Источник света 400-Вт НЛВД 1000-Вт лампа накаливания Люминесцентная лампа, 3500 К 400-Вт МГЛ Люминесцентная лампа, 5000 К Люминесцентная лампа, 6500 К

Коэффициент S/P* 0,66 4,41 1,44 1,57 1,97 2,19

0,6 кд/м2 Е**, лк

26,9

0,3 кд/м2

Отн. мощн. ***, % 100 833 130 119 130

0,1 кд/м2

Е, лк

Отн. мощн., %

Е, лк

Отн. мощн., %

13,5 10,5 10,4 10,0 9,0 8,5

100 648 100 88 87 82

4,5 2,6 2,5 2,4 1,9 1,8

100 478 73 63 57 52

* S/P – отношение между скотопическим и фотопическим световыми потоками ** Е – освещенность *** Мощность лампы, приведенная к мощности НЛВД

Таблица 2. Параметры осветительных установок на улице Meridian Тип лампы Мощность лампы, Вт ССT, К Ср. световой поток, лм Срок службы лампы, тыс. ч Тип установки Кол-во установок Тип распределения света Классификация отсечки Управление светом Высота установки, футов Сред. освещенность, лк

Освещение с помощью НЛВД НЛВД 100 (118 с балластом) 2100 8460 30 (нецикл.)

* Данные измерений центра LRC

www.lightingmedia.ru

8,72*

Освещение с помощью индукционных ламп Индукционная 55, включая мощность драйвера 6500 3300* 60 Cobra Head 12 Тип II Cutoff Фотоэлемент 25 2,69*

Коэффициент S/P для индукционной лампы Philips с цветовой температурой 6500 К составляет 2,88 (у НЛВД он равен 0,63). Мезопическая эффективность увеличивается с ростом S/P. На рисунке 5 представлено распределение спектральной интенсивности индукционной лампы с цветовой температурой 6500 К. Значения яркости в случае применения осветительных систем на основе НЛВД, установленных вдоль улицы Meridian, были получены на основе измерений освещенности дорожного покрытия с учетом того, что отражательная способность асфальтовой дороги равнялась 7%. Средняя освещенность в условиях применения НЛВД на улице Meridian составила 8,72 лк, а среднее значение яркости дорожного полотна — около 0,21 кд/см2. Применение УФС для определения величины светового потока индукционной лампы позволило получить 3620 лм. Это значение обеспечивает те же характеристики зрительного восприятия, что и 9500-лм 100-Вт НЛВД. В таблице 4 приведены результаты расчетов параметров двух разных систем. Если яркость придорожного тротуара, освещенного НЛВД (S/P = 0,63) в условиях фотопического зрения, составляет 0,21 кд/м2, эквивалентная яркость в условиях мезопического зрения при тех же условиях освещения равна 0,17 кд/м2. Наоборот, если эквивалентная мезопическая яркость мостовой, освещенной индукционной лампой (S/P = 2,88), составляет 0,17 кд/м2, фотопическая яркость мостовой равна 0,08 кд/м2. Следовательно, для того чтобы мезопическая яркость достигла 0,17 кд/м2, световой поток каждого нового индукционного светильника должен составлять всего лишь 3620 лм. При той же яркости тротуара в условиях мезопического зрения требуется, чтобы световой поток НЛВД составлял уже 9500 лм.

дискуссия ВЫБОР МГЛ ДЛЯ ОСВЕЩЕНИЯ УЛИЦЫ SHENNECOSSETT ROAD Другим источником белого света, коммерчески пригодным для уличного освещения, стала МГЛ, которая испытывалась при цветовой температуре 4000 К. Несмотря на то, что 4000-К лампа менее эффективна для условий мезопического зрения, чем 6500-К, ее применение более оправдано с учетом этих требований, чем МГЛ при 2100 К. На рисунке 6 показаны SPD трех МГЛ компании Philips с цветовой температурой 4000 К, протестированных в центре LRC. Их коэффициент S/P = 1,6. Применение УФС для определения величины светового потока индукционной лампы позволило получить 4070 лм. Это значение обеспечивает те же характеристики зрительного восприятия, что и 9500-лм 100-Вт НЛВД. В таблице 5 приведены результаты расчетов параметров двух разных систем. Средняя яркость тротуара на улице Shennecossett Road, освещенного 70-Вт МГЛ с керамической горелкой, составила 0,07 кд/м2. Эта величина заметно превышает значение 0,03 кд/м2 для НЛВД-системы, обеспечивающей те же характеристики зрительного восприятия. Однако следует заметить, что измерения освещенности проводились вскоре после установки МГЛ-светильников, световой поток которых, как известно, со временем существенно снижается. У используемых в эксперименте МГЛ с керамической горелкой снижение светового потока происходит медленнее (5900 лм по сравнению со средним значением в 4150 лм), но быстрее, чем у НЛВД. Это значит, что со временем яркость МГЛ в условиях фотопического зрения уменьшится относительно той величины, которая была установлена в процессе эксперимента.

РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ОСВЕЩЕНИЯ УЛИЦ На разосланные по почте опросники ответили 30 человек с улицы Meridian и 50 человек с улицы Shennecossett Road. Респонденты — пешеходы и водители — должны были оценить видимость, надежность, безопасность, яркость и цветопередачу осветительных систем, сравнив их с освещением этих улиц с помощью НЛВД. На рисунке 7 представлены результаты сравнительного опроса,

Рис. 5. SPD индукционной лампы Philips QL1 с температурой 6500 К (Значения SPD были получены в результате эксперимента, проведенного сотрудниками центра LRC)

Рис. 6. SPD МГЛ с цветовой температурой 4000 К Таблица 3. Параметры осветительных установок на улице Shennecossett Road Освещение с помощью индукционных ламп Керамическая МГЛ 70 (92 с балластом) 4000 4150 24

Освещение с помощью НЛВД Тип лампы Мощность лампы, Вт ССT, К Ср. световой поток, лм Срок службы лампы, тыс. ч Тип установки Кол-во установок Тип распределения света Классификация отсечки Управление светом Высота установки, футов Сред. освещенность, лк

НЛВД 100 (118 с балластом) 2100 8460 30 (нецикл.) Cobra Head 10 Тип II Cutoff Фотоэлемент 25 8,72*

3,1*

* Данные измерений центра LRC

Таблица 4. Сравнение систем с НЛВД и индукционной лампой при яркости в условиях фотопического и мезопического зрения

НЛВД Индукц. лампа

Мезопическая яркость, кд/см2

Коэффициент S/P

0,17

0,63 2,88

Фотопическая яркость, кд/м2 0,21 0,08

Световой поток, лм 9500 3620

Входная мощность лампы, Вт 100 60

Таблица 5. Сравнение систем с НЛВД и МГЛ при яркости в условиях фотопического и мезопического зрения

НЛВД МГЛ

Мезопическая яркость, кд/см2

Коэффициент S/P

0,05

0,63 1,60

Фотопическая яркость, кд/м2 0,07 0,03

Световой поток, лм 9500 4070

Входная мощность лампы, Вт 100 70

Современная светотехника, #4 2010

дискуссия

Рис. 7. Результаты опроса жителей улицы Meridian

Мнение эксперта Алексей Малахов, malakhovad@mail.ru Инженер-светотехник, окончил кафедру светотехники ГОУВПО МЭИ (ТУ) по направлению «Источники света и ПРА». Основная область интересов — разработка осветительных установок специального назначения. Руководитель проектной группы ООО «ПРОСОФТ ТРЕЙДИНГ». В данной статье рассмотрены особенности зрительного восприятия человека в условиях сумеречного зрения. Следует отметить, что модель работы человеческого глаза, основанная на двойственности рецепторов, уже опровергнута, и в рамках данной статьи она рассматривается для упрощения описания процессов и зависимостей, происходящих с чувствительностью глаза в разных условиях. Уличное освещение — одна из самых важных сфер ночной жизни крупных мегаполисов. Качественное освещение улиц повышает безопасность движения на дороге, повышает криминогенную безопасность, увеличивает продолжительность активности людей.

www.lightingmedia.ru

Еще 10 лет назад исследования уличного освещения показали, что при использовании ламп НЛВД резко повышается световой контраст, вследствие чего снижается время реакции и скорость определения препятствий и объектов. С этого момента улицы начали оснащать светильниками с натриевыми лампами. Однако со временем светотехники столкнулись с проблемой увеличения аварийности при сохранении уровня яркости. Как показали новые исследования, при освещении улиц с низким коэффициентом цветопередачи человеческий глаз быстро утомляется, и время обнаружения тестобъекта увеличивается. Было установлено, что при использовании ламп белого цвета наличие цветового контраста позволяет значительно сократить время реакции человека. Исследования, приведенные в данной статье, особенно интересны для России. В публикации рассматривается выгода от замены светильников с лампами ДНаТ, используемых во всех мегаполисах России, на светильники

с индукционными лампами. В рамках программы по энергосбережению, принятой в России, возможна реализация этой замены со значительным сокращением эксплуатационных расходов и повышением привлекательности ночной жизни города. Статья демонстрирует необходимость продолжать исследования в области восприятия света человеческим глазом и на основании полученных результатов разрабатывать нормативные документы и рекомендации к освещению в различных областях использования искусственного освещения. Однако стоит отметить, что переход на новые системы величин для уличного освещения является нецелесообразным. Для повышения эффективности уличного освещения следует закрепить в нормативных документах список источников света, разрешенных для осветительных установок городов, и отдельно выделить источники света, запрещенные или не рекомендуемые к использованию.

дискуссия целью которого было выявить качество освещения с помощью индукционных ламп и НЛВД на улице Meridian. Опрос жителей Shennecossett Road показал явное преимущество использования МГЛ с цветовой температурой 4000 К, что хорошо согласуется с результатами, полученными при использовании унифицированной фотометрической системы. Респонденты (водители и пешеходы) сообщили, что чувствуют себя безопаснее и видят лучше в условиях освещения дороги с помощью 70-Вт МГЛ, чем при использовании установок со 100-Вт НЛВД. Однако не следует забывать, что эксперимент проводился при пиковом значении МГЛ, яркость и освещенность которой при эксплуатации уменьшаются.

В Остине, шт. Техас, был проведен еще один эксперимент, в котором НЛВД сравнивалась с двумя двухтрубчатыми 50-Вт люминесцентными лампами Т5 с цветовой температурой 4000 К. Результаты опроса очень схожи с теми, которые были получены в Гротоне.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗ НОСТЬ Затраты на техническое обслуживание и ремонт — важная статья расходов для любого коммунального предприятия, отвечающего за эксплуатацию уличных осветительных систем. Эти издержки занимают второе место после энергозатрат. Каждая осветительная система, позволяющая снизить затраты на техобслуживание, рассматривается

в качестве замены дорогостоящим осветительным установкам. Стоимость НЛВД относительно невысока, а ее срок службы составляет 30 тыс. ч. Срок службы индукционных ламп превышает этот показатель в два раза, однако в конце данного срока в осветительной установке необходимо заменить и лампу, и драйвер. Эти компоненты стоят намного дороже, чем 100-Вт НЛВД. Следовательно годовые затраты на техобслуживание индукционной системы немного выше (на 0,97 долл.), чем установки с НЛВД. МГЛ с керамической горелкой дороже натриевых ламп (на 111 долл.) при меньшем сроке службы (24 тыс. ч). В результате годовые расходы на техобслуживание МГЛ-систем на 16,74 долл. выше, чем установок с НЛВД.

Мнение эксперта Игорь Евдасев, eis06@mail.ru В 1998 году закончил УО Белорусский государственный университет транспорта, инженерэлектромеханик. Опыт работы 10 лет. Заведующий научно-исследовательской лабораторией «Системы электроснабжения транспорта», доцент кафедры «Электрический подвижной состав», экспертэнергоаудитор. Участвовал в энергетических обследованиях систем освещения предприятий железнодорожного транспорта (более 50 объектов). Хотелось бы поделиться своими впечатлениями о статье Питера Моранта «Сравнительные возможности осветительной системы, учитывающей особенности сумеречного зрения». Представление материала в статье я рассматривал с точки зрения экспертаэнергоаудитора, т.е. с точки зрения работника, которому нужно выбрать наиболее энергоэффективный источник света для уличного освещения при знании светотехники в объеме курса неспециализированного университета. В последнее время я достаточно много работаю с предложениями по индукционным люминесцентным лампам, поэтому материал для меня был актуальным, но не имел новизны. После прочтения статьи хотелось бы заметить, что продавцы индукционных ламп и светодиодов за такую статью должны сказать огромное спасибо. Почему сложилось такое впечатление? Наверно, больше из-за стиля подачи материала. Вся статья пестрит показателем S/P (коэффициент изменения показателя при скотопическом/ночном зрении относительно фотопического/дневного). Хотя речь в статье о мезопическом/

сумеречном зрении, которое характерно для диапазонов яркостей 0,01—10 кд/м2 (http://www.psychology.su/slovar/z/zrenie/). Освещение дорог и улиц как раз и находится в нижней части этого диапазона. Потребитель после прочтения статьи запомнит, что освещенность для индукционной люминесцентной лампы надо умножить на S/P = 2,88 (этот показатель в статье упоминается 3 раза, хотя отношение к рассматриваемой теме имеет второстепенное), а НЛВД — на 0,63. Специалист, который сталкивался с этой проблемой раньше, будет искать в статье коэффициенты не S/P, а M/P (коэффициент изменения показателя при мезопическом/сумеречном зрении относительно фотопического/дневного) или сопоставимую освещенность, мощность источников света, обеспечивающую одинаковую видимость объекта. Необходимо отметить, что эти данные тоже в статье есть и указаны в таблицах 1, 4 и 5. Причем сразу отмечается, что уже при яркости покрытия 0,6 кд/м2 и выше никаких коэффициентов M/P нет, т.е. для улиц и дорог районного и общегородского значения натриевые лампы будут экономичнее индукционных ламп примерно на 50% (судя по данным статьи, основывающимся на результатах системы УФС мезопического зрения, разработанного в Lighting research center). Это в выводы статьи не попало! Зато там есть экономия электроэнергии для случая, когда яркость дорожного покрытия составляет 0,3 кд/м2 (характерно для улиц и дорог местного значения: дворовые территории, подъезды к организациям) и 0,1 кд/м2 (характерно для улиц и дорог местного значе-

ния с нерегулярным движением одиночных автомобилей), т.е. не для основной части осветительных установок дорог и улиц. Значения экономии электроэнергии в диапазоне 30—50 % в осветительных системах наружного освещения при замене натриевых ламп высокого давления на индукционные люминесцентные лампы, указанные в статье, тоже необходимо подвергнуть проверке. Проблема в том, что на сегодняшний день существует несколько моделей мезопического зрения, и светотехники до сих пор не пришли к единой. Лично я хотел бы предостеречь проектировщиков и заказчиков, чтобы они не покупались на статьи, где часто фигурирует показатель S/P, по двум причинам: 1) пока исследователи не придут к единому мнению, какой у ламп показатель M/P, и, соответственно, какой реальный потенциал экономии электроэнергии получится (хотя и 7 лет, указанные в статье, — немало); 2) когда будут внесены изменения в технические нормативные правовые акты по нормированию освещения, поскольку никаких коэффициентов в СНиПах нет. Люксметры, выпускаемые сегодня, настроены на фотопическую кривую зрения, и кто должен брать на себя ответственность за занижение уровней освещенности при проектировании и эксплуатации? Прим. редакции В этом номере опубликована статья на стр. 61, в которой подробно расписано, что такое мезопическое зрение и на сколько можно ожидать снижения норм освещенности для такого зрения.

Современная светотехника, #4 2010

дискуссия Перед заменой существующих НЛВД на индукционные лампы или МГЛ в уличных осветительных установках следует провести экономический анализ. Срок окупаемости двух новых установок достаточно продолжительный. При замене существующих НЛВД на индукционные лампы он становится больше и значительно вырастает при использовании МГЛ вместо НЛВД. Период окупаемости новых осветительных установок на базе индукционных ламп равен 7,1 лет, в течение которых эти системы должны обеспечивать энергосбережение, чтобы компенсировать дополнительные капитальные затраты. При замене осветительных НЛВД-установок системами на основе индукционных ламп с меньшим энергопотреблением их период окупаемости увеличивается до 13,9 лет. Система МГЛ обеспечивает минимальную годовую экономию средств (4,54 долл.) по сравнению с НЛВДсистемой из-за больших расходов на техобслуживание и ремонт. 55-Вт осветительная установка на основе индукционных ламп имеет наименьшую стоимость жизненного цикла из трех рассматриваемых систем — 1549 долл. Аналогичный показатель для 70-Вт МГЛ составляет 1824, 21 долл., а 100-Вт НЛВД — 1832,65 долл. Подробные расчеты экономической целесообразности см. в [1].

ВЫВОДЫ На основе данных исследования можно сделать следующие выводы. – В качестве замены уличных светильников на основе НЛВДламп рекомендуются источники белого света, настроенные на условия сумеречного зрения с высоким коэффициентом S/P. Цветовая температура этих источников света должна составлять около 6500 К, а светоотдача — 65—70 лм/Вт. При низких значениях яркости в 0,1 кд/м2 экономия электроэнергии может достичь 40—50%. При более высоких значениях яркости в 0,3 кд/м2 экономия электроэнергии составляет около 30%. – 55-Вт индукционная осветительная система при 6500 К является энергоэффективной заменой 100-Вт уличного НЛВДсветильника и должна рассматриваться в качестве новой осветительной установки. Ее также следует считать заменой существующих 100-Вт НЛВД-систем для уличного освещения. – 70-Вт МГЛ-установка не может считаться хорошей заменой системы уличного освещения на основе 100-Вт НЛВД, главным образом, из-за того, что имеет минимальные преимущества по сравнению с НЛВД-системой.

– В качестве замены НЛВДсветильников можно рассмотреть белые светодиоды при условии, что их светоотдача будет достаточно высокой, срок службы — более 50 тыс. ч, а стоимость — экономически оправданной. – Для определения требуемой мощности ламп при замене существующих светильников рекомендуется использовать унифицированную фотометрическую систему, позволяющую выполнять расчеты с учетом коэффициента S/P. Для новых осветительных установок организация IESNA разработала рекомендации по уровню яркости света в зависимости от типа освещаемой улицы. Для существующих осветительных систем расчет яркости выполняется путем измерения освещенности и отражающей способности поверхности дороги. Полученные значения яркости вводятся в УФС, чтобы определить параметры новой системы, обеспечивающей эквивалентное зрительное восприятие освещаемых объектов и предназначенной для замены существующей установки. ЛИТЕРАТУРА 1. Mesopic Street Lighting Demonstration and Evaluation Final Report//www.lightingresearch. org/researchAreas/pdf/GrotonFinalReport.pdf.

В Европе появился первый завод, полностью освещенный светодиодами Голландская компания LedNed разработала и установила 100 тыс. светильников на основе светодиодов Cree XLamp (R) на заводе, предоставляющем услуги по упаковке потребительских товаров. Завод находится в г. Эттен-Лейре, Нидерланды, и принадлежит компании Kompak. Андре тен Блоэмендаль (Andre ten Bloemendal), коммерческий директор LedNed, отметил, что, учитывая потолки складов Kompak в 14 м, была использована светодиодная система Lightline, которая обеспечивает равномерное освещение по всем плоскостям. Функций этой системы, такие как обнаружение движения, коррекция дневного света и другие пользовательские опции, хорошо подходят для мест, где требуется больше света. Lightline охватывает 3,5 тыс. м и полностью интегрирована с системой пожаротушения

www.lightingmedia.ru

завода и имеет дублирующие цепи для аварийного освещения на случай сбоя электропитания. В офисных помещениях компания LedNed использовала световые трубки LedTube (R), а по всем производственным помещениям — светодиодные панели FlexiLightPanel (R) и потребительские лампы LedNed. По словам Стивена Ниджвейде (Steven Nijweide), руководителя проектов Kompak, использование светодиодной подсветки по всему заводу позволило сократить потребление электроэнергии на 20000 кВт·ч по сравнению с обычным освещением, что соответствует сокращению ежегодного выброса углерода почти на 135 тыс. кг. В дополнение к экономии энергии освещение было настроено так, чтобы обеспечить автоматическую компенсацию дневного света,

а также оптимально освещать все офисы и производства. Светодиодные светильники позволили создать гибкое и функциональное освещение для работников завода, где бы и когда бы они ни были. Голландская компания LedNed является пионером в области исследований, разработки и производства высококачественных светодиодов. LedNed — единственный производитель светодиодов в мире, который удовлетворяет строгим энергетическим и экологическим нормам RoHS, и единственный производитель светодиодов в Нидерландах с сертификатом KEMA CE на весь ассортимент предлагаемой продукции. Светодиоды LedNed подходят ко всем стандартным светильникам. www.ledinside.com/News_LedNed_CREE_20100813

дискуссия

Энергоэффективность уличных светильников Совершенствовать технологии или менять концепции? Эта статья публикуется в качестве дискуссии на тему о целесообразности замены уличных светильников с газоразрядными лампами на осветительные приборы со светодиодами. Чтобы определить наиболее энергоэффективный светильник в нескольких типовых вариантах его применения, проведено сравнение реальных светильников.

ВЫБОР ОБРАЗЦОВ СВЕТИЛЬНИКОВ

Базовой моделью уличного светильника принят светильник ЖКУ-100 с натриевой лампой высокого давления. Характеристики этого светильника соответствуют аналогу ЖКУ51-100-070 УХЛ1 [1] и отвечают требованиям по энергоэффективности ГОСТ 8045-82, т.е. КПД светильника не менее 60% [2], а световая отдача — наибольшая среди источников света для данного приложения. Альтернативные варианты современных уличных светильников: 1) ЖКУ 01-100-001-УХЛ1 Rubycon с газоразрядной натриевой лампой высокого давления, высоким КПД до 82% и регулируемым светораспределением (производится ЧТУП «Олди Свет» с применением комплектующих европейских компаний) [3]; 2) светильник со светодиодами OSRAM Golden Dragon Oval Plus, оптика которых позволяет получить необходимую для улиц и дорог широкую кривую светораспределения (название аналогов светильников в статье не указывается, т.к. подобные светильники существуют у ряда производителей). Сравнение проводилось путем моделирования световой среды при различных светильниках на типовых площадках. Учитывались требования технических нормативных правовых актов стран СНГ. Результаты исследований различий в сумеречном (мезопиче-

ском) и дневном (скотопическом) зрении человека в сравнении не учитывались, т.к. возможное изменение уровней освещенности в зависимости от спектра источника света в технических нормативных правовых актах стран СНГ не отражены, следовательно, использовать их при проектировании и эксплуатации осветительных установок невозможно.

ПОКАЗАТЕЛИ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВ НОСТИ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ ПРИБО РОВ В настоящее время подготавливаются технические нормативные правовые акты, в которых вводится новый термин «Световая эффективность осветительного прибора». Этот показатель равен отношению светового потока осветительного прибора при установившемся тепловом режиме к его входной электрической мощности. Предполагается применять указанный показатель для осветительных приборов со светодиодами, но его можно распространить также на светильники с газоразрядными лампами. В последнем случае одним показателем заменяются три (КПД светильника, потери в ПРА и световая отдача лампы), характеризующие энергоэффективность осветительного прибора. С помощью только световой эффективности светильника нельзя выбрать наиболее рациональный с точки зрения энергоэффективности освети-

тельный прибор. Необходимо учесть эффективность светораспределения осветительного прибора для геометрии освещаемого объекта и расположения рабочих поверхностей и точек. Для этой цели целесообразно применить метод коэффициента использования светового потока. Показатель энергоэффективности осветительного прибора при нормировании средней освещенности рабочей поверхности в этом случае можно представить следующим выражением: (1) где ηис — световая отдача источника света, лм/Вт; ηсв –КПД светильника; kбп — коэффициент потерь в блоке питания; kз — коэффициент запаса по начальному световому потоку; kи — коэффициент использования по световому потоку. Применение только одного указанного показателя не позволяет рационально подобрать КСС светильника. Необходимо дополнительно учитывать ограничения по равномерности распределения освещенности расчетной поверхности. Результаты расчета показателей энергоэффективности осветительных приборов при двустороннем освещении улиц шириной 15 м при высоте установки светильников 8 м представлены в таблице 1.

Евдасев Игорь, к.т.н. В 1998 году закончил УО «Белорусский государственный университет транспорта», инженер-электромеханик. Опыт работы 10 лет. Сегодня заведующий научно-исследовательской лабораторией «Системы электроснабжения транспорта», доцент кафедры «Электрический подвижной состав», эксперт-энергоаудитор. Участвовал в энергетических обследованиях систем освещения предприятий железнодорожного транспорта (более 50 объектов).

Современная светотехника, #4 2010

дискуссия

Рис. 1. Кривые силы света светильников (слева — косинусная, справа— широкая)

При нормировании средней освещенности рабочей поверхности трудно выделить наиболее значимый коэффициент, который влияет на результирующий показатель энергоэффективности светильника. Высокий КПД светильника ЖКУ 01-100-001-УХЛ1 Rubycon позволил ему превзойти по результирующему показателю ЖКУ-100. Однако светодиодный светильник не смог достичь такого же хорошего показателя энергоэффективности при высоком КПД, т.к. имеет более

низкую световую отдачу источников света и коэффициент использования по световому потоку. При нормировании минимального уровня освещенности рабочей поверхности (железнодорожные платформы, переезды и т.д.) в расчет показателя энергоэффективности вводится отношение средней освещенности поверхности к минимальной:

(2)

где Z — отношение средней освещенности поверхности к минимальной. Показатель ηмин является комплексным и учитывает как эффективность использования светового потока светильника, так и неравномерность освещенности рабочей поверхности. Результаты расчета показателей энергоэффективности осветительных приборов при одностороннем освещении платформы шириной 4 м при высоте установки светильников 5 м представлены в таблице 2. В отличие от результатов таблицы 1 при нормировании минимальной освещенности на рабочей поверхности платформы, экономия электроэнергии светильником ЖКУ 01-100-001УХЛ1 Rubycon достигла 55% по отношению к варианту с базовым светильником ЖКУ-100, а перерасход светодиодного светильника — 41%. При учете в показателе энергоэффективности светильников коэффициента неравномерности освещенности по рабочей поверхности результирующие значения показателя для различ-

Таблица 1. Показатели энергоэффективности светильников при освещении улиц Показатель Светильник Дополнительный критерий (отношение максимальной освещенности к средней не более 3) Световая отдача источника света, лм/Вт КПД светильника Коэффициент потерь в блоке питания Коэффициент запаса по начальному световому потоку Коэффициент использования по световому потоку Коэффициент энергоэффективности осветительного прибора, лм/Вт Процент экономии электроэнергии при одинаковой освещенности, %

ЖКУ 01-100-001-УХЛ1 Rubycon

Значение показателя ЖКУ-100*

Светодиодный светильник**

2,3

2,42

2,59

105 0,82 1,1 1,5 0,59 30,8 18

105 0,60 1,1 1,5 0,66 25,2 —

85*** 0,89 1,15 1,5 0,58 25,4 1

* Аналог светильника ЖКУ 51-100-070 УХЛ1. ** Применены светодиоды OSRAM Golden Dragon Oval Plus. Светильник имеет кривую силы света типа Ш. *** При фактической температуре кристаллов светодиодов.

Таблица 2. Показатели энергоэффективности светильников при освещении Показатели энергоэффективности светильников при освещении железнодорожной платформы Показатель Световая отдача источника света, лм/Вт КПД светильника Коэффициент потерь в блоке питания Коэффициент запаса по начальному световому потоку Коэффициент использования по световому потоку Отношение средней освещенности поверхности к минимальной (шаг опор – 30 м) Коэффициент энергоэффективности осветительного прибора, лм/Вт

105 0,82 1,1 1,5 0,33 3,5 4,9

Значение показателя 105 0,60 1,1 1,5 0,41 7,2 2,2

Процент экономии электроэнергии при одинаковой освещенности, %

–

www.lightingmedia.ru

85*** 0,89 1,15 1,5 0,31 14,8 0,9 –41 (перерасход)

дискуссия ных светильников с подобными кривыми силы света могут различаться в 5 раз (см. табл. 2). В таких ситуациях функция регулировки светораспределения осветительного прибора приобретает наибольшую значимость при выборе светильника с точки зрения энергоэффективности и качества освещения.

НОВАЯ КОНЦЕПЦИЯ ДОРОЖНОГО ОСВЕЩЕНИЯ. МАРКЕТИНГ ИЛИ ИНЖЕНЕРНЫЙ ПОДХОД? «В связи с появлением на рынке светодиодных светильников… встает вопрос о необходимости пересмотра концепции размещения светильников на дорогах и применения других кривых силы света» [4]. Авторы выделяют две особенности «новой концепции»: уменьшение высоты опор освещения до 6…8 м и уменьшение расстояния между опорами до 15…20 м. В результате сравнения «новой концепции» на светильниках УСС-36/100 и традиционной на светильниках РКУ16-250-001 (высота опор 12 м, шаг между опорами 40 м) доказываются «значительные преимущества не только в экономии ресурсов, но и в качестве освещения» улиц и дорог светодиодными светильниками с косинусной кривой силы света (см. рис. 1). Для доказательной базы преимуществ «новой концепции» проведены светотехнические расчеты, только в отличие от авторов статьи [4] в качестве альтернативы светодиодным светильникам выбран светильник ЖКУ-01-100-001 Rubycon с высоким КПД и натриевой лампой высокого давления. Результаты светотехнических расчетов, энергетические и экономические показатели вариантов представлены в таблице 3. Анализируя представленные в таблице 3 показатели, можно сделать следующие выводы: 1) светильник ЖКУ-01-100-001 Rubycon с широкой кривой силы света можно эксплуатировать на высотах опор 8 м и при шаге опор до 45 м без нарушения требований нормативных документов по показателю ослепленности для улиц и дорог; 2) для получения светотехнических показателей, удовлетворяющих требованиям освещения дорог и улиц категории Б3 [5], при использовании светодиод-

Таблица 3. Результаты светотехнических, энергетических и экономических показателей различных вариантов освещения четырех полосной дороги Показатель

Значение показателя

Светильник

УСС-36/100

УСС-70/100

ЖКУ-01-100-001 Rubycon

Потребляемая мощность, Вт

110

Высота опор, м

Шаг опор, м

Средняя яркость покрытия, кд/м2

0,47

0,6

0,73

Отношение минимальной яркости к среднему значению

0,7

0,5

0,4

Отношение минимальной яркости к максимальной по полосе движения

0,9

0,5

0,4

Средняя горизонтальная освещенность на уровне покрытия, лк

Отношение максимальной освещенности к средней

1,4

2,1

2,3

Показатель ослепленности (TI,%)

менее 150 (2)

менее 150 (4)

менее 150 (14)

Соответствие требованиям ТНПА

категория дорог Б4 и ниже

категория дорог Б3 и ниже

Количество опор на 1 км дороги (при расположении с двух сторон дороги)

132

Суммарная установленная мощность светильников: – кВт

5,28

5,25

4,84

– относительных единиц

1,00

0,99

0,92

Финансовые затраты в относительных единицах: – на установку опор

1,00

0,61

0,47

– на светильники

1,00

0,76

0,10

– всего

1,00

0,67

0,30

ных светильников с косинусной кривой рационально установить светильники мощностью 75 Вт на опорах с шагом 28 м; 3) при использовании светодиодных светильников мощностью 40 Вт даже при шаге опор 15 м средняя яркость покрытия (наиболее важный показатель для водителя!) не удовлетворяет требованиям освещения дорог и улиц категории Б3 [5]; 4) «новая концепция» освещения светодиодными светильниками дорог и улиц приводит к увеличению потребляемой мощности на 7—8% и удорожанию проекта на 55% по сравнению с освещением светильниками ЖКУ, изготовленными по современным технологиям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В трех рассмотренных типовых вариантах уличного освещения изготовленный по современным технологиям светильник с газоразрядной лампой превзошел по показателям энергоэффективности светодиодный светильник. Это положение нельзя распространить на все выпускаемые светильники,

но оно в очередной раз доказывает, что каждый источник света на определенном этапе развития научно-технического прогресса имеет свое место применения. До внесения изменений в технические нормативные правовые акты с учетом изменения уровней освещенности при сумеречном зрении в зависимости от спектра источника света, газоразрядные источники света (натриевые лампы высокого давления и металлогалогенные лампы) необходимо признать более предпочтительными для массового применения на улицах и дорогах. ЛИТЕРАТУРА 1. Каталог продукции. ОАО «Лидский завод электроизделий». Часть 1. 2008 г. 21 с. 2. ГОСТ 8045-82. Светильники для наружного освещения. Общие технические требования: введ. 01.01.1984 / с изм. №№1–3. 3. Светильники уличные RUBYCON. Олди Свет//www.oldisvet.by/catalogues/ ulichnie/187/210.html#site. 4. Д. Коновалов. Новая концепция дорожного освещения//www.ledsvet.ru/index.php?typ e=special&area=1&p=articles&id=26. 5. СНиП 23-05-95. Естественное и искусственное освещение: введ. 01.01.1996/с изм. №1.

Современная светотехника, #4 2010

применение источников света

Индукционные лампы – новое энергоэффективное решение в уличном освещении Сергей Макареня, Павел Рудковский, под общей редакцией Николая Фомина

В настоящее время сложно представить себе жизнь населённых пунктов, транспортных магистралей без вечернего и ночного освещения. По статистике, 20% общего расхода энергии приходится на освещение, которое помимо функционального освещения улиц и автострад включает в себя также декоративное освещение. Растущие цены на энергию, экологические проблемы вынуждают искать инновационные технологии для увеличения энергоэффективности уличного освещения. В качестве осветительного оборудования, как правило, применяются различные модели уличных светильников и светильников общего пользования, оснащённых натриевыми и ртутными лампами, причём количество натриевых ламп значительно превышает количество ртутных. В силу экономических и эксплуатационных факторов натриевые лампы пришли на смену ламп накаливания как более энергоэффективные источники света, обладающие наибольшей световой отдачей среди газоразрядных ламп. В то же время качественные показатели освещения натриевыми лампами оставляют желать лучшего. Свет, создаваемый натриевой лампой, имеет ярко выраженное смещение спектра в сторону жёлтого, при этом количество синих и зелёных составляющих значительно меньше. Этот спектральный «перекос» (плохая цветопередача) создаёт дискомфорт в восприятии зрительной информации, а также значительно ухудшает

видимость объектов, приводит к потере важной информации при движении, снижению возможности распознавать объекты по контрасту и цвету. Недостаточный контраст между фоном и объектом, имеющийся при вождении автомобиля в условиях искусственного освещения, приводит к утомлению глаз и, как следствие, — к увеличению количества аварий. Особенно заметно видимость ухудшается в сумеречное время. Например, установлено, что в европейской части России сумерки навигационные, т.е. когда высота Солнца заключена в пределах –6°51'…–12° по отношению к горизонту. Продолжительность этих сумерек составляет около 2 ч. В это время естественного освещения уже недостаточно для нормальной жизнедеятельности, и возникает потребность в искусственном освещении. Все объекты окрашиваются в серые полутона, и для обеспечения нормальной видимости от источника света требуется не только высокая светоотдача, но и максимально приближенный к естественному спектр света. Согласно статистическим данным, наибольшее количество ДТП происходит именно во время сумерек. Решением проблемы является замена натриевых ламп на лампы, имеющие высокий показатель цветопередачи вместе с высоким показателем светоотдачи. Улучшение цветопередачи (цветового восприятия), в свою очередь, увеличивает контраст изображения и восприятия глубины пространства. По этим параметрам подходят обычные люминесцентные лампы, но в силу конструктивных особенностей этот тип ламп не нашёл распро-

странения в уличном освещении. Ситуацию кардинально меняет применение индукционных ламп. Рассмотрим преимущества данных источников света в аспекте уличного освещения. Высокий индекс цветопередачи. Индекс цветопередачи показывает, насколько естественно выглядит окружающее пространство в свете данной лампы. За эталон качества освещения принят солнечный свет (Ra=100) и близкий к нему по этому параметру свет лампы накаливания (Ra≈97—99). По общепринятой классификации, значение индекса цветопередачи для индукционных ламп (Ra>80) является

хорошим. В то же время низкое значение индекса цветопередачи натриевых ламп (Ra≈20—30) не позволяет снизить дискомфорт зрительного восприятия. Срок службы индукционных ламп в силу конструктивных особенностей, а именно, из-за отсутствия изнашивающихся нитей накала и электродов, увеличен на порядок по сравнению с люминесцентными и может составлять 120 тыс. ч. При этом не исключается их дальнейшая эксплуатация вплоть до полного «выгорания» люминофора. После 100 тыс. ч работы уровень светового потока составляет 50—65% от первоначального. Длительный срок эксплуатации индукцион-

Современная светотехника, #4 2010

применение источников света ных ламп значительно сокращает такие эксплуатационные расходы как оплата труда персонала, стоимость закупки и хранения традиционных ламп, транспортные расходы при обслуживании уличного освещения. Превосходная светоотдача. Существующие технологии, базирующиеся на явлении электромагнитной индукции и газовом

разряде, при котором излучается свет, позволяют производить лампы со светоотдачей выше 80 лм/Вт, а в перспективе этот параметр может достичь значений 300—400 лм/Вт. К следующему достоинству индукционных ламп можно отнести отсутствие мерцаний (пульсаций) и стробоскопического эффекта за счет использования качественного электронного балласта, создающего ток с рабочей частотой 190…250 кГц, что способствует созданию комфортных условий для участников движения. Мгновенный запуск индукционной лампы минимизирует потери электричества, позволяет оптимально использовать систему освещения. Эта возможность позволяет разрабатывать системы освещения с применением датчиков движения. Например, можно создать систему мгновенного включения освещения на транспортной магистрали там, где в определенный момент времени происходит движение транспортных средств или пешеходов. Кроме того, датчик движения может быть совмещен с датчиком уровня освещенности (сумеречным выключателем). Его настраивают на определенное значение освещенности, при котором датчик не позволит включать лампы при достаточном уровне света. Хотелось бы обратить внимание на стабильность светового

www.lightingmedia.ru

потока индукционных ламп при различных температурах окружающей среды, надежное зажигание при низких температурах до –20°С. При положительных температурах лампы зажигаются и повторно зажигаются практически мгновенно. Для сравнения отметим, что для розжига натриевых и ртутных ламп требуется определенное время, а натриевая лампа не включается в разогретом состоянии — на ее включение требуется время (10—15 мин). Одной из важных характеристик индукционных ламп, на наш взгляд, является полное отсутствие зависимости срока службы ламп от количества циклов включения/выключения. Следующей отличительной особенностью индукционных ламп является возможность диммирования (изменения интенсивности света) в диапазоне 30—100%, что позволяет применять интеллектуальные системы для управления уличным освещением. Таким образом, использование в системе управления освещением регулятора мощности вместе с астрономическим таймером позволяет добиться ещё большей экономии электроэнергии за счет регулирования яркости свечения ламп. Например, во время сумерек требуется повышенная мощность свечения, чтобы увеличить контрастность и видимость объ-

ектов, тогда как ночью для обеспечения необходимого уровня освещённости требуется меньшая мощность. Внедрение интеллектуальных систем позволяет одновременно измерять, анализировать и снижать потребление энергии, проводить удаленные мониторинг и управление уличным освещением, что значительно снижает расходы на техническое обслуживание.

Широкий диапазон цветовых температур (2700…6500 К) от теплого белого до дневного света позволяет выбрать мягкий и естественный излучаемый свет, оптимальную подсветку в зависимости от условий освещения. Для сравнения, цветовая температура натриевых ламп — всего 1800 К, что делает невозможным цветное видение. За счет использования в индукционных лампах амальгамы (сплава ртути с другими металлами) содержание паров ртути на два порядка ниже, чем в других газоразрядных лампах, что способствует экологической безопасности и упрощает процесс утилизации. Платой за использование прогрессивных технологий является более высокая стоимость индукционных ламп. Эти лампы дороже, и замена на них потребует определенных единовременных капиталовложений. Обоснование экономического эффекта лучше рассматривать для конкретной ситуации. Например, расчёт эффективности замены натриевых ламп индукционными в уличном освещении показывает почти двукратное снижение расходов за счет экономии электроэнергии, а также длительного срока службы. Учитывая характеристики индукционных ламп, уменьшение затрат на эксплуатацию и обслуживание, возможность построения эффективных систем освещения, можно смело утверждать, что на сегодняшний день индукционные лампы являются наиболее энергоэффективным источником света, который используется в уличном освещении.

220015, Республика Беларусь, г. Минск, пр. Пушкина, 29Б, ТЧУП «ФЭК», Тел./факс: +375 (17) 210-21-89, тел.:+375 (29) 370-90-92,+375 (29) 274-17-13 www.fek.by, e-mail: lighting@fek.by ЗАО «Фаворит-ЭК». Адрес для отправки почтовых отправлений: 109029, г. Москва, а/я 48 105318, г. Москва, пл. Семёновская, д.7 Тел/факс: +7 (495) 627 76 24 info@favorit-ec.ru, www.favorit-ec.ru.

применение источников света

Новинки светодиодов Cree класса XLamp Появившиеся в 1996 г. новые источники света (в прямом смысле этого слова) на сегодняшний день уже прочно укоренились в сознании любого человека, так или иначе связанного с освещением. Это светоизлучающий диод (СИД), история которого начинается гораздо ранее обозначенной даты, но лишь всего 14 лет назад стало возможным получить излучение белого цвета. Причиной такой задержки было отсутствие СИД, работающих в коротковолновой области спектра, а именно они в настоящее

б)

Рис. 1. Появление полутеней при использовании протяжённого светильника с точечными излучателями а) без рассеивателя б) с рассеивателем

время используются в производстве белых полупроводниковых излучателей.

Почти за полтора десятилетия световая отдача белых светодиодов возросла на порядок и перешагнула отметку 130 лм/Вт в серийно выпускаемых изделиях, тогда как на заре своего существования они могли похвастаться лишь десяткомдругим люмен с ватта. Теперь СИД составляет серьёзную конкуренцию остальным источникам света и обладает рядом неоспоримых преимуществ. В силу этого уже несколько лет разработчики и производители покушаются на незыблемые поля применения люминесцентных ламп (ЛЛ): общее освещение обширных пространств промышленных и общественных помещений; декоративная закарнизная подсветка; рекламные световые короба и вывески. Причины такой популярности ЛЛ заключаются в хорошей световой отдаче и относительно большом сроке службы; хорошем спектральном распределении излучения; большой площади излучающей поверхности, откуда следует её небольшая яркость, что порой позволяет оставлять люминесцентные лампы, не закрытые рассеивателями, в световых приборах. Однако высокая эффективность кристаллов и излучение большого светового потока небольшой площадкой кристалла (например, СИД Cree XP-G, работая в пятиваттном режиме, может излучать световой поток около 450 лм с площади

всего 2 мм2) заставляют разработчиков светодиодной техники для общего или локального внутреннего и декоративного освещения, или рекламных целей прибегать к разным ухищрениям, чтобы свести к минимуму нежелательные для этих применений эффекты, возникающие в результате применения точечных излучателей. Часто это различного рода рассеиватели с большим коэффициентом поглощения, что сводит эффективность СИД к минимуму. Они не решают поставленную задачу должным образом, и на светильнике или отражающей поверхности мы наблюдаем яркие пятна, негативно сказывающиеся на качестве освещения. Хуже обстоят дела в случае локального освещения протяжённым светильником с дискретными излучателями. На рабочей поверхности появляются множественные полутени, которые мешают продуктивной работе, повышают утомляемость и приводят к другим нежелательным эффектам. Рисунок 1 иллюстрирует появление полутеней при локальном освещении

светильником без рассеивателя (а) и с рассеивателем (б). В обоих случаях светильник содержит 5 светодиодов с шагом 9 см. Подобные нежелательные эффекты можно свести к минимуму лишь путем применения большего количества источников света. При этом светодиодные компоненты будут работать в значительно недогруженном режиме во избежание избыточной освещённости. Такое использование СИД неэффективно и увеличивает стоимость продукта. Таким образом, используемый светодиод должен обладать следующим рядом специфических свойств, помимо высокой световой отдачи: – небольшая потребляемая мощность; – высокая световая отдача; – широкая однородная диаграмма направленности излучения; – относительно большая излучающая поверхность; – небольшая стоимость светодиода. Заполняя эту нишу, компания Cree выпустила две новинки — светодиоды для поверхностного

Александр Балашов, a.balashov@compel.ru Инженер по применению «Компэл». Окончил кафедру «Светотехника» Московского энергетического института по специальности «Квантовая и оптическая электроника».

Современная светотехника, #4 2010

применение источников света

Рис. 2. Внешний вид светодиода MX-3

Рис. 3. Внешний вид светодиода ML-E

Рис. 4. Габаритный чертёж светодиода ML-E

б)

Рис. 5. Появление полутеней от светильника с точечными излучателями минимально а) без рассеивателя б) с рассеивателем

монтажа MX-3 (см. рис. 2) и ML-E (см. рис. 3). Первая новинка является бюджетным дополнением к уже широко известной серии светодиодов MX-6. Как следует из названия MX-3, внутрь корпуса заключено три кристалла, а не шесть (на самом деле пять с 2010 г.), как у MX-6. Корпуса у этих светодиодов идентичны, поэтому при необходимости переход с одной серии на другую не сопряжён с дополнительными трудностями. Светодиод MX-3 представлен в белом цвете с цветовыми температурами 2600…8300 К, его световой поток в холодном диапазоне достигает 114 лм при токе 350 мА и до 94 лм в тёплом при тех же 350 мА. Максимальный рабочий ток ограничен величиной 400 мА. Этот светодиод, как и вся остальная продукция Cree класса XLamp, обладает электрически изолированной подложкой, что позволяет их монтировать на печатную плату из стеклотекстолита. Тепловое сопротивление увеличилось в сравнении с MX-6 до 11°С/Вт за счет уменьшения числа кристаллов (и, соответственно, уменьшения занимаемого места). Основные сферы применения светодиода MX-3: светодиодные лампы, декоративное освещение и

www.lightingmedia.ru

подсветка, закарнизная подсветка, освещение витрин и торговых автоматов, замена люминесцентного освещения. Приличные значения светового потока в совокупности с другими важными преимуществами, а главное — невысокой стоимостью, которая примерно на 40—45% ниже стоимости светодиода MX-6 (при равном световом потоке в номинальном режиме), позволяют с успехом применять эти светодиоды в указанных приложениях. Однако это не все новшества в семействе светодиодов MX. Напомню, что в многокристальных светодиодах MX-6 и MX-3 реализовано параллельное подключение кристаллов, но с осени 2010 г. компания Cree планирует начать выпуск этих СИД также с последовательным соединением. При этом система обозначений наборов останется стандартной, а электрические характеристики новых версий светодиодов будут следующими: – MX-6S — 20 В, 60 мА; – MX-3S — 10,5 В, 120 мА. Светодиоды с такими характеристиками найдут применением в бытовых лампах и в низковольтных системах освещения/подсветки (12/24 В). Компания Cree не обошла вниманием и диапазон менее мощных

светодиодов, выпустив новые светодиоды ML-E мощностью 0,5 Вт, которые ранее в классе XLamp отсутствовали (см. рис. 3—4). Новинка доступна с белым цветом свечения с цветовой температурой 2600…8300 К. Максимальный световой поток в холодном белом диапазоне достигает 57 лм, в тёплом белом — 42 лм при номинальном рабочем токе 150 мА. Максимальный рабочий ток составляет 175 мА, а световая отдача — до 118 лм/Вт. Светодиод ML-E имеет электрически изолированную теплоотводящую подложку, обеспечивающую тепловое сопротивление на уровне 11°С/Вт. Миниатюрный корпус размером 3,5×3,5 мм, широкий угол излучения 120°, постоянство спектральных характеристик по полю обзора и невысокая стоимость позволяют создавать осветительные системы с минимумом недостатков, присущих всем системам с дискретными излучателями. На рисунке 5 приведена ситуация, аналогичная той, что показана на рисунке 1, с той разницей, что в этом случае используются 12 светодиодов ML-E с шагом 4 см. Как видно на фотографиях, без рассеивателя множественные полутени ещё присутствуют, но в существенно меньшем количестве, а при использовании рассеивателя они исчезают. Результат освещения таким светильником уже практически неотличим от освещения протяжённым излучателем. Основное применение новые светодиоды ML-E найдут там, где высоки требования к однородной яркости светящейся поверхности, а именно: – замена ЛЛ Т5 и Т8; – линейные системы освещения; – закарнизная подсветка; – подсветка витрин и торговых автоматов; – световые короба и панели. Таким образом, появление светодиодов MX-3 и ML-E, характеризующихся на сегодняшний день невысоким световым потоком за счет относительно небольшой мощности, но большой светоотдачей, хорошими спектральными показателями, а главное, невысокой стоимостью, позволяет СИД сделать ещё один шаг в сторону того сегмента рынка, который по праву занимают люминесцентные лампы.

применение источников света

Сравнительная оценка жизненного цикла источников света Исследование предоставлено официальным представительством OSRAM в России и является авторизованным переводом с английского.

В марте 2007 года страны Европейского Союза приняли решение о сокращении на 20% выброса парниковых газов. В среднем, в мире до 20% потребления электричества приходится на освещение, а до сих пор 70% потребляемой мощности осветительных приборов приходится на неэффективные лампы накаливания. В связи с этим европейские законодатели приняли программу, рассчитанную на вывод из эксплуатации неэкономичных источников света до конца 2016 года. Но для этого лампам накаливания нужна экономичная альтернатива. Фактически в этом амплуа могут выступать осветительные приборы двух типов — люминесцентные лампы и лампы на основе светоизлучающих диодов. Первые известны достаточно давно и получили широкое распространение, вторые перешли из области экспериментальных образцов в коммерческую сферу не более 10 лет назад. У каждого из типов осветительных приборов есть свои достоинства и недостатки; например, люминесцентные лампы практически не допускают регулировки яркости, дают свет не совсем естественного для глаза спектра и содержат вредные для здоровья вещества (например, ртуть), что серьёзно затрудняет их утилизацию. Кроме того, они требуют использования дополнительных по сравнению с лампами накаливания компонентов для обеспечения нормальной работы (пускорегулирующей аппаратуры — ПРА), а принцип действия люминесцентных ламп не позволяет создавать миниатюрные конструкции. При этом они обладают высоким (в 5—10 раз большим, чем у ламп накаливания) КПД и вдесятеро большим сроком служ-

www.lightingmedia.ru

бы. Светодиодные лампы, со своей стороны, ещё более долговечны, позволяют регулировать спектральный состав и яркость свечения и малочувствительны к процессам включения/выключения в отличие от всех остальных типов светильников. Кроме того, они не содержат ртути. В настоящее время КПД светодиодных светильников практически сравнялся с КПД люминесцентных ламп. Однако для того, чтобы назвать какую-то технологию «зелёной», недостаточно того, что она обеспечивает малое энергопотребление во время работы. Необходимо исследовать весь жизненный цикл устройства на её основе — от изготовления до утилизации. Целью данной работы было исследование и сравнительная оценка всех составляющих жизненного цикла трех типов источников света — ламп накаливания, компактных люминесцентных и светодиодных ламп.

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ В данном исследовании была использована комбинация методов CML, разработанного Институтом наук об окружающей среде (Centrum voor Milieuwetenschappen), LCIA (Life Cycle Impact Assessment), разработанного в Лейденском университете, и некоторого количества ключевых параметров. В основе этой комбинации лежат принципы оценки жизненного цикла продукции, описанные в стандартах ISO 13040 и 14044. При этом сравнение производилось по ключевому пара-

метру, в качестве которого было избрано потребление первичной энергии, а также по шести категориям вредных выбросов, влияющих на окружающую среду. Далее в работе описаны эти категории для сравнения.

ПОТРЕБЛЕНИЕ ПЕРВИЧНОЙ ЭНЕРГИИ Потребление первичной энергии включает в себя энергию, потребляемую на всех стадиях жизненного цикла — производства, эксплуатации и утилизации.

КАТЕГОРИИ ВЫБРОСОВ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В данном исследовании оценивались следующие шесть категорий загрязнений. 1. Загрязнения, способствующие глобальному потеплению Суммарный показатель вклада в глобальное потепление, связанный с выбросом в атмосферу парниковых газов. Приводится в виде эквивалентного объёма выбросов CO2. 2. Кислотные загрязнения Вызывают потери питательных веществ в экосистеме за счёт воздействия кислот, образующихся в атмосфере при взаимодействии водяного пара, оксидов серы (SO2) и азота (NO2). Приводятся к эквивалентному объёму выбросов SO2. 3. Загрязнения, вызывающие зарастание водоёмов Вызывают бурный рост обычных и сине-зелёных водорослей, препятствующий нормальному размножению и развитию рыб и

Эрмин Машурян, erminmas@gmail.com С отличием закончил МИРЭА по специальности «Радиотехника», во время учёбы участвовал в НИР, в т.ч. базовой кафедры при НИИ Приборостроения. Затем работал в СКБ «Темп» Московского радиозавода; был директором филиала при НПО «Химавтоматика» в Центре НТТМ «Москворечье»; руководил компьютерной службой в ООО «Компания Новенка»; с 2000 по 2003 гг. — сотрудник отдела закупок ООО «Формоза»; постоянный автор, менеджер по информационным технологиям и научный редактор медиагруппы «Электроника»; занимается переводом книг по радиоэлектронике и физике.

применение источников света

Рис. 1. Традиционная лампа накаливания

других обитателей воды. В основном эти загрязнения вызываются накоплением в природе растворимых соединений фосфора и азота (в частности, избыточным использованием удобрений или выбросами неочищенных сточных вод). Приводятся в виде эквивалентного количества фосфатов (PO34 ). 4. Озоновое загрязнение Если в верхних слоях атмосферы озон играет положительную роль, экранируя земную поверхность от вредного ультрафиолетового излучения, то в приземных слоях в высокой концентрации он ядовит для большинства живых организмов. Озон образуется при воздействии солнечного света на некоторые химические соединения, например, окиси углерода и азота, двуокись серы и некоторые органические соединения. Приводится в виде эквивалентного количества этилена. 5. Ядовитые для человека выбросы Для человека ядами являются многочисленные органические и неорганические соединения, используемые в процессе производства, а также могущие возникать в процессе химических реакций при утилизации вышедшей из строя продукции. Для унификации здесь такие выбросы учитываются в пересчёте на эквивалентное количество 1,4дихлорбензола. 6. Потребление невозобновляемых ресурсов При производстве и эксплуатации потребляется некоторое количество невозобновляемых ресурсов, например, каменного

Рис. 3. Светодиодная лампа Parathorm Classic A производства OSRAM

Рис. 2. Компактная люминесцентная лампа OSRAM Dulux Superstar

или бурого угля и т.п. Для каждого типа ресурса степень важности его потребления зависит как от его распространённости в природе, так и от трудоёмкости извлечения. Оценивается в пересчёте на эквивалентное количество сурьмы.

ЭТАПЫ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА И УСЛОВИЯ СРАВНЕНИЯ Любое изделие на протяжении жизненного цикла проходит через несколько стадий — производства исходных материалов, производства самого изделия, транспортировки до потребителя, использования и утилизации после выхода из строя, и на каждом из этих этапов происходит потребление энергии и образование вредных выбросов. Для сравнения было взято три основных типа источников света: лампа накаливания мощностью 40 Вт, компактная люминесцентная лампа DULUX Superstar мощностью 8 Вт и светодиодная лампа Parathom LED мощностью 8 Вт. Общей платформой для сравнения было зна-

чение светового потока, которое для этих ламп лежит в диапазоне 345—420 лм, цветовая температура 2700…3300К (тепло-белый свет), индекс цветопередачи ≥80% и стандартный цоколь Е27. За основу для оценки энергопотребления был взят временной период в 25 тыс. ч использования, что соответствует сроку службы светодиодных ламп Parathom Classic A и является наибольшим среди исследуемых типов светильников. Для обеспечения такого времени работы потребуется 2,5 люминесцентные лампы типа Dulux Superstar или 25 ламп накаливания Classic A, что будет учтено при расчёте общего энергопотребления и вредных выбросов. Все исследуемые лампы состоят из трёх основных частей — цоколя, колбы и элементов заполнения колбы (которые, собственно, и обеспечивают свечение). Материалы и детали, используемые в этих узлах во всех типах ламп, приведены в таблице 1. На рисунках 1, 2 и 3 показаны конструкции этих ламп. Стоит от-

Табл. 1. Компоненты и материалы светильников Тип лампы

Цоколь

Колба

Накаливания – – – – –

Припой Металлическая оболочка с резьбой Изолятор Связующее вещество Электрический контакт

– – – – – – –

Стекло

Люминесцентная Связующее вещество Держатели (верхний и нижний) Клей Изолятор Металлическая оболочка с резьбой Припой Электронный балласт Стекло

– Газопоглотитель – Нить накала – Проволока (поддерживающая нить и Элементы подводящая ток к нити) заполнения – Стеклянная стойка для фиксации др. элементов – Горючий материал для удаления кислорода

– Заполняющий газ – Люминесцентное покрытие – Электродная система (спиральные электроды, держатели из пористого стекла, провода, эмиссионный материал, ртутные накопители и т.п.) – Стеклянная трубка

– – – – –

Светодиодная Изолятор Контактная плата Пластиковая втулка Алюминиевая пластина Электронный балласт

– Материал для колб – Радиатор – 6 светодиодов Golden Dragon Plus

Современная светотехника, #4 2010

применение источников света и другой специальной литературы. Стоит отметить, что, несмотря на то, что европейскими законами (и законами других стран) предусматривается обязательная переработка вышедших из строя люминесцентных и светодиодных ламп, многие частные владельцы просто выбрасывают такие лампы на свалку, что учитывалось при оценке.

РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ Рис. 4. Энергозатраты на производство ламп различных типов

Рис. 5. Общее энергопотребление на производство и эксплуатацию

метить, что светодиоды сами по себе являются сложными устройствами, требующими нескольких отдельных заводов для их изготовления. Процесс производства светодиодов можно разделить на два этапа — собственно производство полупроводниковых устройств и монтаж их в корпус. Первое осуществляется на заводе OSRAM Opto Semiconductors в Регенсбурге, а второе — на предприятии в Малайзии. Производство п/п кристаллов размерами примерно 1×1 мм ведётся в чистых помещениях с концентрацией посторонних частиц размерами более 5 мкм не более 100 на кубический фут (для ориентира — в куб. футе обычного городского воздуха содержится порядка миллиона таких частиц). Формирование отдельных элементов структуры светодиода осуществляется осаждением вещества из паров органических соединений на

www.lightingmedia.ru

специальную подложку в щели маски, образованной травлением засвеченного через шаблон светочувствительного покрытия. Пластина со сформированными полупроводниковыми устройствами затем доставляется в Малайзию, где производится её разделение на отдельные светодиоды и монтаж их в соответствующие корпуса, сопровождаемый контролем работоспособности и параметров, а также монтаж необходимых оптических компонентов (линз и светорассеивателей). Что касается исходных данных о производстве других типов ламп, то данные об этом получены из оригинальных материалов, предоставленных OSRAM, а также (в части сведений о производстве исходных материалов и компонентов) из баз данных GaB (Data Set PE International), Ecoinvent (Swiss Centre for Life Cycle Inventories)

Суммарные затраты энергии на производство трёх типов ламп (в пересчёте на суммарный срок службы в 25 тыс. ч) показаны на рисунке 4. Здесь стоит отметить интересный факт, что для светодиодных ламп доля энергозатрат на производство собственно светодиодов составляет примерно 30%, причём полупроводниковый компонент требует примерно половины этой доли, а остаток приходится на материалы и процессы корпусирования. На диаграмме, показанной на рисунке 5 и отображающей потребление энергии на обоих этапах жизненного цикла, используются две шкалы, десятикратно отличающиеся масштабами. Фактически, как видно из представленных цифр, энергозатраты на производство не превышают 2% от общих энергозатрат. На рисунке не отображены энергозатраты на утилизацию, так как их доля не превышает 0,2%. Рассмотрим теперь оценки для вредных выбросов в соответствии с описанной ранее классификацией. 1. Выброс парниковых газов Результирующая диаграмма представлена на рисунке 6. В наибольшей степени образование парниковых газов вызывается процессами получения электроэнергии, а наиболее затратными в этом плане для ламп накаливания является получение алюминия для цоколей и стекла для колб, для люминесцентных — стеклянных элементов конструкции компонентов электронного балласта, а для светодиодных ламп — получение алюминия для радиатора и компонентов электронного балласта. 2. Кислотные загрязнения Представлены на рисунке 7. При производстве светоди-

применение источников света одных ламп образуется существенно больше кислотных загрязнений, чем для двух других, что связано с широким использованием кислот в процессе их производства. Однако в любом случае эти выбросы составляют мизерную долю от загрязнений этого типа, возникающих при производстве энергии для этапа эксплуатации светильников. 3. Загрязнения, вызывающие зарастание водоёмов Этот тип загрязнений представлен на диаграмме на рисунке 8. Химические процессы, используемые в процессе производства, а также процессы транспортировки являются источником большого количества таких загрязнений, что стало причиной того, что лампы накаливания имеют наихудшие характеристики по этому показателю. А так как производство энергии также даёт определённое количество такого рода загрязнений, то наименее экономичные лампы накаливания оказались на первом месте и на этом этапе жизненного цикла. 4. Озоновое загрязнение Количество таких загрязнений показано на рисунке 9. Здесь наибольшее количество отходов даёт производство светодиодных ламп, хотя и здесь доля загрязнений при производстве не превышает 2,5% от загрязнений за весь жизненный цикл. 5. Токсичные для человека отходы Представлены на диаграмме на рисунке 10. На этапе производства наихудшие показатели здесь у светодиодных ламп, так как полупроводниковое производство даёт довольно большое количество таких отходов. Кроме того, только для этого типа загрязнений доля отходов, вырабатываемых в процессе производства, может составлять до 10% от общего их количества за весь жизненный цикл ламп. 6. И, наконец, потребление невозобновимых минеральных ресурсов Так как производство и эксплуатация ламп накаливания требует наибольшего количества энергии, то и по этому показателю они являются наихудшими, что отражено на рисунке 11.

Рис. 6. Выбросы, способствующие глобальному потеплению

Рис. 7. Кислотные загрязнения

Рис. 8. Выбросы, способствующие зарастанию водоёмов

Современная светотехника, #4 2010

применение источников света

Рис. 9. Выбросы, способствующие образованию озона

Рис. 10. Выбросы ядовитых веществ

Рис. 11. Расход минеральных ресурсов

ЭТАП УТИЛИЗАЦИИ Простейшим способом утилизации мусора (если не считать захоронения на свалках, что для ламп неприемлемо ввиду большого содержания ядовитых ве-

www.lightingmedia.ru

ществ) является его сжигание. При этом получается заметное количество тепла, которое может быть преобразовано в энергию. Однако для ламп такой метод утилизации даёт не более 0,1%

от потреблённой на предыдущих этапах энергии, а из-за наличия в люминесцентных и светодиодных лампах большого числа электронных компонентов, а в люминесцентных — ещё и ртути, их сжигание ведёт к образованию большого количества вредных летучих или растворимых химических соединений, что заставляет использовать дорогостоящие системы очистки. Мало того, при таком способе утилизации теряется большое количество ценных материалов, использованных в их конструкции, например, алюминия из радиаторов, меди и латуни из контактов, стекла колб. Поэтому директивы ЕС требуют переработки вышедших из строя люминесцентных и светодиодных ламп отдельно от обычного бытового мусора, при которой производится извлечение этих материалов и сжигание остатков после такой переработки. Эта работа может быть выполнена только на специализированных предприятиях и является довольно энергозатратной, хотя и позволяет снизить как количество токсичных для человека отходов, так и потери минеральных ресурсов. Стоит отметить, что до сих пор энергозатраты на производство рассчитывались без учёта отбраковки при производстве, что в принципе невозможно. Практика показывает, что выход годных компонентов при производстве светодиодов может составлять около 40%, а при корпусировании годных светодиодов — 80%. Это увеличивает реальное энергопотребление примерно на 2,7 кВт·ч, а полные энергозатраты на производство — до 12,6 кВт·ч. Стоит отметить ещё один момент. Высокое тепловыделение ламп накаливания позволяет добиться некоторой экономии на отоплении. Однако даже если считать, что лампа накаливания горит в те дни, когда требуется дополнительное отопление, её нагрев позволяет за 25 тыс. ч использования сэкономить всего 17 кг выбросов двуокиси углерода, что пренебрежимо мало по сравнению с тем количеством CO2, которое будет выработано при получении необходимой электроэнергии. Мало того, при высокой температуре воздуха может потребоваться дополнительная энергия на его охлаждение.

применение источников света ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ Современные светодиодные лампы практически сравнялись с люминесцентными как по эффективности использования электроэнергии, так и по величине загрязнений окружающей среды. При этом на процесс производства приходится менее 2% от общего энергопотребления за весь период жизненного цикла светильников. Более того, последние исследования в области создания светодиодов показывают, что в ближайшее время светоотдача их может быть

увеличена примерно в два раза, что при сохранении величины светового потока позволит не только уменьшить потребляемую мощность, но и сократить количество вредных выбросов за счёт упрощения теплоотводящей системы и конструкции светодиодной лампы. Таким образом, рассеивается широко распространённое заблуждение о крайне высокой энергоёмкости производства светодиодов, что якобы делает их неконкурентоспособными по сравнению с люминесцентными лампами.

Что же до сравнения с лампами накаливания, то замена их люминесцентными или светодиодными лампами позволяет сэкономить более 2 500 кВт·ч первичной энергии за оцениваемый период, что составляет более 80% от потребления ламп накаливания. Мало того, экономичные лампы оказываются ещё и более эффективными и с точки зрения уменьшения загрязнения окружающей среды. А развитие технологии светодиодных ламп делает именно их наиболее перспективными источниками света.

В России появится здание, освещение которого выполнено на светодиодах В начале 2011 года будет введено в эксплуатацию шестиэтажное здание штаб-квартиры компании «Сименс» в Москве. Особенностью данного офиса является внутреннее освещение, выполненное на светодиодах. Сейчас ведутся активные работы по монтажу светильников, общее количество которых достигнет 3500 штук. В ноябре 2009 года Россия взяла курс на энергосбережение: согласно закону, в ближайшие четыре года с территории РФ должны полностью исчезнуть лампы накаливания. На замену «лампам Ильича» должны прийти современные энергоэффективные источники

света. Уже в начале 2011 года сотрудники штаб-квартиры «Сименс» в России смогут на собственном опыте ощутить свет светодиодных решений компании OSRAM. В освещении офисного пространства были использованны светодиодные светильники холодного белого света с цветовой температурой 4000К. Преимущества светодиодов перед другими источниками света сегодня становятся всё более очевидным фактом. Светодиоды обладают более длительным сроком службы, меньшим энергопотреблением, являются экологически безопасными, что позволяет сохранять окружающую среду. Светильники оснащены светодиодами

Osram OSLON со световой отдачей 100 лм/Вт, показателем цветопередачи Ra > 80, сроком службы — 50 тыс. ч и низким слепящим действием. Использование подобных светильников поможет сэкономить до 50% электроэнергии. «Сегодня в области светотехники перед Россией стоят абициозные задачи: переход от ламп накаливания к светодиодным технологиям. Мы понимаем, что светодиодные технологии обладают большим потенциалом, и наша компания будет рада представить в России свои инновации в области светотехники», — заявил генеральный директор ОАО «ОСРАМ» Йозеф Мартин.

Современная светотехника, #4 2010

применение источников света

Самосогласованная модель люминесцентной лампы. Часть 2. Моделирование электрических, оптических и электрокинетических характеристик ламп и комплекта «лампа — ПРА» при их работе в сети промышленного тока 50 Гц ВВЕДЕНИЕ

В работах [1] показано, что математическая модель [2] расчета характеристик положительного столба позволяет достаточно точно определять электрокинетические и оптические характеристики ртутно-аргонового разряда в широком диапазоне изменения внешних параметров для постоянного тока разряда. В реальных режимах работы люминесцентных ламп, особенно при работе ламп с индуктивным балластом на частоте 50 Гц, вблизи паузы тока концентрация электронов и их температура могут быть много меньше средних за период. В отношении проверки различных моделей такой режим работы газоразрядных ламп является существенно более «жестким» и представляет большой интерес прежде всего в проверке работоспособности модельной функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), точности определения скоростей различных процессов с участием электронов. Заметим, что вообще частотные характеристики такого разряда вызывают интерес [3, 4] в связи с наблюдаемым экспериментально [5] увеличением эффективности выхода резонансного излучения при увеличении частоты питающего напряжения. В нашей предыдущей работе [6] были описаны результаты моделирования лишь электрических характеристик ламп и комплекта «лампа — ПРА» при питании их как током промышленной частоты, когда балластом является индуктивное сопротивление, так и при питании током частотой несколько десятков кГц, и проведено их сравнение с экспериментальными данными. В данной работе проверка рассматриваемой модели

www.lightingmedia.ru

проводится путем моделирования электрокинетических и оптических характеристик стандартных 40-Вт и компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) при их работе с индуктивным балластом в сети тока промышленной частоты.

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ 40Вт ЛАМЫ В КОМПЛЕКТЕ ЛЛ  ПРА Модель люминесцентной лампы и пакета «ЛЛ — индуктивный балласт» была описана нами в [6]. В качестве объекта моделирования выберем вначале стандартную 40-Вт люминесцентную лампу, многие макрохарактеристики которой известны с удовлетворительной точностью. Во-первых,

это, безусловно, ток, напряжение лампы и ее мощность: 0,43 А,103 В, 39,5 Вт. Эти параметры можно считать известными с точностью до 0,5—1%. Фактически, это класс точности измерительных приборов. Вероятно, температуру холодной точки tх.т. ≅ 40°С можно считать известной с точностью до 0,5…1°. Таков, возможно, несколько завышенный, перепад температур, обусловленный выносом тепла с внутренней стенки трубки [7]. С заметно худшей точностью известны характеристики, требуемые собственно светотехниками. Прежде всего, это выход резонансного излучения линий

Михаил Мальков Кандидат физико-математических наук. Окончил физический факультет и аспирантуру МГУ им. М.В. Ломоносова. Основная область интересов — зондовая диагностика и моделирование газового разряда. МГУ им. Н.П.Огарева, Ген.директор ООО «Иннотех» E-mail: michail.malkov@yandex.ru

Валерий Каланов Инженер-светотехник, кандидат физико-математических наук. Окончил аспирантуру физического факультета ЛГУ. Основная область интересов — оптическая и зондовая диагностика газового разряда. МГУ им. Н.П.Огарева, старший преподаватель. Эксперт-консультант ГУП РМ «НИИИС им. А.Н.Лодыгина» E-mail: kalan592@rambler.ru

Алексей Малахов Инженер-светотехник, Окончил кафедру светотехники ГОУВПО МЭИ (ТУ) по направлению источники света и ПРА. Основная область интересов — разработка осветительных установок специального назначения. Руководитель проектной группы ООО «ПРОСОФТ ТРЕЙДИНГ»

применение источников света 254 и 185 нм как наиболее значимых при оценках светового потока и КПД лампы. Хрестоматийно [7, 8] известен баланс 40-Вт лампы 1 — мощность излучения линии 254 нм составляет 22 Вт, а излучение линии 185 нм — 3,5 Вт. Заметим, однако, что ни данные [10], ни многие другие данные, скажем [11], такой мощности излучения линии 254 нм, вообще говоря, не показывают. Погрешность оптических измерений следует, видимо, оценивать в 10—20%. Анодно-катодные потери оцениваются для такой лампы в 5,6…6 Вт, потери на электродах, обусловленные омическим нагревом, в 1,5 Вт [8]. В данном случае погрешность оценок составляет не менее 20—40 %. При моделировании работы лампы задавались: давление аргона: 3 Тор; длина положительного столба: 108 см; индуктивность дросселя: L = 1,24 Гн; его активное сопротивление 40 Ом; Rk = 6 Ом; UD = 220 В. При усреднении по периоду тока, напряжения на лампе, выхода резонансного излучения и видимых линий, анодно-катодного падения потенциала Uak расчет дает: действующие значения тока I и напряжения U, соответственно, I = 0,425 А и U= 103,5 В, мощность лампы Р = 39,3 Вт. Суммарная мощность резонансного излучения Ррез = Р254 + + Р185 = 21,4 Вт, или 66,6% мощности положительного столба (Р254 = 18,6 Вт, Р185 = 2,8 Вт), Рвид = = 1,03 Вт, или 3,2% мощности столба, Uak = 15,6 В. Типичные расчетные «осциллограммы» тока и электрического поля разрядной трубки диаметра 3,8 см (внутренний диаметр принимается равным 3,6 см) для температуры холодной точки tх.т. = 40°С представлены на рисунке 1. Для построения указанных величин полупериод представлен в градусной шкале. Временные зависимости электрокинетических и оптических характеристик плазмы ртутноаргонового разряда, стабилизируемого индуктивным балластом, представлены на рисунках 2—3. Так, на рисунке 2 показано поведение во времени концентрации и температуры электронов, на рисунке 3 — выхода резо1 2

нансного излучения линий 254 и 185 нм. Прежде всего, отметим, что, согласно рисунку 1, разрядный ток, вообще говоря, отличается от синусоидального — это особенно заметно в моменты времени, когда электрическое поле разряда достигает пика. Далее, ток достигает максимума в момент времени, соответствующий фазе Δϕ = 100°. Наконец, ток и приложенное сетевое напряжение Uc(t) = UDcos(ωt) рассогласованы по фазе на Δϕ = 56°. Рисунок 2 показывает, что временная зависимость электронной температуры подобна изменению электрического поля. (В момент отсутствия поля температура электронов, тем не менее, не успевает падать до газовой температуры.) Обращает на себя внимание поведение зависимости концентрации электронов (на оси трубки) в области ϕ ~ 170—180°. Скорость падения концентрации на этом участке заметно уменьшается. В начале «перезажигания» при ϕ > 5° вплоть до ϕ ≈15° она снова

Рис. 1. Временные зависимости тока i(t) (штриховая линия — вспомогательная ось) и электрического поля (сплошная линия) разряда

резко возрастает. Такое поведение вполне понятно — в диапазоне 170° < ϕ < 180° электронная температура значительно падает2, что приводит к уменьшению коэффициента амбиполярной диффузии и, как следствие, к увеличению диффузионного времени жизни электронов. Резкий рост температуры после начала «перезажигания» приводит, соответственно, к резкому увеличению скорости ухода электронов —

Рис. 2. Временные зависимости температуры (штриховая линия — вспомогательная ось) и концентрации электронов (в ед. 1011см–3, сплошная линия)

Рис. 3. Временные зависимости мощности резонансного излучения линий 254 нм (штриховая линия) и 185 нм (сплошная линия — вспомогательная ось)

Приведенная выше мощность 39,5 Вт — объективная мощность согласно МЭК 81-84 [9]. Скорость ионизации при этом пренебрежимо мала по сравнению со скоростью потерь электронов.

Современная светотехника, #4 2010

применение источников света

Рис. 4. Расчетные и экспериментальные временные зависимости концентрации электронов (в ед. 1011см–3). Расчет — сплошная линия, точки — эксперимент [11]

Рис. 5. Расчетные и экспериментальные временные зависимости температуры электронов. Расчет — сплошная линия, точки — эксперимент [11]

скорость падения концентрации увеличивается приблизительно до того момента времени, когда скорость ионизации не начинает превышать скорость диффузионного ухода электронов на стенку трубки. Наконец, рисунок 3 показывает, что изменения во времени мощностей излучения линий 185 и 254 нм в целом подобны. Уменьшение концентрации и, главное, электронной температуры в области малых токов вызывает появление паузы излучения, которая несколько шире для линии 185 нм. Обширные экспериментальные исследования временных зависимостей оптических и электрокинетических характеристик плазмы ртутно-аргонового разряда, стабилизируемого индуктивным балластом, проводились в [11]. Сравнение полученных расчетных данных с измерениями [11] представлено на рисунках 4—6. Рисунок 4 показывает 3 4 5

расчетные и измеренные временные изменения концентрации электронов, рисунок 5 — электронной температуры, рисунок 6 — мощности излучения линии 254 нм. В соответствии с этими рисунками, качественно расчет и эксперимент полностью согласуются. Наблюдается также достаточно удовлетворительное количественное совпадение расчетных и измеренных временных зависимостей мощности резонансного излучения и электронной температуры (коридор погрешностей измерений на данных рисунках задан в 10%). Что касается довольно заметного расхождения расчетных и экспериментальных данных на рисунке 4, то оно обусловлено погрешностью как анализируемой модели, так и, безусловно, зондовых измерений. Напомним, что зондовые вольтамперные характеристики (ВАХ) снимались в [11] с использованием импульсной измерительной схемы: время измерений варьировалось в пределах 0,1…1 мс. Полученные таким образом ВАХ выводились на экран осциллографа. Ясно, что само по себе осциллографическое снятие данных для определения концентрации ne и температуры Тe электронов не может давать большой точности измерений 3. В этой связи относительно измеряемой «температуры» 4 электронов напомним [1] к тому же, что наклон зондовой ВАХ в диапазоне до 4,7 эВ, вообще говоря, не соответствует температуре электронов «тела» функции распределения электронов по энергиям. Напри-

мер, как показывают расчеты [1], из-за значительного обеднения ФРЭЭ быстрыми электронами5 вследствие неупругих соударений с атомами ртути средний наклон тела зондовых вольтамперных характеристик соответствует температурам, несколько меньшим (примерно на 5—10%), чем температура тела ФРЭЭ. Учет этого обстоятельства приведет к заметно лучшему согласию расчетных и экспериментально найденных величин температур электронов на рисунке 5 в начале полупериода тока. Отметим также ряд причин, вызывающих существенное занижение измеренных ne по сравнению с предсказываемыми данной моделью. Во-первых, это эффект стока электронов на зонд [12], не учитываемый в измерениях [11]. Расчеты эффекта стока для условий [11], на которых мы останавливаться не будем, показывают, что зондовый электронный ток насыщения, по величине которого находится концентрация электронов, для зонда радиуса а = 3…4·10–3 см при давлении аргона 3 Тор «подавлен» (т.е. уменьшен по сравнению с истинным) приблизительно на 10—15%. Второй важной причиной является эмиссия электронов с зонда под действием фотоэффекта и бомбардировки поверхности зонда метастабильными атомами ртути. Наконец, заметим, что временного разрешения используемой в [11] схемы явно не хватает для измерений электронных температур в области малых токов. Согласно рисунку 4, в области ϕ = 160…180° характерный временной масштаб спада температуры

Рис. 6. Расчетные и экспериментальные временные зависимости мощности излучения линии 254 нм. Расчет — сплошная линия, точки — эксперимент [11]

Собственно, как и снятие данных с рисунков [11], используемых в данном случае для сравнения на рис. 4—6. Ее следует оценить в 5—7%. Говоря о «температуре» электронов для немаксвелловской ФРЭЭ, мы, как обычно, имеем в виду характерный масштаб спада «тела» ФРЭЭ. Т.е. электронами с энергией, большей пороговой энергии возбуждения низшего метастабильного уровня атома ртути 63Ро.

www.lightingmedia.ru

применение источников света составляет 10–4 с, или, иными словами, скорость спада температуры составляет 104 эВ/с. Таким образом, чтобы измерять Тe с точностью хотя бы 0,1 эВ, требуется временное разрешение схемы не менее 10–5 с. Видимо, именно этой причиной обусловлено существенное завышение измеренной температуры по сравнению с расчетной в этом промежутке ϕ. В свою очередь это приводит к значительному занижению в этом диапазоне ϕ измеренных концентраций по сравнению с расчетными. Результаты моделирования изменения параметров такой лампы в зависимости от температуры холодной точки tх.т. при прочих неизменных условиях показаны на рисунках 7—9. Так, на рисунке 7 представлены зависимости тока I и напряжения U от давления паров ртути при изменениях температуры холодной точки в диапазоне 20—70°С. Согласно рисунку 7, величина напряжения на трубке по мере роста давления ртути вначале растет, достигая максимума при tх.т. ≅ 30°С, и затем монотонно падает. Соответственно, разрядный ток с ростом tх.т. вначале падает, достигая минимума при tх.т. ≅ 30°С, затем монотонно растет. Мощность разрядной трубки ведет себя аналогично падению напряжения на лампе — максимум мощности приходится на tх.т. ≅ 30°С. В том же температурном диапазоне на рисунке 8 даны изменения КПД η185, η254 положительного столба для резонансного излучения линий 185 и 254 нм и ηsum для суммарной мощности излучения трубки (резонансных и видимых линий 6). Согласно данному рисунку, если максимум ηsum достигается при температуре tх.т. ≅ 48°С, совпадая с максимумом η254, то максимум η185 обнаруживается при tх.т. ≅ 30°С. Начиная с tх.т. ≅ 50°С, наблюдается слабый рост η185, обусловленный ростом ступенчатого возбуждения уровня 61Р1 с уровней 63 Р0,1,2. Наконец, на рисунке 9 представлены изменения суммарной мощности излучения столба Ри.с., суммарной мощности излучения резонансных линий Ррез и мощности столба Рст в зависимости от температуры холодной точки. Как показывает рисунок, 6

максимум выхода суммарного излучения достигается при давлении паров ртути, соответствующем tх.т. ≅ 40°С — он определяется положением максимума выхода суммарного резонансного излучения и также соответствует данной tх.т. Таким образом, если максимум мощности положительного столба (и лампы в целом ) приходится на tх.т. ≅ 30°С, то максимум мощности излучения на tх.т. ≅ 40°С. Максимум КПД столба приходится на tх.т. ≅ 48°С. Для сравнения с экспериментальными данными ([8], см. рис. 11.5) на рисунке 10 приведены расчетная (нормированная к 100%) кривая выхода суммарного излучения и экспериментальные данные по световому потоку в зависимости от температуры окружающей среды. При таком сопоставлении считается, что ориентировочно температура холодной точки превышает температуру окружающей среды приблизительно на 20°С. Как показывает данный рисунок, наблюдается достаточно удовлетворительное совпадение расчета и эксперимента. Некоторое завышение расчетных данных над экспериментальными (коридор погрешностей 5%) в области малых температур и занижение в области больших температур может быть обусловлено тем, что, вообще говоря, принятое при сравнении положение о превышении температуры холодной точки над температурой окружающей среды приблизительно на 20°С справедливо лишь для мощности лампы 40 Вт. Умень-

Рис. 7. Зависимости тока I (сплошная линия — вспомогательная ось), напряжения (пунктирная линия) и мощности лампы (штриховая линия) от температуры холодной точки

Рис. 8. Зависимости η∑cm (сплошная линия), η254 (пунктирная линия), η185 (штриховая линия) от температуры холодной точки

шение мощности лампы (точнее, мощности положительного столба) приведет к тому, что реально температура холодной точки, скажем, при температуре окружающей среды 0°С будет равной не 20°С, как принято при проводимом сравнении, а 18…19°С. Это означает, что фактически, например, данная экспериментальная точка должна быть сдвинутой влево по оси температур примерно на 1…2°С. Аналогично при таком сравнении, например,

Рис. 9. Зависимости суммарной мощности резонансного излучения Ррез лампы (штриховая линия), суммарного выхода излучения столба Ри.с. (сплошная линия) и мощности положительного столба Рст от температуры холодной точки tх.т.

Не включая мягкий ультрафиолет в диапазоне 2967–3663 Å.

Современная светотехника, #4 2010

применение источников света

Рис. 10. Нормированные (на 100%) расчетная (сплошная линия) и экспериментальная зависимости светового потока от температуры холодной точки

точка tх.т. = 70°С (температура окружающей среды 50°С) должна быть сдвинута влево на 3…5°С. Ясно, что такой сдвиг приведет к заметному улучшению совпадения расчета и опыта — особенно в области больших температур.

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ КОМПАКТНЫХ ЛАМП В КОМПЛЕКТЕ ЛЛ  ПРА Обратимся к моделированию работы компактных ламп. Эти лампы с узкими трубками внешнего диаметра 13 мм рассчитаны на работу в диапазоне температур холодной точки 45…47°С [8]. При расчетах температура холодной точки выбиралась равной 46°С, внутренний диаметр — 10,5 мм.

«Осциллограммы» напряжения и тока 7- и 11-Вт ламп представлены на рисунках 11, 12. При моделировании работы таких ламп задавались: давление аргона — 3 Тор; длина положительного столба, соответственно, 14 и 34 см; индуктивность дросселя L = 3,7 Гн; его активное сопротивление оценивалось из экспериментальных данных [8]; Rk = 5 Ом, UD = 220 В. При построении данных рисунков, в отличие от приведенных выше, за нулевую точку отсчета времени (фазы ωt) принято время, когда сетевое напряжение Uc(t) = UDcosωt максимально. Ток и приложенное сетевое напряжение рассогласованы по фазе для 7- и 11-Вт ламп, соответственно, на Δϕ = 69° и Δϕ = 56°. В соответствии с экспериментом (см. рис. 11), после пика «перезажигания» напряжение на лампе в таких узких трубках вначале падает, но после достижения определенного минимального значения Umin вновь растет, достигая во втором максимуме величины, заметно превышающей данное Umin. Например, для 11-Вт лампы Umin ≅ 77 В, напряжение второго максимума составляет ≅ 101 В.

Рис. 11. Временные зависимости напряжения Uл(t). Штриховая линия — 7-, сплошная линия — 11Вт лампа

Рис. 12. Временные зависимости тока i(t). Штриховая линия — 7-, сплошная линия — 11-Вт лампа

www.lightingmedia.ru

При усреднении по периоду тока, напряжения на лампе, выхода резонансного излучения и видимых линий, анодно-катодных потерь Рak расчет дает соответственно: действующие значения тока I: 0,178 и 0,154 А; напряжения U: 45,3 и 90,6 В; мощность лампы Р: 6,85 и 11,23 Вт; суммарная мощность резонансного излучения Ррез (Р254 + Р185 ): 2,85 и 6,2 Вт; Рвид: 0,25 и 0,53 Вт; Рak = 2,5 и 2,2 Вт (заметим, что в Рak не включены омические потери на сопротивлении Rk). Сравнение расчетных данных с приведенными в [8] (табл. 11.6) значениями I, U показывает их весьма удовлетворительное согласие. О совпадении расчета анодно-катодных потерь и экспериментальных данных можно судить лишь косвенно — по хорошему совпадению расчетных и экспериментальных значений I, U, Uak. Приведенные в этой же таблице данные по мощностям комплекта «лампа — ПРА» также показывают хорошее согласие с расчетом. Так, расчет дает, соответственно, для рассматриваемых ламп 11,8 и 15,2 Вт, эксперимент — 11,2 и 14,8 Вт.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, предлагаемая замкнутая модель расчета характеристик комплекта «люминесцентная лампа — балластное сопротивление» позволяет с хорошей (инженерной) точностью комплексно моделировать работу проектируемых источников света — оценивать как оптические, так и электрические параметры не только собственно лампы, но и комплекта в целом. Хорошее совпадение расчета с экспериментом наблюдается как при моделировании работы «стандартных», так и энергоэкономичных и компактных ламп существенно меньшего диаметра. Как отмечалось [6], такая модель позволит проводить комплексное компьютерное моделирование работы любой новой системы питания ЛЛ, в т.ч. с электронным балластом. Тем не менее отметим, что расчет, вообще говоря, не учитывает влияния на состояние плазмы люминофорного слоя. Согласно [13], люминофорный слой может отражать в ряде случаев до 10% падающего на него резонансного излучения. Возврат такой

применение источников света незначительной части излучения обратно в разрядный объем эквивалентен в первом приближении увеличению на ~10% эффективного времени жизни τэф резонансно возбужденных атомов ртути. Очевидно, такое малое изменение τэф не скажется заметным (более чем на 2—3%) образом на рассчитываемых характеристиках как собственно лампы, так и комплекта в целом. ЛИТЕРАТУРА 1. Калязин Ю.Ф., Кокинов А.М., Мальков М.А.//Светотехника. №3. С. 4. 2005. Калязин Ю.Ф., Кокинов А.М., Мальков М.А.// Светотехника. №5. С. 12. 2004.

2. Литвинов В.С., Мальков М.А. и т.д. Светотехника. № 11. С.12. 1986. 3. Polman J., Werf J.E. Drop P.C. J. Phys. D. V.5. P. 266. 1972. 4. Drop P.C., Polman J. J. Phys. D. V. 5. P. 562. 1972. 5. Campbell J.H. Illum. Engng. V. 55. P. 247. 1960. 6. Самосогласованная модель люминесцентной лампы. Часть 1. Моделирование электрических характеристик ламп и комплекта «лампа — ПРА». Современная светотехника. №4. 2010 г. 7. Пляскин П.В., Федоров В.В., Буханов Ю.А. Основы конструирования электрических источ-ников света. М. Энергоатомиздат. 1983. 8. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. М. Энергоатомиздат. 1991.

9. Лампы люминесцентные трубчатые для общего освещения. Комитет стандартизации и метрологии СССР. М. 1982. 10. Весельницкий И.М. Определение оптимальных параметров и некоторые вопросы конструирования люминесцентных ламп повышенной мощности. М. 1966. 11. Zahn R.J., Shaal G. Beitrage aus der Plasma Physik. B.13. N1. P. 37. 1973. 12. Иванов Ю.А., Лебедев Ю.А., Полак Л.С. Методы контактной диагностики в неравновесной плазмохимии. — М.: Наука. 1981. 13. Федоренко А.С. Экспериментальнорасчетные исследования характеристик положи-тельного столба разряда и совершенствование люминесцентных ламп. М. МЭИ. 1980. С. 218.

Объявлены победители конкурса «Освещение завтрашнего дня — Lighting for Tomorrow» Американская ассоциация освещения объявила победителей конкурса Lighting for Tomorrow в категориях: «Твердотельное освещение», «Светодиодные лампы для прямой замены» и «Управление освещением». Победители восьмого ежегодного конкурса Lighting for Tomorrow были названы на ежегодной конференции Американской ассоциации освещения (American Lighting Association (ALA)) в Лас-Вегасе. Под наблюдением ALA, Министерства энергетики США (DOE), и Консорциума по эффективности энергопотребления (CEE), в ходе проведения конкурса, сфокусированного на эффективности энергопотребления, было выделено 11 из 107 продуктов, которые распределили по трем категориям — «Твердотельное освещение», «Светодиодные лампы для прямой замены» и «Управление освещением». Пятьдесят компаний участвовало в конкурсе и девять судей оценивали представленные продукты по таким критериям как эффективность, внешний вид, цветопередача и эстетика. Среди продуктов-конкурсантов

было 69 твердотельных светильников, 24 светодиодные лампы и 14 устройств контроля освещения. Все они были исследованы в Калифорнийском светотехническом центре (California Lighting Technology Center). Победителями в категории «Твердотельное освещение» стали: – Kichler Lighting, Design Pro LED Broad Roof LED Path & Spread Light – Kichler Lighting, Design Pro LED Modular and Disc System – Edge Lighting, Scope LED Pendant – Edge Lighting, Scope LED Monorail/Track Light. Поощрительную премию в этой категории получили: – Albeo Technologies Inc., Agito — Intelligent Task Light – Blackstone International Ltd., Sunter Architect LED Desk Lamp – Cree LED Lighting, CR6 Downlight. Единственным победителем в номинации «Светодиодные лампы для прямой замены» стала компания Philips с 12-Вт лампой,

предназначенной для замены 60-Вт лампы накаливания, которая была представлена ещё на выставке Lightfair International. Лауреатами премии в категории «Управление освещением» стали: – Leviton Manufacturing Co., Inc., Decora CFL Slide Dimmer – Lutron Electronics Co., Inc., Radio Powr Savr Occupancy/Vacancy Sensor with Maestro Wireless Switch – Legrand/Pass & Seymour, RT1 7-Button Timer. Организаторы Конкурса надеются стимулировать разработку энергосберегающего освещения — прежде всего твердотельного, хотя средства управления освещением могут также использоваться и с люминесцентными источниками света. Согласно ALA, около двадцати организаций национального масштаба, работающих в направлении эффективности энергопотребления, участвовали в Lighting for Tomorrow в этом году. www.ledsmagazine.com/news/7/9/29

Современная светотехника, #4 2010

разработка и конструирование

Применение теплорассеивающих пластмасс для охлаждения LED-кристаллов Можно ли заменить алюминий на пластмассу в системах охлаждения LEDкристалла? Можно, но пластмасса нужна не обычная, а теплорассеивающая.

Проблема отвода нежелательного тепла становится в последнее время одной из центральных проблем разработчиков высокомощных светильников на основе LED-технологий. Тепло, выделяющееся при работе генерирующих свет кристаллов, необходимо постоянно отводить в окружающее пространство. В противном случае он перегревается, что резко сокращает ресурс работы кристалла (одно из главных конкурентных преимуществ LED-технологий), приводит к его термическому пробою. Анализ трех составляющих тепла (см. рис. 1), выделяемого LEDкристаллом (тепловое излучение, конвекция, теплопроводность), показывает, что основное тепло (> 90%) передается на его металлическую подложку (фрагмент корпуса лампы) за счет теплопроводности. Лишь 5% тепла уходят в виде теплового (инфракрасного) излучения.

Буквально с точностью до наоборот выделяется тепло от обычных ламп накаливания: 90% — излучением, 5% — теплопроводностью (в цоколь). Это означает, что наработанные десятилетиями технические решения по поддержанию теплового режима ламп накаливания абсолютно не приемлемы при проектировании LEDсветильников. В подавляющем большинстве случаев для отвода тепла от кристалла и последующего теплорассеяния используются металлические (как правило, алюминиевые) радиаторы. Казалось бы, позиции алюминия здесь незыблемы и не подлежат пересмотру. Однако в последнее время у алюминия появился достойный конкурент — пластмасса, но не обычная, а теплорассеивающая. Как показывает мировой опыт, такие пластмассы позволяют не только эффективно охлаждать LED-кристалл, но и существенно

уменьшить габариты, вес и себестоимость изготовления светильников на их основе. Напомним, что пластмассы в силу своей высокомолекулярной структуры плохо проводят тепло. Теплопроводность λ у всех пластмасс практически одинакова и колеблется в узком интервале от 0,1…0,2 Вт/(м·К). Поэтому все пластмассы относятся к классу теплоизоляторов и успешно используются в многочисленных изделиях, в которых необходимо сохранять тепло. В изделиях же, в которых, наоборот, необходимо эффективно отводить тепло (системах охлаждения), пластмассы не используют, а применяют хорошо проводящие тепло металлы (железо, алюминий, медь, и т.д.), теплопроводность λ которых достигает значений несколько сотен единиц (200…400 Вт/(м·К)), что в тысячи раз больше чем у пластмасс. Такое различие, казалось бы, раз и навсегда устраняет возможность полноценной заме-

Александр Криваткин, spezplastm@mail.ru 1941 г.р, к. т.н., доцент , «Изобретатель СССР», окончил Горьковский политехнический институт, специализация — «Полимерные композиционные материалы», Генеральный директор ООО «СПЕЦПЛАСТ-М».

Юрий Сакуненко, spezplastm@mail.ru 1946 г.р.,к.т.н., «Изобретатель СССР», окончил Московский энергетический институт, специализация — «Специальные полимерные материалы», заместитель Генерального директора ООО «СПЕЦПЛАСТ-М». Рис. 1. Различие в механизмах тепловыделения при работе традиционных ламп накаливания и LED-ламп

www.lightingmedia.ru

разработка и конструирование ны металлов на пластмассы в охлаждающих устройствах. Однако корректный теплофизический анализ процессов охлаждения и современные успехи в области полимерных композитов сделали такую возможность реальной.

МЕХАНИЗМ ОХЛАЖДЕНИЯ Подавляющее большинство охлаждающих устройств LED-кристаллов относится к устройствам с т.н. естественным охлаждением, в которых конечным потребителем выделяемого ими тепла является окружающий воздух. Он обтекает охлаждаемую поверхность за счет сил естественной (природной) конвекции. Естественная конвекция заключается в непрерывном процессе подхода «холодных» частиц воздуха (точнее, составляющих его молекул азота, кислорода, углекислого газа) к поверхности теплообменника и их последующего (локального) нагрева. Нагретые частицы воздуха характеризуются большим удельным объемом и, подобно воздушному шару, перемещаются вверх, освобождая место для новых, холодных частиц воздуха. Полученное тепло постепенно, за счет многократных столкновений отдается (рассеивается) соседним частицам воздуха. Окружающий воздух, таким образом, играет роль своеобразного «теплового насоса». Физика процесса теплорассеяния такова, что количество поглощаемого воздухом тепла определяется параметрами воздуха (температуры, влажности, скорости), а не материала, из которого изготовлена теплорассеивающая поверхность Строгий теплофизический расчет показывает, что именно теплорассеяние в пограничных слоях воздуха является ограничивающей стадией теплообмена в системе «генератор тепла — воздух». Окружающий воздух просто не в состоянии рассеять (принять) более 5…10 Вт тепловой энергии с единичной поверхности теплообмена. Другими

Рис. 2. Экспериментальное сравнение характеристик охлаждения радиаторов из алюминия и ТРПК марки CoolPoly (теплопроводность 10…20 Вт/(м∙К)) фирмы CoolPolymers

словами, воздушный «тепловой насос» имеет вполне ограниченную производительность. Из этого следует, что при выборе материала для теплорассеивающих устройств необходимо принимать во внимание, что теплопроводность λ материала в 5…10 Вт/(м·К) необходима и достаточна, чтобы передать на поверхность охлаждения все тепло, которое может быть принято окружающим воздухом, а применение материалов с большей теплопроводностью является технически избыточным. Для вновь разрабатываемых охлаждающих материалов (в т.ч. полимерных) это означает, что уже 10—20-кратное увеличение их теплопроводности по сравнению с обычными пластмассами (т.е. достижение ими теплопроводности в 5…10 Вт/(м·К)) должно обеспечить изготовленным из них радиаторам такую же теплорассеивающую способность, что и у радиаторов из алюминия.

НОВАЯ СПЕЦИАЛЬНОСТЬ ПЛАСТМАСС  ОХЛАЖДЕНИЕ Эти теоретические выводы были экспериментально подтверждены лишь в последнее время, после того как были разработаны рецептуры и технологии промышленного получения нового класса полимерных ком-

позитов — теплорассеивающих (теплопроводящих) полимерных композитов (ТРПК). ТРПК — это гранулированная пластмасса, перерабатываемая на стандартных термопластавтоматах в любые изделия. От обычных пластмасс она отличается способностью принципиально лучше (в 10—100 раз) проводить через себя тепло и передавать его (рассеивать) в окружающую среду. На рисунке 2 и в таблице 1 приведены экспериментальные результаты сравнительных тепловых испытаний одинаковых по форме и размерам изделий, изготовленных из алюминия и ТРПК. Видно, что тепловые параметры охлаждения у них практически одинаковы, несмотря на различие в уровне теплопроводностей более чем в 30 раз! Эти результаты полностью подтверждают теоретические выводы о том, что увеличение теплопроводности свыше н екоторых «предельных» значений (5…10 Вт/(м·К)) практически не приводит к увеличению эффективности охлаждения. Из приведенных результатов следует, что теплопроводящая способность алюминия реально востребована в системах естественного охлаждения всего лишь на 5%!

Таблица 1. Экспериментальное сравнение (LG, Корея) температурных полей светильника формата МR16 с радиаторами охлаждения, изготовленными из алюминия и ТРПК марки «ТЕПЛОСТОК» (теплопроводность 5...10 Вт/(м∙К)) фирмы СПЕЦПЛАСТ-М, (Россия) Материал радиатора Алюминий Теплорассеивающая пластмасса «Теплосток»

Температура, °С Температура перехода LED-кристалла Температура поверхности Ткр, °С корпуса-радиатора Трад, °С 99,8 75,8 101,1 76,7

Макс. перепад температур светильника ΔТ, °С 24 24,4

Современная светотехника, #4 2010

разработка и конструирование

Рис. 3. Деталь двойного назначения ноутбука Apple из ТРПК: внешний элемент корпуса –теплорассеивающая панель радиатора охлаждения видеопроцессора

конструкции двойного назначения: с одной стороны, это всевозможные корпуса, оболочки, монтажные стойки, переходники и другие детали; с другой стороны, это эффективные теплорассеивающие поверхности (см. рис. 3). Стоимость деталей из ТРПК существенно ниже (в 2—3 раза), чем аналогичных деталей из алюминия. Например, стоимость 1 см3 детали высокоточного алюминиевого литья колеблется от 1 до 1,5 руб. и выше. Расходы на постфинишную механическую и химическую (окраска в оптимальный для теплопередачи излучением черный цвет) доработку составляют в среднем 0,1—0,3 руб. в расчете на 1 см3 детали. В то же время стоимость 1см3 деталей из ТРПК составляет лишь 0,4— 0,7 руб. за 1 см3 литья (при этом сразу получается высокоточная, полностью готовая к сборке деталь).

Рис. 4. Охлаждение платы с LED-кристаллами с помощью радиатора из ТРПК

ОРГАНИЗАЦИЯ ОХЛАЖДЕНИЯ LED КРИСТАЛЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕ ПЛОРАССЕИВАЮЩИХ ПЛАСТМАСС

Рис. 5. Цилиндрический радиатор мощного ручного прожектора, изготовленный из ТРПК

ТЕПЛОРАССЕИВАЮЩИЕ ПЛАСТМАССЫ  КОНКУРЕНТЫ АЛЮМИНИЯ При практически одинаковой теплорассеивающей способности ТРПК по ряду техникоэкономических характеристик имеют следующие значительные преимущества перед алюминием. Изделия из ТРПК в среднем на 40% легче аналогичных алюминиевых (удельный вес ТРПК колеблется в интервале 1,4…1,7 г/см3). Это позволяет существенно уменьшить полетный вес ряда ответственных изделий, снизить вес оборудования связи, высокомощных фонарей подсветки и т.д., изготовленных из ТРПК. Изделия из ТРПК получаются гораздо точнее, чем детали, отлитые из алюминия (пластмассы перерабатываются методом литья под давлением, имеют меньшую усадку (0,1—0,3%) по сравнению с алюминиевым литьем (0,7—1,3%).

www.lightingmedia.ru

Поверхность их литья не шероховатая, а имеет «зеркальное» качество. Они не требуют какойлибо постфинишной доработки (удаление литников, сверление, фрезерование, шлифовка посадочных мест и т.д.), полностью готовы к сборке. Из ТРПК легко изготовить изделия сложной формы с повышенной теплорассеивающей эффективностью (литье ТРПК под давлением позволяет легко получать высокоточные разнотолщинные изделия самой сложной формы — т.н. 3D-дизайн, в отличие от большинства алюминиевых изделий получаемых экструзией — 2D-дизайн). Переход к оптимизированным в 3D формате теплообменным конструкциям позволяет существенно улучшить их теплорассеивающие характеристики. Из ТРПК могут быть спроектированы и изготовлены детали

В зависимости от степени интеграции LED-кристалла с деталями светильников, изготовленными из ТРПК, можно условно рассматривать три уровня применения ТРПК в этих изделиях. Начальный уровень состоит в прямой замене металлических сплавов (в существующих конструкциях радиаторов охлаждения) на теплорассеивающие пластмассы (см. рис. 4). Это позволяет не только существенно снизить вес, стоимость, но и позволяет за счет грамотного конструирования существенно увеличить теплопроизводительность радиатора при сохранении установочных габаритов. Классический пример: переход от традиционной ребристой (пластинчатой) конструкции радиаторов к игольчатой (штырьковой) конструкции увеличивает эффективность охлаждения радиатора на 60—100%. Для вновь разрабатываемых конструкций радиаторов из ТРПК представляется возможным дополнительно увеличить эффективность охлаждения за счет максимально полного использования «свободных» объемов конкретных конструкций светильников, например, при переходе от классической квадратной на круглые, овальные и другие формы (см. рис. 5).

разработка и конструирование Оптимальный уровень соответствует современному уровню внедрения ТРПК и характеризуется применением в LEDсветильниках максимально возможного количества деталей «двойного» назначения, изготовленных из ТРПК. Это могут быть как фрагменты корпуса, как, например, у светильников формата MR16 (производятся Phillips, разрабатываются фирмой LG), так и целые корпуса (см. рис. 6), полностью изготовленные из теплорассеивающих пластмасс. Светодиоды в этих конструкциях непосредственно закреплены в отлитые с малыми допусками гнезда внутри корпуса. Внешняя поверхность этих корпусов в районе крепления светодиодов выполнена в виде ребер. Выделяемое светодиодом тепло кратчайшим путем выводится на развитую внешнюю теплорассеивающую поверхность. Весь корпус фонаря фактически выполняет в данном случае функцию радиатора охлаждения. Перспективный уровень подразумевает самую тесную интеграцию, непосредственное расположение светодиодного кристалла на поверхности некоторого изделия из ТРПК. Это может быть, например, специализированная монтажная (печатная плата), внешняя сторона которой выполнена в виде ребристого (либо игольчатого) радиатора. Такая плата может быть использована непосредственно как фрагмент внешней поверхности корпуса светильника. При этом минимизируется тепловое сопротивление конструкции, снижается ее себестоимость. Развитием такого подхода могло бы быть расположение LEDкристалла внутри некоторого модуля, выполненного из ТРПК (см. рис. 7). Этот модуль должен выполнять одновременно несколько функций: – эффективно (в силу малого теплового сопротивления конструкции) рассеивать, практически по всем направлениям, генерируемое кристаллом тепло; – управлять (за счет рефлектора) световым потоком; – выполнять роль «гибкой» стандартизированной монтаж-

ной среды (эти модули можно легко объединить по принципу конструктора LEGO друг с другом в любой конфигурации, образуя при этом светодиодный кластер требуемой мощности). Переход к малооперационной сборке и уменьшение номенклатуры используемых материалов может обеспечить при серийном производстве принципиальное снижение себестоимости светодиодных источников света и расширить возможности разработчиков светильников на их основе.

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РЫНКА ТРПК Усиление патентной активности в деле создания и применения ТРПК наблюдается уже последние 5—6 лет. Первые ТРПК на рынке появились 2—3 года назад. Лидерами продаж являются американские производители. Многократное повышение теплопроводности у ТРПК стало возможным за счет использования наполнителей с высокой теплопроводностью (до 200 Вт/(м·K)), подбора специальных технологических добавок, специализированного технологического оборудования для высокого и сверхвысокого наполнения пластмасс. В зависимости от наполнителя эти пластмассы могут либо сохранять свои электроизоляционные свойства либо иметь на 5—10 порядков более низкие поверхностные электрические сопротивления, т.е. одновременно соответствовать требованиям, предъявляемым

к антистатическим и электропроводящим пластмассам. Такое сочетание явилось весьма востребованным, т.к. у радиаторов, изготовленных из частично электропроводных ТРПК, отсутствует т.н. «антенный эффект» (характерный для алюминиевых радиаторов). Изделия специальной техники с такими радиаторами имеют гораздо более низкий уровень радиозаметности, с них существенно затруднен несанкционированный сбор информации. Ряд производителей полимерных композитов специального назначения информировал о начале промышленного выпуска нескольких семейств ТРПК (см. табл. 2).

а)

б)

Рис. 6. Корпуса светильников Fanton SpA, полностью изготовленные из ТРПК

Рис. 7. а) традиционная технология (многооперационная сборка) — 6 материалов, 6 технологий; б) интегрированный модуль (малооперационная сборка) на основе ТРПК — 3материала, 2 технологии

Таблица 2. Производители ТРПК Торговая марка CoolPoly LATICONTER Fortron (*) RTP (99x) «Теплосток», «Тепломост»

Производитель CooLPolymers, США Lati, Италия TICONA RTP, Imagineering Plastics, США СПЕЦПЛАСТ-М, Россия

Теплопроводность, Вт/(м∙К) 1,0–40,0 1,0–15,0 1,1–3,0 1,0–18,0 1,0–13,0

Современная светотехника, #4 2010

разработка и конструирование Как правило, в качестве полимерной матрицы в этих ТРПК используются высокотемпературные полимеры (полиамид, полифениленсульфид). Перспективным направлением является разработка ТРПК на основе т.н. термоэластичных полимеров. Из таких резиноподобных ТРПК изготавливаются тонкие пластины (прокладки), которые размещаются взамен традиционных термопаст в неизбежно возникающих при монтаже воздушных зазорах. Воздух в зазорах являясь теплоизолятором и препятствует прохождению тепла, а пластины из ТРПК

играют роль своеобразных тепловых мостиков, дополнительно снижают тепловое сопротивление системы. Прокладки из термопластичных ТРПК технологичны, дешевле и долговечнее большинства термопаст. Из таких ТРПК легко могут быть также отлиты сложные 3D-изделия, эффективно «выбирающие» воздушные зазоры в трех направлениях.

ВЫВОДЫ В заключение следует отметить, что кроме LED-технологий теплорассеивающие пластмассы уже находят и будут находить приме-

нение везде, где имеется необходимость управления процессами передачи тепла: интегрированные системы охлаждения с низким уровнем радиозаметности для микроэлектронных устройств; миниатюрные шаговые электродвигатели; малогабаритные тепломассобменные устройства, в т.ч. «тепловые трубы»; химстойкие, повышенной надежности высоконагруженные узлы трения; низкобюджетные солнечные коллекторы; кристаллизаторы для пищевой и биохимической промышленности и ряд других технических приложений гражданских и специальных технологий.

Развернуто производство светодиодных светильников в Амурской области На Благовещенском электроаппаратном заводе начато производство светодиодных ламп для уличного освещения. Сборка первой сотни светодиодных уличных светильников в рамках областной программы энергосбережения началась на Благовещенском электроаппаратном заводе. По словам директора Благовещенского электроаппаратного завода Александра Волошина, заказы на первые образцы уже поступили из ряда населенных пунктов области. Всего до конца 2010 года завод выпустит порядка 1300 светильников. В следующем году планируется собрать до

6000 светодиодных фонарей нового типа. По оценкам экспертов, лишь для переоснащения улиц в Амурской области требуется порядка 45—50 тыс. экземпляров. Пробную сотню светильников пока собирают в кабинете административного помещения завода. К моменту открытия промышленного производства на предприятии будет оборудован полноценный цех. Процесс ручной сборки прост, при этом используются готовые детали, поставляемые из Китая. В корпус из алюминиевого сплава вставляется выпрямительный блок, плата со светодиодами, и затем конструкция покрывается плафоном

из оргстекла. Вес готового фонаря около 10 кг. Светодиоды расположены в четыре ряда, в каждом используется последовательное соединение. По словам чиновника из администрации Амурской области, в будущем на этом заводе планируется производить практически все комплектующие, необходимые для новых светильников, за исключением самих светодиодов.

www.cnews.ru/news/top/index.shtml?2010/09/ 20/409206

Опубликован рейтинг китайских производителей светодиодов Светодиодная индустрия Китая получила огромные инвестиции в 2009-2010 годах. Хотя объем выпуска продукции еще не большой, нет сомнений, что он будет быстро увеличиваться. Согласно статистике LEDinside, валовой объём производства светодиодных чипов в Китае достигает более 2 млрд юаней (примерно $294 млн), а число игроков на китайском рынке – 62. Исходя из объемов продаж светодиодных чипов в 2009 году, десять ведущих китайских производителей светодиодных чипов располагаются в следующем порядке:

www.lightingmedia.ru

№

Название компании 1 Ximaen Sanan Optoelctronics Co. 2 Hangzhou Silan Azure Co. 3 Shandong Inspur Huaguang Optoelctronics Co. 4 Dalian Lumei Optoelctronics Co. 5 Ximaen Changelight Co. 6 Epilight Technology Co. 7 Wuhan HC SemiTek Co. 8 Aqualite Co. 9 ART Electronic 10 Neo-Neon Holding Ltd В рейтинге учитывалось: – Только зарегистрированные продажи LEDпластин и чипов в 2009 году

– Исключены продажи не LED-продукции – Исключены продажи готового оборудования на светодиодах – Производители LED-чипов без системы MOCVD или неспособные произвести LEDпластины не учитывались – Производители, которые предоставили только показатель общего объема продаж без учета сбыта светодиодных эпитаксиальных пластин, не включены в рейтинг Полную версию исследования на английском языке можно получить на сайте LEDiside. www.ledinside.com/led_china_epi_rank_2010_en

силовая электроника для светотехники

Источники питания светодиодных светильников на –40°C Природные условия нашей страны требуют применения источников питания с расширенным диапазоном рабочих температур. Компания Mean Well предлагает новую серию источников питания HLG с диапазоном –40…70°C мощностью 100…185 Вт, изделия имеются на складе «Компэла» в Москве.

ВВЕДЕНИЕ

Температура окружающей среды в зимнее время года на территории России может снижаться до –68°С в зависимости от географического расположения. Этот факт значительно затрудняет разработку и внедрение новых энергосберегающих технологий по всей стране. Требуются источники питания с расширенным в сторону низких температур диапазоном работы. Частично эту задачу можно решить при помощи новой серии HLG, разработанной компанией Mean Well. Несколько лет российский дистрибьюторы продукции Mean Well на ежегодных конференциях, технических семинарах и выставках убеждали руководство и инженеров компании выпускать сетевые источники питания, по диапазону рабочих температур соответствующих российским условиям эксплуатации. Нам нужны источники питания с диапазоном рабочих температур от –40°C. За несколько дней до написания статьи инженеры Mean Well сообщили об успешном завершении испытаний в августе 2010 г. источников питания серии HLG, диапазон рабочих температур которых составляет от –40 до +70°C.

или IP65, в зависимости от модели. Высокая степень защиты от внешних воздействий и широкий диапазон рабочих температур -40…70°C позволяет применять эти источники питания в составе светильников уличного освещения, а также в разнообразной аппаратуре, работающей в тяжелых условиях, в том числе в северных регионах России. Отличительной чертой источников питания HLG является наличие моделей с расширенным диапазоном входного напряжения 90…305 В, что очень востребовано в условия отечественных сетей с нестабильным напряжением. Расширенный диапазон кодируется в обозначении символом «H» после обозначения мощности изделия. Зависимость выходной мощности от температуры окружающей среды приведена на рис. 2. Источник питания HLG уверенно запускается и выдает полную мощность в диапазоне отрицательных температур вплоть до –40°C. Таким образом, 100% мощности он выдает в диапазоне от –40 до 60°C. При дальнейшем увеличении

температуры до 70°C происходит снижение отдаваемой мощности до 60% от номинала. Источники питания серии HLG соответствуют требованиям стандарта EN-61000-3-2 (ГОСТ 51317.3.2-2006) к допустимому уровню гармоник тока в сети для оборудования Class C (Светотехника), поскольку имеют встроенный активный корректор коэффициента мощности (ККМ). Эта серия имеет большое разнообразие свойств и функций: – Расширенный диапазон входного напряжения 90…305 В переменного тока; – Подстройка величины выходного тока и выходного напряжения; – Дистанционное управление яркостью свечения светодиодов (димминг); – Подключение проводов к клеммной колодке (только HLG-240). Варианты исполнения кодируются суффиксом в маркировке модуля после цифрового обозначения выходного напряжения, например, HLG-240-12A. В источни-

Сергей Кривандин, kriv@compel.ru Технический руководитель направления «Источники питания» ЗАО «Компэл», кандидат технических наук по специальности «Радиотехнические и телевизионные системы и устройства», доцент.

ВАРИАНТЫ МОДЕЛЕЙ Серия HLG состоит из модулей HLG-100, HLG-120, HLG-150, HLG185, HLG-240 мощностью 100, 120, 150, 185, 240 Вт, соответственно. Источники питания HLG выпускаются в герметичном металлическом корпусе (см. рис. 1) по IP67

Андрей Конопельченко, avkon@compel.ru Инженер-консультант «Компэл». Окончил Волгоградский государственный университет по специальности «Радиофизика и электроника». Работал ведущим инженером-разработчиком импульсных источников питания.

Современная светотехника, #4 2010

силовая электроника для светотехники Димминг, т.е. функцию динамического управления яркостью свечения светодиодов в процессе эксплуатации, возможно осуществить дистанционно через дополнительные провода управляющего входа. Управляющее воздействие формируется при помощи потенциометра или внешнего управляющего аналогового напряжения, или внешних ШИМ-импульсов. Регулировочные характеристики

ках питания серии HLG возможна подстройка выходного напряжения и тока с помощью потенциометров, отверстия для доступа к которым закрыты резиновыми заглушками. Это исполнение имеет степень защиты от внешних воздействий IP65 (рис. 1) и кодируется суффиксом «А». Источники питания с IP67 могут быть двух вариантов — с диммингом (суффикс «B») и без димминга (нет суффикса).

а)

Суффикс A

Суффикс B

Суффикс C

Без суффикса

б) Рис. 1. Источник питания HLG: а) внешний вид, б) варианты исполнения

Рис. 2. Зависимость выходной мощности источника питания от температуры окружающей среды (на примере HLG-100H при горизонтальном расположении модуля)

и числовые значения приведены в фирменном описании источника питания, которое можно скачать с сайта официального дистрибьютора «КОМПЭЛ» www.compel. ru или сайта производителя www. meanwell.com. Суффиксом «С» кодируются модули с клеммной колодкой под винт, не защищенные от проникновения пыли и влаги. Такое исполнение «C» имеется только у серии HLG-240 мощностью 240 Вт. Основные параметры источников питания серии HLG: – универсальный вход 90…305 В или 90…264 В или переменного тока в зависимости от модели; – встроенный корректор коэффициента мощности (ККМ, PFC); – коэффициент мощности > 0,9; – высокий КПД 90-95%; – степень защиты IP67/IP65 в зависимости от модели; – диапазон рабочих температур –40…70°С; – комплекс защит от короткого замыкания, от перегрузки по току, от превышения выходного напряжения, от перегрева; – электрическая прочность изоляции вход/выход 3,75 кВ переменного тока; – уровень пульсаций 150…200 мВ (размах); – диапазон подстройки Iвых 50—100% или 10—100% в зависимости от модели; – диапазон подстройки Uвых ± 6%; Варианты моделей источников питания HLG-100x, HLG-120x, HLG-150x, HLG-185x, HLG-240x приведены в таблице 1. Выбор источника питания HLG рекомендуется выполнять исключительно по фирменной технической документации, а приведенная на рисунке 3 схема поможет в выборе опций. На ней в качестве примера рассмотрены варианты обозначений и сточника питания HLG-240-48. Разные суффиксы кодируют конструктивные особенности. Дополнительно меняя в схеме значение выходной мощности и напряжения, можно получить правильное наименование любого источника питания серии HLG с нужным набором опций.

ЗАПАС ПО МОЩНОСТИ. ВЫБОР НАГРУЗКИ Рис. 3. Схема выбора опций источников питания серии HLG

www.lightingmedia.ru

На первом этапе разработчик осуществляет выбор источника питания для решения конкрет-

силовая электроника для светотехники ной задачи по следующим параметрам: – выходной ток, – полная мощность, – диапазон входного напряжения, – диапазон рабочих температур, – степень защиты от внешних воздействий. Весьма важным вопросом применения источника питания для светодиодного светильника является правильный выбор нагрузки. Он выполняется из следующих соображений: обеспечить «защитный» запас по мощности, реализовать работу источника питания в режиме стабилизации выходного тока, сохранить большой КПД и высокое значение коэффициента мощности. Всегда встает вопрос: «Каким должен быть запас по потребляемой мощности?». Ответить на него можно, воспользовавшись рекомендациями компаниипроизводителя и дополнительно проанализировав графики зависимости КПД и коэффициента мощности (КМ) источника питания от нагрузки. Компанияпроизводитель рекомендует не применять источник питания при максимальном выходном напряжении и максимальном выходном токе, а оставлять запас по мощности 5—15%. При этом все силовые компоненты источника питания работают в облегченных электрическом и тепловом режимах, что способствует большей надежности и долговечности источника питания. Зависимости КПД и коэффициента мощности от нагрузки на примере источника питания HLG-100H приведены на рис. 4 и 5 соответственно. Графики иллюстрируют, что высокие значения КПД 90—94% источник питания имеет в широком диапазоне нагрузок 45—100% от максимальной, а большой коэффициент мощности 0,93—0,97 — в диапазоне нагрузок 60—100%. Максимальное значение КПД достигается в диапазоне нагрузок 90—100%. При этом потери на тепло в источнике минимальны, значит, температура элементов внутри модуля тоже минимальна. Таким образом, с точки эффективности применения наиболее приемлемая величина запаса по мощности должна попадать в диапазон 5—10 %

от номинального значения выходной мощности. Максимальное значение КМ (см. рис. 5) находится в этом же диапазоне. При уменьшении нагрузки как КПД, так и КМ уменьшаются, но не пропорционально. Если в диапазоне нагрузок от 50 до 100% КПД снижается приблизительно на 2%, то коэффициент мощности уменьшается

на 10—15 %. Следовательно, увеличение запаса по мощности более рекомендуемого значения приводит к увеличению потерь и электромагнитных помех. Важно сохранять максимально достижимые значения КПД и КМ для сохранения высокой энергетической эффективности и низкого уровня гармоник тока в питающей сети.

Таблица 1. Варианты моделей источников питания HLG с широким входом в герметичных корпусах и широким диапазоном температур –40…70 ºС Уровень шумов и пульсаций, В Выходная мощность 100 Вт, металлический корпус по IP67, IP65 (219×68×39 мм) HLG-100y-12x 60 12 5 0,15 HLG-100y-15x 75 15 5 0,15 HLG-100y-20x 96 20 4,8 0,15 HLG-100y-24x 96 24 4 0,15 HLG-100y-30x 96 30 3,2 0,2 HLG-100y-36x 95,4 36 2,65 0,2 HLG-100y-42x 95,76 42 2,28 0,2 HLG-100y-48x 96 48 2 0,2 HLG-100y-54x 95,58 54 1,77 0,2 Выходная мощность 120 Вт, металлический корпус по IP67, IP65 (219×68×39 мм) HLG-120y-12x 120 12 10 0,15 HLG-120y-15x 120 15 8 0,15 HLG-120y-20x 120 20 6 0,15 HLG-120y-24x 120 24 5 0,15 HLG-120y-30x 120 30 4 0,2 HLG-120y-36x 122,4 36 3,4 0,2 HLG-120y-42x 121,8 42 2,9 0,2 HLG-120y-48x 120 48 2,5 0,2 HLG-120y-54x 124,2 54 2,3 0,2 Выходная мощность 150 Вт, металлический корпус по IP67, IP65 (222×68×39 мм) HLG-150y-12x 150 12 12,5 0,15 HLG-150y-15x 150 15 10 0,15 HLG-150y-20x 150 20 7,5 0,15 HLG-150y-24x 151,2 24 6,3 0,15 HLG-150y-30x 150 30 5 0,2 HLG-150y-36x 151,2 36 4,2 0,2 HLG-150y-42x 151,2 42 3,6 0,2 HLG-150y-48x 153,6 48 3,2 0,2 HLG-150y-54x 151,2 54 2,8 0,2 Выходная мощность 185 Вт, металлический корпус по IP67, IP65 (222×68×39 мм) HLG-185y-12x 156 12 13 0,15 HLG-185y-15x 172 15 11,5 0,15 HLG-185y-20x 186 20 9,3 0,15 HLG-185y-24x 187,2 24 7,8 0,15 HLG-185y-30x 186 30 6,2 0,2 HLG-185y-36x 187,2 36 5,2 0,2 HLG-185y-42x 184,8 42 4,4 0,2 HLG-185y-48x 187,2 48 3,9 0,2 HLG-185y-54x 186,3 54 3,45 0,2 Выходная мощность 240 Вт, металлический корпус по IP67, IP65, IP20 (245×68×39 мм) HLG-240y-12x 192 12 16 0,15 HLG-240y-15x 225 15 15 0,15 HLG-240y-20x 240 20 12 0,15 HLG-240y-24x 240 24 10 0,15 HLG-240y-30x 240 30 8 0,2 HLG-240y-36x 241,2 36 6,7 0,2 HLG-240y-42x 240,2 42 5,72 0,2 HLG-240y-48x 240 48 5 0,2 HLG-240y-54x 240,3 54 4,45 0,2

Наименование*

Pвых, Вт

Uвых, В

Iвых, А

* Источники питания серий HLG-80 и HLG-320 находятся на стадии разработки.

Современная светотехника, #4 2010

силовая электроника для светотехники

Рис. 4. График зависимости КПД от нагрузки на примере источника питания серии HLG-100H

Рис. 5. График зависимости коэффициента мощности от нагрузки на примере источника питания серии HLG-100H

и влияния температуры на срок жизни источника питания. Мы намеренно повторяем график зависимости времени жизни источника питания от нагрузки и температуры из [1] ввиду важности этого вопроса. На рис. 6 приведены зависимости времени жизни от температуры в диапазоне 20—70°C и при разной нагрузке 50, 75 и 100% от номинальной. Эти графики получены для источников питания GLG-150 в металлическом корпусе и с заливкой компаундом. Источники питания серии HLG являются новым, вторым поколением серии CLG-HLG, поэтому качественный характер зависимостей сохраняется и для источников питания HLG. Общий вывод: повышение температуры и увеличение нагрузки уменьшает время жизни. С целью увеличения времени жизни источника питания нужно обеспечить запас по мощности и попытаться облегчить температурный режим, насколько это возможно в реализуемой конструкции светильника.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ СЕРИИ HLG

Рис. 6. Зависимость времени жизни источника питания от нагрузки и температуры окружающей среды

Рис. 7. Типовая вольт-амперная характеристика источника питания серии HLG

ТЕМПЕРАТУРА И ВЫБОР НАГРУЗКИ На семинаре «Проблемы питания светодиодных источников света», проведенном компанией «Компэл» 7 сентября 2010 г. в

www.lightingmedia.ru

Санкт-Петербурге, по просьбе участников было уделено дополнительное внимание выбору нагрузки источника питания исходя из температурных режимов

Источники питания серии HLG являются универсальными, то есть они при различных условиях выполняют функцию источника напряжения или источника тока. Эта дополнительная функция отображается на вольт-амперной характеристике (ВАХ), приведенной на рис. 7. Проанализируем её с точки зрения практического применения. На графике ВАХ источника питания имеется три области — А, B, С. В области A источник питания ведет себя как стабилизатор напряжения (Constant Voltage mode — CV); в области B — как стабилизатор тока (Constant Current mode — CC). В области С происходит срабатывание защиты от перегрузки. Рабочими областями являются области A и B. Рассмотрим подробнее оба режима на примерах построения светодиодных светильников.

РЕЖИМ РАБОТЫ СО СТАБИЛИЗА ЦИЕЙ ПО НАПРЯЖЕНИЮ Для реализации режима стабилизации по напряжению (CV) требуется сдвинуть границу начала области стабилизации по току в крайне правое положение,

силовая электроника для светотехники с источником питания в режиме стабилизации тока приведен на рисунке 9. Эта схема является одной из самых популярных схем включения и неоднократно анализировалась в статьях, например, в [2]. Рис. 8. Пример применения источника питания серии HLG-185H в режиме стабилизации по напряжению

Рис. 9. Пример применения источника питания серии HLG-185H в режиме стабилизации по току

чтобы в большем диапазоне токов источник питания выдавал стабилизированное напряжение. Это можно сделать, вращая переменный резистор, который обозначен на корпусе «Io ADJ.». Величину выходного напряжения источника питания в режиме CV можно регулировать в небольших пределах с помощью переменного резистора «Vo ADJ.». Такую настройку можно сделать в моделях с суффиксами «А» и «C». Если в маркировке модуля суффикс отсутствует, выполнить подстройку нельзя и при расчете нагрузки можно будет пользоваться только номинальными значениями выходного тока и напряжения из технической документации. Модули питания с суффиксом «B» рекомендуется применять только в режиме стабилизации по току, поскольку в этих модулях реализована функция димминга, то есть регулировки уровня выходного тока. Пример схемы светодиодного светильника приведен на рисунке 8. На схеме можно выделить три основных и три дополнительных блока. Роль основных блоков выполняют: источник питания HLG-185H, интегральная схема DC/DC-драйвера

www.lightingmedia.ru

светодиодов, задающая ток светодиодов и светодиодная нагрузка. Блоки A, B, C — это фильтрующие цепи, которые предназначены для уменьшения электромагнитных помех и пульсаций. Последовательно от входа к нагрузке рассмотрим все блоки этой системы. На входе системы расположен фильтрующий X-конденсатор (блок А), который уменьшает кондуктивные помехи в диапазоне частот от 9 кГц до 1 МГц. Конденсатор разряжается через параллельно подключенный резистор. Источник питания находится в режиме стабилизации напряжения (режим CV), а ток в нагрузке задает DC/DC-драйвер светодиодов. На практике количество подключаемых DC/DC-драйверов всегда больше одного и зависит от мощности источника питания и светодиодного светильника. Для устранения помех в диапазоне частот 10…300 МГц между источником питания и драйвером, как правило, размещают синфазный дроссель (блок B). Уменьшить собственные шумы и помехи драйвера можно дополнительно при помощи LC-фильтров (блок C), которые подключаются на входе и выходе драйвера.

РЕЖИМ РАБОТЫ СО СТАБИЛИЗА ЦИЕЙ ВЫХОДНОГО ТОКА Источник питания серии HLG может работать в режиме стабилизации выходного тока (CC). Для нормальной работы источника в этом режиме необходимо правильно рассчитать потребляемый нагрузкой ток и диапазон (минимум и максимум) падения напряжения на нагрузке. При невыполнении этих требований источник питания будет переходить в область срабатывания защиты (область C на рис. 7). Типичный пример реализации светодиодного светильника

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Серия HLG — флагманская в линейке источников питания Mean Well для светодиодных светильников. У нее самый широкий диапазон рабочих температур от –40 до +70°C, расширенный диапазон входного напряжения 90…305 В переменного тока и большое разнообразие конструктивного исполнения: имеются модели с подстройкой величины выходного тока и выходного напряжения, есть изделия с дистанционным управлением яркостью свечения светодиодов (диммингом), в серии HLG-240 имеется вариант с подключением проводов к клеммной колодке. Такое разнообразие функций и опций сочетается с широкой линейкой мощностей от 100 до 240 Вт (80 и 320 Вт в разработке), высокими значениями КПД более 90% и коэффициента мощности более 0,9. Подробную информацию об этих и других источниках питания более можно найти на специализированном сайте официального дистрибьютора компании «КОМПЭЛ» http://www.compel.ru/ в разделе «Источники питания/ ИП для LED». На сайте реализованы параметрический поиск, автоматическое определение аналогов и постоянное обновление информации о технических параметрах, а также цене и наличии на складе. Новые источники питания HLG имеются на складе «КОМПЭЛ» в Москве и их можно оперативно заказать у менеджеров по продажам. Источники питания HLG — прекрасный выбор для светодиодных светильников улиц, тоннелей, железнодорожных путей и платформ и других мест с большим перепадом температур.

ЛИТЕРАТУРА 1. Источники питания серии PLP для монтажа в светильник // Современная светотехника, 2010, №3. 2. AC/DC-преобразователи Mean Well для питания мощных светодиодов // Современная светотехника, 2009, №1.

стадартизация и метрология

Сумеречная фотометрия: задача почти решена Тереза Гудмен В статье освещены проблемы, связанные с оценкой яркости в условиях сумеречного зрения, а также описаны и сопоставлены возможные варианты систем оценки сумеречного восприятия.

В темноте и при ярком освещении человек видит по-разному. Как видно из рисунка 1, при слабом (ночном) свете максимум чувствительности глаза смещен в область коротковолнового, синего, излучения, а при ярком освещении функция чувствительности V (λ) имеет максимум на длине волны 555 нм, что соответствует зеленожелтому цвету. Это объясняется различной активностью палочек и колбочек. При высокой яркости преимущественно работает колбочковый аппарат, который состоит из трех типов рецепторов, отвечающих за восприятие цветных объектов. Ночное зрение обеспечивается в основном рецепторами под названием «палочки». Они не позволяют распознавать цвета, однако различают объекты и препятствия при малых уровнях яркости. В промежуточном состоянии, так называемом сумеречном зрении, участвуют и те, и другие, а чувствительность глаза резко меняется в зависимости от силы и распределения яркости в поле зрения. Сумеречный диапазон покрывает значения от нескольких сотых канделы на квадратный метр до нескольких кд/м2. Именно такие уровни яркости типичны для уличного освещения в ночное время или в помещениях с аварийным или охранным освещением. В настоящее время не существует согласованного комитетом CIE метода оценки визуальной эффективности источников света на этом диапазоне. Большинство предлагаемых методик основано на психофизическом исследовании аспектов визуального восприятия, особенно на способности адаптироваться к различным уровням яркости.

То обстоятельство, что визуальная система человека состоит из двух каналов, яркостного (не воспринимает цвет, аддитивный) и цветового (воспринимает цвет, неаддитивный), осложняет исследования, поскольку вклад каждого канала меняется не только в зависимости от яркости фона, но и размера, местоположения объекта, цветового контраста между объектом и фоном. В настоящее время разработано большое количество моделей, дающих различные результаты в зависимости от внешних условий. Однако они не согласуются с функциями спектральной световой чувствительности глаза при дневном (V(λ)) и ночном свете (V'(λ)), что вызывает дополнительные трудности при их практическом применении. В 90-х годах был предложен подход, который ставил целью сохранить согласование с существующей фотометрической теорией. Искомая функция должна соответствовать дневной и ночной функциям спектральной чувствительности глаза на границах сумеречного диапазона. На основе данного подхода независимо друг от друга были разработаны две системы: USP (США) и MOVE (Европа). Тем не менее, эти две системы дают различные результаты при расчете яркости в условиях сумеречного

восприятия. Особенно заметно разница проявляется для разноцветных источников света со слабой светимостью. Для источников белого света расхождения незначительны. Комитет CIE 1-58 разработал и скоро опубликует промежуточную систему, результаты которой лежат между значениями, полученными в USP и MOVE.

ИСТОРИЯ ВОПРОСА Основное препятствие при разработке системы сумеречного зрения — высочайшая сложность зрительного аппарата человека. Спектральная чувствительность глаза определяется не только яркостью, но и размером, временем адаптации, местоположением объекта в зрительном поле, его контрастом с фоном и скоростью реакции. При изменении какоголибо параметра меняется эффективность зрительной системы и способность выполнять поставленную задачу. Цель любой фотометрической системы — измерять величины, напрямую связанные с визуальным восприятием. В настоящее время ни одна система не позволяет точно описать зрительное восприятие во всем диапазоне яркостей. Действующая модель спектральной чувствительности глаза описывает только некоторые задачи (например, чтение

Рис. 1. Спектральная световая чувствительность для дневного и ночного света

Современная светотехника, #4 2010

стадартизация и метрология текста). Одно из основных требований к фотометрической системе — аддитивность. Согласно закону Эбнея, если световые потоки А и В имеют одинаковые фотометрические показатели, а p + q = 1, то сумма pA + qB должна иметь те же показатели. Другими словами, аддитивность означает, что для нахождения какой-либо световой величины заданную спектральную фотометрическую величину (поток, интенсивность, светимость и т.п.) можно умножить на соответствующую функцию спектральной эффективности и суммировать линейно по спектру. Однако при дневном свете данное правило часто нарушается. Например, при сложении двух или более световых потоков нередко яркость результирующего потока оказывается меньше, чем компонентов в отдельности, из-за взаимодействий между колбочками. Для описания зрительного восприятия при сумеречном свете необходим новый метод, который подчиняется закону Эбнея и согласуется с функциями чувствительности человеческого глаза V(λ) и (V'(λ)) на границах диапазона яркостей типичных для сумеречного зрения, а на самом диапазоне описывает гладкую зависимость.

сумеречном освещении Vmes(λ) выражается как линейная сумма функций спектральной чувствительности при дневном и ночном свете: Vmes(λ) = Х·V(λ) + (1 – X)·V'(λ), где Х — параметр, принимающий значения 0—1 и характеризующий относительное соотношение между дневной и ночной световой чувствительностью при данных условиях. Яркость в условиях сумеречного восприятия Lmes для источника с абсолютной спектральной плотностью яркости Le (λ) может быть рассчитана по следующей формуле: Lmes = при 0,001 кд/м2 < Lmes < 0,6 кд/м2, где Vmes(λ0) — чувствительность глаза при длине волны λ0 = 555 нм. Аналитическое выражение для Lmes (λ) имеет следующий вид:

www.lightingmedia.ru

М(х)·Vmes(λ) = Х·V(λ) + (1 – X)·V'(λ), где М(х) — нормирующий коэффициент, х — параметр, принимающий значения от 0 до 1 и зависящий от уровня яркости и спектрального состава света. Он характеризует относительные пропорции между чувствительностями при дневном и ночном зрении в заданных условиях. Яркость при сумеречном освещении Lmes для источника с абсолютной спектральной плотностью яркости Le (λ) может быть рассчитана по той же формуле, что и в системе USP: xn+1 = a + + b·lg

при 0,001 кд/м2 < Lmes < 0,6 кд/м2, Параметр Х вычисляется следующим образом:

СИСТЕМА USP Система USP (Unified system of photometry) предложена американскими исследователями из Центра световых исследований (Lighting research center). В ее основе лежат две серии экспериментов (для двух человек) на скорость реакции. Первая серия проводится в условиях отсутствия цветового контраста между целевым объектом и фоном на диапазоне дневного света 0,003...10 кд/м2 Во второй серии используется принцип так называемой бинокулярной одновременности, когда на каждый глаз испытуемого одновременно подаются вспышки разных цветов, а яркость объекта, на который обращен взгляд, подстраивается так, чтобы временная задержка между вспышками, которые видит каждый глаз, не ощущалась. По результатам эксперимента была разработана система, в которой чувствительность глаза при

ных задач. Как и в USP, в системе MOVE сохраняются условия на границах диапазона сумеречного восприятия. Это, в свою очередь, не позволяет сделать систему точной для любого типа освещения. Экспериментальные исследования проводились в нескольких лабораториях в Европе. Всего в исследовании участвовало 109 объектов. Эмпирически было получено следующее уравнение:

Х = m |Lmes| + β, где коэффициенты m = 1/0,599, β = –0,001/0,599.

Lmes =

где n — номер выборки, a = 1,49, b = 0,282, Кp и Кs — максимальная световая эффективность при дневном и ночном свете соответственно (683 лм/Вт и 1699 лм/Вт), V'(λ0) = 683/1699. Нормирующая функция может быть приближена следующим образом:

СИСТЕМА MOVE Система MOVE предназначена главным образом для таких приложений как ночное вождение. Зрительная задача разделяется на три подзадачи: 1) способность визуально обнаруживать объект; 2) скорость детектирования объекта; 3) способность распознать детали объекта. В исследовании были задействованы как хроматические, так и неокрашенные объекты. Таким образом, система MOVE основана на данных, не подчиняющихся закону аддитивности и дающих точную характеристику зрительной эффективности широкого круга «реалистичных» визуаль-

M(x) = max[xV(λ) + + (1 – x)V'(λ)] ≈ 1 – 0,65x + 0,65x2. Заметим, что в отличие от системы USP, система MOVE не имеет изломов на границах диапазона. Наоборот, в ней учитывается вклад, хотя и малый, функции ночной эффективности при вычислении спектральной эффективности при дневной яркости больше 10 кд/м2 и вклад функции спектральной эффективности при дневном свете при освещении менее 0,01 кд/м2.

ДРУГИЕ СИСТЕМЫ Системы USP и MOVE являются хорошими отправными точками

стадартизация и метрология для нахождения оптимальной функции. Было замечено, что хотя в основе этих функций лежат различные подходы, результаты, которые они дают, весьма схожи для большинства практических задач. Исключая область совсем низких уровней яркости, обе системы расходятся не более чем на 10% (см. рис. 2) для ахроматических источников света. Это удивительный результат, принимая во внимание следующие различия между системами. 1. Система USP аддитивна, и эксперименты, которые проводились, гарантировали, что соблюдаются все условия закона Эбнея. В испытаниях MOVE, наоборот, было включено много задач, в которых оценивается цветовой и яркостный контраст. Хотя это расширяет сферу применения системы, несоблюдение закона аддитивности может привести к неправильным результатам, поскольку цветовое восприятие человека имеет нелинейный характер. Для практических задач это обстоятельство не является проблемой. 2. Система USP основана на результатах, полученных от малого количества наблюдателей (чтобы не было «шума» в результатах), а MOVE — от большого (чтобы минимизировать различное восприятие наблюдателей). В связи с этим может показаться, что система MOVE более объективна, однако тот факт, что обе системы дают похожие результаты, говорит о том, что система USP достаточно достоверна. На основании вышеперечисленных положений комитет CIE предложил две промежуточные системы, MES1 и MES2, имеющие широкий спектр применений и в то же время сфокусированные на ахроматических задачах. Точки на границах диапазона были выбраны как среднее между соответствующими значениями в USP и MOVE. Между яркостью в условиях сумеречного восприятия и коэффициентом адаптации было решено использовать логарифмическую зависимость (как это было сделано в MOVE, в USP все зависимости линейны), поскольку она лучше описывает визуальное восприятие человека. Оба варианта описываются одним выражением:

Рис. 2. Разность между яркостью при сумеречном и дневном свете для двух типов ламп

Рис. 3. Сравнение фотометрических систем для двух источников света

М(m)·Vmes(λ) = = m·V(λ) + (1 – m)·V'(λ), где M(m) — нормирующая функция, Vmes(λ) — спектральная чувствительность при сумеречном свете, m — параметр, принимающий значения от 0 до 1. Lmes =

где Vmes(λ0) — чувствительность глаза при длине волны λ0 = 555 нм. Аналитически Lmes может быть описана следующим образом (m0 = 0,5): Lmes, n =

Параметр m для системы MES1(обозначим его через m1) вычисляется следующим образом: при Lmes ≥ 3,0 кд/м2 m1 = 1; при Lmes ≤ 0,01 кд/м2 m1 = 0; при 0,01 кд/м2 < Lmes < 3,0 кд/м2 m1 = 0,404 lg Lmes + 0,807. В системе MES2 значение m (обозначим m2, чтобы избавиться от путаницы) определяется иначе: при Lmes ≥ ≥ 5,0 кд/м2 m2 = 1; при Lmes ≤ ≤ 0,005 кд/м2 m2 = 0; при 0,005 кд/м2 < < Lmes < 5,0 кд/м2 m2 = 0,3334× ×lg Lmes + 0,767.

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ Комитет CIE провел cравнение всех четырех вариантов, используя новые независимые наборы

= Табл. 1. Коэффициенты a и b

mn = a + b·lg Lmes, n, где n — номер выборки, V'(λ0) = 683/1699, а коэффициенты a и b принимают значения, приведенные в таблице 1.

Верхний порог яркости, кд/м2 Нижний порог яркости, кд/м2 a b

MES1 3,0 0,01 0,807 0,404

Современная светотехника, #4 2010

MES2 5,0 0,005 0,767 0,3334

стадартизация и метрология данных. Результаты для различных условий освещенности и зрительного восприятия приведены на рисунке 3. Прежде чем приступить к анализу, обратим внимание на два факта. 1. Результаты ограничены условиями задачи, что не гарантирует, что система будет так же хорошо описывать визуальное восприятие при других условиях. 2. Поскольку оцениваются психофизические данные, то существует значительная неопределенность, связанная с наборами данных. Следовательно, любое расхождение с результатами измерений, если оно не превышает данную неопределенность, не может считаться значительным. В ходе сравнения выяснилось, что ни одна система не описывает точно все данные — каждая модель хорошо подходила только для части применений. Поскольку эталон выявить не удалось, выбор производился исходя из практических соображений. 1. Желательно, чтобы в основе системы лежали исследования, покрывающие широкий диапазон задач. Это не выполняется в USP. 2. Поскольку в наиболее важных приложениях сумеречной фотометрии, дорожном и уличном освещении, в основном, решаются ахроматические задачи, то желательно, чтобы система не была чрезмерно сдвинута на цветовое восприятие. Следовательно, система MOVE не является оптимальной. 3. Для простоты реализации система должна иметь четкие пределы, выше или ниже которых могут применяться существующие фотометрические функции.

Этому требованию не удовлетворяет только MOVE. 4. Для простоты реализации также желательно, чтобы система полностью покрывала диапазон яркостей, характерных для важнейших приложений сумеречной фотометрии, таких как дорожное освещение. В большинстве стандартов максимальный диапазон определяется значениями 0,1—2 кд/м2. Опираясь на эти требования, комитет CIE признал оптимальными системы MES1 и MES2. Максимальное расхождение в яркости, которое получается между этими системами, менее 1%. В итоге была выбрана система MES2 как покрывающая больший диапазон. На рисунке 4 показаны результаты новой системы для четырех типов ламп: натриевая низкого давления (SOX), натриевая высокого давления (SON), лампы теплого белого (CDM) и дневного света (HMI). Как и следовало ожидать, для ламп SON и CDM сумеречная яркость выше, чем дневная, поскольку в их спектральной плотности излучения значительную часть составляют более короткие волны (ближе к синему). Для двух других источников, наоборот, яркость для сумеречного восприятия ниже, чем для дневного.

РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ CIE Как мы уже говорили, новая система не должна противоречить существующей теории для чувствительности при дневном и ночном свете. Следовательно, вне сумеречного диапазона должны использоваться те же инструменты, процедуры и величины. Новая фотометрическая система

Рис. 4. Результаты для различных типов источников света

www.lightingmedia.ru

заинтересует в первую очередь дорожные агентства и другие правительственные структуры, работающие с сумеречным освещением. При переходе на новую систему следует учитывать, что для осевого зрения на малых углах для всех уровней яркости применима система дневного света. Другими словами, система сумеречного света востребована для периферийного зрения, когда одновременно работают и палочки, и колбочки. Такая разница в восприятии в зависимости от местоположения объекта может означать, что в техническом задании при проектировании дороги следует указывать уровень яркости по центру перед водителем и на краях полотна. Кроме того, новая система не подходит для задач цветового восприятия. Новую систему необходимо ввести в фотометрические стандарты. Это можно сделать двумя способами. 1. Оставить существующие значения, но с оговоркой, что они применимы только для данного типа ламп или отношения S/P. Для других типов ламп для определения разницы между сумеречной яркостью эталонной лампы и дневной и сумеречной яркостью установленной необходимо использовать отношение S/P. 2. Закрепить в стандарте требуемое значение сумеречной яркости. В этом случае инженеры могут выбрать лампу любого типа и использовать значение яркости в сумеречном свете и отношение S/P, чтобы определить необходимую яркость для функции V(λ) для данного типа ламп. Например, в техническом задании требуется лампа SOX с яркостью при дневном восприятии 1 кд/м2. Пусть вместо нее используется лампа с S/P = 2,4. По первому способу Lmes = 0,91 кд/м2 для лампы SOX и Lmes = 1,14 кд/м2 для лампы второго типа. В процентах изменение для лампы SOX равно (0,91 – – 1,14)/(0,5·(0,91 + 1,14) = –0,22%. То есть при другом типе лампы такой же уровень яркости достигается, когда яркость при дневном свете равна 0,78 кд/м2. По второму методу в стандарт будут внесены изменения: вводится требование обеспечить яркость 0,91 кд/м2 при сумеречной функции зрения. При исполь-

стадартизация и метрология зовании лампы SOX ее яркость должна быть 1 кд/м2, а для лампы с S/P = 2,4 яркость равна 0,78 кд/м2 для дневной функции зрения. Результат один и тот же, однако первый способ проще в реализации, поскольку он аналогичен используемому в большинстве стандартов.

ИНСТРУМЕНТАРИЙ В новой системе должна быть возможность измерять ночную и дневную яркость. Это можно достичь двумя способами. Наиболее универсальный — использовать спектрорадиометр, поскольку он дает спектральные значения, которые можно сложить с весовыми функциями V(λ) и V'(λ), чтобы определить соответствующие значения. Второй способ — использовать фильтры, чтобы определить весовые функции. Датчики со встроенными фильтрами для определения весовых коэффициентов в функции яркости дневного света применяются широко. С их помощью не составляет труда определить коэффициенты для V'(λ). Какой бы метод ни был выбран, измерения проводятся на низких уровнях яркости, поэтому надо следить, чтобы не возникали паразитные эффекты (шум, рассеяние).

ПРОЦЕДУРА ИЗМЕРЕНИЙ Нерешенным остался ряд проблем, связанных с проведением измерений в области сумеречного восприятия. Самая сложная из них — выбрать измеряемые величины для определения условий визуальной адаптации. Рассмотрим пример. Когда водитель едет по дороге, его взгляд в большей степени направлен пря-

Рис. 5. Распределение света на дороге (справа — изображение, полученное с помощью фотометра)

мо, на дорожное полотно. Центральная часть зрительного поля адаптируется к яркости поверхности дороги, которая складывается из яркости дорожного освещения и света фар. Яркость на периферийных участках гораздо ниже, причем основной вклад идет от дорожного освещения и других источников света, расположенных рядом с дорогой, а не от фар. Возникают значительные неоднородности. Ситуация еще больше усугубляется тем фактом, что водитель постоянно воспринимает разные уровни яркости в зависимости от направления его взгляда. Поэтому определить действующие условия адаптации крайне сложно, даже самыми современными фотометрическими системами (см. рис. 5). Разработка процедур измерения для более однозначных условий, например, аварийного освещения эвакуационных проходов в здании, является более простой задачей, но и здесь возникает значительный разброс яркостей в поле зрения, поэтому нужны системы захвата изображения, чтобы компенсировать этот эффект. В настоящее время при фотометрическом анализе проводятся измерения только дневной составляющей. Поскольку для

определения параметров сумеречного восприятия необходимо измерять яркости как дневной, так и ночной составляющей, то нужны новые инструменты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Комитет СIE проводил исследования более 70 лет, и фотометрическая система для сумеречного восприятия вот-вот появится. Она будет предназначена для широкого спектра задач и поможет решить такие важные задачи как проектирование дорожного и аварийного освещения. Система согласуется с разработанными ранее системами дневного и ночного света и, по всей вероятности, будет проста в реализации. Однако проблемы все еще остаются, особенно в отношении процедур измерения. Они сейчас решаются. Следует заметить, что система не подходит для визуальной характеристики в таких задачах, где действуют следующие ограничения: 1) осевое зрение (на всем диапазоне применяется световая функция для дневного света); 2) высокие цветовые контрасты между объектом и фоном; 3) визуальная оценка яркости (например, распознавание лиц).

Компания Cree отчиталась о доходах за 2010 год Компания Cree опубликовала свой годовой доход и прибыль. Ее рекордный доход достиг $264,6 млн за четвертый квартал 2010 финансового года, — соответственно, к 27 июня 2010. По сравнению с доходом в $148,1 за четвертый квартал прошлого года произошло увеличение на 79%, а по сравнению с третьим кварталом 2010 года доход вырос на 13%.

Чистая годовая прибыль по ГААП (General Accepted Accounting Principles – общепринятые нормы бухгалтерского учёта) за четвертый квартал увеличилась на 445% до $52,8 млн ($0,48 за акцию). Cree сообщила о доходе в $867,3 за 2010 финансовый год, что означает 53% рост с дохода в $567,3 за 2009 год.

Чистая прибыль по ГААП выросла на 402% до $152,3 ($1,45 за акцию) по сравнению с $30,3 млн ($0,34 за одну акцию) на 2009 финансовый год.

www.ledinside.com/Cree_annual_revenue_and_ annual_net_income_20100811

Современная светотехника, #4 2010

Ðåêâèçèòû ïîëó÷àòåëÿ: ÎÎÎ «ÈÄ Ýëåêòðîíèêà» Ð/Ñ 40702810004000000194 «Áàðêëàéñ Áàíê» ÎÎÎ, ã. Ìîñêâà Ê/Ñ 30101810900000000460 ÁÈÊ 044585460 ÈÍÍ 7728298032 ÊÏÏ 772801001

СЧЕТ СС/2010 от ________

¹¹

ÍÀÈÌÅÍÎÂÀÍÈÅ

Ñòîèìîñòü çà ýêç., ðóá.

Ïîäïèñêà íà æóðíàë «ÑÎÂÐÅÌÅÍÍÀß ÑÂÅÒÎÒÅÕÍÈÊÀ» (ãîäîâàÿ íà 2010 ã., ñ ¹1 ïî ¹6)

375,00

Êîë-âî ýêç.

Ñóììà, ðóá.

2250,00

Èòîãî ê îïëàòå:

2250,00

Â òîì ÷èñëå ÍÄÑ 10%:

204,54

Óâàæàåìûå ÷èòàòåëè! Óáåäèòåëüíàÿ ïðîñüáà â ïëàòåæíîì ïîðó÷åíèè â ãðàôå «Íàçíà÷åíèå ïëàòåæà» óêàæèòå, ïîæàëóéñòà, íàçâàíèå æóðíàëà, àäðåñ äîñòàâêè, ôàìèëèþ, èìÿ, îò÷åñòâî ïîëó÷àòåëÿ è êîíòàêòíûé òåëåôîí.

Ðóêîâîäèòåëü_____________________/Ì.Â. __ ___ _ __ ___ ___ ____ _ ____ Ñèìàêîâ/

Ãëàâíûé áóõãàëòåð_________________/Ì.Â. Ñèìàêîâ/ ___ ____ ____ __ _ __ __ ___ _ ____/