Создание высоконадежного бюджетного светильника: от теории к практике

Светодиоды (СИД) с каждым годом обеспечивают все большую эффективность при существенном снижении цены за люмен. Это происходит настолько быстро, что другие части обычного светодиодного осветительного прибора — корпус, разъемы, печатная плата, оптика и, прежде всего, источник питания — теперь дают наибольший вклад в общую стоимость системы. Вдобавок к уменьшению стоимости за люмен наблюдается полный переход (и в промышленном, и в уличном освещении) от популярных и дорогих светодиодов повышенных и сверхвысоких мощностей в керамическом корпусе 3535 на более дешевые, в пластмассовом корпусе 2835, 5630 и 3030, и в первую очередь — в решениях с потребляемой мощностью до 150 Вт, где размер светящей области позволяет их применять.

Светодиоды малой и средней мощности в корпусах 2835–3030

Корейские производители светодиодов в корпусе 5630, завоевавшие несколько лет назад рынок светильников внутреннего освещения, уступили место производителям из Китая, предложившим приборы в корпусе 2835 (таким как Edison Opto), сохранив свои позиции только в тех решениях, где по каким-либо конструктивным особенностям невозможно заменить светодиоды, а также в решениях с самыми высокоэффективными требованиями, так как большой корпус позволяет установить кристалл большего размера. В уличных же светильниках, где есть требования к светораспределению, из-за своего большого размера СИД в корпусе 5630 не применяется. Для светильников уличного освещения можно рекомендовать светодиоды в корпусах 2835–3030 (lead frames), которые выполнены по технологии Epoxy Molding Compound (EMC), например СИД от Edison Opto: EMC 3030 White 3 В/350 мА/2 Вт или EMC 3030 HE 1,5 Вт/6 В (рис. 1). Для промышленного освещения и надежных светильников внутреннего освещения годятся и менее дорогие корпуса PCT (polycyclohexylene-dimethylene terephthalates), например СИД от Edison Opto PCT 3030 1,5 Вт/6 В. Дешевые светодиоды, с низким уровнем значений параметров как по мощности, так и по сроку жизни/спаду светового потока, изготавливаются по технологии PPA (polyphthalamide). Они предназначены для светильников внутреннего освещения эконом-класса, но так как по внешнему виду СИД определить технологию его изготовления крайне затруднительно, а производители светильников гонятся за стоимостью, то нередко можно встретить такие СИД даже в уличных светильниках.

Рис. 1. Результаты тестов светодиодов в корпусах, выполненных по технологии EMC, PCT и PPA, при +85 °C

Вторичная оптика LEDiL для СИД 2835–3030

Производитель вторичной оптики LEDiL вовремя обратил внимание на тенденцию перехода на 2835–3030 и предложил рынку линзы для различных решений под СИД в этих корпусах.

Линейная оптика различной конструкции семейств FLORENCE-1R (рис. 2), FLORENCE-1R-GC (рис. 3), FLORENCE-3R (рис. 4), а также LINNEA (рис. 5) для магистральных светильников внутреннего освещения магазинов со всеми типовыми КСС, к которым уже привыкли проектировщики, имеет невысокую стоимость на одну светоточку.

Рис. 2. Оптика семейства FLORENCE-1R

Рис. 3. Оптика семейства FLORENCE-1R-GC

Рис. 4. Оптика семейства FLORENCE-3R

Рис. 5. Линзы серии LINNEA

Для светильников промышленного освещения под СИД в корпусах 2835–3030 выпущены линзы семейства FLORENCE-3R-IP (рис. 6) с силиконовым уплотнителем по периметру самой оптики как альтернатива популярным линзам семейства HB-IP-2×6, предназначенным для работы с мощными СИД 3535. Также эти линзы очень популярны у производителей светильников (облучателей) для тепличного освещения.

Рис. 6. Линзы семейства FLORENCE-3R-IP

Для светильников уличного и промышленного освещения, а также прожекторов, LEDiL под СИД 2835–3030 предложила новый модельный ряд STRADELLA с восемью (рис. 7, 8) и девятью линзами (рис. 9), а также новейшую линейку оптики STRADELLA-16 (рис. 10) в размере 50×50 мм. Эти линзы являются альтернативой популярной групповой оптике серии STRADA-2×2 с четырьмя линзами под СИД 3535–5050 размера 50×50 мм, применяемой многими производителями благодаря множеству различных КСС для построения светильника с минимальным световым загрязнением практически под любую светотехническую задачу. Основные преимущества таких групповых линз — уменьшение стоимости одной светоточки при увеличении ее эффективности, уменьшение габаритов светильника, красивый внешний вид изделия, которое, как мы знаем, продается «на столе», а уж только потом устанавливается на кронштейн опоры или на подвес.

Рис. 7. Внешний вид линз серии STRADELLA-8

Рис. 8. Внешний вид линз серии STRADELLA-8

Рис. 9. Внешний вид линз серии STRADELLA-9

Рис. 10. Оптика STRADELLA-16

Ожидается, что в ближайшее время (скорее всего, к выставке «Интерлайт 2017») LEDiL представит новые линзы для уличного освещения под светодиоды 2835–3030 с силиконовым уплотнителем для обеспечения высокой степени защиты (IP) светодиодного модуля.

Источники питания

Источник питания (ИП, светодиодный драйвер, вторичный источник питания) для светодиодных светильников, работающих в сетях переменного тока 220/230 В 50 Гц, предназначен для преобразования сетевого напряжения в постоянное (если в светильнике применяется дополнительный преобразователь напряжение/ток) или, чаще всего, в постоянный ток, так как нагрузкой для них являются СИД (нелинейные приборы). Рассмотрим основные параметры ИП, на которые опираются производители вне зависимости от типа светильника и его применения:

1. Помехоустойчивость — качество функционирования ИП под воздействием внешних помех, возникающих в сети, на проводах управления и в радиоэфире от стороннего оборудования.
2. Соответствие уровню ЭМИ (электромагнитное излучение), означающее, что мощность излучаемых помех по проводам и в радиоэфир от ИП не должна превышать значений, указанных в соответствующих регламентных документах, чтобы не препятствовать исправной работе стороннего оборудования.
3. Провал и прерывание входного напряжения — функционирование ИП при кратковременном уменьшении входного напряжения вплоть до полного отсутствия.
4. Рабочая температура — диапазон температур, при котором ИП гарантированно функционирует. Для светильников внутреннего освещения он должен быть не хуже, чем 0…+40 °C, а для уличных светильников — –40…+40 °C (при этом для климатической зоны УХЛ1, которой соответствует большая территория России, этот диапазон составляет –60…+40 °C).
5. Входное напряжение — диапазон входного напряжения, при котором ИП гарантированно функционирует. Должен быть не меньше, чем 198–253 В.
6. Частота электропитания — диапазон частоты входного напряжения, при котором ИП гарантированно функционирует. Должен быть не меньше, чем 47–63 Гц.
7. Электробезопасность. Поскольку от конструкции и схемотехники ИП зависит конструкция светильника в целом, которая должна обеспечивать электробезопасность обслуживающего светильник персонала.
8. Управление (диммирование) — изменение выходного тока ИП, при котором происходит изменение светового потока светодиодов по внешнему сигналу управления. Управление светом мы наблюдаем во всех сферах жизни — от праздничной городской иллюминации и архитектурного освещения до динамического освещения с поддержкой циркадных ритмов в современных офисах и дома. СИД как полупроводниковый прибор наилучшим образом подходит для решения таких задач управления светом, имея преимущество над разрядными источниками света.
9. Пульсация тока — периодический процесс изменения тока в цепи нагрузки. Пульсация тока в цепи питания СИД вызывает пульсацию их светового потока, что отрицательно влияет на самочувствие, здоровье и приводит к дискомфорту. Поэтому этот параметр регламентируется СанПиН в привязке к типу объекта, на котором установлен светильник. Пульсация часто наблюдается при диммировании и, помимо дискомфорта, может привести, например, к невозможности проведения телевизионной трансляции (4K UHD TV) спортивного мероприятия, так как на объекте после нацеливания подбирается световой поток от светильника его диммированием, и особенно это заметно при замедленной съемке (flicker slow motion). Также в случае высокой пульсации возможно превышение максимально допустимого тока через СИД. Это, например, часто встречается в уличных светильниках при включении их при пониженных температурах (так называемый «холодный старт»). В таком случае номинальный рабочий ток через СИД необходимо устанавливать существенно ниже максимально допустимого, если не применяются ИП с плавным стартом.
10. КПД (коэффициент полезного действия), который показывает отношение полезной преобразованной мощности к потребляемой мощности всей цепи ИП + СИД. Он может служить показателем потенциального нагрева ИП и, соответственно, влиять на диапазон рабочих температур светильника, а также срок его службы. В современных импульсных ИП КПД достигает 92–93%.
11. КМ — коэффициент мощности. Чем выше это значение, тем меньше потерь на реактивную составляющую и, соответственно, меньше тепловых потерь в проводах. В современных импульсных ИП КМ достигает значений 0,98–0,99.
12. Защита от перегрева — встроенная защита в ИП, позволяющая, в случае достижения определенных значений температуры, выключить ИП или существенно понизить выходной ток с последующим выходом на нормальный режим работы после устранения причины, вызвавшей перегрев.
13. Гарантия — временной интервал, при котором покупатель ИП, если он соблюдал все правила эксплуатации, может вернуть ИП поставщику в случае его выхода из строя. Гарантия на ИП обычно не менее одного года, а на ИП от известных мировых производителей составляет три и даже пять лет. Гарантия на ИП зачастую определяет гарантию на светильник в целом.

Импульсные источники питания

Наиболее распространенный СИД, предназначенный для общего освещения, представляет собой низковольтное устройство, обычно имеющее прямое падение напряжения около 3 В при заявленном номинальном токе. Самый распространенный на сегодня ИП — импульсный (ИИП), который имеет небольшую массу и высокие электрические характеристики. ИИП преобразует энергию за счет заряда/разряда индуктивностей и емкостей с очень высокой частотой (современные ИИП имеют частоту переключения более 100 кГц), сохраняя таким образом мощность на пике перепада напряжения переменного тока и обеспечивая тем самым высокий КПД, а не рассеивая ее, как делает простой линейный регулятор.

Для ИИП требуется множество пассивных компонентов, таких как катушки индуктивности, трансформаторы и конденсаторы с достаточно большими габаритами. Более того, электролитические конденсаторы, используемые в ИИП, имеют гораздо меньший срок службы и ряд серьезных температурных и физических зависимостей и ограничений по сравнению с другими компонентами схемы. На сегодня срок службы наилучших конденсаторов (Vishay, KEMET и т. п.) составляет более 100 000 ч при +40 °C, что позволяет обеспечивать более пяти лет гарантии на ИИП, как это предлагают Mean Well, MOONS’ и т. п. В ИИП необходимо устанавливать фильтры ЭМИ для снижения уровня электромагнитных помех, которые могут вывести из строя оборудование, находящееся в непосредственной близости или питающееся от той же сети, что и данный ИИП.

Использование ИИП, смонтированного на той же печатной плате (ПП), что и СИД, встречается крайне редко (для мощностей менее 10 Вт в светильниках для ЖКХ и т. п.). Связано это с рядом причин. Во-первых, для отвода тепла от СИД на корпус светильника требуется ПП с металлическим основанием (зачастую это алюминиевое основание), а для трассировки ПП с соблюдением всех требований (включая отсутствие недорогих пассивных безвыводных компонентов (SMD) для поверхностного монтажа) одного слоя недостаточно. Во-вторых, компоненты ИИП имеют габариты, существенно превышающие габариты СИД, тем самым оказывается влияние на КСС светильника, а также на его внешнюю эстетику.

На примере приборов компании MOONS’ рассмотрим основные характеристики этих ИИП, которые еще долго будут применяться в различных светильниках (подробности можно найти на сайте производителя [1]).

ИИП для светильников, применяемых в утилитарном наружном освещении улиц и парков

Еще не так давно в целях экономии некоторые производители покупали недорогие ИИП в пластмассовых корпусах, иногда даже со степенью защиты оболочки IP20, и устанавливали их внутрь герметичных отсеков светильников, не обеспечивая достаточного теплоотвода от ИП и даже существенно ухудшая его. Не всем производителям были известны требования эксплуатационных служб о периодической необходимости работы светильника летом днем, для визуального контроля их исправности, поэтому они не проводили испытания при +40 °C, полагая, что такая окружающая температура для уличных светильников не актуальна, «ведь они работают только ночью, поэтому нам и +25 °C достаточно». Отсутствие защиты от перегрева внутри упомянутых ИИП приводило к полному их выходу из строя, а также к выходу из строя самих СИД. Во многом это было связано с ошибками конструирования и необходимостью получить максимальную выгоду при гарантии на светильник всего в один год. Электрические характеристики таких ИИП достаточно высоки, и проблемы с качеством редко возникают в первые месяцы эксплуатации. Некоторые производители, инвестировав большие средства в разработку и производство корпусов светильников (например, изготавливая корпуса методом литья алюминия под давлением), без проведения профессионального теплотехнического расчета, были вынуждены в итоге продолжать использовать данные светильники, а из-за больших объемов выхода оборудования из строя — устанавливать свои ИП, заливать их теплопроводящим компаундом и придумывать дополнительные ухищрения, чтобы как-то снизить количество брака. Но сегодня многие компании в своих изделиях переходят на ИИП в металлических корпусах с IP67. При этом рынок требует все более качественных изделий, и гарантийный срок на данную продукцию (если она отгружается эксплуатационной службе, а не строителям, которых и полугодовая гарантия устроит, лишь бы сдать объект) должен составлять не менее трех лет, иначе такой производитель не допускается до тендера. Примером таких ИИП мощностью 100–320 Вт являются современные ИИП компании MOONS’ серии ME (рис. 11) и MU. Основные их технические преимущества перед другими ИП:

• стойкость к помехам, в том числе и встроенная грозозащита 10 кВ;
• входное напряжение от 90 до 305 В;
• низкая пульсация
• низкий уровень ЭМИ;
• КПД >92%;
• КМ >0,98;
• встроенные защиты от холостого хода, от короткого замыкания и т. п., а также тепловая защита;
• управление по различным протоколам, в том числе и встроенные календари;
• европейские сертификаты, подтверждающие заявленные характеристики;
• гарантия 5 лет.

Рис. 11. ИИП ME150H150AQ_CP

Наличие внутри этих ИИП микропроцессора позволяет реализовать множество функций, которые ранее не были доступны. Плавный пуск ИП продлит срок службы силовым проводам питания и, возможно, даже спасет человеческие жизни, поскольку плавное включение светильников исключит ослепление водителя (машиниста электропоезда с ригельных систем освещения СОКр) или пешехода, переходящего дорогу в ночное или в сумеречное время (такое часто случается, если существует внешнее управление освещением или по какой-то аварийной причине осветительная установка была выключена).

ИИП для светильников, применяемых в промышленном освещении

Низкая пульсация тока ИИП серий ME и MU, описанных выше, обеспечивает низкую световую пульсацию и поэтому позволяет применять их в светильниках промышленного освещения помещений (складское, производственное и т. д.) с постоянным или периодическим присутствием людей. ИИП могут быть не только в типовых «прямоугольных корпусах», но также и в круглом исполнении (рис. 12) для крепления на рым-болт или трос, а также с IP00 (исполнение с защитой от конденсации влаги) для установки в герметичный отсек, как показано на рис. 13.

Рис. 12. ИИП MU260H720AQ2_CP

Рис. 13. ИИП UE250H105AQ_CP

ИИП для систем управления освещением (DMX, PLC, DALI, ZigBee, 0–10V/PWM)

СИД произвели настоящую революцию в освещении благодаря возможности диммирования. Помимо обычного функционального управления освещением на улице, в промцехах и т. п., эти полупроводниковые источники света, оказавшись в руках дизайнеров и архитекторов, позволили им по-новому взглянуть на создание объектов и пространств, вызвав даже появление новой крайне востребованной специальности — светодизайнер. В зависимости от решения применяются различные системы управления освещением (СУО):

• для уличного освещения — PLC (power line communication) и ZigBee;
• для промышленного освещения — 0–10V/PWM (ШИМ), 0–10V_DIMOFF, DALI и ZigBee;
• для архитектурного и ландшафтного освещения — DMX и DALI;
• для внутреннего освещения — 0–10V/PWM (ШИМ), 0–10V_DIMOFF, DMX и DALI.

PLC

В случае использования СУО PLC данные передаются по силовой линии, тем самым позволяя избежать прокладки дополнительной сигнальной линии. Основные проблемы:

• Существующие кабели питания и места их соединения приходится менять, чтобы сигнал управления от диспетчера дошел до светильника.
• Невозможность запитывания от линий освещения других потребителей, что часто требуется в городском освещении, так как помехи, создаваемые другими потребителями, делают невозможным управление светильниками, даже при использовании современных модемов PLC G3-PRIME.
• Сложность обеспечения обратной связи от светильников к диспетчеру. Это привело к тому, что многие компании отказались от такой возможности и в итоге передают информацию о светильниках диспетчеру, анализируя мощность потребления группы светильников, включая и выключая по нескольку раз ту или иную группу. Инициализация системы создает недопустимый фликкер-шум, что может привести к аварийной ситуации на автодороге. Кроме того, в результате такого управления из-за сбоев на линии питания и помех светильники могут работать совсем не так, как указано на мониторе диспетчера, и он узнает про аварийную ситуацию только после очередного включения или выключения линии.

ZigBee

Беспроводной протокол передачи данных ZigBee имеет очень важное преимущество перд другими аналогичными радиопротоколами — поддержка ячеистой (Mesh) топологии (самоорганизующаяся и самовосстанавливающаяся сеть с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений). Светильнику необязательно находиться в видимой зоне, чтобы осуществилась передача данных между ним и диспетчером, удаленным на десятки километров, поскольку данные или команда будут переданы по цепочке от светильника к светильнику, а в случае аварии система сама перестроит заново цепочку, чтобы обеспечить гарантированность передачи таких данных. Также оборудование поддерживает и распространенные топологии «точка–точка», «дерево» и «звезда».

Для построения СУО в производственных цехах и в городской среде эта система также имеет множество преимуществ перед остальными, например не требуется прокладка линии управления. Инсталляция системы очень проста: в светильник устанавливается ИИП MOONS’ серии STB, имеющий обратную связь по току и напряжению через СИД, к которому подключается антенна-контроллер ZigBee, а снаружи устанавливается щит управления освещением, в который монтируется шлюз-контроллер, управляющий одновременно до 250 светильниками и передающий/получающий данные от диспетчера по GSM/Ethernet.

Часто можно слышать разговоры о таком недостатке ZigBee, как возможность перехвата управления системой освещения. Но компания MOONS’ предлагает свою СУО, в которой обеспечивается надежное шифрование данных по алгоритму AES128, существует привязка к MAC-адресам конкретных ZigBee-контроллеров, установленных в светильник. В случае возникновения хакерских атак СУО перейдет в аварийный режим и включит светильники на 100%, оповестив об этом диспетчера. Для уличных светильников, которые массово устанавливаются в западных странах, MOONS’ предлагает ZigBee-контроллер в виде антенны с питанием 220 В под установку в разъем с интерфейсом NEMA, аналогично контроллерам таких именитых компаний, как Eaton, Dialight, Shreder, GE Lighting и т. п.

0–10V/PWM (ШИМ)

Этот проводной интерфейс применяется многими производителями светильников, которые не имеют желания или возможности заниматься управлением. В такой системе основное преимущество — это, конечно же, минимальная стоимость, но отсутствуют обратная связь, индивидуальное управление каждым светильником и возможность полного выключения светильника без внешнего реле. Почти все ИП MOONS’ имеют вход управления для таких сигналов. В программируемых ИП MOONS’ дополнительным удобством является возможность программного изменения шкалы 10 В, а также инверсия сигнала управления, чтобы сделать легкую интеграцию светильника в СУО, без промежуточных устройств от контроллера до светильника.

0–10V_DIMOFF

0–10V_DIMOFF — это усовершенствованный интерфейс 0–10V, позволяющий по сигналу 0 В полностью выключить светильник без внешнего реле. Такие источники более дόроги, чем с 0–10V, но применяются очень активно во всех типах освещения.

DALI

На сегодня DALI — самый популярный протокол для внутреннего освещения, так как позволяет интегрироваться в систему автоматизации крупных зданий (KNX), устанавливать датчики и множество различных выключателей, решая тем самым большинство задач по внутреннему освещению. Основные недостатки данной СУО — ее стоимость, длина проводов управления, низкая скорость передачи, не позволяющая использовать ее в световых шоу, необходимость шкафа управления освещением и сложная пусконаладка системы. В свете теории изменения цветовой температуры светильников в зависимости от циркадных ритмов человека потребовалось создать светильники с изменением цветовой температуры в диапазоне 1500–6500 K. Это привело к расширению стандартного протокола DALI DT8: на один адрес приходится управление сразу двумя цветами, что позволило сэкономить адресное пространство DALI и не увеличить стоимость СУО. Помимо поддержки DT8, контроллеры MOONS’ DALI позволяют программно установить выходной ток, который требуется, без потери выходной мощности, объединить два выхода в один для увеличения выходного тока. Кроме того, что очень ценится проектировщиками театров, музеев, кинозалов, имеет место отсутствие фликкера вплоть до 0,1% номинального выходного тока, что обеспечивает комфорт и возможность видеосъемки без мерцания. Предусмотрен выход 12 В для питания внешнего датчика, а наличие входа для подключения внешнего термистора позволяет защитить светодиодный модуль от перегрева в случае аварии или неправильного применения заказчиком светового оборудования.

DMX

DMX512 (DMX/RDM) — это, пожалуй, самый популярный протокол для сценического, архитектурного и ландшафтного освещения. Популярность связана с его преимуществами перед другими протоколами, созданными на базе надежной дифференциальной линии RS485, применяемой в автоматизации уже множество лет: высокая скорость передачи данных, длинная линия, открытый протокол, недорогое оборудование по сравнению с DALI, индивидуальное управление каждым светильником. Недостатком данного протокола долгое время являлось отсутствие обратной связи, но с появлением Master-контроллеров с поддержкой функции DMX/RDM появилась возможность раздавать адреса светильникам на объекте автоматически, без настройки каждого отдельного светильника. Во внутреннем освещении чаще можно встретить СУО, построенные на DMX, а датчики подключаются по линии 0–10V к Master-контроллеру, тем самым уменьшая стоимость такой системы на порядок. Компания MOONS’ предлагает множество различных контроллеров DMX под любые типы светильников и задач. Один из известнейших проектов, для которого MOONS’ поставляла свои решения, — освещение Ниагарского водопада светильниками Philips. DMX-контроллеры предлагаются для светильников с питанием 48 и 220 В, в варианте один, два и четыре канала для управления белым светом. Например, для линейных светильников, аналогичных GRIVEN Parade S-DW-40, предлагаются двухканальные DMX на 220 В с поддержкой протокола Dynamic White, при этом электрическая изоляция позволяет повысить надежность оборудования.

Рассмотренные ИИП компании MOONS’ имеют высокие электрические характеристики, повышенную надежность в ответственных приложениях, возможность применения в СУО.

В современных условиях конкуренция между успешными компаниями уже давно переросла борьбу, у кого светодиод или линза «дешевле на пять копеек». На светодиодный рынок вышли производители, предлагающие инновационные решения, позволяющие создавать качественные осветительные приборы с оптимальными затратами, в сжатые сроки, во взаимодействии с надежными партнерами, которые могут предложить, в том числе, весь спектр необходимого сервиса.