Критика LED : или трезво взглянем на LED

В последние несколько лет все чаще на рынке появляются светотехнические решения, использующие в качестве источников света светодиоды. Причем, в большинстве случаев, предлагаемые осветительные приборы представляют собой вполне традиционные светильники, место ламп накаливания, люминесцентных или газоразрядных ламп в которых заняли «модные» нынче LED – light emitting diodes или СИД – светоизлучающие диоды. Примечательно, что проникновение этих SSL (solid state lighting – твердотельные источники света) «мутантов» на наши восточноевропейские просторы наиболее заметно со стороны довольно авантюрных азиатского и американского рынков. Только одна эта «особенность» должна настораживать, вызывать чувство сомнения в идеальности таких светильников, проповедуемой компаниями, их продающими. Ан нет – то, с какой скоростью маркетинг «фирм-разносчиков» суррогатного света смог причислить светодиоды к лику святых, заслуживает глубокого уважения и одновременно вызывает легкую грусть – красивая реклама с акцентом на «бесплатный» свет поставила «шах и мат», казалось бы, непоколебимым законам физики… Возможно, в моих словах читается некоторая предубежденность относительно полупроводниковых источников света, но ниже я попытаюсь обосновать свою позицию, а именно – LED Светильники – превосходны для решения задач индикации (от простых индикаторов включения питания бытовой техники до многометровых видеоэкранов, устанавливаемых на стадионах), удобны для создания декоративных световых эффектов, как внутри, так и снаружи архитектурных объектов, вполне в силах заменить, пусть и не повсеместно, малоэффективные лампы накаливания, но до применения в экономически эффективных системах общего освещения они просто еще «не доросли».

Светильник, как комплекс инженерных решений

По большому счету, «правильный» осветительный прибор призван решить всего одну задачу: обеспечить наименьшую стоимость жизненного цикла при заданных технических характеристиках света, определяемых освещаемым объектом. Самое важное, что нужно уяснить приступая к анализу экономической эффективности той или иной системы освещения – светильник – это комплекс из источника света, оптики и управляющей аппаратуры, каждый компонент которого имеет непосредственное влияние на остальные составляющие прибора.

Световая отдача источника света

Одна из важнейших характеристик электрического источника света – световая отдача, измеряется в люменах на ватт потребленной электроэнергии. Если принимать во внимание только коммерческие лампы (т. е. не рассматривать фантастические цифры эффективности, полученные в лабораторных условиях для приборов, чья стоимость измеряется тысячами долларов) пальму первенства в светоотдаче держат привычные натриевые газоразрядные лампы с трубчатой горелкой. Внизу «турнирной таблицы» - маломощные лампы накаливая.

Сравнивая различные источники света стоит помнить, что производитель или продавец, как правило, старается выглядеть как можно лучше в глазах потенциального покупателя, из-за этого характеристики предлагаемых приборов указываются для наиболее выгодных условий испытания. Например: световой поток трубчатых люминесцентных ламп практически всегда указывается для лампы с электромагнитным балластом – так как это позволяет получить наибольший ток через лампу и, соответственно, максимальное количество света , пусть и с ощутимыми потерями в самом балласте, сниженным сроком службы лампы и заметным негативным влиянием на человеческое здоровье; срок службы люминесцентной лампы указывают до 50% деградации по излучаемому световому потоку с использованием электронного балласта, щадящего электроды лампы, в результате – наибольший срок службы, но меньший световой поток, по сравнению со схемой с электромагнитным балластом.

Наименьшей светоотдачей наделены лампы накаливания: для обычной лампы с вольфрамовой нитью от 5 лм/Вт (лампа мощностью 5 Вт) до 17,5 лм/Вт (лампа 100 Вт) [6]; для галогенных ламп: от 12 лм/Вт (мощность 5 Вт) до 22,5 лм/Вт (лампа с покрытием IRC мощностью 400 Вт) [2,5]. Наибольшее количество света с 1-го Вт потребленной энергии отдают натриевые лампы высокого давления с трубчатой горелкой – до 150 лм/Вт для лампы мощностью 600 Вт, менее мощные приборы имеют, соответственно, меньшую эффективность – порядка 70 – 100 лм/Вт (ламп 50 – 250 Вт) [2]. У светодиодов же диапазон значений светоотдачи наибольший: от практически нулевых значений до 125 лм/Вт.

В абсолютных цифрах СИД выглядят более чем привлекательно, но при практической реализации светодиодных конструкций умопомрачительные значения эффективности падают до вполне «средненьких» 40 – 60 лм/Вт [1]. Виной этому, в основном, становится чувствительность полупроводниковых источников света к перегреву: номинальные значения количества излучаемого света указываются для окружающей температуры в +25C, но такие идеальные условия редко можно обеспечить в реальных осветительных приборах, потому и приходится эксплуатировать LED в более щадящих режимах, читай жертвовать «яркостью» в угоду надежности.

Как правило, впечатляющая светоотдача (80 – 120 лм/Вт), указываемая на коробках и рекламных материалах «чудо-лампочек» свидетельствует о том, что светодиоды в таком приборе «загнаны» в предельные режимы работы и долгой жизнью он покупателя не порадует.

Рис1. Сравнительная эффективность люминесцентных ламп и СИД в растровых светильниках  

Рис 2. Сравнительная эффективность люминесцентных ламп, ламп накаливания и СИД в светильниках down light

Как показывают исследования DOE (Department of Energy, USA) [1], коммерческие светодиодные решения в плане светоотдачи пока могут конкурировать только с лампами накаливания и компактными люминесцентными лампами – в «высшую лигу», где господствуют трубчатые люминесцентные (T5, T8, T12) и газоразрядные (ДНаТ, ДРЛ, ДРИ) лампы, LED еще рано.

Цветовая температура и коэффициент цветопередачи

CRI – color rendering index, коэффициент цветопередачи – показатель реального источника света, позволяющий судить насколько хуже будут передаваться цвета освещаемого объекта по сравнению с освещением от «идеального» источника света. Имеет значение от 0 до 100 (100 – идеальный источник).

Наилучшим коэффициентом цветопередачи обладают лампы накаливания (типичное значение – 100 единиц), люминесцентные лампы в большинстве своем отстают – CRI у ламп широкого применения лежит в пределах 75 – 85 единиц, но дорогие приборы с многополосным люминофором могут иметь индекс до 98 единиц [2,3]. Металлогалогенные и ртутные газоразрядные лампы высокого давления обычно укладываются в диапазон значений коэффициента цветопередачи 40 – 80 единиц, наихудший CRI у натриевых ламп низкого давления: 20 – 65 единиц. У светодиодов же коэффициент может иметь практически любое значение, у наихудших (в плане цветопередачи) приборов он даже не указывается в характеристиках, а у наилучших может достигать 90 единиц, но такие LED обычно имеют более низкую светоотдачу чем менее «точные» [4].

CCT – correlated color temperature, цветовая температура – характеризует спектр излучения источника и представляет собой температуру абсолютно черного тела при которой оно излучает такой же спектр света, как рассматриваемый источник. Обычно лежит в пределах от 2700 К («тепло-белый», с явным красноватым оттенком) до 10000 К («холодный белый», с преобладанием голубого цвета).

Наиболее низкая температура цвета у ламп накаливания, наиболее высокая – у газоразрядных ламп (кроме, конечно, натриевых), значения для люминесцентных ламп лежат посередине. Наиболее широкий диапазон CCT у светодиодов (от совсем «теплых» оттенков до откровенно «холодных»).

Срок службы

Как долго будет работать источник света, как изменятся его характеристики в течение этого времени – вопрос, пожалуй, наиболее «интимный».

Срок службы у традиционных источников указывается как средний до наработки на отказ, у светодиодов он измеряется не до наработки на отказ, а до определенной степени деградации светоотдачи прибора, обычно это 70% от номинального светового потока. Срок службы сильно зависит от конкретно взятой модели лампы – в настоящее время у любого из производителей источников света в гамме есть множество «стандартных», «зеленых», «долговечных» и прочих приборов. Средние значения срока службы различных источников света приведены ниже в табл. 1.

Наибольший диапазон значений длительности эксплуатации у светодиодов, но они же являются и наиболее нежными из-за, повторюсь, чувствительности к перегреву. Один и тот же СИД в зависимости от условий работы может показывать результаты длительности срока службы различающиеся в десятки раз, например: при установке светодиода с номинальным током 350 мА в светильник с плохим теплоотводом и стабилизатором тока на 750 – 1000 мА срок службы вряд ли превысит 200 часов, а при работе в морозильной камере и токе 300 – 350 мА тот же LED может работать практически «вечно» - 35000 – 60000 часов и даже больше.

Рис . 3. Срок службы различных твердотельных источников света

На рис. 3 показаны кривые деградации светового потока различных

SSL, их «имена» не называются – DOE организация некоммерческая и не имеет статуса контролирующего органа, ее основная задача – отражать реальное состояние рынка энергоэффективных решений. Как видно из графика, 5 светильников «не дожили» и до 1000 часов, хотя их производителями заявлялись сроки службы, исчисляемые десятками тысяч часов.

Повторюсь, цифры в 20, 30, 40 тысяч часов жизненного цикла вкупе со светоотдачей 100 или 120 лм/Вт и т.д, написанные на коробках со светодиодными светильниками, должны как минимум настораживать покупателя – так бывает только в сказках.

Распределение света

Каждый светильник рассчитан на источник света со вполне определенными характеристиками распределения света и расположением источника излучения (спирали, горелки и т. д.) относительно фокуса оптики, потому далеко не все традиционные лампы можно просто заменить на светодиоды, как это обычно делается в «суррогатных» светильниках.

Рис. 4. КСС лампы накаливания 40 Вт  

Рис. 5.  КСС светодиодной замены для лампы накаливания

Как видно из рис. 4. и рис. 5. [10] при простой замене источника света в светильника характер КСС изменится очень сильно, потому к световым приборам, которые «омолодились» путем смены лампы накаливания или люминесцентной лампы на светодиодную «лампочку» без какого-либо изменения оптики, нужно относится очень осторожно.

Управляющая аппаратура

В управляющей аппаратуре меньше всего нуждаются лампы накаливания – им она нужна в случаях, когда есть необходимость изменять световой поток светильника, включать светильник по команде каких-либо датчиков и т. д. Люминесцентные и газоразрядные лампы нуждаются в балластах с определенной ВАХ для зажигания и поддержания дуги или тлеющего разряда. Они (балласты) могут быть как электромагнитными, так и электронными, причем электронные балласты имеют множество разновидностей, как по схемотехнике, так и по способу розжига ламп. СИД питаются стабилизированным током, для чего используются специализированные «драйверы». Драйверы для LED в большинстве своем представляют из себя схемы с широтно-импульсной модуляцией, реже – аналоговые стабилизаторы тока.

С точки зрения экономической эффективности, наибольшее значение для потребителя представляют величины потерь в управляющей аппаратуре и коэффициент мощности.

Коэффициент мощности, он же PFC или cos ф - безразмерная величина, отражающая долю активной мощности в полной мощности, потребляемой электрическим прибором. Согласно [7] физические лица в Украине оплачивают только активную составляющую потребленной электроэнергии, а юридические лица – оплачивают полную потребленную мощность (включая реактивную составляющую) [8], плата за перетекание реактивной составляющей в электрических сетях рассчитывается согласно Методики Министерства топлива и энергетики Украины №19 [9], причем размеры платы индивидуальны для каждого из потребителей, учитывая особенности его договора с компанией-поставщиком электроэнергии и особенностей конкретной энергосети, к которой подключен потребитель. Методика построена так, что наименьший размер платы за перетекание реактивной составляющей будет иметь потребитель с cos ф > 0,97.

Рис. 6. Смещение фаз тока и напряжения в различных видах нагрузки: а) резистивная, б) индуктивная, в) емкостная

В резистивной нагрузке (лампы накаливания, нагреватели) ток и напряжение синфазны и, соответственно, cos ф = 1, потребляется только активная составляющая электроэнергии. Реактивная составляющая возникает в случае, когда нагрузка имеет индуктивный (дроссели, асинхронные электродвигатели, электромагниты) или емкостный (конденсаторы, синхронные электродвигатели) характер, для таких потребителей cos ф < 1. Кроме повышенной платы за электроэнергию, для потребителя наличие реактивной составляющей значит еще и увеличение сечений электрических кабелей (ток в кабеле для нагрузки с реактивной составляющей будет в 1/ cos ф раз больше, чем у чисто активной нагрузки той же мощности).

Для повышения коэффициента мощности потребителей производится компенсация реактивной мощности. Обычно для этого используется так называемый эффект резонанса токов, когда в цепи присутствуют параллельно соединенные емкостная и индуктивная нагрузка равной величины, благодаря чему происходит взаимная компенсация их токов. Так как большинство потребителей имеет индуктивный характер нагрузки, то для компенсации реактивной составляющей используются конденсаторы.

Газоразрядные и люминесцентные светильники мощностью более 32 Вт с электромагнитными балластами содержат компенсирующий конденсатор и имеют cos ф порядка 0,85 – 0,92. Наилучшими же для таких светильников являются электронные балласты с цифровыми драйверами – они оснащены активной компенсацией реактивной мощности (APFC), т. е. содержат специализированный контроллер, следящий за cos ф, у таких приборов он обычно выше 0,95. LED драйверы с ШИМ от именитых производителей также наделены APFC и их cos ф >0,95.

На рынке присутствуют компании, предлагающие «бесплатный свет». Суть идеи проста: если у потребителя есть индуктивная нагрузка, к примеру насосы с асинхронными электродвигателями, то параллельно ей можно включить определенное число LED светильников с драйверами, имеющими cos ф = 0,11, в итоге – компенсируется реактивная составляющая, за которую раньше (до компенсации) нужно было платить, а активная составляющая, которую эти светильники потребляют, стоит меньше прежних штрафов за перетекание реактивной мощности, в итоге – светят эти светильники, на первый взгляд, и правда бесплатно. Но если рассмотреть такое решение трезво:

- ток в сети потребителя с cos ф = 0,11 в 9 (!) раз больше, чем у потребителя с cos ф = 0,95, т. е. чем у вполне нормального люминесцентного светильника с электронным балластом, соответственно сечение питающих кабелей нужно увеличивать также практически в 9 раз;

- если отключить электродвигатель, который эти светильники компенсировали, то реактивный ток в сети достигнет воистину библейских масштабов: увеличение 9 раз по сравнению со светильником с cos ф = 0,95.

По сути, если разобраться, то выходит, что такие компании продают компенсирующий конденсатор и суррогатный LED светильник «в одной коробке», хотя, следуя здравому смыслу, «коробки» должны быть раздельными, ведь реактивная составляющая должна компенсировать максимально близко к месту ее возникновения.

В случае наличия некомпенсированной реактивной составляющей в сети потребителя наилучшим решением будет все-таки использование светильников с cos ф > 0,95 и компенсация реактивной мощности при помощи специализированных установок компенсации реактивной мощности в месте ее возникновения, только в таком случае общий cos ф потребителя будет иметь значение, максимально близкое к единице, а реактивные токи в кабелях не будут запредельными.

Выводы

LED светильники уже могут заменить светильники с лампами накаливания или КЛЛ в общем освещении, за исключением случаев когда не предъявляются слишком строгие требования к цветопередаче или наличию стробоскопического эффекта (в случае замены ламп накаливания на СИД с драйверами, обладающими низкой частотой модулирования).

Заменить светильники с трубчатыми люминесцентными лампами или газоразрядными лампами светодиодные приборы пока еще не в состоянии из-за проблем с теплоотводом у СИД большой мощности и высокой их стоимости.

Светоотдача и срок службы гарантированно работоспособных LED светильников от производителей, дорожащих своим именем, находятся в пределах 40 – 60 лм/Вт и, соответственно, 15 000 – 30 000 часов. Более «легкомысленные» производители отличаются более впечатляющими заявляемыми цифрами, наличием всяческих «артефактов» в конструкции светильников (к примеру, для чего светодиоду может быть нужен параболический отражатель от галогенной лампы ?) и «случайной» КСС.

Слова «LED» и «компенсация реактивной мощности» не имеют ничего общего, потому к предложениям вида «убрать реактив светодиодным светильником» нужно относиться более чем осторожно.

Литература

DOE Solid-State Lighting CALiPER Program Summary of Results: Round 9 of Product Testing.. U.S. Department of Energy. October 2009.

PHILIPS lamp catalogue. 2010 – 2011.

OSRAM lamp catalogue. 2010 – 2011.

Cree Xlamp XP-G Datasheet. 2011.

OSRAM IRC-Halogen lamps. 2011.

Keefe, T.J. (2007). "The Nature of Light".

Постанова Кабінету Міністрів Украіни № 1357 від 26.07.1999 р. «Про затвердження Правил користування електричною енергією для населення».

Постанова № 28 Національної комісії з питань регулювання електроенергетики України від 31.07.1996 р. «Про затвердження Правил користування електричною енергією».

Постанова № 19 Міністерства палива та енергетики України від 17.01.2002 р. «Про затвердження Методики розрахунку плати за перетікання реактивної електроенергії».

LED replacement for incandescent and omnidirectional lamps. U.S. Department of Energy. October 2009.