Как обеспечить заявленный срок службы светодиодных ламп

В технических характеристиках светодиодных осветительных приборов производители, очевидно опасаясь потерять покупателя, обычно приводят одну и ту же продолжительность сроков их службы. Для светодиодных светильников устанавливают ее значение равным 50 тыс. ч, а для светодиодных ламп — 25–30 тыс. ч. Так можно ли доверять этим данным, если только три-четыре года тому назад практически те же многочисленные фирмы заявляли срок службы в 100 тыс. ч для светодиодных светильников, причем независимо от их мощности, и 50 тыс. ч — для светодиодных ламп (СДЛ)? В те же годы даже широко известные фирмы не решались приводить меньшие значения.

Еще в 2013 г. один из авторов данной публикации в своем выступлении на Международном симпозиуме «Энергоресурсосбережение и энергосбережение» в присутствии представителя фирмы Philips по России заметил, что даже Philips при всем своем желании вынуждена в технических паспортах светильников приводить срок службы, равный 100 тыс. ч, потому что в ином случае изделия компании формально будут существенно уступать продукции даже малоизвестных фирм, в том числе и выпускающих недоброкачественную продукцию, что, естественно, может отрицательно повлиять на бренд производителя. То же самое происходило и с заявленным сроком службы светодиодных ламп. Следует заметить, что еще пять лет тому назад только отдельные фирмы, например KAIPIS (Тайвань), стали приводить для выпускаемых ими светодиодных ламп и маломощных светильников значения срока службы, равные 16–20 тыс. ч.

Возникает вопрос: можно ли в принципе обеспечить заявленный единый срок службы светодиодных осветительных приборов, если используются драйверы, разработанные разными фирмами, а также собственного изготовления, чтобы поддерживать «рентабельность» производства. Кроме того, применяются радиаторы разных типов и корпуса, сделанные как из металла, так и из пластмассы, нет надлежащих научных проработок, а изготовители стремятся расширять номенклатуру изделий и проч.? Естественно, на данный вопрос можно дать только отрицательный ответ [1–5].

Следует отметить, что даже фирма Wolta, выпускающая относительно неплохие СДЛ для Европы, для 34 моделей мощностью 5–18 Вт приводит одно и то же значение срока службы — 30 тыс. ч. Однако встает вопрос: можно ли вообще задавать единый срок службы для всех типов выпускаемых изделий? А после него сразу же возникает еще один: так ли уж нужен продолжительный срок службы СДЛ в 30 тыс. ч? Ведь даже при 6-часовом режиме эксплуатации СДЛ в быту (в отличие от зарубежных нормативов в 2,7 ч) вполне можно ограничиться сроком службы СДЛ, составляющим пять–семь лет, что равняется 10–15 тыс. ч, на том основании, что за этот период многие изделия, предназначенные для современного быта, морально и физически устаревают. Так, по данным сотрудников торговых сетей г. Казани, выход из строя СДЛ новых поставок уже в первый период их эксплуатации, в зависимости от фирмы-изготовителя, достигает 2–3%.

Многие компании, наладившие производство и организовавшие определенную реализацию СДЛ, стремятся разными способами удешевить конструкцию, чтобы снизить цены моделей. Поскольку самые разные технологические тенденции производства светодиодных осветительных приборов появляются независимо от потребителя, то для того, чтобы обеспечить указанный разработчиками срок службы, придется самому потребителю изыскивать возможности для повышения срока службы СДЛ уже в условиях эксплуатации. Ниже рассмотрим несколько возможных приемов, предотвращающих уменьшение срока службы эксплуатируемых СДЛ.

• Повышение мощности светодиодных ламп.

Верхний предел потребляемой мощности СДЛ в последние два года перешел рубеж в 5–6 Вт, что было ранее непреодолимой проблемой для многих производителей. Лампы такой мощности малопригодны для светильников с одним или даже с несколькими рожками, ибо не способны обеспечить желаемый уровень освещенности не только в помещении площадью 18–20 м², но и в прихожей и ванной комнате .

В настоящее время на рынке уже представлены СДЛ разных фирм мощностью 5–11 Вт, цена которых уже ниже, чем компактных люминесцентных ламп. Это поможет ускорить внедрение более энерго­эффективных источников света. А вот СДЛ мощностью 12–13 Вт сейчас только начинают появляться в продаже.

В настоящее время в продаже можно даже найти эксклюзивные разработки с заявленной мощностью 17, 18 и 20 Вт производства компаний Gertz, Wolta и ASD-шар соответственно. Однако измерения показали, что у них в действительности потребляемая мощность оказалась существенно ниже — на 2, 4 и 6 Вт соответственно.

По нашим данным, у 85% из 32 обследованных СДЛ, выпущенных 14 различными фирмами, заявленная мощность до 12 Вт была завышена в среднем на 20–30%. У маломощных СДЛ (5–6 Вт) завышение заявленной мощности у отдельных моделей достигает даже 40–50%.

• Снижение удельной массы светодиодных ламп.

Наблюдается существенное уменьшение массы СДЛ, затрачиваемой на 1 Вт потребляемой энергии. За последний год абсолютная и, следовательно, удельная масса СДЛ (г/Вт) уменьшилась c 12–13 до 4,5 г/Вт, потому что корпуса СДЛ многие фирмы стали делать из пластмассы. Однако это не только уменьшает срок их службы, к тому же отмеченный увеличением количества отказов, но и создает определенную экологическую несовместимость.

• Составление термокарты светодиодных ламп.

На рис. 1 представлены области проведенных температурных измерений в случае размещения СДЛ цоколем вверх. Наибольшая температура корпуса обычно наблюдается вблизи светодиодного модуля 4, т. е. на границе «колпак-корпус», а также в середине корпуса 3. Вблизи цоколя 2 она меньше, а на цоколе 1 находится в диапазоне +40…+55 °С. Температура корпусов СДЛ, изготовленных из пластмассы, несколько выше, чем у сделанных из металла, и несколько иначе распределена.

Рис. 1. Участки измерения температуры корпуса лампы

Следует обратить внимание, что у СДЛ с пластмассовым корпусом, имеющих действительную мощность более 10-–12 Вт, происходит медленный термораспад пластмассы с выделением неприятного запаха, ощущаемого в радиусе 1 м, особенно при их размещении в плафоне. Чтобы предотвратить или ослабить проявление этого негативного фактора, а также достичь заявленного предела потребляемой мощности, нужно предусмотреть разные способы применения СДЛ как в отдельности, так и совместно. Следует отметить, что, согласно данным из разных источников, снижение температуры корпуса и, следовательно, температуры p-n-перехода светодиодов СДЛ всего на 1 °С увеличивает срок службы СДЛ в среднем на 1500–2000 ч [6].

Способы снижения температуры корпуса СДЛ

Известно, что рабочий температурный режим СДЛ обеспечивается путем конвективного отвода от нее тепла. Поскольку даже небольшое снижение температуры корпуса способствует повышению реального срока службы, то стоит оценить роль даже незначительных, на первый взгляд, факторов, влияющих на этот процесс.

Потребитель практически не может своими рекомендациями оперативно воздействовать на усовершенствование конструкции СДЛ, потому что ее реальный разработчик нередко находится за рубежом и далеко не всегда известен. Следовательно, ему необходимо самостоятельно изыскивать способы обеспечения заявленного ресурса СДЛ.

Радиационная составляющая теплоотвода

В опытах по теплоотводу с использованием двух алюминиевых банок было установлено, что после заливки в них кипятка скорость снижения температуры черненой поверхности повышалась. В первой серии опытов сравнивали термокарты четырех офисных светильников фирмы «ТД Ферекс». У двух из них алюминиевый корпус радиатора был не обработан, а у пары других, по просьбе заказчика, поверхность подвергалась химической обработке — ее сделали черненой.

На отдельных участках корпуса этих светодиодных светильников температура достигала 40 °С. В результате тщательного и многократного сопоставления световых потоков, потребляемой мощности и температуры на разных участках поверхности светильников было установлено, что у светильников с черненой поверхностью температура на 0,8–1,0 °С ниже. Это предотвращает уменьшение их ресурса на 1,5–2 тыс. ч [7].

Рис. 2. Светодиодные лампы с черненой и нечерненой металлической поверхностью корпусов

Во второй серии опытов, с использованием СДЛ фирмы Gerz, после контрольных проверок их идентичности алюминиевый корпус одной из ламп был покрыт черной эмалью (рис. 2). Исследования показали, что СДЛ с черненой поверхностью имеют максимальную температуру корпуса на 3–4 °С меньше. Более существенное снижение температуры корпуса у СДЛ обусловлено более высокой температурой их корпуса. Такие результаты подтвердили наши данные, ранее полученные на 10-Вт лампах, собранных с использованием импортных комплектующих.

Применение модернизированного электрического патрона

Хотя цоколь многих ламп расположен сравнительно далеко от светодиодного модуля, он имеет довольно высокую температуру, зачастую в пределах +50…+55 °С. Поэтому было принято решение осуществить дополнительный отвод тепла СДЛ через ее цоколь [8]. Для такой цели толщина резьбовой части электрического патрона под цоколь Е27 была увеличена с 0,2 до 3,5 мм. Причем ее внешняя стенка, в отличие от исходной, была сделана плоской, что увеличило площадь контакта непосредственно с корпусом патрона (рис. 3).

Рис. 3. Модернизированный электрический патрон

При испытании 5,5-Вт СДЛ Kontex вне плафона максимальное значение температуры корпуса удалось снизить с +80 до +72…+73 °С. Это должно было помочь предотвратить снижение заявленного срока службы примерно на 10–12 тыс. ч.

Модернизация конструкции плафона

Если ограничение теплоотвода от лампы накаливания только способствует повышению светового потока, то ограничение тепло­отвода от СДЛ при размещении ее в плафоне вызывает существенное повышение температуры корпуса и, следовательно, уменьшение светового потока и ресурса ее эксплуатации. При размещении 10-Вт лампы Gertz в плафоне температура корпуса возрастает на 10–12 °С. В соответствии с температурным коэффициентом срока службы, это должно cократить ее ресурс на 15–17 тыс. ч. Чтобы предотвратить преждевременное старение СДЛ, предложено в верхней части плафона, то есть у его основания, делать несколько вентиляционных отверстий [9]. При сверлении в стеклянном корпусе плафона всего лишь четырех отверстий диаметром 6 мм температура корпуса СДЛ Gertz мощностью 10 Вт снизилась с +88 до +82 °С (рис. 4). Поскольку СДЛ обычно светят в нижнюю полусферу, то световые блики на потолке из-за наличия отверстий в плафоне не проявляются.

Рис. 4. Плафон с отверстиями в верхней части и светодиодной лампой

Одновременное применение усовершенствованного электрического патрона и плафона с отверстиями в его верхней части способствует дополнительному уменьшению температуры корпуса на 2–3 °С. Данные результаты получены при использовании 10-Вт СДЛ фирмы Gertz и плафона с четырьмя отверстиями в верхней его части. С отдельными моделями СДЛ, в которых наибольшая температура отмечается на ее цоколе, эффект применения модернизированного патрона будет еще выше.

Несомненно, применение для изготовления резьбовой части патрона металлов с высокой теплопроводностью и выполнение оптимального количества отверстий в плафоне будет предотвращать снижение срока службы светодиодных ламп.

Косвенный индикатор температурного режима СДЛ и экспресс-оценка их качества

Поскольку в готовой СДЛ невозможно оценить температуру в области p-n-перехода светодиодов, о ее величине можно косвенно судить по уровню спада освещенности по истечении 1 ч после включения лампы. Чем больше спад светового потока, тем выше температура p-n-перехода светодиодов и тем меньше ресурс исследуемой СДЛ. В отличие от офисных и промышленных светодиодных светильников, у СДЛ спад светового потока колеблется в широком диапазоне (6–23%) при средней величине, равной (13 ±5,6)%. Эти результаты получены для СДЛ в положении цоколем вверх при размещении их вне плафона.