CC BY
16
УДК 628.9
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ ПИТАНИИ СВЕТОДИОДНЫХ ЛАМП ОТ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Р.Х. ТУКШАИТОВ, В.Р. САЙФУТДИНОВА, Я.Ш. АЛХАМСС, Р.Р. ШИРИЕВ
Казанский государственный энергетический университет
Показано, что уменьшение количества гальванических элементов с трех до двух, а также дополнительное применение ограничительного резистора позволяет в несколько раз увеличить время работы светодиодных ламп с одним комплектом гальванических элементов и уменьшить деградацию в них светодиодов.
Предложено на основе люкс-амперных и люкс-часовых характеристик исследованных типов светильников и исходя из требований к длительности их непрерывной работы и уровню начальной освещенности осуществлять соответствующий выбор значения силы тока.
Ключевые слова: энергоресурсосбережение, освещенность, светодиодная лампа, гальванический элемент, время наработки, износ источника питания, деградация светодиодов.
Введение
В настоящее время ряд зарубежных фирм выпускает осветительные светодиодные устройства (СДУ) торговой марки «ERA», «YAGE» (лампы, светильники ручные, наголовные и др.) с количеством светодиодов от 1-2 до 3648, питаемых от батарей и аккумуляторов и предназначенных для шахтеров, геологов, спасателей, туристов, дачников и др. [1, 2]. При этом значительное количество светодиодных светильников до 90 % работает от трех гальванических элементов типа R03 AAA или R6 АА.
В момент включения питания данных типов светодиодных ламп (СДЛ) начальное напряжение батарей, в зависимости от количества в них светодиодов, снижается с 4,9-5,1 до 3,5-4,0 В. Однако и данный уровень напряжения оказывается все еще существенно выше номинального напряжения питания светодиодов белого цвета излучения. В силу экспоненциального характера вольт-амперной характеристики светодиодов это отклонение напряжения вызывает значительное увеличение силы тока в светодиодных лампах. По этой причине сила тока, протекающая в начальный период их эксплуатации, создает ошибочное представление у покупателей о высоких световых характеристиках, и это вызывает преждевременную деградацию светодиодов (СД). Одновременно также происходит ускоренный износ гальванических источников, который тем выше, чем больше СД содержится в светильнике. Между тем, согласно каталогу [1], фонари торговой марки «ERA», питаемые от маломощных гальванических элементов (ГЭ) типа R03 AAA, содержат до 36 СД, а от ГЭ типа R6 AA - до 48.
Поэтому имеется необходимость изыскания способов устранения отмеченных недостатков на основе изучения характера снижения освещенности светодиодных ламп во времени при питании их от разных типов и количества ГЭ.
© Р.Х. Тукшаитов, В.Р. Сайфутдинова, Я.Ш. Алхамсс, Р.Р. Шириев Проблемы энергетики, 2010, № 11-12
Кроме того, оптимальное сопряжение нагрузки с ГЭ также в ряде случаев открывает дополнительные возможности энергоресурсосбережения за счет существенного повышения длительности работы самых разных измерительных и световых приборов [3, 4].
Следует отметить, что при выборе оптимального режима работы СДЛ, если одним пользователям требуется большой световой поток в течение сравнительно короткого времени, то многим другим, наоборот, требуется длительное время работы лампы с одним комплектом ГЭ при сравнительно невысоких требованиях к уровню начальной освещенности.
Для обоснования времени замены гальванического источника питания осветительных приборов можно воспользоваться нормативами, представленными в СНиП 23-05-95 [5], согласно которым допустимый уровень освещенности хозяйственных площадок, садов административных округов, боковых аллей парковой зоны составляет 1-2 лк. Для аварийного освещения он принят еще меньшим - 0,2 лк.
Целью данного исследования является повышение времени наработки и снижения скорости деградации СД в переносных осветительных светодиодных устройствах с одним комплектом гальванических элементов.
Задачей данных исследований является обеспечение
энергоресурсосбережения на основе изучения характера снижения освещенности СДЛ во времени и выбора оптимальных режимов их эксплуатации.
Методика исследования
Для основных испытаний в качестве модели СДЛ взяли светодиодный фонарь с семью СД торговой марки ERA, питаемый от трех гальванических источников типа R03 ААА, а для дополнительных - с одиннадцатью и двадцать одним СД.
В работе проведен ряд серий опытов с обеспечением разных режимов работы СДЛ, однако для наглядности представлено лишь восемь основных. Из них в первых четырех сериях опытов определялась зависимость освещенности, обеспечиваемой СДЛ, от времени ее работы при питании от трех и двух гальванических элементов типа R03 ААА (мизинчиковые), а также от двух ГЭ типа R6 АА (пальчиковые) и R14. В этих опытах использовались ГЭ, в основном, торговой марки DAEWOO и PANASONIC с гарантийным сроком их хранения не менее двух лет. Необходимость этого обусловлена тем, что, согласно работе [4], фактором, определяющим электроемкость ГЭ, является не столько его марка, сколько гарантийный срок эксплуатации и величина нагрузки. Для упрощения изложения примем в дальнейшем наименования используемых типов солевых ГЭ приводить сокращенно в виде R03, R6, R14 и R20.
В последующих трех сериях опытов определялся характер снижения освещенности во времени, обеспечиваемый СДЛ, при допустимом ограничении начального значения силы тока дополнительными резисторами. Их сопротивление выбиралось таким образом, чтобы обеспечить большее время наработки ГЭ при практически допустимом уровне снижения начальной освещенности.
При изучении характера снижения светового потока СДЛ во времени, или ее так называемой люкс-часовой характеристики, определялась также сила тока на начальном этапе для получения представлений об уровне перегрузки ГЭ и СД.
В качестве минимально допустимого уровня освещенности выбрано значение в 1 лк на расстоянии 50 см, при котором, например в условиях
геологических и туристических палаток, еще сохраняется возможность удовлетворительного различения окружающих объектов, а при необходимости -успешной работы с рабочим дневником.
Минимальный начальный уровень освещенности взят условно равным 75100 лк, то есть на два порядка выше значения, обеспечиваемого в конце эксплуатации ГЭ. Данная освещенность реализована подбором дополнительных резисторов с сопротивлениями, равными 91 Ом при наличии трех ГЭ и 62 Ом при наличии двух.
В последней серии опытов люкс-амперные характеристики СДЛ во избежание теплового прожига СД определялись при кратковременной подаче напряжения питания с возрастающим шагом в 0,1-0,3 В от стабилизированного источника тока Б5-48. В сравнительном плане осуществлено изучение люкс-амперной характеристики СДУ с 7, 11 и 21 СД.
Измерение освещенности во всех опытах осуществлялось люксметром модели ТКА-ПКМ, а силы тока - с помощью зеркального миллиамперметра М1104 при верхнем пределе шкалы отсчета, равном 750 мА. Фотоприемник люксметра устанавливался на оптической оси СДЛ.
Для большей наглядности и устранения определенной «зашумленности» графиков количество экспериментальных значений на рисунках представлено в 2-3 раза меньше измеренных (40-90), в соответствии с ранее предложенными рекомендациями [5]. С этой же целью размеры маркеров выбраны меньше принятых. Кроме того, для лучшего выделения зависимостей, полученных при типовом количестве ГЭ (3 шт.), заливка их осуществлена черным цветом.
Результаты исследований и их обсуждение
На основе результатов первых четырех серий опытов получено, что при типовом способе питания СДЛ от трех ГЭ типа И03 начальная освещенность составляла 1820±54 лк, причем, в первые часы она уменьшилась в 3 раза, через 10 часов - почти в 100, а далее скорость ее снижения существенно снизилась.
В первые минуты эксплуатации СДЛ, питаемых от трех «мизинчиковых» ГЭ, сила разрядного тока достигала порядка 440 мА. При этом сила тока, протекающая через каждый СД, составляла около 63 мА, то есть превышала номинальное более, чем в 3 раза. Все это свидетельствует о том, что существующий режим питания СДЛ, использующей семь светодиодов, вызывает значительную перегрузку как ГЭ, так и СД и, соответственно, их ускоренный износ и деградацию.
Следует иметь в виду, что при проектировании ряда СДЛ с использованием трех ГЭ с более высокой электроемкостью, например типа И6 или И14, будет иметь место еще большая деградация СД.
В случае применения в светильнике меньшего количества светодиодов (п < 7), перегрузка ГЭ несколько снизится, а деградация СД, наоборот, значительно возрастет. Очевидно, по этой причине шесть СДУ из 49 [1], содержащие один СД, разработчики вынуждены были питать уже от двух ГЭ.
При использовании в СДЛ лишь двух ГЭ типа И03 освещенность в начальный период была в 3 раза меньше (620±27 лк), чем от трех, однако она по истечении 1,5 ч выравнивалась и далее начинала заметно превосходить относительно типового режима его питания. Через 20 часов непрерывной эксплуатации СДЛ кратность превышения освещенности достигала почти 10 и практически сохранялась в течение всего последующего периода измерений.
При принятии предельного порога освещенности, равным 1 лк, и использовании лишь двух ГЭ длительность их наработки возрастала с 70 до 156 ч, то есть почти в 2 раза, а начальная сила тока уменьшалась в 4 раза (до 105 мА). В результате этого сила тока, протекающая через каждый СД, была порядка 15 мА, то есть уже не превышала номинального его значения.
Следует отметить, что если использовать СДЛ с семью СД лишь для просмотра объектов в темных помещениях площадью 15 м2, то оно успешно может быть применимо до 156 ч непрерывной его эксплуатации. При минимальной освещенности в 1-2 лк еще могут быть прочитаны печатные тексты, надписи на приборах и указателях. В работе установлено, что после многократных циклов испытаний СДЛ (до 5-6) с 7 СД начальная освещенность светильника уменьшилась более чем в 1,5 раза.
Таким образом, питание СДЛ только от двух ГЭ вместо трех позволяет предотвратить существенный износ ГЭ, заметную деградацию СД и значительно повысить время его непрерывной работы с одним комплектом источника напряжения, то есть осуществить как энерго-, так и ресурсосбережение.
При использовании в СДЛ двух ГЭ, но с большей емкостью типа И6 и Ш4, время их наработки возрастало с 156 ч, соответственно, до 210 и 845 ч (таблица). Для обеспечения более высокого уровня начальной освещенности наиболее оправданно идти по пути увеличения в светильнике количества светодиодов и одновременного применения ГЭ с большей электроемкостью.
Таблица
Значение времени наработки гальванических элементов в зависимости от режима эксплуатации светодиодной лампы
Количество и тип гальванического элемента Сопротивление ограничительного резистора, Ом Время наработки, ч
Освещенность, лк
100 50 20 10 5 1
3xR03 AAA - 5,0 8,0 14 20 30 70
2xR03 AAA - 6,0 16 32 50 76 156
2xR6 AA - 11 37 52 83 112 210
2xR14 - 14 20 120 190 270 845
3xR03 AAA 91 7,0 37 47 51 60 90
2xR03 AAA 62 - 1,0 28 76 120 240
2xR6 AA 62 - 1,0 50 158 310 427
Для дальнейшего повышения времени наработки ГЭ питание СДЛ от трех ГЭ типа И03 осуществлено через резистор с сопротивлением 91 Ом, а от двух ГЭ типов И03 и Иб - 62 Ом. При этом начальная освещенность была почти на два порядка больше конечной и составила, соответственно, 90 и 65 лк (рис. 1).
Освещенность, обеспечиваемая СДЛ с тремя ГЭ типа И03 и ограничительным резистором, по истечении 8 ч начинала уже в 1,5 раза превосходить уровень, обычно достигаемый типовым режимом питания, то есть без резистора, а по истечении 20 ч - в 25 раз.
При подключении в доработанную схему питания СДЛ резистора с сопротивлением 62 Ом освещенность через 15 часов достигает уровня типового режима его эксплуатации и далее начинает превосходить в несколько десятков раз. При этом непрерывное время наработки СДЛ возрастает с 70 до 240 ч. В случае использования ГЭ с большей электроемкостью (типа И6) время наработки СДЛ возрастает почти в 4,5 раза (табл.).
Е, л к
■__ —
ч -■- 3xR03 R91 — 2xR03 R62 -▼— 2xR6 R62 Ом Ом Ом
1 ж. \ Ы ч —V--
О 50 100 150 200 250 300 350
t, ч
Рис. 1. Характер уменьшения освещенности в процессе разряда гальванических элементов
Из сравнительного анализа графиков, представленных на рис. 1, следует, что использование только двух ГЭ с ограничительным резистором обеспечивает существенное энергосбережение и повышение ресурса работы СДЛ.
Графики рис. 1 и данные таблицы позволяют пользователям СДЛ (геологам, туристам, спелеологам, дачникам и др.) выбрать методом интерполяции необходимый режим ее питания, обеспечивающий удовлетворительный уровень освещенности при максимально длительной работе ГЭ.
При необходимости некоторого увеличения освещенности можно выбрать резистор с меньшим сопротивлением или предусмотреть режим временного его отключения, однако положительный эффект будет проявляться лишь в первые часы эксплуатации новых ГЭ.
Воспроизводимость представленных на рис. 1 люкс-часовых зависимостей СДЛ была не ниже ±5% и обусловлена сравнительно высокой воспроизводимостью разрядных кривых ГЭ (на уровне ± 1,5-3%) [4]. На определенных их участках имеют место небольшие переходные процессы, которые наиболее наглядно проявляются при использовании ГЭ типа R14. Аналогичное явление ранее также наблюдалось при изучении разрядных кривых ГЭ на небольшие резистивные нагрузки [4].
Если при использовании трех ГЭ конечное напряжение разряда одного ГЭ составляет 0,85 В, то при использовании двух оно уменьшается лишь до 1,25 В. Последнее способствует сохранению целостности металлического корпуса ГЭ и предотвращению возможной утечки из них электролита.
При наличии в СДЛ 21 светодиода начальная сила тока составляла 580 мА, что свидетельствует о еще большем износе ГЭ, происходящем в первые часы его работы. Вместе с тем, сила тока в этой модели, протекающая через каждый СД, оказалась меньше номинального значения по причине еще большей перегрузки ГЭ. Емкость ГЭ типа R6 приблизительно только в 1,5 раза больше емкости ГЭ типа R03. Поэтому при большем количестве СД (до 48) в СДЛ, питаемой от трех ГЭ типа R6, износ ГЭ также будет значительным.
На рис. 2 показаны люкс-амперные характеристики трех типов СДЛ, позволяющие определить необходимую силу тока исходя из требуемого уровня начальной освещенности. Выбор начального уровня освещенности позволяет оценить требуемое значение силы тока с СДЛ, а далее, на основе ее вольт© Проблемы энергетики, 2010, № 11-12
амперной характеристики, можно приближенно вычислить сопротивление требуемого ограничительного резистора.
I, тЛ
Рис. 2. Характер уменьшения освещенности в процессе разряда разного типа гальванических элементов с ограничительными резисторами
Освещенность устройства, питаемого от электросети, обычно прямо пропорциональна количеству светодиодов. Между тем в наших исследованиях получено, что СДУ с наименьшим количеством СД обеспечивает освещенность, наоборот, приблизительно в 2,5 раза больше освещенности СДЛ, содержащей в 3 раза больше СД. Кажущееся противоречие обусловлено одновременным проявлением 2 факторов: превышением начальной силы тока номинального в 2,5 раза и высоким коэффициентом передачи светового потока оптической системы за счет размещения каждого СД в зеркальном рефлекторе. Углы излучения у данных СДЛ были одинаковыми и равными порядка 90с.
Освещенность, обеспечиваемая СДЛ с 11 СД, оказалась лишь в 1,5 раза меньше освещенности СДЛ с 21 СД. Это обусловлено несколько большим протеканием силы тока через СД за счет меньшей перегрузки гальванических элементов.
При работе СДЛ от аккумуляторов, для обеспечения энергосбережения и избежания преждевременного старения СД, также необходимо предусматривать их определенное сопряжение с источником питания.
Выводы
1. Питание многих осветительных светодиодных устройств от гальванических элементов разного типа осуществляется завышенным напряжением, что ведет, прежде всего, к их ускоренному износу, а также к постепенной деградации светодиодов. С уменьшением количества светодиодов в светодиодном устройстве присходит увеличение скорости их деградации.
2. Уменьшение в светодиодном устройстве количества гальванических элементов до двух вместо трех позволяет обеспечить номинальную нагрузку как для источника питания, так и светодиодов, и увеличить время наработки СДУ более, чем в 2 раза.
3. При пониженных требованиях к уровню освещенности открывается возможность значительного повышения времени наработки светодиодного
устройства за счет применения дополнительного резистора, величину которого следует выбирать исходя из допустимой степени уменьшения начального уровня освещенности.
4. Предложенные способы обеспечения энергоресурсосбережения светодиодных ламп могут найти применение для освещения жилья во многих сельских районах развивающихся стран Африки и Южной Азии, в которых до настоящего времени отсутствует электроснабжение, а также в условиях ликвидации чрезвычайных ситуаций (наводнения, землетрясения, техногенных аварий и т.д.).
Summary
It is shown that reduction of galvanic cells from 3 to 2 in LED lamps, and also additional application of the restrictive resistor allows to increase time of operating of light-emitting diode lamps in several times, by satisfactory reduction of initial light stream.
It is offered on the basis of lux-ampere and lux-time characteristic of investigated types lamp and to proceed from the reguirments of the duration of their continuous work and level of initial illumination, to carry out a choice of a current strength.
Key words: energy saving, illumination, the light-emitting diode lamp, a galvanic cell, time of operating, an overload, degradation of light-emitting diodes.
Литература
1. Каталог фонарей торговой марки ERA. 2007. 31 с.
2. Каталог фонарей торговой марки "YAGE". 2009. 32 с.
3. Тукшаитов Р.Х., Нигматуллин Р.Я., Недзвецкая Р.Я., Нуруллин Р.Г., Писклова Н.В. Повышение длительности работы кислородомера МАРК-302Т в теплоэнергетике на основе изучения энергоресурсов гальванических батарей типа 6F22 9B //Труды академэнерго. 2007. № 4. С. 54-62.
4. Недзвецкая Р.Я., Тукшаитов Р. Х, Нигматуллин Р.М, Писклова Н. В. Повышение продолжительности работы приборов на основе определения разрядных характеристик гальванических элементов типа R03 AAA и R6 AA // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2009. № 5-6. С. 126-131.
5. Естественное и искусственное освещение. СНиП 23-05-95. М.: ГУП ЦПП, 2003. 54 с.
6. Тукшаитов Р.Х. Основы оптимального представления статистических показателей на графиках, диаграммах и в таблицах. Казань: КГЭУ, 2006. 228 с. Поступила в редакцию 18 мая 2010 г
Тукшаитов Рафаил Хасьянович - профессор, заведующий кафедрой «Светотехника и медико-биологическая электроника» (СМБЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-79.
Сайфутдинова Вилия Равильевна - аспирант кафедры «Светотехника и медико-биологическая электроника» (СМБЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-79.
Алхамсс Ясер Шафик - аспирант кафедры «Светотехника и медико-биологическая электроника» (СМБЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-79.
Шириев Равиль Рафисович - доцент кафедры «Светотехника и медико-биологическая электроника» (СМБЭ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 519-42-79.
