Проблемы явных и скрытых энергетических потерь в светодиодных осветительных приборах ЧАСТЬ 1

Проектирование осветительных приборов и систем на основе полупроводниковых источников света процесс достаточно сложный. Уже отшумели времена, когда в погоне за быстрыми деньгами пренебрегали технологиями технически грамотной разработки. За последний год рынок значительно поумнел, и производить продукцию сомнительного качества стало крайне невыгодно. Здесь стоит отдельно отметить работу экспертов занятых созданием отечественной нормативной базы, которые через слово закона стараются вытеснить с рынка продукцию, дискредитирующую полупроводниковую светотехнику. Очевидно, что сейчас рынок вступил в стадию формирования и через некоторое время он станет упорядоченным и прозрачным. В условиях зрелой нормативной базы это неминуемо приведёт не только к экономическому, но и к технологическому росту. Это значит, что эффективность использования энергии станет одним из важнейших критериев оценки изделия и оценка эта будет весьма критична.

Эта статья написана авторами скорее как задачник, а не как попытка дать набор ответов на вопрос как создать максимально эффективное изделие. В первую очередь нам хотелось обозначить основные проблемы, с которыми неминуемо столкнётся любой разработчик. Ведь работа над осветительным прибором на базе светодиодов ведётся в трёх различных технических направлениях. И в каждом из них существуют свои явные и скрытые энергетические потери, которые необходимо правильно оценить. В противном случае сама идея энергосберегающего осветительного прибора будет потеряна. Не секрет, что существуют такие приложения, в которых светодиод вовсе не является конкурентом другим источникам света, однозначно проигрывая им по параметру световой отдачи всего изделия или какими-либо качественными показателями. Поэтому при проектировании светотехнических систем, также необходимо правильно оценивать эффективность и целесообразность применения светильников на светоизлучающих диодах. Эта оценка поможет получить важнейшие технико-экономические параметры, из которых позже рассчитывается объективное значение энергетической и экономической эффективности всего проекта.

ЧАСТЬ 1.

Основные показатели энергоэффективности.

Одним из основных параметров энергоэффективности для осветительных приборов и систем является световая отдача, выраженная отношением излучаемого источником света светового потока к потребляемой им мощности Лм/Вт. Этот параметр может быть применён как к источнику света, так и к светильнику в целом. Совершенно очевидно, что эти два значения будут существенно разниться, так как для светильника этот параметр будет скорректирован потерями, как минимум, по оптическому и электрическому каналам. Эти потери и являются главной темой данной публикации. В этой части статьи мы остановимся на факторах, напрямую влияющих на величину потребляемой мощности светильника. О факторах, влияющих на величину светового потока, будет рассказано в следующих частях.

Итак, давайте рассмотрим, как образуется значение полной потребляемой мощности, и какие факторы, влияют на его величину. Для примера возьмём простую задачу: светильник, имеющий в своём составе 24 мощных светодиода световой поток которых составляет 100Лм и AC/DC драйвер с выходным стабилизированным током 350 мА. Чтобы ответить на вопрос какую же мощность потребляет такой светильник, следует проследить весь путь от потребителя энергии до её истока и попытаться выявить «подводные камни», которые присутствуют в явной или скрытой форме.

В первую  очередь, мощность светильника будет напрямую зависеть от мощности самих источников света, т.е. светодиодов. Большим заблуждением является мнение, что мощный светодиод при питании стабилизированным постоянным током, величиной 350 mA,  потребляет мощность 1 Ватт, излучая при этом указанный в data sheet световой поток. В действительности мощность светодиода определяется  произведением величины протекающего через него постоянного тока (Forward Current) и значения прямого падения напряжения на его электродах (Forward Voltage). Второй параметр светодиода всегда любезно предоставляется производителем, но редко бывает замечен разработчиком. У многих известных  производителей величина данного параметра может значительно превышать ставшее уже негласным стандартом значение 3,2 Вольта, что при простом перемножении с величиной питающего тока (0,35A) даст величину мощности 1,12Ватт. Следуя этому значению, нетрудно подсчитать, что кластер из 24 светодиодов будет потреблять 26,88Вт, а не 24 Ватта, как  могло ожидаться. На первый взгляд это может показаться незначительной деталью, но это 12% неучтённых энергетических затрат. И именно настолько придётся уменьшить значение световой отдачи источника света. Вряд ли кому-нибудь понравится полученная величина, но всё честно - закон Ома в действии. Корректировать эти потери возможно только путём тщательной оценки параметров светодиода при проектировании.

Выбор источника питания.

Рассмотрев реальное значение потребляемой мощности самих светодиодов, стоит оценить значение потребляемой мощности всей системы. Для чего необходимо подробно рассмотреть работу источника питания.

Так или иначе, разработчику необходимо, прежде всего, определить каким способом будет осуществляться питание светодиодов и, если это необходимо, продумать систему управления. Надо сказать, что это не такая простая задача, как кажется. Прежде всего, нужно учесть, что от качества источника питания и его КПД будет напрямую зависеть величина полной потребляемой от сети мощности. От этого также зависит и уровень эмиссии гармонических составляющих потребляемого тока, влияющий на «экологию» сети.

Основным критерием при выборе источника тока являлась и до сих пор является цена, а не его технические характеристики. Известная пословица гласит, что «скупой платит дважды». Поэтому нужно хорошо понимать за какие характеристики драйверов нам следует платить сразу, что бы впоследствии не иметь проблем с сертификацией и продвижением своей продукции на рынке.

Из курса физики известно, что полная мощность S(BA) численно равна сумме активной мощности Р(Вт) и мощности реактивной Q(ВАр). Отношение активной мощности к полной мощности определяет величину  коэффициента мощности (КМ, в англ. PF – Power Factor). На значение активной мощности изделия оказывает влияние мощность светодиодного кластера и КПД источника питания. Чем ниже КПД преобразователя, тем больше потери в драйвере и, следовательно, выше активная мощность. На уровень реактивной мощности влияет величина коэффициента мощности. Чем ниже КМ, тем больше потери и, следовательно, выше реактивная мощность.

Длительное отсутствие внятной нормативной базы в этой области породило большое количество «поделок», имеющих крайне низкие показатели эффективности из-за применения низкокачественных источников питания. Применение в светильниках источников питания с низким КПД практически полностью обесценивало все преимущества светодиодов как энергоэффективных источников света. А отсутствие элементарных понятий о коррекции коэффициента мощности (ККМ, в англ. PFC – Power Factor Corrector) и требований к электромагнитной совместимости (ЭМС) исключало даже само понятие  сертификации.

Для примера на рисунке 1 представлены эпюры напряжения сети (синий луч) и тока (жёлтый луч) потребления светодиодных кластеров, состоящих из 24 светодиодов с истчником питания, имеющим в своём составе активный  ККМ (рис. 1а) и без ККМ (рис. 1б).

Параметр коэффициента мощности (PF), при форме тока потребления, близкой к синусоидальной (рис. 1а), численно равен cosφ и в лучших образцах источников питания находится в пределах 0,93 – 0,97. Следует отметить, что данный параметр часто  принимается за значение КПД источника, что является грубейшей ошибкой. Реальные показатели КПД для лучших АС/DC источников постоянного тока (драйверов) находятся в пределах 85-95%. Полученные при этом 5-15% потери при преобразовании на столько же увеличат уровень потребляемой мощности источника питания. Игнорировать данный факт нельзя, т.к. в сочетании с параметром КМ, значение КПД драйвера оказывает серьёзное влияние на увеличение полной потребляемой мощности светильника, снижению его световой отдачи и энергоэффективности всей системы освещения  в целом.

 На рисунке 1б видно, что форма потребляемого тока значительно отличается от синусоидальной и КМ имеет низкое значение 0,62, что приводит к значительному увеличению полной потребляемой мощности (на 38%) и, самое главное, к эмиссии гармонических составляющих потребляемого тока. На рисунках 2а и 2б представлены соответствующие диаграммы эмиссии гармонических составляющих потребляемого тока.  Синим цветом выделены допустимые уровни гармоник по ГОСТ Р 51317.3.2-2006 (IEC 61000-3-2:2005), а красным результаты испытаний.

Очевидно, что допустимые уровни гармоник значительно превышены в изделии с источником питания без ККМ. Ни о какой сертификации данного решения не может быть и речи.

Следует обратить особое внимание на тот факт, что значение указываемого в документации  параметра коэффициента мощности (PF) справедливо только при полной нагрузке источника питания (Full loading), а при уменьшении нагрузки значительно снижается, что может создавать проблемы по уровню гармоник при глубоком диммировании. Этот аспект в настоящее время подвергается авторами тщательному изучению и стендовым испытаниям. В рамках данной публикации не представляется возможным углубиться в указанную проблему, поэтому результаты этих исследований планируется изложить в отдельной статье.

Вышеупомянутые параметры являются важнейшими при подборе или проектировании систем питания светодиодных светильников. Оценивая их, крайне важно максимально снизить энергетические потери, связанные с питанием. Так как снижение других видов потерь, речь о которых пойдёт в следующих частях статьи, требует более значительных затрат. Далее мы покажем, что значения их настолько велики, что пренебрегать 5-7 % световой отдачи изделия становится просто недопустимым. Не следует также забывать и о существовании нормативной базы, которая в будущем будет предъявлять новые, возможно, более жёсткие требования к светотехническим изделиям.