LT_Svetotehnika_2014

Но чтобы радиаторы работали эффективно, необходимо, прежде всего, обеспечить хороший тепловой контакт со светодиодами и одновременно электрическую изоляцию между ними. Для этого используются алюминиевые печатные платы с хорошей теплопроводностью и теплопроводящие пасты и мастики. В последнее время все большее распространение получают керамические радиаторы. Мощные светодиоды часто изготавливаются также в керамических корпусах. Кроме хорошего теплового контакта светодиода и радиатора, необходимо, чтобы тепло от радиатора выводилось наружу, а не оставалось внутри светильника. Поэтому радиаторы крепятся на корпус светильника, который часто также имеет сложную форму с хорошо развитой поверхностью (рис. 43).

Рис. 43. Задняя сторона корпуса светильника

На рис. 44 показаны некоторые типы серийно выпускаемых светодиодов.

В настоящее время светодиоды используются, прежде всего, в светосигнальных приборах – автодорожных

ижелезнодорожных светофорах, информационных табло, указателях и т. п. В последние годы сотни фирм за рубежом

ив России начали делать светильники со светодиодами для общего освещения различных помещений, для функционального и декоративного наружного освещения. Широко распространены настольные и переносные светильники со

светодиодами. Можно сказать, что уже полностью исчезли ручные фонари с лампами накаливания – их вытеснили светодиоды. Исключительно широко применяются светодиоды

всветильниках для аварийного освещения.

ВМоскве почти все перекрестки в пределах Садового кольца, а также Ленинградский проспект, проспект Мира, Третье транспортное кольцо, МКАД и другие магистрали оснащены светофорами и дорожными указателями с использованием светодиодов. На Пушкинской площади, Новом Арбате и в других местах установлены большие (до 50×100 м) светодиодные рекламно-информационные щиты, изображение на которых хорошо видно даже в солнечные дни (например, светодиодный щит на здании института «Гидропроект» на развилке Ленинградского и Волоколамского шоссе).

Рис. 44. Формы светодиодов

ВРоссии несколько фирм («Оптоган», «Светлана-Опто- электроника», НПЦ «ОПТЭЛ») делают светодиоды, по качеству не уступающие зарубежным, а часто и превосходящие их. Например, московская фирма «Корвет» (теперь – «КаверЛайт») первой в мире начала делать «полноцветные» светодиоды, в которых красные, зеленые и синие кристаллы объединены в одном корпусе, что позволяет получать практически неограниченное количество цветовых оттенков излучения одного светодиода. Эта же фирма первой в мире стала производить светодиоды в шестигранных корпусах, допускающих сплошной монтаж и создание больших равномерно светящихся поверхностей (например, для железнодорожных светофоров), а также светодиоды с плоскими линзами Френеля.

Внаучно-производственном центре «ОПТЭЛ» изготавливаются мощные светодиоды и светодиодные сборки (модули) разных цветов, а также инфракрасные диоды. Световая отдача серийных светодиодов этой фирмы – выше 100 лм/Вт. Молодая фирма «Оптоган» в Санкт-Петербурге добилась световой отдачи серийных светодиодных модулей более 160 лм/Вт, что соответствует самым высоким мировым достижениям.

Недостатками светодиодов являются: малая единичная мощность, приводящая к необходимости использования большого их количества для создания необходимых уровней освещенности; необходимость отвода тепла; низкое напряжение питания, требующее включения светодиодов только со специальными понижающими трансформаторами

ивыпрямителями; довольно высокая цена, особенно белых

исиних. Несомненно, что со временем все эти недостатки будут устранены.

Необходимо хотя бы коротко рассказать об органических светодиодах (английское название – Organic LightEmitting Diode, OLED). Это далеко не новый тип источника

света. Явление электролюминесценции в полимерных материалах было открыто в начале 50-х годов прошлого века. В 1990 году появились сообщения о полимерах с зеленым свечением. В 2000 году группа ученых из Японии и США получила Нобелевскую премию за открытие проводящих органических полимеров.

Для создания органических светодиодов используются тонкопленочные многослойные структуры, состоящие из нескольких слоев электропроводящих полимеров. В качестве материала анода обычно используется окись индия, легированная оловом. Этот материал прозрачен в видимой области спектра. Для изготовления катода используются металлы (алюминий, кальций). При подаче на анод положительного напряжения в проводящем полимере происходит рекомбинация носителей электрического заряда (электронов и дырок), при которой выделяется энергия в виде света.

Внастоящее время созданы полимеры, излучающие свет

вкрасной, зеленой и синей областях спектра. Смешивание трех цветов позволяет получить множество цветовых оттенков излучения, в том числе и белый свет. Исходные излучения, в отличие от «обычных» светодиодов, занимают достаточно широкую полосу спектра, поэтому полученный

врезультате их смешивания белый свет обеспечивает хорошую цветопередачу.

Яркость свечения органических светодиодов регулируется в широких пределах и может достигать 100 000 кд/м2. Однако с ростом яркости снижается срок службы светодиодов. Поэтому на практике наиболее широко используется яркость около 1000 кд/м2. такая яркость не оказывает слепящего действия.

Срок службы известных устройств из органических светодиодов, по данным фирм-производителей, составляет около 10 000 часов. Он определяется в основном тем, что полимер, излучающий синий свет, теряет свою эффективность

значительно быстрее, чем излучающие красный и зеленый. Поэтому суммарный белый свет изменяет цветность и ухудшается цветопередача.

Реальная световая отдача органических светодиодов, выпускаемых такими известными фирмами, как Osram, Philips, Verbatim составляет около 50 лм/Вт.

Полимерные слои могут быть очень тонкими (сотые доли миллиметра). Поэтому осветительные приборы с органическими светодиодами очень компактны и легки. Фирма Philips планирует создать прозрачные гибкие панели из органических светодиодов, которые могут открыть совершенно невероятные возможности освещения помещений.

Вмае 2013 года японская фирма Panasonic объявила

осоздании органических светодиодов со световой отдачей 114 лм/Вт (при площади светодиода 1 см2; при площади 25 см2 световая отдача равна 110 лм/Вт) и сроком службы более 100 000 часов.

Органические светодиоды излучают свет равномерно по всем направлениям в угле 180°. Они могут работать в широком диапазоне температур – от минус 40 до +70 °С.

Благодаря отсутствию слепящего действия, легкости, хорошей цветопередаче и возможности регулирования, органические светодиоды уже в недалеком будущем могут стать источником света, способным вытеснить с рынка все остальные типы источников. Это в полном смысле слова – источник света будущего.

Недостатки органических светодиодов – неотработанность технологии и очень высокая стоимость (например, цена органической светодиодной панели фирмы Osram – Orbeos CDW-031 диаметром 79 мм – более 100 евро).

На Московской выставке «Интерсвет-2012» одним из наиболее интересных экспонатов был светильник на органических светодиодах, показанный Международной группой компаней «Световые Технологии».

* * * В сводной таблице 27 приводятся достигнутые настоя-

щему времени параметры источников света, их достоинства и недостатки, целесообразные области применения.

Таблица 27.Сводная таблица сравнения источников света

ВЫВОДЫ

1.Важнейшие параметры источников света: световая отдача η; срок службы τ.

2.Все массовые электрические источники света делятся на три группы: тепловые; разрядные; полупроводниковые.

3.Каждая группа источников света имеет свои достоинства и недостатки (см. таблицу 26).

4.При выборе источников света предпочтение следует отдавать лампам с максимальным сроком службы и максимальной световой отдачей, несмотря на то, что за них приходится платить дороже – первоначальные затраты многократно окупятся при эксплуатации осветительных установок.

раздел 5

Аппаратура включения и управления

Как было сказано в разделе 4.2, все разрядные лампы имеют падающую вольтамперную характеристику, а напряжение зажигания этих ламп, как правило, выше напряжения сети. Поэтому для включения всех разрядных ламп (кроме «интегрированных» компактных люминесцентных ламп) требуется специальная аппаратура, обеспечивающая зажигание разряда и стабилизацию тока через лампу. Такая аппаратура получила название пускорегулирующей, хотя регулирование светового потока ламп она в большинстве случаев не производит. Более правильное название такой аппаратуры – аппаратура включения; в дальнейшем тексте мы будем использовать именно это название.

Сейчас выпускается довольно широкий ассортимент компактных люминесцентных ламп, в которых аппаратура включения объединена («интегрирована») с лампой в общую конструкцию, поэтому применение отдельных аппаратов не требуется. Во всех остальных случаях нужны отдельные балластные сопротивления, стабилизирующие ток разряда, и устройства для зажигания разряда.

Аппаратура включения в общем случае содержит три компоненты: зажигающее устройство, устройство стабилизации тока лампы и устройство, обеспечивающее электромагнитную совместимость источника света и электрической сети.

Для зажигания различных типов разрядных ламп требуется напряжение от сотен вольт до нескольких киловольт (для зажигания горячих ламп – даже десятки киловольт). Такое напряжение создается специальными аппаратами – зажигающими устройствами – или обеспечивается схемными решениями.

Стабилизация тока разрядных ламп всех типов обеспечивается за счет включения последовательно с лампой токоограничивающих элементов. В токоограничивающих элементах неизбежно теряется некоторая мощность, не производя полезного действия. По-этому такие элементы являются пустой, ненужной нагрузкой – балластом. В принципе в качестве балласта могут использоваться любые активные, индуктивные или емкостные сопротивления. Но на практике применяются только индуктивные сопротивления и лишь в специальных ртутно-вольфрамовых лампах – активные в виде нити накала. В качестве индуктивных сопротивлений всегда используются специальные электромагнитные аппараты, называемые дросселями или электромагнитными балластами.

Для обеспечения электромагнитной совместимости ламп с электрической сетью в большинстве случаев используются конденсаторы, включаемые, в основном, прямо на сетевое напряжение параллельно со светильником. И только в светильниках с люминесцентными лампами иногда используются другие варианты включения.

В последние годы получили очень широкое распространение электронные аппараты включения люминесцентных и маломощных металлогалогенных и натриевых ламп. В таких аппаратах совмещены все три функции – зажигания, стабилизации тока и электромагнитной совместимости.

Для включения ламп накаливания с номинальным напряжением 220 В никакой специальной аппаратуры не требуется. Однако в настоящее время широко распространены

галогенные лампы накаливания низкого напряжения с номинальным напряжением, как правило, 12 В, реже – 6 или 24 В. Для включения таких ламп в стандартные электрические сети с напряжением 220 В нужны понижающие трансформаторы, которые могут быть как традиционными электромагнитными, так и электронными. Специальная аппаратура требуется

идля включения в сеть с напряжением 220 В новых источников света – светодиодов.

Вэтой главе подробно рассмотрены все названные аппараты: электромагнитные и электронные аппараты включения разрядных ламп (в том числе люминесцентных), электромагнитные и электронные трансформаторы для галогенных ламп накаливания низкого напряжения, устройства управления (блоки питания) светодиодов, зажигающие устройства и системы управления освещением. В главу также включен параграф «Электроустановочные изделия

ишинопроводы» с описанием устройств, с помощью которых к светильникам, лампам и другим элементам подводится электрическое напряжение.

5.1. Электромагнитные аппараты

В качестве балластов в электромагнитных аппаратах всегда используются дроссели, а для люминесцентных ламп – иногда совокупность дросселя и конденсатора.

Дроссели – это катушки, намотанные медным изолированным проводом на сердечнике, собранном из лакированных пластин или ленты из специальных сортов электротехнической стали. Индуктивность дросселей рассчитывается так, чтобы сумма напряжений на дросселе и лампе (с учетом разности фаз) равнялась напряжению питающей сети.

Индуктивность дросселя определяется числом витков в катушке, типом применяемой стали для сердечника и величиной

Рис. 45. Схема включения люминесцентных ламп (слева)

Рис. 46. Устройство стартера (справа)

Рис. 48. Форма напряжения и тока в лампах

накаливания (а)

и в люминесцентных лампах в стартернодрос-

сельной схеме (б)

а косинус этого угла – cos φ, называемый также «коэффициентом мощности». Наглядно пояснить смысл и значение cos φ можно следующим примером. Представим себе, что ток и напряжение – это пара лошадей, тянущих одну повозку. Если обе лошади тянут повозку в одну сторону, иначе говоря, между ними нет «сдвига по фазе», то эффект от этой пары будет наибольшим. Но если одна из лошадей вздумает изменить направление движения, то результат будет тем хуже, чем больше будет угол между направлениями тяги двух лошадей.

Если сдвига по фазе между током и напряжением нет, то мощность, потребляемая от сети, равна произведению тока на напряжение. Но если этот сдвиг есть, то мощность складывается из двух составляющих – активной и реактивной. Активная мощность – это та, которая производит полезную работу (в нашем случае – генерирует свет). Она будет определяться произведением уже трех величин – тока, напряжения и косинуса угла, на который ток отстает от напряжения:

Р = U • I cos φ

.

Интересно отметить, что счетчики электроэнергии учитывают только активную мощность. Поэтому при любом сдвиге фаз мы будем платить только за потребляемую активную

Рис. 50. Схема включения ламп типа ДРЛ

Есть еще одно неприятное явление, связанное с дросселями – при работе на частоте 50 Гц все дроссели создают гудящий звук той или иной интенсивности. По уровню производимого шума дроссели в нашей стране делятся на четыре класса: с нормальным, пониженным, очень низким и особо низким уровнем шума (в соответствии с ГОСТ 19680 они маркируются буквами Н, П, С и А).

В литературе дроссели часто называют «пускорегулирующими аппаратами» (ПРА). Это абсолютно неверное название, так как из сказанного выше ясно, что дроссель сам по себе не может обеспечить ни «пуск» ламп, ни их регулирование. Для зажигания ламп необходимо наличие не только дросселя, но и стартера, а регулирование светового потока – это очень сложная техническая проблема, которую удалось решить только в последние годы.

Так как одним из условий работы стартернодроссельной схемы включения люминесцентных ламп является то, что напряжение зажигания стартера должно быть выше, чем напряжение горения лампы, то после зажигания лампы стартер как бы выключается из работы, и ток через него не идет. Следовательно, не идет и ток прогрева электродов лампы, а для нагрева электродов и обеспечения достаточной эмиссии электронов из них хватает тока разряда нормально работающей лампы. Если же мы начнем регулировать световой поток лампы уменьшением тока разряда, то этого тока не хватит для разогрева электродов до нужной температуры, разряд делается неустойчивым, и лампа гаснет. Если мы хотим регулировать световой поток ламп, то необходимо каким-либо образом обеспечить нагрев электродов до требуемой температуры. Именно поэтому долгое время считалось, что люминесцентные лампы вообще не поддаются регулированию.

Схема включения ртутных ламп высокого давления проще, чем люминесцентных ламп (рис. 50).

Благодаря наличию поджигающих электродов, расположенных очень близко к основным, между этими электродами разряд возникает при напряжениях ниже сетевого. Этот разряд очень слаб, так как ток его ограничен встроенными в лампу сопротивлениями R, но он создает начальную ионизацию газа в горелке, за счет которой разряд переходит на основные электроды. Ток основного разряда ограничивается только дросселем, и величина его в первое время после включения в 2–3 раза больше, чем после полного разгорания лампы. Ток разряда разогревает основные электроды до температуры, обеспечивающей достаточную эмиссию электронов из них (1000–1200 °С). Изза большого тока разряда начинают разогреваться стенки горелки, находящаяся на них ртуть постепенно полностью испаряется, и процессы в лампе стабилизируются. Процесс разгорания длится достаточно долго – от 7 до 10 минут.

Для включения ламп типа ДРЛ требуются только дроссели. Как и в схемах с люминесцентными лампами, в дросселях для ДРЛ теряется определенная мощность (10–15% от мощности лампы), а для компенсации сдвига фаз между током и напряжением необходимо включение компенсирующих конденсаторов. При этом используется только параллельная компенсация.

Усредненные параметры дросселей для разных типов ламп даны в таблицах 29–32; параметры компенсирующих конденсаторов – в таблице 33.

Таблица 29. Потери мощности в дросселях для люминесцентных ламп

В обозначениях дросселей указывается тип лампы, мощность, условное обозначение конструктивного исполнения.

Схемы включения разрядных ламп с дросселями просты, надежны и поэтому получили исключительно широкое распространение, а для ламп высокого давления являются почти безальтернативными. Однако эти схемы имеют целый ряд недостатков:

1.В дросселях бесполезно теряется мощность (в светильниках с люминесцентными лампами малой мощности потери в дросселях соизмеримы с мощностью ламп).

2.Дроссели создают сдвиг по фазе между напряжением и током, что требует применения дополнительных устройств – компенсирующих конденсаторов.

3.Дроссели при работе создают гудящий звук.

4.Люминесцентные лампы в стартернодроссельных схемах при включении мигают, что не только неприятно для глаз, но и приводит к сокращению срока службы ламп

исоздает дополнительные радиопомехи.

5.Все разрядные лампы при работе с дросселями генерируют пульсирующий свет, причем глубина пульсаций может достигать 100%.

6.Дроссели тяжелы, что существенно влияет на массу

иконструкцию светильников с разрядными лампами. Необходимость применения компенсирующих конденсаторов только усугубляет этот недостаток.

5.2. Электронные аппараты включения

Многие недостатки люминесцентных ламп и дросселей устраняются при использовании электронных высокочастотных аппаратов включения (ЭПРА).

В последние годы такие аппараты стали уже достаточно привычными: в странах Европейского Союза около половины всех светильников с люминесцентными лампами