Нюансы светодиодной модернизации существующих светильников

      Корпорация Сгее из города Дарем, что в Северной Каролине, известна как разработчик и производитель инновационных твердотельных источников света. Десятилетиями удерживая лидерство в развитии светодиодных технологий, предприятие вписало немало ярких страниц в историю отрасли и, кажется, не планирует останавливаться.
        Кроме производства светодиодов, Сгее была и остается мировым лидером в изготовлении карбида кремния и заметным игроком на рынке материалов и чинов для выпуска электронных компонентов. Компания развивает направление карбид-кремниевых (SiC) и нитрид-галлиевых (GaN) силовых и высокочастотных полупроводниковых компонентов — с 2015 года этим занимается подразделение Wolf speed Inc. До недавнего времени Сгее Inc. выпускала и готовые светодиодные лампы, и светильники (преимущественно для рынка США), но в прошлом году, фокусируясь на высокотехнологичных направлениях, избавилась от «обычного» производства. Впрочем, опыт остался, и компания им охотно делится.

Новое или ретрофит?

        По мнению специалистов Сгее, не всегда следует спешить с проектированием новых LED-светильников. Ведь даже в такой небедной стране, как США, до сих пор в употреблении есть немало светильников с устаревшими галогенными или люминесцентными лампами, а иногда даже и лампами накаливания. В других странах этого добра тоже хватает. По данным Минэнерго США, таких светильников в мире может быть до 20000000000! Выбросить их все на помойку и заменить современными — удовольствие дорогое и не всегда оправданное. Модернизация (ретрофит) существующих светильников иногда более выгодна экономически (общая стоимость владения, ТСО), чем варианты замены их на новые, впрочем, бывает лучше оставить все как есть.
Специалисты Сгее разработали простой алгоритм для модернизации существующих проектов на примере замены компактной флуоресцентной лампы (КФЛ) на светодиоды Сгее XLamp XR-E во встроенном в потолок светильнике направленного света. Впрочем, для других видов светильников алгоритм будет идентичен. Поэтому сначала следует определиться: или мы проектируем новый светильник, или модернизируем существующий.
В таблице 1 приведены основные этапы дальнейшего обобщенного процесса проектирования при светодиодной модернизации существующего светильника.

    Здесь все просто: новый или модернизированный, но светильник должен соответствовать или превышать минимальные требования к освещению, поэтому их определение предшествует определению целевых показателей. Ориентируемся на нормативные требования, СНиПы, стандарты и тому подобное. Если таковых нет или определенные характеристики не нормированы, то неплохо ориентироваться на характеристики существующего светильника. Также учитываем требования заказчика!
Характеристики светоотдачи и мощности всегда являются критическими, тогда как другие параметры могут быть или не быть важными, в зависимости от конкретного случая. Одни характеристики имеют количественное значение: цена, срок службы, температурный диапазон эксплуатации, цветовая температура, цветопередача. Другие могут иметь качественное выражение: пригодность к производству и монтажу, эстетический вид и тому подобное.
В таблице 2 приведены характеристики светильника, изображенного на рис. 1. В данном примере мы принимаем за минимальные требования характеристики существующего светильника.
Таблица 2. Пример характеристик встроенного светильника направленного света

       Определяем целевые показатели проектирования на основе описанных выше требований к освещению. Так же, как и при определении требований к освещению, критические целевые показатели будут связаны со светоотдачей и энергопотреблением. Впрочем, не стоит забывать и о других требованиях, которые могут быть не менее важными, скажем, температура внешней среды (значительно более актуальна для светодиодов, чем для ламп, из-за особенностей теплоотвода), стоимость материалов (ВоМ) и срок эксплуатации (табл. 3).
Таблица 3. Целевые показатели проектируемого светильника 

     Одним из важнейших этапов в процессе проектирования является определение количества светодиодов, необходимых для достижения целевых показателей. Остальные дизайнерские решения зависят от количества светодиодов, поскольку это непосредственно влияет на светоотдачу, энергопотребление и ВоМ.
       Просто разделить целевой показатель светового потока на типичный показатель из спецификации какого-то из светодиодов — слишком упрощенный подход. Ведь на световой поток светодиода влияют различные факторы, например, ток драйвера и температура (в точке р-н-перехода кристалла светодиода). Для более точного вычисления необходимого количества светодиодов сначала следует оценить КПД оптической, тепловой и электрической систем.

ПОТЕРИ В ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
Есть два основных источника потерь света в оптической системе:
1. Вторичная оптика. Типичная эффективность современных линз для светодиодных светильников находится в пределах 85-90%. Точные значения можно найти в каталогах производителей.
2. Потери света внутри светильника. Происходят из-за поглощения части излучения внутри светильника элементами корпуса. Зависят от размещения и материалов. Направленное (упорядоченное) излучение светодиодов по этому показателю значительно более выигрышное по сравнению с традиционными лампами (табл. 4).
Таблица 4. Сравнение коэффициентов использования светового потока КФЛ и светодиода

      В нашем случае сравнение кривых зависимости светового потока от угла излучения существующего светильника и выбранного для модернизации светодиода Cree XLamp XR-E (рис. 2) показывает, что во вторичной оптике нет необходимости, поскольку распределение интенсивности света почти одинаково. Итак, остаются только потери внутри светильника. Для нашего случая 40% света свободно пройдут через отверстие встроенного в потолок светильника, а 60% попадут на чашу рефлектора и лишь затем — в отверстие. При этом рефлектор поглощает 15% света. Поэтому оптический КПД составит: ККДопг = 40% + 60%×85% = 91%.

ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ СВЕТОВОГО ПОТОКА
Речь идет о потерях светового потока в зависимости от нагрева р-п-перехода кристалла светодиода. Типичный показатель приводится в спецификациях при температуре перехода Tj = +25 °С. При увеличении температуры перехода световой поток уменьшается (графики зависимости приводятся в спецификациях светодиодов). Имея среди целевых показателей срок эксплуатации 50 000 ч, мы по кривой зависимости продолжительности эксплуатации (деградации до 70%) от температуры или по отчетам по тестированию LM80 (Сгее публикует эти данные) определяем, что в нашем случае температура перехода не должна превышать +80 °С. А при такой температуре световой поток упадет до 85% от номинального, то есть тепловой КПД составит 85%.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
Электрические потери в драйвере снижают общую эффективность светильника, поэтому их следует учитывать в начале проектирования. У типичных светодиодных драйверов КПД колеблется между 80 и 90% при полной мощности и снижается при уменьшении нагрузки. Лучшие устройства имеют КПД выше 90%. Для нашего случая мы можем принять оценочное значение 87% — это типичное значение для драйвера внутреннего применения при заданном классе потребляемой мощности.

Определение необходимого количества светодиодов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕЛЕВОГО НОМИНАЛЬНОГО СВЕТОВОГО ПОТОКА
Учитывая полученные оценки КПД, уже можно рассчитать фактическое количество светодиодов, необходимых для достижения целевых показателей. Для получения целевых 810 лм светового потока на выходе светильника нам придется «выжать» из светодиодов несколько больший световой поток с учетом потерь в оптической системе и из-за нагрева кристалла. Поэтому целевой номинальный световой поток светодиодов будет равняться 810/ (91%×85%) = 1005 лм. Электрический КПД для данного расчета не важен: он определяет не световой поток, а суммарную мощность потребления модернизированного светильника.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАБОЧЕГО ТОКА
Рабочий ток играет важную роль в определении общей эффективности и срока службы светодиодного светильника. Повышение рабочего тока приведет к увеличению светового потока по каждому отдельному светодиоду, уменьшая количество необходимых компонентов. Однако одновременно это снижает светоотдачу, срок эксплуатации (кривые приводятся в спецификациях) и требует ограничения по наружной температуре (из-за необходимости более интенсивного теплоотвода).
В нашем примере (и это типичный подход) мы делаем ставку на большую продолжительность эксплуатации и увеличение светоотдачи, поэтому выбираем номинальный ток по спецификации — 350 мА.
КОЛИЧЕСТВО СВЕТОДИОДОВ
Кроме количества светодиодов, необходимого для получения целевого номинального светового потока, мы используем значение из спецификации для минимального светового потока (а не обычного) от каждого отдельного светодиода, который гарантируется производителем для конкретного бина. Для светодиодов XLamp XR-E при ССТ = 4000 К при токе 350 мА минимальный световой поток от одного светодиода бина Р2 равен 67,2 лм. Е1ужное количество светодиодов для проектируемого светильника составит: 1005/67,2 = 16 штук.

Определение вариантов проектирования и выбор оптимального

     Вся прелесть светодиодов состоит в гибкости, то есть при проектировании их использование в светильниках предоставляет инженерам широкие возможности. Даже в существующем светильнике замена относительно большой лампы на миниатюрные чипы дает разработчику простор для фантазии. Единственное, не следует забывать об ограничениях, которые накладываются действующими стандартами, в частности стандартами электромагнитной совместимости, безопасности и (в некоторых странах) минимального КПД оборудования.
     Также разработчику следует продумать несколько вариантов компоновки оптической, тепловой и электрической системы светильника. Рассмотрим опции, возможные в нашем примере.

Варианты компоновки оптической системы светильника:
1. Светодиоды без вторичной оптики и существующий рефлектор
Самый простой и самый дешевый вариант. Возможен, конечно, только когда кривая распределения яркости светодиода близка к распределению яркости существующей лампы (как в нашем примере) и корректировки геометрии исходного светового луча не нужно.
Из минусов этого варианта — теневой эффект, непременно возникает в случае использования нескольких светодиодов без смесителя их лучей (диффузора).
2. Светодиоды со вторичной оптикой и существующим рефлектором
Лучший вариант с точки зрения проектирования освещенности. Сегодня производители вторичной оптики предлагают рынку множество моделей линз и мультилинз, позволяющих направлять свет именно туда, куда это необходимо.
Из минусов варианта — некоторое увеличение ВоМ, осложнения монтажа и потери света в линзе. Также вторичная оптика не всегда решает или решает лишь частично проблему теневого эффекта.
3. Светодиоды без вторичной оптики, существующий рефлектор и диффузор
В таких светильниках, которые мы рассматриваем, распространено использование матового стекла в качестве диффузора для лучей массива светодиодов. Преимуществом использования диффузора является нивелирование теневого эффекта, что улучшает эстетические качества освещения.
Недостатки, конечно, есть и у этого варианта: оптические потери, большая стоимость, дополнительный монтаж.
Современные линзы предлагают комплексное решение исправления геометрии света и диффузии. В частности, финский производитель LEDiL имеет в ассортименте линзы с матовой и рифленой поверхностью, которые эффективно нивелируют теневой эффект.

Варианты компоновки тепловой системы светильника

1. Существующий корпус
Самый простой и самый дешевый вариант, который, к сожалению, почти всегда самый неудачный из-за плохого теплоотвода старых стальных корпусов. Среди особенностей использования мощных светодиодов — необходимость обеспечения кондуктивного отвода тепла, на которое старые корпуса просто не рассчитаны, ведь для ламп более актуальным является конвективный и радиационный теплоотвод.
2. Стандартный радиатор
Сейчас на рынке много стандартных решений с известными характеристиками, которые позволяют рассчитать параметры отвода тепловой мощности. Этот вариант является довольно простым и безопасным для большинства проектов.
3. Кастомизированный радиатор
Конечно, специально спроектированный
для данного проекта радиатор обеспечит лучшие показатели теплоотвода и температурного режима, а следовательно, и светового потока и продолжительность эксплуатации. Этот вариант предпочтителен для крупных проектов, когда стоимость разработки и производства радиаторов окупается за счет масштаба проекта. Также он применим в случаях, когда стоимость не столь критична, как решение проблемы сложных температурных режимов.
В нашем примере следует применить стандартный радиатор (с тепловым сопротивлением 0,47 °С/Вт). Расчет максимально допустимой температуры окружающей среды осуществляется методом тепловых сопротивлений:

T_j=Та + (R_(th ba)x P_total) + (P_thjsp×P_lED),

где T_j— температура р-n-перехода кристалла светодиода; Та — температура окружающей среды; R_(th ba)— тепловое сопротивление радиатора; P_lED— потребление отдельного светодиода ((рабочий ток) х (типовое прямое напряжение V_f-при рабочем токе)); Ptotal—общее потребление электроэнергии ((количество светодиодов) 〖×P〗_lED)'-> P_thjsp— тепловое сопротивление светодиода.
Для нашего примера:
TjMAX  =+80 °C
Rth ba = 0,47°С/Вт;
PLED = 0,35 Ах3,3 В = 1,155 Вт;
Рtotal = 16x1,155 Вт = 18,48 Вт;
Rth jsp = 8 °С/Вт;
Та МАХ =80°С -(0,47 °С/Вт× 18,48 Вт) - (8 °С/Вт×1,155 Вт) = 80°С - 8,6856°С - 9,24°С =62 °С.

        Такое значение приемлемо, в нашем примере по стандарту для вентилируемых потолков коммерческих зданий внешняя температура не превышает +55 °С, что ниже рассчитанной максимально допустимой.

Варианты компоновки электрической системы светильника

1. Стандартный LED-драйвер
В современных условиях наиболее очевидный вариант. Большой выбор стандартных светодиодных источников питания позволяет проектировщику не терять времени. Кроме того, большинство производителей стандартных драйверов заботятся о наличии необходимых сертификатов.
2. Кастомизированный LED-драйвер
При значительном по объему проекте производитель светильников может обратиться к изготовителю источников питания и заказать устройство, оптимизированное под параметры проекта. Увеличение эффективности — в активе, затраты времени и денег — в пассиве этого варианта.
3. Собственная разработка
До недавнего времени популярная опция, однако теряет смысл с развитием рынка и удешевлением стандартных устройств. Впрочем, для значительных по объемам проектов все еще имеет право на жизнь.

Завершение процесса проектирования

        Предварительно описанный алгоритм может иметь несколько итераций. После принятия решений, требующих выбора, начинается, собственно, сама разработка «железа». В таблице 5 указаны шаги по созданию и оценке прототипа светильника. Эти шаги идентичны для разработки модификации и для проектов новых светильников.
Таблица 5. Процесс проектирования светильника

      Продемонстрирован подход удивительно простой, действенный и доступный даже неспециалистам. Его можно использовать для различных типов светильников и систем освещения. Конечно, в нем учтено не все. Скажем, вопрос ограничения пусковых токов, с которыми сталкиваются при светодиодной модернизации совместимости DC/DC- преобразователей отдельных светильников с AC/DC-драйвером, питающим общую шину, требует отдельного рассмотрения.
         И еще: для сопоставимости цифр в расчетах использованы параметры несуществующего светодиода.
Еще несколько лет назад светодиод XLamp XR-E был звездой на рынке, но «несколько лег назад» является синонимом «давно». Современные дискретные светодиоды и светодиодные СОВ-матрицы имеют значительно более «интересные» показатели, чем приведенные в статье.
Ощутимо вырос уровень LED-драйверов и светодиодной оптики. Заметны изменения и в стоимости оборудования. Все это дает надежду, что в один прекрасный день количество светильников, требующих светодиодной модернизации, уменьшится до нуля.