CC BY
42
УДК 519.2
И. К. Будникова, Е. В. Приймак, Г. В. Нам
МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ СВЕТОВОГО ПОТОКА СВЕТОДИОДОВ
Ключевые слова: световой поток, энергоэффективность, светодиоды, моделирование, прогнозирование.
В работе предложено программное обеспечение, которое позволяет автоматизировать процесс тестирования светодиодов на значение стабильности светового потока и энергоэффективности в зависимости от выработанного ресурса в разных режимах испытания. Полученные результаты необходимы для предварительной оценки гарантийного срока эксплуатации светодиодов.
Keywords: light output, energy efficiency, LEDs, modeling, forecasting.
In the work entitled software which allows you to automate the process of testing the LEDs on the value stability of the luminous flux and efficiency depending on the generated resource in different modes of testing. The results obtained are necessary for a preliminary assessment of the warranty period of LEDs.
В настоящий момент в рамках программы энергосбережения [1], в которой указывается на необходимость снижения до 40 % потребление энергии по сравнению с 2009г., большинство российских предприятий отдает предпочтение использованию светодиодных ламп и светильников, что, в свою очередь, открывает широкие перспективы для развития данного направления. Анализ и тестирование светодиодной продукции это залог ее качества. Для того чтобы светодиоды и светодиодные лампы стали недорогим продуктом, необходимо обеспечить высокий срок службы — только тогда будут оправданы первоначальные высокие инвестиции.
В дальнейшем экономия достигается за счет более высокого энергосбережения, низких затрат на обслуживание светодиодных светильников и высокого срока службы, что позволяет оправдать первоначальную высокую стоимость светильников.
Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор, излучающий свет при пропускании через него электрического тока.
Световой поток лампы - это одна из главных характеристик, определяющая количество света, которое дает та или иная лампа. Например, лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет световой поток в 1300 Лм, 12 ваттная люминесцентная (энергосберегающая) лампа - 630 Лм. Разные типы ламп имеют разный световой поток, определяющий эффективность преобразования электрической энергии в свет и, следовательно, разную экономическую эффективность применения.
Световой поток ламп не всегда одинаков на всем протяжении срока службы. Например, у люминесцентных (энергосберегающих) ламп после 4000 часов работы (8000 ч. срок службы) световой поток уменьшается на 30%. Световой поток лампы теряется при работе в составе светильника. Наименьшими потерями светового потока обладают только светодиодные лампы, в которых изначально излучение происходит в одном направлении, и для которых не требуются отражатели (рефлекторы). Световой поток в них уменьшается (< 5%) только при прохождении фокусирующих линз или защитных накладок для светодиодов. При световой отдаче > 120 Лм/Ватт, у светодиодных светильников (ламп) са-
мый большой КПД среди любых других искусственных источников света.
Световая отдача лампы (КПД) - это наиболее важный параметр лампы с точки зрения энергосбережения, и прогресс источников света - это в большой степени увеличение световой отдачи, ее приближение к теоретическим пределам.
Одним из аргументов в пользу светодиодной продукции является срок службы светодиодов. Обычно под сроком службы понимается время наработки устройством до отказа. Причем - не обязательно полной неработоспособности устройства: это может быть и снижение показателей устройства ниже заявленного уровня. При определении срока службы светодиодного устройства принимается следующий параметр: падение светового потока ниже определенного значения.
Испытания светодиода производятся в условиях, близких к экстремальным: сила тока, температура кристалла доводятся до максимальных допустимых расчетных значений. В течение относительно небольшого периода времени контролируются основные характеристики светодиода, точнее - их изменение во времени. Далее следует прогнозирование развития событий во времени на основе полученных результатов, проще говоря - экстраполяция. На сегодняшний день отсутствует единый стандарт испытания и сертификации светодиодов.
В отличие от традиционных источников света, светодиоды в конце своего длительного срока службы продолжают работать, но их световой поток падает. Это явление называется деградацией. Скорость, с которой уменьшается яркость светодиодов, зависит от температуры, относительной влажности и тепловой нагрузки.
Наиболее распространенный срок жизни LED, который заявляется в рекламных материалах -50000 часов, то есть более 5 лет при непрерывной работе. Понятно, что столь долгосрочных исследований никто не проводил: смена модельного ряда чипов происходит гораздо быстрее.
Достоверные данные о реальном сроке службы того или иного светодиодного светильника можно получить либо опытным путем, включив светильник на большой срок (т.е. непрерывно используя светильник в течение длительного времени), либо в
лабораторных условиях по специальной программе измерений. При этом в последнем случае можно добиться требуемых условий и произвести измерения в заданные промежутки времени в определенной последовательности, которой нельзя добиться в ручном режиме.
Существуют различные методы и возможности испытаний и анализа светодиодной продукции. По результатам ускоренных испытаний при разных температурах и токах определяется срок их службы с учетом разных тестовых режимов. Полученные данные объединяются в таблицу, которая позволяет прогнозировать срок службы компонентов в разных условиях эксплуатации.
Вместо измерения номинального срока службы лампы стандарт ЬМ-80 [2, 3] предписывает измерять, насколько снижается световой поток светодиодного источника через определенное количество часов его работы. Это значение описывает термин «спад светового потока».
Обратным по отношению к спаду светового потока является понятие стабильности светового потока. Термин «стабильность светового потока» является промышленным стандартом для обозначения доли светового потока, сохраняемой источником света в течение указанного времени, выраженной в процентах от исходного светового потока.
В данной работе на основании результатов полученных экспериментально в разных тестовых режимах, разработано алгоритмическое и программное обеспечение для моделирования стабильности светового потока светодиодов (рис. 1).
Таблица 1 - Параметры тестовых режимов
Рис. 1 - Схема алгоритма программы для ЭВМ
На протяжении 90 дней снимался световой поток с 24 светодиодов одной серии NVSL219B компании Nichia Corporation (Jp). Питание диодов осуществлялось номинальным током 700 мА, соответственно тепловой режим был в рекомендованных пределах (t = 57 0 C). На той же партии диодов снимались данные по изменению напряжения питания.
Еще одна партия из 24 штук той же серии испы-тывалась в нагруженном (разогнанном) режиме -1000 мА. Соответственно, при равном теплоотводе эта партия больше нагревалась (t = 110 0 C).
В обоих режимах испытания (табл. 1) регистрация светового потока (Лм) и напряжения (В) проводилась один раз в сутки с 24 светодиодов непрерывно в течение 2160 часов (90 дней).
Параметры Рабочий ресурс (ч.) Режим работы Питание (I-mA) Температура (t V)
L (лм) 0-2160 Номинальный 700 57 V
и (В) 0-2160 Номинальный 700 57 °с
L (лм) 0-2160 Нагруженный 1000 110 V
и (В) 0-2160 Нагруженный 1000 110 V
В результате получено четыре массива данных размерностью 90 *24.
После статистической обработки [4] экспериментальных данных устанавливается зависимость светового потока, мощности потребления от выработанного ресурса и рабочего режима (рис. 2).
Поскольку на начальном этапе испытаний (около 500 ч) наблюдается некоторый рост светового потока, для расчета принимаются во внимание данные после 500 часов работы.
Рис. 2 - Динамика изменения светового потока (Вт) от рабочего ресурса (ч) в номинальном режиме
В тестовом режиме, разработанной программы, был проведен компьютерный эксперимент по подбору математической модели [5] , позволяющей прогнозировать стабильность светового потока в долгосрочной перспективе. Известно, что измерение стабильности светового потока является критически важным для определения годности продуктов светодиодного освещения.
Световой поток, измеренный в начале испытаний, принимается за 100%. Изменение светового потока за время испытаний аппроксимируется экспоненциальной функцией:
Ь (Г) = в ехр(-ой), где Ьф - средний световой поток после / часов работы, а и в - коэффициенты, определяемые по данным измерений с использованием метода наименьших квадратов.
В режиме прогнозирования на выбранный период эксплуатации программа рассчитывает прогнозные значения светового потока, изменение его значения относительно первоначального значения, а также показывает уравнение математической модели и достоверность аппроксимации по критерию Я2 (рис.3).
Рис. 3 - Зависимость светового потока (Вт) от выработанного ресурса (ч) в режиме прогнозирования: Ь (г) = 198, 55ехр (-1Е-05П), Я2 = 0,9609
При суммарной наработке светодиода до 6160 часа в тестовом режиме стабильность светового потока сохраняется на уровне 5,7 % от начального значения.
По данным силы тока, напряжения питания и значений светового потока в программе рассчитывается потребляемая мощность и энергоэффективность, светоотдача (рис.4).
Программа позволяет по вышеописанному алгоритму тестировать изменение энергоэффективности светодиодов в зависимости от выработанного ресурса в разных тестовых режимах.
Таким образом, программное обеспечение, предложенное в данной работе, позволяет автоматизировать процесс тестирования светодиодов по значению стабильности светового потока и энергоэффективности в зависимости от выработанного ресурса в разных режимах испытания. Полученные результаты необходимы для предварительной оценки гарантийного срока эксплуатации светодиодов.
77
73
0 500 1000 1500 2000 2500
Рис. 4 - Динамика изменения энергоэффективности (Лм/ Вт) от выработанного ресурса (ч) в нагруженном режиме
Литература
1. Федеральный закон РФ от 23.11.2009 N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.zakonprost.ru/zakony/261-fz-ot-2009-11-23-ob.
2. ES TM-21-11: "Projecting Long Term Lumen Maintenance of LED Light Sources. [Электронный ресурс] - Режим доступа:
http://www.radiolocman.com/review/article.html?di=151014.
3. IES LM-80-08 «Стабильность светового потока светодиодных источников света. Методы измерений». [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://specelec.ru/reference-book/item/40-spravochnik-svetodiodnoe-osveschenie-3.html
4. Будникова И.К., Приймак Е.В. Вестник Казанского технологического университета, 17, 2, 319-322 (2014).
5. Будникова И.К., Приймак Е.В Вестник Казанского технологического университета, 17, 6, 270-274 (2014).
© И. К. Будникова, канд. техн. наук, доцент кафедры инженерная КГАСУ, ikbudnikova@yandex.ru; Е. В. Приймак, канд. хим. наук, доцент кафедры АХСМК КНИТУ, Lenaprima@yandex.ru; Г. В. Нам, ведущий специалист по ЮФО ООО «ТД ФЕРЕКС», nam@fereks.ru.
© I. K. Budnikova, Cand. tekhn. Sciences, associate professor of department engineering cybernetics of the Kazan. state power university, ikbudnikova@yandex.ru; E. V. Priymak, Cand. Sci. (Chemical), Assoc. Prof., Kazan National Research Technological University, lenaprima@yandex.ru; G. V. Nam, a leading expert on the UFO OOO «TD FEREX», nam@fereks.ru.
