Светодиодный свет. Подробности от CITILUX

За последние годы светодиодный свет из экзотики превратился в доступный и популярный вариант освещения, но очевидно, что многие аспекты, влияющие на выбор и комфорт дальнейшего использования осветительного оборудования большинству покупателей малоизвестны. Многие предполагают, что светодиодный свет автоматически подразумевает отличную экономичность, ресурс и комфорт, при том что это далеко не всегда так. Светодиод - это полупроводниковый прибор, и его внешний вид, как например и внешний вид компьютера, очень мало скажет о его характеристиках. В этой статье автор ставит цель доступно и кратко объяснить основные моменты, которые нужно учитывать, приобретая светильники светодиодные для внутреннего освещения жилых пространств.

Отталкиваться нужно от человека, это самая неизменная часть вопроса, и наши глаза – те же самые что во времена восковых свечей дома и газовых рожков на улицах. Далее рассмотрим, как задачи освещения решаются светодиодными светильниками, и какие проблемы с ними могут возникнуть. Также статья поможет понять, почему почти одинаковые на вид светильники могут иметь очень разную цену, и что является причиной - кроме жадности продавцов, конечно.

Для начала перечислим основные величины, характеризующие искусственное освещение:

• ●  Световой поток – количество света, излученное светильником, измеряется в люменах сокращенно лм;
• ●  Освещенность – количество света, попадающее на единицу поверхности, измеряется в люксах (люменах/кв.м), сокращенно лк;
• ●  Светимость – количества света, излученное с единицы поверхности измеряется в люменах/кв.м;
• ●  Цветовая температура (ЦТ)- характеристика, определяющая цветовую тональность ламп, измеряется в градусах Кельвина (К);
• ●  Индекс цветопередачи – применяют методики Ra или CRI, изменяется в диапазоне от 0 до 100, характеризует верность передачи цветов.

Что комфортно для человеческих глаз

Наши глаза подстраиваются изменением диаметра зрачка под изменение освещенности в очень широком диапазоне. Вот таблица с основными цифрами, выделенные жирным шрифтом минимальные значения взяты из рекомендаций стандартов проектирования:

Запомним главные цифры: для общего освещения жилых комнат нужно порядка 200 люкс, и для местного рабочего – например для рабочего стола – 500 люкс.

Также важна цветовая температура (ЦТ), которая для разных ситуаций нужна разная. Диапазон такой: яркий солнечный свет имеет ЦТ порядка 6000К, а скажем восковая свеча, освещающая в полумраке стол с романтическим ужином, порядка 2000К, и свет обоих источников воспринимается как уместный и комфортный. Почему? Потому что комфортность ЦТ связана с уровнем освещенности, и чем выше освещенность, тем выше и комфортная ЦТ. При малых освещенностях высокая ЦТ воспринимается как неприятно холодная, пример этому – большинство светильников ЖКХ в подъездах; ниже мы поймем, что их такими делают из экономии. Наоборот, глядя на солнечном свете на лампу накаливания можно удивиться насколько желтый у нее свет, притом, что вечером он кажется вполне белым. Физиологи считают, что для максимально высокой работоспособности оптимальна ЦТ порядка 4000К, поэтому для освещения офисов в целом и рабочих столов дома разумно применить именно эту ЦТ, а вот для общего домашнего освещения в темное время суток оптимальна ЦТ 2800-3200К.

Следующий важный момент – светимость, связанная с величиной поверхности, которая излучает свет. Если подразумевается прямой свет от светильника – то чем больше эта поверхность, тем и лучше; умеренная светимость светоизлучающей поверхности и приятнее, и полезнее для глаз. Проще всего доказать «от обратного»: можно повесить дома на потолок светодиодный прожектор на 50Вт, и с величиной освещенности формально все будет в порядке, а вот глазам это будет – как смотреть на электросварку, поскольку весь световой поток будет излучен с поверхности размером с рублевую монету. Но даже если свет исходит не из одного, а из множества распределенных на большой площади мелких светодиодов, смотреть на них напрямую все равно не стоит – слишком высокая яркость поверхности у каждого. Поэтому в состав светильника для дома входят рассеиватели, которые переизлучают свет равномерно с большей поверхности, но съедают 20-40% светового потока (зато чем больше съедают – тем равномернее и приятнее получается свет). Другим вариантом решения проблемы является отраженный свет, например, закарнизная светодиодная лента, свет которой отражается от всего потолка. Это самый щадящий для глаз вариант, но и мощность потребуется больше чем в случае прямого света.

Индекс цветопередачи Ra или CRI определяет, насколько естественно выглядят разные цвета, при этом свет солнца и галогеновых ламп накаливания в этом отношении имеет эталонное качество 100, у самых хороших светодиодов на сегодня – заметно выше 90, а практически достаточной для жилья считается величина не менее 80. Объяснить важность этого параметра можно на примере света уличных натриевых ламп, думается всем знаком их желтоватый свет. Эффективность этих ламп на уровне хороших светодиодов, выше 100 Лм/Вт, но весь их свет излучен в очень узком спектре, поэтому цвета различить практически невозможно, если объект не подсвечивается чем-то еще кроме натриевой лампы. Заметная часть сегодняшних поставщиков светодиодных изделий лукавит, указывая цифры цветопередачи гораздо выше реальных. Опознать плохую цветопередачу светодиодов легче всего на примере оттенков розового и оранжевого, если, например, кожа на руке в свете проверяемого светильника выглядит зеленоватой или в целом «не такой» – его цветопередача плохая.

Напоследок добавим, что стоит учитывать еще и скорость реакции зрачка на увеличение освещенности. Если в темном помещении включить яркий свет на полную мощность, это будет ударом по глазам, особенно для пожилых или нездоровых людей, у которых скорость реакции зрачков снижена. Поэтому для светильников большой яркости желательно иметь плавное включение, с выходом на полную мощность не менее чем за секунду.

В качестве примерной рекомендации, можно предложить подбирать для общего освещения потолочные светильники исходя из как минимум 200 люмен на квадратный метр площади помещения (если потолок белый и стены светлые). При темных стенах, мебели, поле для комфорта может потребоваться и более яркий светильник.

Как устроен светодиод и что в нем важно

В широком употреблении светодиоды появились в 1970-х годах, поначалу для индикации в электронном оборудовании. Первыми сделали одноцветные красные диоды, затем зеленые, и убедившись в их отличной надежности и большом сроке службы ученые начали попытки сделать светодиоды белого света для общего освещения. Принципиальное решение задачи в 1990-е годы нашли несколько специалистов из Японии (Сюдзи Накамура, Исаму Акасаки и Хироси Амано), которые за это достижение были награждены Нобелевской премией по физике 2014 года. Совершенствование их идеи позволило представить в 2000-х годах массовые осветительные приборы, но реально хорошие характеристики и доступность цен белых светодиодов пришли только в 2010-х годах (и их совершенствование интенсивно продолжается).

Готовый светодиод является конструкцией, собранной автоматами из многих компонентов за множество операций, и выглядит примерно так:

Фото: светодиоды популярных в светотехнике размеров, например, 3528 означает размеры корпуса 3,5 на 2,8 мм

Основополагающая часть светодиода – полупроводниковый чип размером с маковое зернышко, но именно этот чип составляет большую часть стоимости светодиода, и определяет большую часть световой эффективности.

Фото: около 5000 чипов расположены в виде квадрата в центре шелкового сита, для масштаба рядом шариковая ручка

Этот чип (иногда его называют кристаллом) получается механическим или лазерным разрезанием специальной пластины, на которую в очень сложных эпитаксиальных установках из газовой среды последовательно осадили ряд сверхчистых химических соединений, и умеют их делать на высоком уровне всего десяток компаний в мире. Некоторые из этих компаний только делают и продают чипы, другие сами собирают (профессионалы говорят «корпусируют») их в готовые светодиоды. На уровне корпусирования количество компаний в мире исчисляется уже многими тысячами, и разброс качества и характеристик готовых светодиодов очень велик.

Следующая операция – размещение чипа на подложке, которая будет отводить тепло, и через которую светодиод припаивается на плату. Также на подложке установлен корпус, как правило -  из специального пластика.

   Фото: чип (обведен красным) установлен на подложку с корпусом светодиода 3528 (3,5 на 2,8мм), к чипу припаяны проводки

Любители сэкономить могут применить плохую подложку, которая даст в итоге недостаточный теплоотвод, и перегретый чип в скором времени деградирует (значительно уменьшит свою яркость). Потом отдельной операцией к чипу припаивают проводки, и наконец заливают корпус светодиода люминофором, который определит ЦТ светодиода, и основную часть качества его цветопередачи.

Фото: люминофор из шприцов заливается в корпуса

Свет от самого чипа – сине-голубой на грани ультрафиолета, а тот свет что мы видим – уже переизлучен в необходимом диапазоне люминофором на основе соединений фосфора. Светло-желтый люминофор даст холодные ЦТ, а оранжевый – теплые.

В итоге готовый светодиод будет припаян на печатную плату, которая установлена в светильник, и через которую тепло должно быть эффективно отведено от светодиода и рассеяно.

Фото: светодиоды смонтированы на плату из алюминия

Тот момент, что эффективность светодиодных источников выше прочих, отнюдь не значит, что светодиоды не нагреваются при работе – еще как нагреваются, особенно мощные. При этом максимальная температура, которая позволит чипу долго жить и сохранять практически исходную яркость, не превышает 80 градусов. Если, касаясь корпуса небольшого и яркого светодиодного светильника чувствуется что он теплый – можно считать что конструкция правильно справляется с работой, и тепло отводится от светодиода, сохраняя его от перегрева и обеспечивая ему хороший ресурс.

Крайне неудобным свойством светодиодных технологий является то обстоятельство, что и за более комфортный для дома вариант цветовой температуры, и за высокий индекс цветопередачи приходится платить значительным снижением световой отдачи светодиодов. При одном и том же чипе (кристалле), снижение ЦТ с 5500К, до комфортных дома 3000К, снизит отдачу в люменах на ватт на порядка 10%, а улучшение индекса цветопередачи с 70 до 80 еще снизит отдачу на порядка 10%. Поэтому те светильники, где борются только за цену и голую величину светового потока – например варианты для ЖКХ – будут с холодными цветовыми температурами и плохой цветопередачей. Поэтому же, чтобы достичь одновременно и комфортного света, и хорошей яркости, для домашнего светодиодного светильника приходится применять много более дорогие и совершенные компоненты, чем в светильниках для улицы или промышленных цехов, либо просто применять их большее количество (что опять же стоит денег) и затрачивать большую мощность.

Что еще важно? Драйвер!

Светодиод требует строго определенную величину тока, пропускает его только в одном направлении, поэтому для питания от бытовых сетей переменного тока 220V в конструкции светильника предусмотрен источник питания постоянного тока, устоявшееся название – драйвер:

  Фото: примеры светодиодных драйверов с корпусами разной формы

Его характеристики важны для качества света, но кроме того они критически важны для ресурса светильника и нормальной работы электрической сети здания. Из самых основных упомянем надежность (ресурс), КПД, коэффициент мощности, пиковый пусковой ток и коэффициент пульсаций.

КПД как правило находится в диапазоне 80-90%, и у хороших производителей как правило превышает 85%.

Коэффициент мощности (обозначается как Pf или  cos φ либо λ) показывает соотношение между активной и полной мощностью. Активная мощность соответствует энергопотреблению, но нагрузка на электрическую сеть по току определяется полной мощностью, которая может быть много выше. Это обусловлено наличием в схеме драйвера ёмкостных и индуктивных элементов, которые при переменном токе заряжаются и потом разряжаются обратно в сеть, обеспечив прохождение в сети много больших токов, чем нужно по электропотреблению. При плохом к-те мощности электропотребителей будут срабатывать от перегрузки сетевые автоматы тока (пробки), при том что по номинально потребляемой мощности запас еще велик. У хороших производителей драйверов Pf как правило превышает 0,9 – а в продаже присутствует множество изделий с Pf ниже 0,5. Советую обращать особое внимание на этот параметр при одновременном применении множества однотипных драйверов, или при наличии ограничений от сети по величине тока.

Пиковый пусковой ток может в десятки раз превосходить номинальный, что случается если производители не ограничили этот параметр по причине удешевления схемы. Проявляется этот ток при первичной зарядке разряженных конденсаторов драйвера, и может привести к повреждению чувствительной сетевой аппаратуры, например, электронных реле системы «умный дом» и т.п. Сетевые автоматы в электрощитке на заброс пусковых токов среагировать обычно не успевают, их быстродействия не хватает. Что плохо, этот параметр производителями практически никогда не указывается. Рекомендовать можно только заранее оговорить возможность возврата изделия, если окажется, что с этим связаны проблемы. Если не заниматься замерами, опознать проблему можно по непривычно громкому щелчку электрической искры в выключателе в момент включения светильника (или светодиодной лампочки).

Коэффициент пульсаций показывает стабильность величины подаваемого драйвером тока, и соответственно светового потока. Частота пульсаций светового потока 50 Гц превышает критическую частоту зрительного слияния световых мельканий, поэтому колебания света зрительно не воспринимаются, однако их отрицательное воздействие на организм человека установлено в многочисленных исследованиях. Экспериментами установлено, что при частоте колебаний света 50-100 Гц отрицательное воздействие на организм человека достаточно мало только при глубине пульсации не более 5-6 %. При питании источников света током частотой 300 Гц и выше глубина пульсации не имеет значения, так как на эту частоту мозг не реагирует. Наличие существенных пульсаций легко проверить, направив на светильник камеру смартфона, если по экрану начнут мелькать полосы – пульсации есть, и они существенны. Наши нормы (СНиП 23-05-2010 и СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03) предписывают пульсации не более 10%-20% для производственных  и общественных помещений различного назначения, и вообще не ограничивают пульсации для освещения жилых пространств, но ради комфорта глаз (особенно в помещениях для детей) я не рекомендую применять светильники с пульсацией больше 5%, как раз такие и становятся заметны на просмотре через камеры смартфонов. У хороших производителей пульсации составляют менее 1%.

Ресурс драйвера зависит от качества примененных компонентов его схемы, в особенности – конденсаторов. Если некачественный светодиод сгорит в первые же недели использования, а качественный будут жить многие десятки тысяч часов, то с низкокачественным драйвером все наоборот – сначала он будет работать нормально, а выйдет из строя через год-два, когда откажет дешевый конденсатор с малым ресурсом. По этой причине драйвер с гарантией на 3 года стоит существенно дороже драйвера с гарантией на 2 года. Рекомендация простая: обращать внимание на срок гарантии, или довериться выбору и имени производителя светильника.

Как измерить все характеристики

Для измерения точных характеристик необходим достаточно громоздкий измерительный комплекс - гониофотометр, включающий оборудование для фотометрии и спектрометрии. Поскольку такой комплект оборудования стоит минимум несколько десятков тысяч долларов, им располагают только крупные производители светодиодных светильников либо специализированные лаборатории.

Резюме

Если на уличном светодиодном прожекторе указано что-то вроде «Мощность 20Вт, световой поток 2200 люмен», и одновременно на светодиодном светильнике для дома «Мощность 36Вт, световой поток 2200 люмен» - это не значит, что домашний светильник хуже, нужно оценивать этот вопрос вместе с наличием рассеивателя, цветовой температурой, цветопередачей, ресурсом, и многими другими характеристиками. Кроме того - многие, если не большинство мелких и средних производителей указывают существенно приукрашенные параметры, прекрасно понимая, что проверить их конечному пользователю крайне непросто. Как выбрать светодиодные лампы для дома? Вывод - нужно разбираться в теме самостоятельно, или довериться ответственным производителям. И в любом случае – нужно доверять своим глазам и заботиться об их комфорте.