Введение
После подачи напряжения питания на типовые светодиодные осветительные приборы начинается спад светового потока, который практически завершается по истечении 40–60 мин. Критериальные значения спада светового потока у офисных, промышленных светильников и светодиодных ламп на сегодня составляют соответственно 2,5; 5,0 и 18% [1].
Величина спада светового потока светодиодных осветительных приборов (СОП) должна служить одним из важных критериев оценки качества их изготовления [2–5], поскольку он достоверно коррелирует с рабочей температурой p-n-перехода светодиодов. Практически до сих пор предпринимаются попытки исходя из температуры корпуса СОП косвенно оценить состояние температуры находящихся в них светодиодов [6–8], но такая оценка является весьма приближённой. Более достоверную информацию о ней несёт спад светового потока или спад освещённости, которую обеспечивают СОП.
Филаментная светодиодная лампа (ФСЛ) является одной из последних новинок СОП и принципиально отличается от типовой светодиодной лампы тем, что в ней для снижения температуры светодиодов вместо алюминиевого радиатора используется инертный газ – гелий, существенно изменяющий динамику спада светового потока. В силу новизны такой лампы ей в интернете уделяется большое внимание. Однако несмотря на это, её характеристики продолжают оставаться пока ещё малоизученными.
В соответствии с ГОСТ 54350-2015 изменение режима работы филаментной светодиодной лампы после её включения может оцениваться как по световому потоку, так и по обеспечиваемой ею освещённости [9]. Между тем при наличии люксметра намного легче и быстрее осуществить измерение освещённости, чем светового потока. Поэтому далее будем использовать преимущественно термин «спад освещённости». Он показывает, насколько освещённость рабочей поверхности снижается во времени после включения СОП и стабилизации его режима.
Поскольку спад освещённости, по имеющимся в распоряжении автора данным, более чем у половины ФСЛ достигает 20–25%, то, бесспорно, потеря порядка четверти начального его значения вполне может служить признаком низкого их качества. Завышенные его значения являются признаком наличия температурной перегрузки в светодиодах филаментов при выбранной рабочей силе тока и, соответственно, меньшей надёжности ФСЛ и меньшего срока их службы.
На результаты измерения спада освещённости в ряде случаев может также влиять изменение силы выходного тока драйвера в процессе стабилизации его температурного режима после включения СОП. Однако этот фактор, по предварительным данным, вносит небольшие изменения, поэтому он отдельно не оценивался. На данном этапе предметом исследования является не механизм спада светового потока, а количественная его оценка с использованием разных типов ФСЛ после их включения.
В данной работе рассматривается задача изучения спада освещённости, обеспечиваемой ФСЛ разной мощности и габаритов, выпускаемыми разными фирмами.
Методика исследования
Измерения уровня освещённости осуществлялись при использовании восьми ФСЛ четырёх производителей с фактически потребляемой мощностью от 3,5 до 8,3 Вт при напряжении питания 230 В. Отсчёт освещённости проводился люксметром ТКА-ПКМ (42) в течение 30 мин с момента включения ФСЛ в горизонтальном положении максимального излучения (при развороте лампы на 90°) с переменным интервалом. Определение спада освещённости осуществлялось по специально разработанной методике [10], в соответствии с которой отсчёт первого показания люксметра начинался через 1 с после включения ФСЛ. В первую минуту измерения проводили через каждые 15 с, затем через каждую минуту до истечения 5 мин, а далее до окончания опыта через каждые 5 мин. В некоторых опытах температура ФСЛ оценивалась с помощью ИК-термометра G-300. Внешний вид исследованных ФСЛ разной мощности и габаритов представлен на рисунке 1.
Для облегчения анализа полученных данных в таблице приведены ФСЛ в порядке снижения реальной потребляемой мощности. Обработка результатов измерений и форма их представления осуществлялись на основе рекомендаций [11, 12].
Результаты исследования
Как следует из таблицы, при использовании разных моделей ламп снижение освещённости за 30 мин происходит в две фазы.
Первая фаза переходного процесса очень короткая и длится не более 1–2 мин, вторая фаза длительная – до 15 мин. Процесс стабилизации ФСЛ при разных мощностях и диаметре её колбы завершается через 5–15 мин.
К концу первой фазы освещённость уменьшается более чем на 50% от предельного значения. Далее в интервале от 15 до 30 мин снижение освещённости продолжается, но изменяется не более чем на 1%. При ограничении 15-минутным интервалом наблюдения максимальная погрешность завышения абсолютного значения спада освещённости не превышает 5%.
Самое значительное снижение освещённости на 8–15% у всех типов ФСЛ происходит после их включения в первые 30–60 с первой фазы.
Для наглядности динамика освещённости графически представлена на рисунке 2. Сравнивая приведённые в таблице значения спада освещённости с данными литературы [13, 14], можно заметить, что полученные значения почти в 2 раза больше.
Полученное существенное превышение значения спада освещённости может быть объяснено тем, что авторы начинали отсчёт показаний не сразу, а по истечении некоторого времени. Если при этом они руководствовались рекомендациями [9] или [15], то отсчёт времени мог бы быть ими выбран по истечении 15 или 20 с, в результате чего показания могли оказаться на 7–10% меньше измеренных значений (21–27%). Некоторое занижение значения спада освещённости в [6, 13, 14] обусловлено также тем, что период наблюдения был ограничен только первыми 3,5 мин.
ФСЛ, по данным [16], наполняются в «Лисме» инертным газом гелием. Дополнительные исследования состава газа ФСЛ, проведённые по просьбе авторов в Лаборатории газовой хроматографии ВНИИУС, подтвердили эту информацию и позволили внести ясность в длительные споры о составе газа [17]. При применении гелия стенка стеклянной колбы ФСЛ выполняет функцию радиатора. Благодаря значительно более высокой теплопроводности стекла относительно гелия обеспечивается эффективный отвод от него тепла.
Определённую роль в ускорении отведения тепла играет и площадь поверхности самой колбы. У ФСЛ № 6 площадь поверхности колбы в 4 раза больше площади поверхности ФСЛ № 5 при соизмеримых значениях потребляемой мощности. При этом величина спада освещённости у неё меньше лишь в 2 раза.
При первоначальном выборе ФСЛ в количестве 6 шт. коэффициент корреляции между спадом освещённости dСП и площадью поверхности колбы S имеет достоверное значение r=–0,63 при Р>0,90. При пополнении выборки тремя ФСЛ фирмы Geniled коэффициент корреляции значительно уменьшается до –0,26. Это обусловлено тем, что в ФСЛ фирмы Geniled осуществлена конструктивная доработка, которая заметно нивелирует роль увеличения поверхности колбы. По-видимому, она заключается в том, что длина филаментов впервые была увеличена с 30 до 45 мм, что позволило в некоторой степени уменьшить взаимный нагрев светодиодов.
Следует обратить внимание на то, что ФСЛ с матовой колбой № 5 имеет значение dСП почти в 2 раза большее, чем у ФСЛ № 6. Это вызвано тем, что матирование поверхности колбы, осуществляемое окисью бария или сульфата бария, образует диэлектрический слой, снижающий теплоотводящие свойства стеклянной колбы. В результате температура такой ФСЛ оказалась больше на 5–6°С при той же мощности и габаритах.
Между dСП и потребляемой мощностью ФСЛ корреляция не выявлена в обеих выборках ФСЛ (r=–0,02). Это видно из таблицы и рисунка 1. Спад освещённости происходит на значительную одинаковую величину как при мощности ламп 8,3 Вт, так и при мощности 3,4 Вт.
В сравнительном плане на рисунке 2 приведена кривая спада освещённости, где применяются типовые светодиодные лампы (ТСЛ), например Geniled, мощностью 7 Вт с алюминиевым радиатором. Применение радиатора способствует значительному снижению скорости повышения температуры светодиодов в момент включения ТСЛ, тем самым предотвращается начальный перегрев светодиодов. В результате у таких ламп dСП не превышает 9–15%.
Из сравнения dСП ФСЛ разных производителей следует, что ФСЛ фирмы Geniled (4, 6 и 8 Вт) обеспечивают спад освещённости почти в 2 раза меньше при одинаковой потребляемой мощности и меньших габаритах, чем ФСЛ фирм Uniel и Lexman.
Выводы
Спад светового потока (освещённости) является информативным интегральным показателем качества светодиодных осветительных приборов, который следует приводить в технической документации и на упаковках соответствующих изделий, независимо от величины их потребляемой мощности.
В современных ФСЛ предельная реализуемая мощность не превышает 8 Вт при завышении заявляемых её значений на 50–70%.
Кривая спада светового потока ФСЛ состоит из двух фаз: короткой и длинной. Максимальная величина спада светового потока после включения многих ФСЛ, независимо от их потребляемой мощности, достигает 21–27%.
Спад светового потока ФСЛ в первые 2 мин происходит со скоростью на порядок выше, чем в типовых светодиодных лампах с алюминиевыми радиаторами. Это свидетельствует о разном механизме отведения тепла у светодиодов в эту фазу периода их стабилизации, требующем специального исследования.
Повышение площади поверхности колбы ФСЛ более чем в 10 раз позволяет уменьшить спад освещённости, но не более чем в 2 раза.
Литература
- Тукшаитов Р.Х., Исыхакэфу А. Разработка и применение критериальных значений параметров светодиодных осветительных приборов для контроля их качества. Инженерный вестник Дона. 2017. № 4. ivdon.ru/magazine/archive/n4y2017/
- Тукшаитов Р., Исыхакэфу А., Нигматуллин Р., Гарипов Р. Как обеспечить заявленный срок службы светодиодных ламп. Полупроводниковая светотехника. 2016. № 3. Т. 41. С. 6–9.
- Тукшаитов Р.Х., Исыхакэфу А., Нигматуллин Р.М., Иштырякова Ю.С. Применение ряда информативных параметров при сравнительной оценке качества светодиодных ламп торговых марок Camelion и ASD. Успехи современной науки. 2016. Т. 3. № 6. С. 56–58.
- Исыхакэфу А., Тукшаитов Р.Х. Разработка новой методики определения спада светового потока осветительных приборов. Успехи современной науки. 2017. Т. 4. № 4. С. 121–125.
- Исыхакэфу А., Тукшаитов Р.Х. Усовершенствование методики контроля времени температурной стабилизации осветительных приборов. Успехи современной науки и образования. 2017. Т. 4. № 4. С. 142–145.
- Светодиодная лампа серии Sky фирмы Uniel. Современная светотехника. 2016. № 2. С. 46–48.
- Тукшаитов Р., Сулейманова И. Филаментные светодиодные лампы. Аналитический обзор современных источников литературы. Полупроводниковая светотехника. 2018. № 1. С. 13–17.
- Исыхакэфу А., Тукшаитов Р.Х. Контроль температуры корпуса светодиодных ламп при работе в разных осветительных устройствах. Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2017. № 9–10. С. 145–149.
- ГОСТ Р 54350-2015. Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний. – М.: Стандартинформ, 2015. – 46 с.
- Тукшаитов Р.Х., Исыхакэфу А., Сулейманова И.И. Разработка методики определения величины спада светового потока филаментных ламп на основе ГОСТ Р 54350-2015. Инженерный вестник Дона. 2018. № 1: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2018/
- Тукшаитов Р.Х. Основы оптимального представления статистических показателей на графиках, диаграммах и в таблицах (физика, химия техника, биология и медицина). – Казань: КГЭУ, 2006. – 227 с.
- Тукшаитов Р.Х. Статистическая обработка и анализ результатов измерений. Лабораторный практикум. – Казань: КГЭУ, 2009. – 72 с.
- Цвирко В.И. Протокол исследовательских испытаний филаментной лампы типа Vosla GmbH Центра светодиодных и оптоэлектронных технологий Национальной академии наук Беларуси. 2014. 7 с.
- Нестеркина Н.П., Кондрашин А.С., Корсуков А.А. Сравнительные исследования филаментных светодиодных ламп мощностью 4 Вт в колбах А50 и А60. Прорывные научные исследования: сборник статей Международной научно-практической конференции/ Под общей редакцией Г.Ю. Гуляева. – Пенза: МЦНС «Наука и просвещение», 2016. – С. 14–21.
- ГОСТ Р 54350-2011. Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний. – М.: Стандартинформ, 2011. – 34 с.
- Доброзраков И.Е. Светодиодная филаментная лампа «Лисмы»: новое слово на рынке источников света. Светотехника. 2015. № 5. С. 48–50.
- Тукшаитов Р.Х. Конфиденциальность газового состава филаментной лампы. Нужна ли она производителю. Полупроводниковая светотехника. 2017. № 6. С. 38–40.
Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!